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太阳能电池工作原理

大科学 ransiwen 2年前 (2016-11-02) 493次浏览 已收录 0个评论

太阳能电池工作原理

将光子转换为电子

计算器和人造卫星上使用的太阳能电池都是光伏电池或者模块(模块就是一组通过电路连接并封装在一个框架内的电池)。光伏电池(Photovoltaics),顾名思义(photo=光, voltaic=电),是指将太阳光转换为电能的电池。光伏电池之前只用在太空中,而现在却越来越普及,且使用方式也越来越普通。它们甚至可以为您的住宅供电。这些装置是如何工作的呢?

光伏(PV)电池由半导体材料制成,比如硅就是目前最常用的一种半导体。当光照射电池时,有一部分光会被半导体材料吸收。这意味着吸收的光能将传给半导体。能量会导致电子逸出,使它们可以自由流动。光伏电池中还有一个或多个电场,可以迫使由光吸收并释放的电子以一定方向流动。电子的流动形成电流,通过在光伏电池的顶部和底部安放金属触点,我们可以将电流引出来,以供使用。例如,电流可以为计算器供电。此电流以及电池电压(由内部电场产生)决定了太阳能电池的功率(或者瓦特数)。

这是发电的基本过程,但是实际情况要复杂得多。让我们来深入研究一个光伏电池的示例:单晶硅电池。

硅有一些特别的化学特性,尤其是它的晶体结构。硅原子含有 14 个电子,排列在三个不同的核外电子层中。距离原子核最近的头两个电子层完全填满。而最外层电子则处于半满状态,只有四个电子。硅原子始终会想方设法填满最外面的电子层(即希望有八个电子)。为此,它会与相邻硅原子的四个电子共享自身的电子,这就好比每个原子与周围原子握手一样,只是在这种情况下,每个原子有四只手与四个邻居相握。这就形成了晶体结构,该结构对于这种类型的光伏电池具有重要的意义。

现在,我们已经了解了纯晶体硅。纯硅是一种性能很差的导体,因为它的电子不能像铜这样的导体中的电子那样自由移动。硅中的电子被全部锁在晶体结构中。太阳能电池中的硅结构已经过稍稍调整,以便它能作为太阳能电池来工作。

太阳能电池使用的硅混有杂质——其他原子与硅原子混在一起,这样会稍稍改变硅的工作方式。我们通常认为杂质是某种不好的东西,但在这个例子中,如果没有这些杂质,电池就无法工作。实际上,这些杂质是有意添加到硅中的。考虑硅与一个位置不定的磷原子在一起的情况,也许每一百万个硅原子配上一个磷原子。磷原子的外电子层有五个电子,而不是四个。它仍然要与硅周围的原子结合,但从某种意义上讲,磷原子有一个电子是不与任何原子握手的。它没有成为键的一部分,但是磷原子核中的正质子会使其保持在原位上。

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。不过,留在纯硅中的电子数量极少,因此没有太大的用处。而将纯硅与磷原子混合起来,情况就完全不同了。此时,只需很少的能量即可使磷原子的某个“多余”的电子逸出,因为这些电子没有结合到共价键中——它们的邻居不会将它们拉回。因此,大多数这类电子会成为自由电子,这样,我们就得到了比纯硅中多得多的自由载流子。有意添加杂质的过程被称为掺杂,当利用磷原子掺杂时,得到的硅被成为 N 型(“n”表示负电),因为硅里面有很多自由电子。与纯硅相比,N 型掺杂硅是一种性能好得多的导体。

实际上,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。

在将 N 型硅与 P 型硅放到一起时,有趣的情形发生了。切记,每块光伏电池至少有一个电场。没有电场,电池就无法工作,而此电场是在 N 型硅和 P 型硅接触的时候形成的。突然,N 侧的自由电子(它们一直在寻找空穴来安身)看到了 P 侧的所有空穴,然后便疯狂地奔向空穴,将空穴填满。

以前,从电的角度来看,我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子(空穴)由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在 N 型硅和 P 型硅的交界处混合时,中性就被破坏了。所有自由电子会填充所有空穴吗?不会。如果是这样,那么整个准备工作就没有什么意义了。不过,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。

太阳能电池工作原理

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。它就像一座山——电子可以轻松地滑下山头(到达 N 侧),却不能向上攀升(到达 P 侧)。

这样,我们就得到了一个作用相当于二极管的电场,其中的电子只能向一个方向运动。让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。

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。电子流动提供电流,电池的电场产生电压。有了电流和电压,我们就有了功率,它是二者的乘积。

太阳能电池工作原理

我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量?遗憾的是,此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为 25%左右,通常的吸收率是 15%或更低。为什么吸收率会这么低?

