太陽能電池(chi)的(de)工作(zuo)原(yuan)理 太陽能電池(chi)的(de)構(gou)造介(jie)紹

以(yi)前(qian)，從(cong)電的(de)角度來看，我們所(suo)用的(de)硅(gui)(gui)都是中性(xing)(xing)的(de)。多(duo)余的(de)電子(zi)被(bei)磷中多(duo)余的(de)質子(zi)所(suo)中和(he)。缺失(shi)電子(zi)（空(kong)(kong)穴(xue)）由(you)硼(peng)中缺失(shi)質子(zi)所(suo)中和(he)。當空(kong)(kong)穴(xue)和(he)電子(zi)在(zai)N型硅(gui)(gui)和(he)P型硅(gui)(gui)的(de)交(jiao)界處(chu)(chu)混合時(shi)，中性(xing)(xing)就被(bei)破壞了。所(suo)有自(zi)由(you)電子(zi)會填充(chong)所(suo)有空(kong)(kong)穴(xue)嗎？不會。如果是這樣，那么整個(ge)準備工作就沒有什么意義了。不過，在(zai)交(jiao)界處(chu)(chu)，它們確實會混合形成(cheng)一道(dao)屏(ping)障，使得N側(ce)的(de)電子(zi)越來越難(nan)以(yi)抵達P側(ce)。最終會達到平衡(heng)狀態，這樣我們就有了一個(ge)將兩(liang)側(ce)分(fen)開(kai)的(de)電場。

這(zhe)個(ge)電(dian)場相當于一個(ge)二極(ji)管(guan)，允許（甚至推動）電(dian)子從P側(ce)流向(xiang)N側(ce)，而(er)不是相反。它就像(xiang)一座山——電(dian)子可以(yi)輕松地滑(hua)下山頭（到達N側(ce)），卻不能向(xiang)上攀升（到達P側(ce)）。

這(zhe)樣，我(wo)們就得(de)到了一個作(zuo)用(yong)相當于二極管的(de)電(dian)場，其中的(de)電(dian)子只能(neng)向(xiang)(xiang)一個方(fang)向(xiang)(xiang)運動。讓我(wo)們來看(kan)一下(xia)在(zai)太陽光(guang)照射(she)電(dian)池(chi)時會發生(sheng)什么。

當光以光子的形式(shi)撞擊太(tai)陽(yang)能電(dian)池時，其能量會使電(dian)子空穴對釋放出來。

每個攜帶足(zu)夠(gou)能量的(de)光子(zi)(zi)通(tong)常會(hui)正(zheng)好釋放(fang)一個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)，從而產(chan)生(sheng)(sheng)一個自(zi)(zi)由的(de)空穴(xue)(xue)。如果這(zhe)發生(sheng)(sheng)在(zai)(zai)(zai)離電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)足(zu)夠(gou)近的(de)位置，或者(zhe)自(zi)(zi)由電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)和自(zi)(zi)由空穴(xue)(xue)正(zheng)好在(zai)(zai)(zai)它(ta)的(de)影響范圍之(zhi)內(nei)，則電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)會(hui)將電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)送(song)到N側，將空穴(xue)(xue)送(song)到P側。這(zhe)會(hui)導致電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)中(zhong)性(xing)進(jin)一步被(bei)破壞，如果我們(men)提供(gong)一個外(wai)部電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)通(tong)路(lu)，則電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)會(hui)經過該(gai)通(tong)路(lu)，流(liu)(liu)向它(ta)們(men)的(de)原(yuan)始側（P側），在(zai)(zai)(zai)那里(li)與(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)發送(song)的(de)空穴(xue)(xue)合并，并在(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)動的(de)過程中(zhong)做(zuo)功(gong)。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)流(liu)(liu)動提供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)產(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓。有了電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)和電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓，我們(men)就有了功(gong)率，它(ta)是二者(zhe)的(de)乘(cheng)積。

我們的(de)(de)光伏電池可以吸(xi)收(shou)多少(shao)太陽光的(de)(de)能量(liang)？遺憾的(de)(de)是(shi)，此處介(jie)紹的(de)(de)簡(jian)易電池對(dui)太陽光能量(liang)的(de)(de)吸(xi)收(shou)率至(zhi)多為25%左右(you)，通常的(de)(de)吸(xi)收(shou)率是(shi)15%或更(geng)低(di)。為什(shen)么(me)(me)吸(xi)收(shou)率會這么(me)(me)低(di)？

