太阳能电池的工作原理及其电池组件介绍

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（photovoltaic，缩写为pV），简称光伏。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。

太阳能电池发电是根据爱因斯坦的光电效应而运用于日常生活。黑体（太阳）辐射出不同波长（频率）的电磁波，如红、紫外线，可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高

，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。

太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、染料敏电池、有机材料电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅太阳电池的效率为25.0%，多晶硅太阳电池的效率为20.4%，单晶体硅薄膜太阳电池的效率为16.7%，非晶硅薄膜太阳电池的效率为10.1%

简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长（针对硅晶）的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。

太阳能电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用p型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成p型与N型半导体，再利用p型半导体有个电洞（p型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷），与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及p型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。

太阳能电池工作原理的基础是半导体pN结的光生伏打效应。

所谓光生伏打效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状

态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的pN结时，就会在pN结的两边出现电压，叫做光生电压。光生伏打效应：当光照射到pn结上时，产生电子--空穴对，在半导体内部p-N结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内部电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在p-n结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和p区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。

当把能量加到纯硅中时（比如以热的形式），它会导致几个电子脱离其共价键并离开原子。每有一个电子离开，就会留下一个空穴。然后，这些电子会在晶格周围四处游荡，寻找另一个空穴来安身。这些电子被称为自由载流子，它们可以运载电流。将纯硅与磷原子混合起来，只需很少的能量即可使磷原子（最外层五个电子）的某个“多余”的电子逸出，当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为N型（“n”表示负电），太阳能电池只有一部分是N型。另一部分硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有三个而不是四个电子，这样可得到p型硅。p型硅中没有自由电子（“p”表示正电），但是有自由空穴。空穴实际是电子离开造成的，因此它们带有相反（正）的电荷。它们像电子一样四处移动。电场是在N型硅和p型硅接触的时候形成的。在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达p侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。

这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从p侧流向N侧，而不是相反。当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到N侧，将空穴送到p侧。这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（p侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。

只有达到一定的能量单位为电子伏特（eV），由电池材料（对于晶体硅，约为1.1eV）决定才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉。

在电池顶部采用抗反射涂层，减少硅的反射损失

一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。带隙较高的材料放在表面，吸收较高能量的光子；而带隙较低的材料放在下方，吸收较低能量的光子。这项技术可大大提高效率。这样的电池称为多接面电池，它们可以有多个电场。如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将pN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和p区，使N区的费米能级比p区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时p-n结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定电位差的值。

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。

光热电转换

光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或特种相竞争。

光电直接转换

太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体（如太阳）辐射出不同波长（对应于不同频率）的电磁波，如红外线、紫外线、可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25.0%，多晶硅电池效率为20.4%，CIGS薄膜电池效率达19.6%，CdTe薄膜电池效率达16.7%，非晶硅（无定形硅）薄膜电池的效率为10.1%。

太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用p型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成p型与N型半导体，再利用p型半导体有个空穴（p型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷），与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及p型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。

简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长（针对硅晶）的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。

（1）钢化玻璃其作用为保护发电主体（如电池片），透光其选用是有要求的：1.透光率必须高（一般91%以上）；2.超白钢化处理。

（2）EVA用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片），透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命，暴露在空气中的EVA易老化发黄，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的，如EVA胶连度不达标，EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够，都会引起EVA提早老化，影响组件寿命。主要粘结封装发电主体和背板。

（3）电池片主要作用就是发电，发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片，两者各有优劣。晶体硅太阳能电池片，设备成本相对较低，光电转换效率也高，在室外阳光下发电比较适宜，但消耗及电池片成本很高；薄膜太阳能电池，消耗和电池成本很低，弱光效应非常好，在普通灯光下也能发电，但相对设备成本较高，光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点，如计算器上的太阳能电池。

（4）背板作用，密封、绝缘、防水（一般都用TpT、TpE等材质必须耐老化，大部分组件厂家都是质保25年，钢化玻璃，铝合金一般都没问题，关键就在与背板和硅胶是否能达到要求）。

（5）铝合金保护层压件，起一定的密封、支撑作用。

（6）接线盒保护整个发电系统，起到电流中转站的作用，如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，防止烧坏整个系统接，线盒中最关键的是二极管的选用，根据组件内电池片的类型不同，对应的二极管也不相同。

（7）硅胶密封作用，用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶，国内普遍使用硅胶，工艺简单，方便，易操作，而且成本很低。