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光生伏特效应

光生伏特效应,英文名称:Photovoltaic effect。光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。

光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器);侧向光生伏特效应(殿巴效应)--(可制作半导体位置敏感器件(反转光敏二极管)传感器);PN结光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器)。

利用太阳能的最佳方式是光伏转换,就是利用光伏效应,使太阳光射到硅材料上产生电流直接发电。

“光生伏特效应”( Photovoltaic effect),简称“光伏效应”。光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子(光波)转化为电子、光能量转化为电能量的过程;其次,是形成电压过程。有了电压,就像筑高了大坝,如果两者之间连通,就会形成电流的回路。

光伏材料能将太阳能直接转换成电能的材料。光伏材料又称太阳能电池材料,只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚处于开发阶段。目前致力于降低材料成本和提高转换效率,使太阳能电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争,从而为更广泛更大规模应用创造条件。

以硅材料的应用开发形成的产业链条称之为光伏产业,包括高纯多晶硅原材料生产、太阳能电池生产、太阳能电池组件生产、相关生产设备的制造等。

我国76%的国土光照充沛,光能资源分布较为均匀;与水电、风电、核电等相比,太阳能发电没有任何排放和噪声,应用技术成熟,安全可靠;除大规模并网发电和离网应用外,太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池、制氢等多种方式储存, 太阳能+蓄能,几乎可以满足中国未来稳定的能源需求。

太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源,发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划,光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。

光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统5个环节。上游为硅料、硅片环节;中游为电池片、电池组件环节;下游为应用系统环节。从全球范围来看,产业链5个环节所涉及企业数量依次大幅增加,光伏市场产业链呈金字塔形结构。

太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致,所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性的。如将P型硅或N型硅放在阳光下照射,仅是被加热,外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放,由此产生电子-空穴对,但在很短的时间内(在μS范围内)电子又被捕获,即电子和空穴“复合”。

当P型和N型半导体结合在一起时,在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层,界面的P型一侧带负电,N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴,N型半导体多自由电子,出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区,P区的空穴会扩散到N区,一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”,从而阻止扩散进行。达到平衡后,就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差,这就是P-N结。

至今为止,大多数太阳能电池厂家都是通过扩散工艺,在P型硅片上形成N型区,在两个区交界就形成了一个P-N结(即N+/P)。太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结。

如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收,具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发,以致产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前,将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离,将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说,开路电压的典型数值为0.5~0.6V。通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多,电流越大。界面层吸收的光能越多,界面层即电池面积越大,在太阳能电池中形成的电流也越大。

1839年,法国物理学家A.E.贝克勒尔意外地发现,用两片金属浸入溶液构成的伏打电池,受到阳光照射时会产生额外的伏打电势,他把这种现象称为光生伏打效应。1883年,有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源。

光电池(又称为光敏二极管),如硒光电池,硅光电池等都是利用光生伏特效应制成的半导体器件。光电池的优点是结构简单、使用方便、不需要外加电源就可以工作。它主要应用于光谱仪器的光接收器,光电转换、红外探测、光电开关等方面。

光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如P型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子-空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势。

有以下几种:

(1)光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的,硅光电池波长在0.8μm附近,硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm,而硒光电池只能为0.38~0.75μm。可见,硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。

(2)光照特性:光电池在不同光照度下,其光电流和光生电动势是不同的,它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系,开路电压(即负载电阻RL无限大时)与光照度的关系是非线性的,并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时,应把它当作电流源的形式来使用,不宜用作电压源。

(3)温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移,影响到测量精度或控制精度等重要指标,因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降的速度较快,而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响,因此把它作为测量元件使用时,最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。


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