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光電池

光電池,是一種在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的半導(dǎo)體元件。

  定義

  1.是一種在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的半導(dǎo)體元件。光電池的種類很多,常用有硒光

  電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。主要用于儀表,自動(dòng)化遙測(cè)和遙控方面。有的光電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,這種光電池又叫太陽能電池。太陽能電池作為能源廣泛應(yīng)用在人造地衛(wèi)星、燈塔、無人氣象站等處

  2.光電池是一種特殊的半導(dǎo)體二極管,能將可見光轉(zhuǎn)化為直流電。有的光電池還可以將紅外光和紫外光轉(zhuǎn)化為直流電。光電池是太陽能電力系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)組成部分,太陽能電力系統(tǒng)在替代電力能源方面正有著越來越重要的地位。最早的光電池是用摻雜的氧化硅來制作的,摻雜的目的是為了影響電子或空穴的行為。其它的材料,例如CIS,CdTe和GaAs,也已經(jīng)被開發(fā)用來作為光電池的材料。有二種基本類型的半導(dǎo)體材料,分別叫做正電型(或P型態(tài))和負(fù)電型(或N型態(tài))。在一個(gè)PV電池中,這些材料的薄片被一起放置,而且他們之間的實(shí)際交界叫做P-N結(jié)。通過這種結(jié)構(gòu)方式,P-N結(jié)暴露于可見光,紅外光或紫外線下,當(dāng)射線照射到P-N結(jié)的時(shí)候,在P-N結(jié)的兩側(cè)產(chǎn)生電壓,這樣連接到P型材料和N型材料上的電極之間就會(huì)有電流通過。一套PV電池能被一起連接形成太陽的模組,行列或面板。用來產(chǎn)生可用電能的PV電池就是光電伏特計(jì)。光電伏特計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是沒有污染,只需要裝置和陽光就可工作。另外的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是太陽能是無限的。一旦光電伏特計(jì)系統(tǒng)被安裝,它能提供在數(shù)年內(nèi)提供能量而不需要花費(fèi),并且只需要最小的維護(hù)。

  光電池也叫太陽能電池,直接把太陽光轉(zhuǎn)變成電。因此光電池的特點(diǎn)是能夠把地球從太陽輻射中吸收的大量光能轉(zhuǎn)化換成電能。

  2發(fā)展歷史

  1839年,安托石-貝克雷爾制造出了最早的光電池。貝克雷爾電池是一個(gè)圓柱體,內(nèi)裝硝酸鉛溶液,溶液中進(jìn)入一個(gè)鉛陽極和一個(gè)氧化銅陰極。這種電池一經(jīng)陽光照射,就會(huì)供給電流。

  1875年,德國(guó)技師維爾納-西門子是制成第一個(gè)硒光電池,并提議用于光量測(cè)定。西門子的光電池是根據(jù)1873年英國(guó)人史密斯發(fā)現(xiàn)的“內(nèi)光電效應(yīng)”提出的。

  L.H.亞當(dāng)斯于1876年指出,硒在光的作用下,不僅出現(xiàn)電阻的變化,而且在一定條件下還出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì),從而發(fā)現(xiàn)了“阻擋層效應(yīng)”。阻擋層效應(yīng)則成了光電池的基本原理。光電池被廣泛地用于自動(dòng)控制技術(shù)、信息電子學(xué)和測(cè)量技術(shù)。這些元件的性能約自1950年起,因半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而得到顯著改善。

  3構(gòu)造

  A.單層光電池(Single-layerSolarCell):

  光電池像“三明治(Sandwich)",外兩層是保護(hù)層,中間的一層是主體,由

  硅(Silicon)物質(zhì)組成。

  硅原子中的“外層繞軌電子(Orbitelectron)”比較松動(dòng),易被「擊(Bombard)」出。

  這和用硅制造「半導(dǎo)體(電晶體)」的考慮是一樣的。再就是「硅」到處都是,

  便宜,而且“物性”穩(wěn)定。

  光(Light)是由「光子(Photon)」連續(xù)不斷自太陽(Sun)射來。

  白光中有「紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫」7色頻率(Frequency)的

  “成份光(componentlight)”?,F(xiàn)今商用「光電池」所依賴的是「紅光頻率」。

  光電池的表面,只讓「紅色光通過」,將他色光一律反射出去。

  「紅光子(RedlightPhoton)」將“矽”中的「外軌電子(OrbitElectron)」

  釋出,由一導(dǎo)線引至轉(zhuǎn)換器(Inverter*)中,直流電變成交流電

  (AlternatingCurrent)。這種交流電與電力公司的供電一樣,可以「照明」、

  「熱水」、「烹飪」等用。

  *即“整流器(Rectifier)”的對(duì)等裝置。整流器可將交流電變成直流電。

  日間每家「產(chǎn)生」的電用不完,賣回給電力公司。晚間沒有電,向電力公司買!

