任务1.1
太阳能电池的工作原理分析

任务目标

1.能力目标

1）能阐述半导体的特性。

2）能阐述N型和P型半导体的形成过程及特性。

3）能阐述PN结的形成过程及特性。

4）能阐述太阳能电池的工作原理。

5）能说明太阳能电池等效电路的组成。

2.知识目标

1）了解物体按导电性能的分类、我国太阳能资源的分布情况和太阳能发电的优缺点。

2）理解本征半导体的概念和共价键结构。

3.素质目标

1）培养学生利用网络查阅资料的能力。

2）培养主动学习的能力。

相关知识

为了更好地理解太阳能电池的工作原理，首先介绍半导体的基础知识。

1.1.1 半导体的基础知识

在自然界中，物质根据电阻率的大小被分为3类。电阻率为10 ^-6 ～10 ^-3 Ω·cm的称为导体，如钢、银、铝和铁等；电阻率为10 ^-3 ～10 ⁸ Ω·cm的称为半导体，如锗、硅、砷化镓及大多数的金属氧化物和金属硫化物；电阻率为10 ⁸ ～10 ²⁰ Ω·cm的称为绝缘体，如玻璃、橡胶和塑料等。半导体具有热敏特性、光敏特性，也可以掺入杂质，使之具有多种特性。利用半导体的光敏性可制成光电二极管、光电晶体管及光敏电阻等；利用半导体的热敏特性可制成各种热敏电阻；利用半导体的掺杂特性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管、场效应晶体管等。另外，半导体材料具有很强的光生伏特效应（简称光伏效应）。所谓光伏效应是指物体吸收光能后，其内部能传导电流的载流子的分布状态和浓度会发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。太阳能电池就是利用半导体材料的光伏效应，把光能直接转化成电能的。

1.共价键结构

在电子元器件中，使用最多的材料是硅和锗，硅和锗都是4价元素，其原子的最外层有4个电子，称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚，而且会分别与周围相邻的4个原子发生联系：它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面也时常出现在相邻原子的最外层电子轨道上。这样，相邻的原子就被共有的价电子联系在一起，称为共价键结构，如图1-1所示。

2.本征半导体

纯净的半导体称为本征半导体。在温度为0K（相当于-273.15℃）时，每一个原子的价电子均被共价键所束缚，不能自由移动。这样，本征半导体中虽有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体是不导电的。在温度升高或受到光辐射时，半导体共价键中的价电子并不像绝缘体共价键中的价电子那样依然无法自由移动，当半导体的价电子从外界获得一定的能量后，其中少数价电子便可挣脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位，称为空穴，如图1-2所示。此时原子因失掉价电子成为阳离子而带正电，或者也可以说空穴带正电。如果有一个自由电子从共价键中释放出来，就必定留下一个空穴。所以本征半导体中自由电子和空穴总是成对地出现，称为电子-空穴对。

一旦出现空穴，附近共价键中的价电子就能比较容易地填补进来，而在这个价电子原来的位置上就会出现一个新的空穴，其他价电子又可转移到这个新的空穴上。就这样不断填补，相当于空穴在运动一样。为了与自由电子的运动区别开来，把这种价电子的填补运动称为空穴运动。因此也可将空穴看成一种带正电的载流子，它所带的电荷量与电子相等，符号相反。由此可见，本征半导体中存在两种载流子，即自由电子和空穴。本征半导体在外加电场作用下，两种载流子的运动方向相反，而形成的电流方向相同。

在本征半导体中，自由电子与空穴是同时产生且数目相等的。自由电子在运动过程中若与空穴相遇，则会填补空穴，此时一个电子-空穴对即消失，这个过程叫作复合。在一定条件下，本征半导体中同一时刻产生的电子-空穴对和复合的电子-空穴对数量相等，达到动态平衡，而电子-空穴对也由此维持一定的数目。

导体中只有自由电子，而半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这也是导体与半导体导电方式的不同之处。

