光伏电能在城市路灯照明中的应用设计(17)

第二章 太阳能光伏电池和铅酸蓄电池的特性及原理

2.1 太阳能电池的结构及工作原理

太阳能电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片，当太阳光照射时，薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光生伏打效应（简称光伏效应），太阳能电池就是产生光生伏打效应（简称光伏效应）的半导体器件。通常由硅材料制成，因此，太阳能电池又称为光伏电池[9]。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置，1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，并首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8%。1973年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近十几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。由于单个太阳能电池功率极小，所以在实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。

硅太阳能电池的结构及工作原理：硅太阳能电池的外形及基本结构如图2-1。基本材料为P型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm左右。上表面为N+型区，构成一个PN＋结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N＋区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN＋结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N＋区，光生空穴留于P区，在PN＋结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N＋区，负载中就有功率输出。

太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区的光生电流对短波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源电流的5－10%（随N＋区厚度而变），PN＋结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5%左右。电池基体区域产生的光生电流对红外光敏感，占80－90%，是光生电流的主要组成部分。