  這樣,屋頂裝有「光電池」的家庭,每月只付有限的電費(fèi)。家居負(fù)?大為減輕。

  B.多層光電池(Multi-layerSolarCell):

  單只用一個(gè)頻率的光電池之效率很低。送至Mars火星上的Mover用的就是這種多層光電池(Multi-layerSolarCell)三年多了,運(yùn)轉(zhuǎn)仍好。

  4工作原理

  光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體pn結(jié)(pnjunction)的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池(solarcell)。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件(module),再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是較少受地域限制,因?yàn)殛柟馄照沾蟮?;光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)同期短的優(yōu)點(diǎn)。

  工作原理

  光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理,當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí),樣品對(duì)光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴,N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子,都被勢(shì)壘阻擋而不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)(少子)擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)能在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過結(jié)。光生電子被拉向N區(qū),光生空穴被拉向P區(qū),即電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累,在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個(gè)與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng),其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場(chǎng)使勢(shì)壘降低,其減小量即光生電勢(shì)差,P端正,N端負(fù)。于是有結(jié)電流由P區(qū)流向N區(qū),其方向與光電流相反。如果這時(shí)分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線,接通負(fù)載,則外電路便有電流通過,如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件,把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來,就能產(chǎn)生一定的電壓和電流,輸出功率。

  太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電,光伏發(fā)電系統(tǒng)主要

  太陽電池的等效電路

  由太陽能電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成,它們主要由電子元器件構(gòu)成,不涉及機(jī)械部件,所以,光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便。理論上講,光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級(jí)電站,小到玩具,光伏電源無處不在。以晶體硅材料制備的太陽能電池主要包括:單晶硅、多晶硅非晶硅和薄膜電池等。單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高,穩(wěn)定性好,但是成本較高;非晶硅太陽電池則具有生產(chǎn)效率高,成本低廉,但是轉(zhuǎn)換效率較低,而且效率衰減得比較厲害;鑄造多晶硅太陽能電池則具有穩(wěn)定得轉(zhuǎn)換的效率,而且性能價(jià)格比最高;薄膜晶體硅太陽能電池則還只能處在研發(fā)階段。鑄造多晶硅太陽能電池已經(jīng)取代直拉單晶硅成為最主要的光伏材料。但是鑄造多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽能電池,材料中的各種缺陷,如晶界、位錯(cuò)、微缺陷,和材料中的雜質(zhì)碳和氧,以及工藝過程中玷污的過渡族金屬被認(rèn)為是電池轉(zhuǎn)換效率較低的關(guān)鍵原因,因此關(guān)于鑄造多晶硅中缺陷和雜質(zhì)規(guī)律的研究,以及工藝中采用合適的吸雜,鈍化工藝是進(jìn)一步提高鑄造多晶硅電池的關(guān)鍵。量產(chǎn)的單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率在17%左右,多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率在16%左右。而薄膜電池量產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%左右。

  光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面:一是為無電場(chǎng)合提供電源,主要為廣大無電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力,還有微波中繼電源、通訊電源等,另外,還包括一些移動(dòng)電源和備用電源;二是太陽能日用電子產(chǎn)品,如各類太陽能充電器太陽能路燈和太陽能草坪燈等;三是并網(wǎng)發(fā)電,這在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施。我國(guó)并網(wǎng)發(fā)電還未起步,不過,2008年北京奧運(yùn)會(huì)部分用電將會(huì)由太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電提供。

  5太陽電池

  除了常用的單晶、多晶、非晶硅電池之外,多元化合物太陽電池指不是用單一元素半導(dǎo)體材料制成的太陽電池。各國(guó)研究的品種繁多,大多數(shù)尚未工業(yè)化生產(chǎn),主要有以下幾種:a)硫化鎘太陽能電池b)砷化鎵太陽能電池c)銅銦硒太陽能電池(新型多元帶隙梯度Cu(In,Ga)Se2薄膜太陽能電池)

  6分類

  直流電源可以分為電流電源,電壓電源,光電池的特性很接近理想電流電源的特性,可以認(rèn)為是理想電流電源。


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