3.P型半导体

在本征半导体（由硅或锗制成）中掺入3价元素硼后，由于硼的价电子只有3个，它的3个价电子分别与相邻的3个硅或锗原子的价电子组成共价键后仍然缺少一个价电子，所以很容易吸引相邻硅或锗原子上的价电子而产生空穴，这就使得半导体中的空穴增多，导电能力增强，这种半导体主要依靠空穴来导电，故称为空穴型半导体或P型半导体，如图1-3所示。在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

4.N型半导体

在本征半导体中掺入5价元素磷后，由于磷原子中有5个价电子，它们与相邻的4个硅或锗原子的价电子组成共价键后，仍留下一个剩余价电子。这个价电子不受共价键的束缚，只受自身原子核的吸引，而这种吸引比较弱，所以这个价电子在室温下就可以被激发为自由电子，同时杂质原子也变成带正电荷的阳离子。因此在这种半导体中，自由电子数远大于空穴数。由于这种半导体主要靠自由电子导电，故称为电子型半导体或N型半导体，如图1-4所示。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

5.PN结

无论是N型半导体还是P型半导体，当它们独立存在时，对外都是呈电中性的。当将两种半导体材料连接在一起时，由于两侧的自由电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动，由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，即自由电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散。扩散到P区的自由电子会与空穴复合而消失，扩散到N区的空穴也会与自由电子复合而消失。复合的结果是在交界处两侧出现了不能移动的正负两种杂质离子组成的空间电荷区，这个空间电荷区称为PN结。PN结的形成示意图如图1-5所示。由于在交界处左侧出现了阴离子区，在右侧出现了阳离子区，因此形成了一个由N区指向P区的内电场（又称为势垒电场）。内电场的产生对P区和N区中多数载流子的相互扩散运动起阻碍作用。同时，在内电场的作用下，P区中的少数载流子（自由电子）和N区中的少数载流子（空穴）则会越过交界面向对方区域运动，这种在内电场作用下少数载流子的运动称为漂移运动。漂移运动使空间电荷区重新变窄，削弱了内电场强度。多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动最终会达到平衡，使PN结的宽度确定。

1.1.2 太阳能电池的工作原理

按照固体理论，晶体中的所有电子都具有一定的能量，每个电子具有的能量对应于能量坐标上的一个能级，能级从低到高依次排列。由于原子的内层电子受原子核束缚力较强，一般不参与导电，所以重点研究其最外层的价电子的能量状态。晶体中大量的电子按能级分布组成密集的能级带，称为能带。其中“价带”能级最低，“导带”能级最高。在温度为绝对零度时，绝大多数固态物质的价电子都被“冻结”充满于价带中，而价电子处于价带的物质呈现不导电的高电阻状态。随着温度升高和光辐射的作用，这些原本被“冻结”的价电子接收了外界的能量，便可跃迁到较高的能级中。处于导电状态的能级区域称为导带。导带与价带之间的区域称为禁带。研究表明，固体中电子的能量不是连续取值的，所以能带也并不连续。要导电就要有自由电子存在，因此自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度，单位是电子伏特（eV）。如硅的禁带宽度为1.12eV，锗的禁带宽度为0.66eV，砷化镓的禁带宽度为1.46eV。一般情况下，禁带非常窄的物质是导体，反之是绝缘体。各种物质内在结构的不同，决定了它们各自的能带也不同。绝缘体、半导体和导体的能带图如图1-6所示。

绝缘体禁带非常宽，在常温下，其绝大多数价电子都被束缚在价带中，不能参与导电，只有获得比禁带宽度对应的能量更高的能量，价电子才可跃迁到其导带中参与导电。导体无禁带，其价带和导带连接在一起，价电子可轻易进入导带，作为自由电子参与导电。在常温下，导体中的价电子几乎都会进入导带中。半导体禁带较窄，其特点是，处于价带中的价电子只要获得超过禁带宽度的能量即可跃迁到导带成为自由电子。

