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关于太阳能电池的工作原理及各种材料的研究
关于太阳能电池的工作原理及各种材料的研究
机电工程学院 测控10-2班 彭雍淇摘要:
太阳能电池的材料,主要是要产生光伏效应
这个过程的实质是,光子的能量转换为电能的过程。
在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷或者砷,锑等,构成N型半导体。
在纯净的硅晶体中掺入少量的3价杂质硼或者铝,镓等,构成P型半导体。
在P—N结内,由于两边分别聚集了正电荷和负电荷,会产生一个有正电荷指向负电荷的电场,该电场成为内建电场或成势垒电场。
在P—N结两侧形成了正负电荷积累,形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外,还使P型层带正电,N型层带负电,因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”,即光伏效应。
用优质的纯净单晶硅掺合少量杂质磷,硼等构成P—N结半导体可以轻松的实现光电转换,而且成本较传统的蒸汽发电低,而且绝对无环境污染。
关键字:
太阳能电池 半导体材料 光伏效应 P-N结半导体 “光生电子—空穴”对
引言:
耗了三天时间,搜集了各类太阳能电池的相关科学资料,总结一下对太阳能电池的研究心得。
随着人口的增加,经济的发展,全球能源需求越来越大,不幸的是,人类目前绝大部分能源都来自不可再生的能源,我们每一个人,都应该有这样一种担忧,若我们再不想办法开发新能源,或者加大力度开发新能源,等到石油,天然气,煤等耗尽后,怎么办?
我首先能想到的,也是最容易利用的,恐怕只有太阳了。据科学资料显示,太阳的寿命终究比地球长,也就是说,太阳能,对我们人类来讲,是绝对的取之不尽用之不完的。
太阳能是直接的热能,可人类大量需要的,恐怕要数电能了,那么,怎么把热能转换为电能呢?以前我们有蒸汽发电的历史,把煤燃烧产生的热使水沸腾,用蒸汽推动汽轮机,带动发电机发电。可以看出,这套装置虽然容易实现,发电也很直接,但存在以下明显缺点:
费时费力,造价昂贵。
又大量消耗煤这种不可再生资源。
燃烧化石燃料产生大量硫化物,氮化物等进入大气,严重污染环境。
浪费煤,煤是优质的化工原料,制塑料,制化纤,均可用煤,直接烧掉岂不可惜?
正文:
于是,在众多新生能源中,太阳能,潮汐能,地热能,生物能纷纷出现,个人在太阳能转换为电能的原理以及材料上查看了许多科学资料。
首先,什么是太阳能电池? 即太阳能电池是一种对光有响应并且能将光能转化为电能的器件。要了解太阳能电池的原理是怎样的,那就要先了解用于制作太阳能电池的主要材料极其制作流程。
太阳能电池的材料,主要是要产生光伏效应,能产生光伏效应的材料有多种,单晶硅,多晶硅,砷化镓,硒铟铜等等,他们发光的基本原理是:
P型晶体硅通过掺杂磷可以得到N型硅,形成P-N结,当光线照射太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收,光子的能量传递给了硅原子,使电子发生跃迁,成为自由电子在P-N结两侧聚集,最终形成电势差。当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的功率。
这个过程的实质是,光子的能量转换为电能的过程。
具体的说,就是硅原子的外层,电子壳层中,有4个电子,受到原子核的束缚较小,如果获得足够的能量,就会摆脱硅原子核的束缚而成为自由电子,并同时在原来位置留下一个空穴,因为电子带负点,所以空穴带正电。
在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。在硅晶体中,每个硅原子周围有4个相邻的原子,并和每一个相邻原子共有两个价电子,形成稳定的8电子壳层。从一个硅原子中分离出一个电子需要1.12ev的能量,该能量成为硅原子的禁带宽度,被分离出来的电子是自由的传导电子,它能自由移动并传送电流。
如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷或者砷,锑等,由于磷原子共有5个价电子,所以一个磷原子与4个硅原子结合成共价键时,还多余一个价电子,这个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子,所以一个掺入5价杂质的4价半导体,就成为电子导电类型的半导体,也称为N型半导体。
在N型半导体中,除了由于掺入的杂质而产生大量的自由电子以外,还有由于热激发而产生的“电子—空穴”对,然而空穴的数目对于电子来说是极少的。
所以N型半导体中,空穴的数目很少,称为少数载流子,而电子的数目很多,成为多数载流子。
同样如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂质如硼,铝,镓,铟等,这些三价杂质原子最外层只有三个价电子,当它与相邻的硅原子形成共价键时,还缺少一个电子,因而在共价键上出现一个空穴,因此掺入3价杂质的半导体,也成为P型半导体。
对于P型半导体,空穴是多数载流子,而电子是少数载流子。若将P型半导体和N型半导体紧密结合在一起,由导电类型相反的两块半导体之间过渡区域,成为P—N结,在P—N结两边,由于P型半导体空穴很多,电子很少,而在N型半导体内,空穴很少,电子很多,由于交接面两端,电子和空穴的浓
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