一文看懂光伏电池的工作原理-千家网

来源：贤集网 2020-08-14

导读

将光能转换为电能是基于一种称为光伏效应的自然现象。当半导体材料暴露在光线下时，某些光线的光子会被半导体晶体吸收，从而在晶体中产生大量的自由电子。这是光伏效应而产生电力的基本原因。

光伏电池是系统的基本单元，利用光伏效应从光能中产生电能。硅是用于构造光伏电池的最广泛使用的半导体材料。

硅原子是四价电子。在固态晶体中，每个硅原子与另一个最接近的硅原子共享其四个价电子中的一个，从而在它们之间产生共价键。这样，硅晶体得到四面体晶格结构。当光线照射在材料上时，一部分光会被反射，而一部分则会透射通过材料，而其余部分则被材料吸收。

当光照射到硅晶体上时，也会发生同样的事情。如果入射光的强度足够高，则晶体会吸收足够数量的光子，这些光子又会激发一些共价键电子。这些激发的电子获得足够的能量，从而导带。由于这些电子的能级在导带中，因此它们从共价键离开，在每个被去除的电子后面的键中留下一个孔。这些自由电子在硅的晶体结构内随机移动。这些自由电子和空穴在光伏电池中至关重要。这些光产生的电子和空穴不能仅在硅晶体中产生电，除此以外还有一些其他的机制可以做到这一点。

当将诸如磷的五价杂质添加到硅中时，每个五价磷原子的四个价电子通过与四个相邻硅原子的共价键共享，并且第五价电子没有任何机会形成共价键。

然后，第五电子与其母原子相对松散地结合。即使在室温下，晶体中可用的热能也足够大，足以使这些相对较松散的第五电子与其母磷原子解离。尽管该第五个相对松散的电子与母体磷原子解离，但磷原子固定了正离子。上述解离的电子变得自由，但是在要重新缔合的晶体中没有任何不完全的共价键或空穴。这些来自五价杂质的自由电子随时准备在半导体中传导电流。尽管有许多自由电子，但是由于锁定在晶体结构内部的正磷离子的数量恰好等于从中出来的自由电子的数量，因此该物质仍然是电中性的。在半导体中插入杂质的过程称为掺杂，而掺杂的杂质称为掺杂剂。将其第五个自由电子提供给半导体晶体的五价掺杂剂称为施主。由施主杂质掺杂的半导体被称为n型或负型半导体，因为存在大量的自然带负电的自由电子。

五价磷原子可以像硼这样的三价杂质原子被添加到与半导体类型相反的半导体晶体中。在这种情况下，晶格中的一些硅原子将被硼原子替换，换言之，硼原子将占据晶格结构中被替换的硅原子的位置。硼原子的三个价电子将与三个相邻的硅原子的价电子配对以形成三个完整的共价键。对于该构型，每个硼原子将有一个硅原子，其第四价电子将找不到任何相邻的价电子来完成其第四共价键。因此，这些硅原子的第四价电子保持不成对并表现为不完全键。因此，不完全键中将缺少一个电子，因此不完全键总是吸引电子来弥补这种不足。

这种空缺在概念上称为正孔。在掺有三价杂质的半导体中，大量的共价键不断断裂以完成其他不完全的共价键。当一个键断开时，会在其中创建一个孔。当一个键完成时，其中的孔消失了。这样，一个孔似乎消失了另一个相邻的孔。这个孔在半导体晶体内部具有相对运动。鉴于此，可以说空穴也可以作为自由电子自由移动到半导体晶体内部。由于每个空穴都可以接受电子，因此三价杂质被称为受体掺杂剂，并且掺杂有受体掺杂剂的半导体被称为p型或正型半导体。

现在让我们来看硅晶体。当光线照射到晶体上时，晶体的一部分会吸收光，因此，一些价电子被激发并从共价键中出来，从而形成自由电子-空穴对。

如果光照射在n型半导体上，则来自此类光生成电子-空穴对的电子将无法迁移到p区域，因为由于穿过耗尽层的电场排斥，它们无法越过势垒。同时，光生空穴由于耗尽层的电场的吸引而越过耗尽区，在那里它们与电子复合，然后这里的电子的缺乏被p区的价电子所补偿，这使得在p区域中有尽可能多的孔。这样的光产生的空穴移动到被俘获的p区域，因为一旦它们到达p区域，由于势垒的排斥而不能回到n型区域。