光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合结构的不同部位之间产生电位差的现象。其工作原理如下：当光照射到半导体表面时，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁带宽度 E _g 的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子-空穴对。这些被光激发的自由电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于光伏电池能量的自身损耗部分。因此，要实现光电转换的目的，就必须在自由电子和空穴复合之前把它们分开，这种分离作用靠PN结空间电荷区的内电场来实现。

PN结光生伏特效应的示意图如图1-7所示，当电子-空穴对在空间电荷区产生后，立即被内电场分离，自由电子被推向N区，空穴被推向P区。在N区中的电子-空穴对向PN结扩散时，一旦达到空间电荷区的边界，就立即受到内电场的作用，空穴被推入P区，而自由电子则被留在N区。P区中的自由电子则同样先扩散，后在内电场的作用下被推入N区，而空穴则留在P区。因此，在P区出现了过剩的空穴，在N区出现了过剩的自由电子，如此便在PN结两侧形成了正负电荷的积累，产生与内电场方向相反的光生电动势，也就是光生伏特效应。将半导体做成太阳能电池并外接负载后，光电流从P区经负载流至N区，负载即得到功率输出，太阳能便转换成电能。

从上以分析可知，太阳能电池的关键就在PN结上，PN结就像一堵墙，阻碍着自由电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接收光能，向N区移动，使N区带负电，同时空穴向P区移动，使P区带正电。这样才使得PN结两端产生电势差，即电压。单晶硅太阳能电池的开路电压一般为0.6V左右，工作电压约为0.5V。

1.1.3 太阳能电池等效电路

太阳能电池等效电路有理想形式和实际形式两种，如图1-8所示，图中 I _ph 为光电流，此值正比于太阳能电池的面积和入射光的辐照度。1cm ² 太阳能电池的 I _ph 值为16～30mA，随着环境温度的升高， I _ph 的值会略有上升。 I _D 为暗电流，当光电流的一部分流经负载 R _L 时，会在负载两端建立起端电压 U ，但这个电压反过来又正向偏置了PN结，因此会引起一股与光电流方向相反的暗电流 I _D 。暗电流方向与光电流方向相反，会抵消部分光电流。 I _L 为太阳能电池输出的负载电流。 U _OC 为太阳能电池的开路电压，是把太阳能电池置于100mW/cm ² 的光照下，且太阳能电池输出端开路（ R _L →∞）时所测得的输出电压值。太阳能电池的开路电压与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比，与太阳能电池面积的大小无关。温度每上升1℃， U _OC 值下降2～3mV，此值可用高内阻的直流毫伏计测量。 R _L 为电池的负载电阻。 R _s 为串联电阻，一般小于1Ω，主要由半导体材料的体电阻、金属电极与半导体材料的接触电阻、扩散层横向电阻以及金属电极本身的电阻4部分组成，其中扩散层横向电阻是串联电阻的主要形式。 R _sh 为旁路电阻，一般为几千欧，主要由太阳能电池表面污染、半导体晶体缺陷引起的边缘漏电及空间电荷区内的复合电流等原因产生。

R _s 和 R _sh 均为硅太阳能电池本身的固有电阻，相当于电池的内阻。一个理想的太阳能电池，因为串联的 R _s 很小、并联的 R _sh 很大，所以进行理想电路计算时，可将二者忽略不计而作为理想的太阳能电池看待，其等效电路只相当于一个电流为 I _ph 的恒流源与一个二极管并联，如图1-8a所示。此外，硅太阳能电池等效电路理论上还应包含由PN结形成的结电容和其他分布电容，但由于太阳能电池是直流设备，没有高频交流分量，因此可将这些电容忽略不计。

