太阳能电池工作原理-电池的构造

电池的构造

以前从电的角度而言，我们所用的硅呈中性。磷中的多余质子中和了多余的电子。硼中缺失的质子中和了缺失的电子（空穴）。当 N 型硅和 P 型硅交界处的空穴和电子相混合时，中性被破坏。所有自由电子会将所有空穴填满吗？不会。若如此，那整个准备工作就毫无意义了。在交界处，它们会混合从而形成一道屏障，这道屏障使得 N 侧的电子抵达 P 侧变得越来越困难。最终会进入平衡状态，如此一来，我们便有了一个能够将两侧分开的电场。

光伏电池中的电场效应

这个电场等同于一个二极管，它能够允许电子从 P 侧流向 N 侧，甚至还能推动电子这样做，而不会让电子反向流动。它就好似一座山，电子能够很轻易地顺着山头滑落下去（从而到达 N 侧），但却无法朝着相反的方向向上攀爬（到达 P 侧）。

这样，我们得到了一个电场，其作用相当于二极管，在这个电场中，电子只能朝一个方向运动。接下来让我们看看在太阳光照射电池时会出现的情况。

光子形式的光撞击太阳能电池，其能量会使电子空穴对得以释放。

每个携带足够能量的光子通常能正好释放出一个电子，进而产生一个自由的空穴。倘若这在离电场足够近的位置发生，或者自由电子与自由空穴恰好处于它的影响范围之内，那么电场就会把电子送到 N 侧，把空穴送到 P 侧。这会致使电中性进一步遭到破坏。倘若我们提供一个外部电流通路，那么电子就会经由该通路，流向它们的原始侧（P 侧）。在原始侧，电子会与电场发送的空穴相合并，并且在流动的过程中做功。电子的流动能够提供电流，而电池的电场则会产生电压。有了电流和电压，我们便拥有了功率，功率是电流和电压的乘积。

光伏电池的工作原理

我们的光伏电池能吸收多少太阳光的能量呢？很遗憾，这里介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率最多也就是 25%左右，一般情况下的吸收率是 15%或者更低。为什么吸收率会这么低呢？

可见光仅仅是电磁频谱当中的一部分。电磁辐射并非是单频的，它是由一系列不同的波长所组成的，而这些不同的波长又会产生一系列不同的能级。（若想详细了解电磁频谱的相关内容，请查阅狭义相对论基本原理。）

光具有不同波长。我们能够通过彩虹来察觉到光的这一特性。因为射到电池上的光，其光子的能量范围较为宽泛。所以，有些光子没有足够的能量去形成电子空穴对。这些光子只是从电池中穿过，就仿佛电池是透明的一样。然而，另外一些光子的能量却比较强。要使电子逸出需要达到一定的能量，这个能量的单位是电子伏特（eV），并且是由电池材料决定的，对于晶体硅来说，约为 1.1eV。我们把这个能量值称作材料的带隙能量。如果光子的能量比所需能量多，那么多余的能量就会损失掉。除非光子的能量是所需能量的两倍，并且能够创建多组电子空穴对，但这种效应并不重要。仅这两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失。

我们为何不选择一种带隙很低的材料呢？这样就能利用更多的光子。然而很遗憾，带隙还对电场强度（电压）有决定作用。如果带隙过低，在增大电流（通过吸收更多电子）的同时，就会损失一定的电压。要记住，功率是电压和电流的乘积。最优带隙能量必须能够平衡这两种效应，对于由单一材料制成的电池来说，这个值大约为 1.4 电子伏特。

我们存在其他能量损失。电子需要通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们能够在电池底部镀上一层金属，以此来确保良好的导电性。然而，倘若我们将电池顶部全部镀上金属，光子就无法穿过不透光导体，进而会失去所有电流（在某些电池中，只是上表面使用了透明导体，而非所有位置）。如果仅在电池的两侧设置触点，那么电子抵达接触点需要经过很长一段距离（对于电子来说）。因为硅是半导体，其传输电流的性能不如金属好。硅的内部电阻（被称为串联电阻）相当高，而高电阻就意味着会有高损耗。电池上覆有金属接触网，目的是最大限度地降低损耗。金属接触网能缩短电子移动的距离，并且它只覆盖电池表面的一小部分。即便如此，仍有一些光子会被网格阻止，因为网格不能太小，若网格太小，其自身的电阻就会过高。

在实际使用电池之前，需要执行其他一些步骤。硅这种材料有光泽，也就意味着它的反射性能较为良好。被反射的那些光子无法被电池所利用。基于这个原因，在电池的顶部使用抗反射涂层，就能够把反射损失降低到 5%以下。

最后一步是安装玻璃盖板。玻璃盖板的作用是将电池与元件分开，从而保护电池。光伏模块由多块电池串联和并联而成，通常是 36 块，这样能提供可用的电压和电流等级。这些电池被放在一个坚固的框架中，后部会分别引出正极端子和负极端子，最后用玻璃盖板封上。

普通硅光伏电池的基本结构

单晶硅不是光伏电池中唯一使用的材料。电池材料采用了多晶硅，这种电池的效率不如单晶硅电池高，但能降低成本。同时还采用了非晶硅，它没有晶体结构，也是为了降低成本。使用的其他材料还有砷化镓、硒化铟铜和碲化镉。不同材料的带隙存在差异，所以它们像是针对不同波长或不同能量的光子进行了“调谐”。一种提升效率的途径是运用两层或者多层带隙不同的材料。将带隙较高的材料置于表面，用以吸收较高能量的光子；把带隙较低的材料放在下方，来吸收较低能量的光子。此技术能够大幅提高效率。这样的电池称为多接面电池，它们可以有多个电场。