太陽能電池發電的主要原理是半導體的光電效應。硅原子有4個電子,如果在純硅中摻入有5個電子的原子如磷原子,就成為帶負電的N型半導體;若在純硅中摻入有3個電子的原子如硼原子,形成帶正電的P型半導體。當P型和N型結合在一起時,接觸面就會形成電勢差,成為太陽能電池。當太陽光照射到P-N結后,空穴由N極區往P極區移動,電子由P極區向N極區移動,形成電流。
制作時,多晶硅經過鑄錠、破錠、切片等程序后,制作成待加工的硅片。在硅片上摻雜和擴散微量的硼、磷等,就形成P-N結。然后采用絲網印刷,將精配好的銀漿印在硅片上做成柵線,經過燒結,同時制成背電極,并在有柵線的面涂一層防反射涂層,電池片就至此制成。電池片排列組合成電池組件,就組成了大的電路板。一般在組件四周包鋁框,正面覆蓋玻璃,反面安裝電極。有了電池組件和其他輔助設備,就可以組成發電系統。為了將直流電轉化交流電,需要安裝電流轉換器。發電后可用蓄電池存儲,也可輸入公共電網。發電系統成本中,電池組件約占50%,電流轉換器、安裝費、其他輔助部件以及其他費用占另外50%。
太陽能電池芯片
太陽能電池芯片是具有光電效應的半導體器件,半導體的PN結被光照后產生電流,當光直射太陽能電池芯片,其中一部分被反射,一部分被吸收。一部分透過電池芯片、被吸收的光激發被束縛的高能級狀態下的電子,使之成為自由電子,這些自由電子在晶體內向各方向移動,余下空穴(電子以前的位置)。空穴也圍繞晶體飄移,自由電子(-)在N結聚集,空穴(+)在P結聚集,當外部環路被閉合,電流產生。
發電原理
光生伏特效應:假設光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被接納,具有足夠能量的光子可以在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激起,致使發作電子-空穴對。界面層臨近的電子和空穴在復合之前,將經由空間電荷的電場結果被相互分別。電子向帶正電的N區和空穴向帶負電的P區運動。經由界面層的電荷分別,將在P區和N區之間發作一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅太陽能電池來說,開路電壓的典型數值為0.5~0.6V。經由光照在界面層發作的電子-空穴對越多,電流越大。界面層接納的光能越多,界面層即電池面積越大,在太陽能電池中組成的電流也越大。
太陽光照在半導體p-n結上,形成新的空穴-電子對,在p-n結電場的作用下,空穴由n區流向p區,電子由p區流向n區,接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。
當p型半導體與n型半導體緊密結合連成一塊時,在兩者的交界面處就形成p-n結。當光電池被太陽光照射時,在p-n結兩側形成了正、負電荷的積累,產生了光生電壓,形成了內建電場,這就是“光生伏打效應”。從理論上講,此時,若在內建電場的兩側面引出電極并接上適當負載,就會形成電流,負載上就會得到功率。太陽能電池組件就是利用半導體材料的電子學特性實現P-V轉換的固體裝置。