因此，流过负载的电流为

式中 I _O ——反向饱和电流，是在黑暗中通过PN结的少数载流子的空穴电流和自由电子电流的代数和；

U ——等效二极管端电压；

q ——电子电量， q =1.6×10 ^-19 C；

T ——热力学温度；

k ——玻耳兹曼常数， k =1.38×10 ^-23 J/K；

A ——二极管曲线因数，取值为1～2。

1.1.4 光伏发电的优缺点

1.光伏发电的主要优点

1）太阳能几乎取之不尽，用之不竭。地球表面接受的太阳辐射的总能量，是目前全球能源需求的1万倍，理论上只要在全球4%的沙漠安装光伏发电系统，就可以满足全球能源的需要。

2）应用范围广。太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方，就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的限制。

3）太阳能处处可得到，不必远距离运输，可避免长距离输电线路的损失。

4）不用燃料，运行成本很低。

5）几乎无机械转动部分，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳就能发电，加之光伏发电系统现在均采用自动控制技术，已基本不用人工操作。

6）发电过程中不易产生有污染的废弃物，是理想的清洁能源。

7）光伏发电系统建设周期短，方便灵活，可以根据负载的增减，任意添加或减少光伏阵列，避免浪费。

8）太阳能电池生产资料丰富。地壳中硅元素的储量仅次于氧元素，位列地壳中所有元素储量的第2位。

9）能量回收期短，能量增值效应明显。

2.光伏发电的主要缺点

1）能量密度低。尽管太阳投向地球的能量总和极其巨大，但由于地球表面积也很大，致使单位面积上能够直接获得的太阳的能量很小。

2）占地面积大。太阳能的能量密度低，使得光伏发电系统的占地面积很大，1MW光伏发电站的占地面积约需1万m ² 。

3）地面应用时有间歇性，在晚上或阴雨天会不能发电或发电量减少。

1.1.5 我国太阳能资源

太阳是以光辐射的方式将能量输送到地球表面的，每秒钟投射到地球上的能量约为1.757×10 ¹⁷ J，相当于5.25亿桶石油燃烧的能量，或者5000多亿t的标准煤（5.184×10 ¹¹ t）燃烧所发出的热量。

我国太阳能资源分布的主要特点是：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，其中青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；西部地区太阳年辐射总量高于东部地区，而且除西藏和新疆外，基本上是南部低于北部；南方多数地区云、雾、雨多，且在北纬30°～40°地区，太阳能资源随纬度变化的规律与一般情况下太阳能资源随纬度变化的规律相反，不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增加。按接受太阳辐照量的大小，我国大致上可分为5类地区。

（1）1类地区 全年日照时数为3200～3300h，辐照量在（670～837）×10 ⁴ kJ/（cm ² ·a）。相当于225～285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆东南部等地。这是我国太阳能资源最丰富的地区。

（2）2类地区 全年日照时数为3000～3200h，辐照量在（586～670）×10 ⁴ kJ/（cm ² ·a），相当于200～225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此类地区为我国太阳能资源较丰富地区。

（3）3类地区 全年日照时数为2200～3000h，辐照量在（502～586）×10 ⁴ kJ/（cm ² ·a），相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部、天津、北京和台湾西南部等地。

（4）4类地区 全年日照时数为1400～2200h，辐照量在（419～502）×10 ⁴ kJ/（cm ² ·a）。相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，其春夏季多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。

（5）5类地区 全年日照时数约1000～1400h，辐照量在（335～419）×10 ⁴ kJ/（cm ² ·a）。相当于115～140kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州、重庆等地。此类地区是我国太阳能资源最少的地区。

1～3类地区的全年日照时数大于2000h，辐射量高于502kJ/（cm ² ·a），是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，其面积较大，约占全国陆地总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件。4、5类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。

任务实施

1）阐述PN结的形成过程。

2）阐述太阳能电池的工作原理。

3）阐述说明太阳能发电的优缺点。

4）说明所在地属于太阳能资源的哪类地区。 lkRIWHAOxPXX46MjVlR9J8ghTbxLRL50Z/+IxefMbtNA5+HAi1xyORc9gPD70HGb