可見光只是(shi)電(dian)磁頻(pin)譜的(de)一部(bu)分。電(dian)磁輻(fu)射不是(shi)單頻(pin)的(de)——它由一系列不同(tong)波長(chang)（進而產生的(de)一系列能級）組成。（有關電(dian)磁頻(pin)譜的(de)詳細(xi)介紹(shao)，請(qing)參(can)閱狹義相對論基本原理。）

光(guang)可分為不(bu)同波長，我們(men)可以通(tong)過(guo)(guo)彩虹看出這(zhe)(zhe)(zhe)一(yi)點(dian)。由于(yu)(yu)射到(dao)電(dian)池(chi)的光(guang)的光(guang)子(zi)(zi)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)范(fan)圍很廣，因此有些光(guang)子(zi)(zi)沒有足(zu)夠的能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)來形成電(dian)子(zi)(zi)空穴(xue)(xue)對(dui)。它們(men)只(zhi)是(shi)穿過(guo)(guo)電(dian)池(chi)，就像電(dian)池(chi)是(shi)透明的一(yi)樣。但(dan)其他一(yi)些光(guang)子(zi)(zi)的能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)卻很強。只(zhi)有達到(dao)一(yi)定(ding)的能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang) -- 單位為電(dian)子(zi)(zi)伏特(te)（eV），由電(dian)池(chi)材(cai)料（對(dui)于(yu)(yu)晶(jing)體硅(gui)，約為1.1eV）決(jue)定(ding)——才能(neng)(neng)(neng)使電(dian)子(zi)(zi)逸出。我們(men)將這(zhe)(zhe)(zhe)個能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)值稱為材(cai)料的帶隙能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)。如果光(guang)子(zi)(zi)的能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)比所需(xu)的能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)多(duo)，則多(duo)余的能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)會(hui)損失掉（除非光(guang)子(zi)(zi)的能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)是(shi)所需(xu)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)的兩(liang)倍(bei)，并且(qie)可以創(chuang)建多(duo)組電(dian)子(zi)(zi)空穴(xue)(xue)對(dui)，但(dan)這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)效(xiao)應并不(bu)重要）。僅這(zhe)(zhe)(zhe)兩(liang)種(zhong)效(xiao)應就會(hui)造成電(dian)池(chi)中(zhong)70%左(zuo)右的輻射能(neng)(neng)(neng)損失。

為何我們不(bu)選擇一(yi)種帶(dai)隙(xi)(xi)很低的材料，以便利用更(geng)多(duo)的光子(zi)？遺憾的是，帶(dai)隙(xi)(xi)還(huan)決(jue)定了電(dian)場強度（電(dian)壓(ya)），如果帶(dai)隙(xi)(xi)過(guo)低，那么在增大電(dian)流（通過(guo)吸(xi)收更(geng)多(duo)電(dian)子(zi)）的同時，也(ye)會損失一(yi)定的電(dian)壓(ya)。請記住，功率是電(dian)壓(ya)和電(dian)流的乘積。最(zui)優帶(dai)隙(xi)(xi)能量必(bi)須能平衡這(zhe)兩種效應，對于由單一(yi)材料制成的電(dian)池，這(zhe)個(ge)值約(yue)為1.4電(dian)子(zi)伏特(te)。

我(wo)(wo)們還有(you)(you)(you)(you)其他能(neng)量損(sun)失(shi)。電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)必(bi)須通過外部(bu)電(dian)(dian)(dian)路從電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)一(yi)側(ce)(ce)流(liu)(liu)到另一(yi)側(ce)(ce)。我(wo)(wo)們可以(yi)在電(dian)(dian)(dian)池(chi)底(di)部(bu)鍍上(shang)(shang)一(yi)層金屬(shu)，以(yi)保證良好(hao)的(de)(de)導(dao)電(dian)(dian)(dian)性。但如果(guo)我(wo)(wo)們將(jiang)電(dian)(dian)(dian)池(chi)頂部(bu)完全鍍上(shang)(shang)金屬(shu)，光(guang)子(zi)(zi)將(jiang)無法穿過不透光(guang)導(dao)體(ti)(ti)，這樣(yang)就會喪失(shi)所有(you)(you)(you)(you)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)（在某些電(dian)(dian)(dian)池(chi)中，只(zhi)有(you)(you)(you)(you)上(shang)(shang)表(biao)面而非(fei)所有(you)(you)(you)(you)位置使(shi)用了透明(ming)導(dao)體(ti)(ti)）。如果(guo)我(wo)(wo)們只(zhi)在電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)兩側(ce)(ce)設置觸點，則電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)需要(yao)經過很(hen)長一(yi)段距離（對于電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)而言）才能(neng)抵達接(jie)觸點。要(yao)知道，硅是半導(dao)體(ti)(ti)，它(ta)傳輸電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)性能(neng)沒有(you)(you)(you)(you)金屬(shu)那(nei)么(me)好(hao)。它(ta)的(de)(de)內部(bu)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)（稱(cheng)為(wei)串聯電(dian)(dian)(dian)阻(zu)）相當高(gao)(gao)，而高(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)意(yi)味著高(gao)(gao)損(sun)耗。為(wei)了最大限度地降低這些損(sun)耗，電(dian)(dian)(dian)池(chi)上(shang)(shang)覆(fu)有(you)(you)(you)(you)金屬(shu)接(jie)觸網，它(ta)可縮短電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)移動的(de)(de)距離，同時(shi)只(zhi)覆(fu)蓋電(dian)(dian)(dian)池(chi)表(biao)面的(de)(de)一(yi)小部(bu)分。即使(shi)是這樣(yang)，有(you)(you)(you)(you)些光(guang)子(zi)(zi)也會被網格(ge)阻(zu)止，網格(ge)不能(neng)太小，否則它(ta)自身的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)就會過高(gao)(gao)。

