太阳能-光伏效应

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在继续学习光伏效应的概念之前，我们必须了解 PN 结的一些基本知识。

PN结

PN结是由美国贝尔实验室的Russell发明的。它指的是两种半导体之间的结，即P型和N型。拉塞尔发现这两种半导体在连接处有一种有趣的Behave，仅导致一个方向的传导。

P 型半导体以空穴（无电子）作为多数载流子。N型半导体以电子作为多数载流子。

在上面给出的图中，在交界处 -

• 额外的电荷扩散到相对的结点，使得 p 侧的正电荷获得负电荷并将其中和。

• 同样，N 侧的负电荷会获得正电荷并将其中和。

• 这在两侧形成了余量（m），多余的电荷被耗尽，使该区域呈中性并处于平衡状态。该区域被称为耗尽层，两侧都没有电荷穿过。

• 耗尽层提供了势垒，因此需要外部电压来克服它。这个过程称为偏置。

• 为了在正向偏置中导通，所施加的电压应将电子（负）从 n 结泵送到结的 p 侧。电流的连续流动保证了电子不断移动以填充空穴，从而实现跨耗尽层的传导。

• 在称为反向偏置的过程中反转施加的电压会导致空穴和电子漂移分开，从而增加耗尽层。

• 外部负载连接到太阳能电池，正极端子连接到N侧晶圆，负极端子连接到P侧晶圆。光伏效应产生电势差。

由光子移位的电子获得的电流不足以产生显着的电势差。因此，电流被限制以引起进一步的碰撞并释放更多的电子。

光伏效应

太阳能电池利用 pn 结的概念来捕获太阳能。下图显示了半导体的费米能级。

为了使半导体导电，电子必须穿过从价带到导带的能隙。这些电子需要一些能量来移动并穿过价带间隙。在太阳能电池中，从太阳发出的光子提供了克服间隙所需的能量。

入射到表面的光子可以被吸收、反射或透射。如果它被反射或透射，它无助于驱逐电子并因此被浪费。因此，必须吸收光子以提供将电子移过价带并移动所需的能量。

如果 E _ph是光子的能量，EG 是跨越能隙的阈值能量，那么当光子撞击半导体表面时，可能的结果是 -

• E _ph < E _G - 在这种情况下，光子没有达到阈值，只会通过。

• E _ph = E _G − 光子具有驱逐电子并产生空穴电子对的精确阈值。

• E _ph > E _G - 光子能量超过阈值。这会产生电子-空穴对，尽管这是一种浪费，因为电子沿着能隙向下移动。

吸收太阳辐射

在大多数情况下，半导体的吸收系数用于确定吸收太阳能量的效率。系数低意味着吸收能力差。因此，光子走多远是吸收系数 ( α ) 和辐射波长 ( λ ) 的因素。

$$\alpha\:=\:\frac{4\pi k}{\lambda}$$

其中，k为消光系数。