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电气与电子工程学院 School of Electrical and Electronics Engineering 新能源发电与并网技术 光伏发电 （2） 主讲人：朱晓荣 2.4 太阳能光伏电池 2.4.1 光伏发电的原理 1、光伏效应的物理基础 孤立原子中的电子运行于若 干个具有不同能级的轨道 上，不同轨道上的电子具有 不同的能量。处于低能级轨 道上的电子由于某种机制获 得能量后可跃迁到高能级轨 道，高能级轨道的电子返回 低能级轨道时会释放能量。 新能源发电与并网技术 电气与电子工程学院 2 2.4.1 光伏发电的原理 众多原子组成的晶体中，由 于多个原子的高能级电子轨 道产生交叉，电子可以为多 个原子共有并在原子中迁 移，从而使本来处于同一能 量状态的电子产生微小的能 量差异，与此对应的能级扩 展为能带。 新能源发电与并网技术 电气与电子工程学院 3 2.4.1 光伏发电的原理 禁带：能带之间不允许电子占据的范围。 满带：被电子占满的能带。 空带：无任何电子占据的能带。 价带：与价电子能 级相对应的能带。 导带：价带以上未 被电子填满的能带 或空带。 禁带宽度：导带底 的能级Ec和价带顶 的能级Ev间的能量 间隔Eg称为禁带宽 度，或带隙。 新能源发电与并网技术 电气与电子工程学院 4 2.4.1 光伏发电的原理 不同材料的带隙不同，导带中电子的数目也不同，从而有不 同的导电性。 绝缘材料二氧化硅的 Eg约为5.2eV ，导带中 的电子极少，所以导 电性能不好。 半导体硅的Eg约为 1.1eV，导带中有一定 数目的电子，从而有 一定的导电性。 金属的导带和价带有 能带结构示意图 一定的重合，Eg=0， 所以导电性好。 新能源发电与并网技术 电气与电子工程学院 5 2.4.1 光伏发电的原理 一个光子所携带的能量： 1.24 E λ λ：光子的波长（um ），E：能量（eV ）。 材料中吸收光子的过程具有以下特点： (1) 光子被吸收的前提是其能量必须超过材料的带隙能量Eg。 (2) 能量超过带隙能量Eg的光子只能产生一个电子空穴对， 其余的能量将损失在材料中并转换为热。 (3) 取决于材料如厚度等特性，能量低于带隙能量Eg的光一 部分转化为热，一部分则穿材料而过。 新能源发电与并网技术 电气与电子工程学院 6 2.4.1 光伏发电的原理 2、PN结的形成 本征半导体 因激发而产生的电子和空穴的数目是相等的。 新能源发电与并网技术 电气与电子工程学院 7 2.4.1 光伏发电的原理 P型半导体：在晶体硅中掺入硼、铝、镓等三价杂质元素。 空穴数远大于自由电子数，为主要载流子（多子 ）。硼原子 捕捉电子形成负离子。 新能源发电与并网技术 电气与电子工程学院 8 2.4.1 光伏发电的原理 N型半导体：在晶体硅中掺入磷、砷或锑等五价杂质元素。 自