在(zai)實際使(shi)用電池之前(qian)，還要(yao)執行其他幾(ji)個步驟(zou)。硅是一(yi)種有光澤的(de)材(cai)料(liao)，這意味(wei)著它的(de)反(fan)(fan)射(she)(she)(she)性能很好。被(bei)反(fan)(fan)射(she)(she)(she)的(de)光子不能被(bei)電池利用。出于這個原因(yin)，在(zai)電池頂部采(cai)用抗反(fan)(fan)射(she)(she)(she)涂層，可將反(fan)(fan)射(she)(she)(she)損失降低(di)到5%以下。

最后一(yi)步(bu)是安裝玻璃(li)蓋(gai)板(ban)，用來(lai)將電(dian)池(chi)與元件分開，以(yi)保護電(dian)池(chi)。光伏模(mo)塊由多塊電(dian)池(chi)（通常是36塊）串聯和并(bing)(bing)聯而成，以(yi)提供可(ke)用的電(dian)壓和電(dian)流等級，這些電(dian)池(chi)放在(zai)一(yi)個堅固的框架中，后部(bu)分別引出正極(ji)端子和負極(ji)端子，并(bing)(bing)用玻璃(li)蓋(gai)板(ban)封上。

單晶(jing)硅(gui)并(bing)非光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)(chi)中(zhong)使用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)唯(wei)一材(cai)料(liao)。電(dian)池(chi)(chi)材(cai)料(liao)中(zhong)還采用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)了多晶(jing)硅(gui)，盡管這樣生產出來的(de)(de)電(dian)池(chi)(chi)不(bu)如單晶(jing)硅(gui)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)效(xiao)率高(gao)(gao)(gao)，但可以(yi)降低成本。此(ci)(ci)外，還采用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)了沒有(you)(you)晶(jing)體結構的(de)(de)非晶(jing)硅(gui)，這樣做同(tong)(tong)樣是為(wei)了降低成本。使用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)其他材(cai)料(liao)還包括砷化(hua)鎵、硒(xi)化(hua)銦銅和(he)碲化(hua)鎘(ge)。由于(yu)不(bu)同(tong)(tong)材(cai)料(liao)的(de)(de)帶(dai)隙不(bu)同(tong)(tong)，因此(ci)(ci)它(ta)(ta)們似乎針(zhen)對不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)波長或(huo)(huo)不(bu)同(tong)(tong)能量的(de)(de)光(guang)子進(jin)行了“調諧”。一種提高(gao)(gao)(gao)效(xiao)率的(de)(de)方法是使用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)兩(liang)層或(huo)(huo)者多層具有(you)(you)不(bu)同(tong)(tong)帶(dai)隙的(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)材(cai)料(liao)。帶(dai)隙較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)材(cai)料(liao)放在表面，吸(xi)收較高(gao)(gao)(gao)能量的(de)(de)光(guang)子；而帶(dai)隙較低的(de)(de)材(cai)料(liao)放在下(xia)方，吸(xi)收較低能量的(de)(de)光(guang)子。這項技術可大大提高(gao)(gao)(gao)效(xiao)率。這樣的(de)(de)電(dian)池(chi)(chi)稱為(wei)多接面電(dian)池(chi)(chi)，它(ta)(ta)們可以(yi)有(you)(you)多個電(dian)場(chang)。