可见光只是电磁频谱的一部分。电磁辐射不是单频的——它由一系列不同波长(进而产生的一系列能级)组成。(有关电磁频谱的详细介绍,请参阅狭义相对论基本原理。)

光可分为不同波长,我们可以通过彩虹看出这一点。由于射到电池的光的光子能量范围很广,因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。它们只是穿过电池,就像电池是透明的一样。但其他一些光子的能量却很强。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(除非光子的能量是所需能量的两倍,并且可以创建多组电子空穴对,但这种效应并不重要)。仅这两种效应就会造成电池中 70%左右的辐射能损失。

为何我们不选择一种带隙很低的材料,以便利用更多的光子?遗憾的是,带隙还决定了电场强度(电压),如果带隙过低,那么在增大电流(通过吸收更多电子)的同时,也会损失一定的电压。请记住,功率是电压和电流的乘积。最优带隙能量必须能平衡这两种效应,对于由单一材料制成的电池,这个值约为 1.4 电子伏特。

我们还有其他能量损失。电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们可以在电池底部镀上一层金属,以保证良好的导电性。但如果我们将电池顶部完全镀上金属,光子将无法穿过不透光导体,这样就会丧失所有电流(在某些电池中,只有上表面而非所有位置使用了透明导体)。如果我们只在电池的两侧设置触点,则电子需要经过很长一段距离(对于电子而言)才能抵达接触点。要知道,硅是半导体,它传输电流的性能没有金属那么好。它的内部电阻(称为串联电阻)相当高,而高电阻意味着高损耗。为了最大限度地降低这些损耗,电池上覆有金属接触网,它可缩短电子移动的距离,同时只覆盖电池表面的一小部分。即使是这样,有些光子也会被网格阻止,网格不能太小,否则它自身的电阻就会过高。

在实际使用电池之前,还要执行其他几个步骤。硅是一种有光泽的材料,这意味着它的反射性能很好。被反射的光子不能被电池利用。出于这个原因,在电池顶部采用抗反射涂层,可将反射损失降低到 5%以下。

最后一步是安装玻璃盖板,用来将电池与元件分开,以保护电池。光伏模块由多块电池(通常是 36 块)串联和并联而成,以提供可用的电压和电流等级,这些电池放在一个坚固的框架中,后部分别引出正极端子和负极端子,并用玻璃盖板封上。

太阳能电池工作原理

单晶硅并非光伏电池中使用的唯一材料。电池材料中还采用了多晶硅,尽管这样生产出来的电池不如单晶硅电池的效率高,但可以降低成本。此外,还采用了没有晶体结构的非晶硅,这样做同样是为了降低成本。使用的其他材料还包括砷化镓、硒化铟铜和碲化镉。由于不同材料的带隙不同,因此它们似乎针对不同的波长或不同能量的光子进行了“调谐”。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。

有了光伏(PV)模块,我们该如何利用呢?如何利用太阳能来为房间供电?尽管它并非像随便在屋顶放置一些模块那样简单,但也不是特别复杂。

首先,并非每个屋顶都有合适的朝向或倾斜角度可以充分利用太阳能。北半球的无轨道光伏系统应指向正南(这是方位)。它们应该以该地区纬度来设定倾斜角度,以便可以整年吸收尽可能多的能量。如果希望在上午或下午以及夏季或冬季获得尽可能多的能量,可以采用不同的方位、倾角。当然,不管在一天或者一年中的什么时间,模块决不能被附近的树木或者建筑物挡住。在光伏模块中,即使 36 块电池中只有一块被挡住了,发电量也会减少一大半。

如果您有一间房子,它的屋顶没有遮挡并且朝南,那么您还需要确定自己需要的系统规模。这是一项复杂的工作,因为发电量取决于天气情况,而天气从来都是不可完全预测的,并且您的用电需求也会随时发生变化。这些障碍很容易清除。气象数据会提供不同地理区域每月的平均日照水平。其中考虑了降雨和多云天气,以及纬度、湿度和其他更细微的因素。您在设计时应考虑到日照状况最差的月份,这样才能保证全年都有充足的电力供应。有了这个数据,并且清楚自己家里的平均用电需求(通过用电帐单即可得知每月的用电量),可以用一些简单的方法来确定您需要多少个光伏模块。此外,您还需要确定系统电压,这可以通过决定串联的模块数量来控制。

您可能已经猜到我们要解决的几个问题了。首先,在没有太阳光照射时我们应该怎么做?当然,如果可以选择的话,肯定没有人愿意接受只在白天并且只在晴朗的白天才有电的生活。我们需要能量存储装置——电池。遗憾的是,电池为光伏系统增加了很多成本和维护工作。但是在目前,电池还是一个必需品,因为只有这样才能完全摆脱天气的影响。绕开这个问题的一个方法是,将房子与电网相连,从而可以在需要电的时候买电,而在发电量超过需要时卖电。这样,电网实际上充当了一个巨大的能量存储系统。当然,这需要征得电网方面的同意,并且在大多数情况下,它们从您这里买电的价格将比它们售电的价格低得多。您还需要特殊的设备来确保出售给电网的电力与它们的电力同步——即共享相同的正弦波形和频率。安全性也是一个问题。电网需要确保如果在您的住宅附近出现断电,您的光伏系统不会向线路工人以为已经没有电的线路供电。这称之为隔离。

如果您决定使用电池,请切记电池是需要维护的,并且在一定年限之后需要更换。光伏模块应该可以使用 20 年或者更长的时间,但电池就没有这么长的寿命了。由于电池中存有能量且包含酸性电解液,光伏系统中的电池可能非常危险,因此您需要为它们提供一个通风良好的非金属外壳。

尽管常用的电池有好几种类型,但它们都有一个共同的特性,即它们都是深循环电池。与您的汽车电池(浅循环电池)不同,深循环电池可以释放出比存储电能还要多的电能,同时还能保持较长的寿命。汽车电池在很短的时间内会释放很大的电流来启动您的汽车,并且在您驾驶时立即充电。光伏电池通常需要经过较长的时段(如整夜时间)才会释放出较小的电流,并在整个白天进行充电。

最常用的深循环电池是铅酸电池(密封式和开口式)和镍镉电池。镍镉电池虽然价格昂贵,但使用寿命较长,并且可以更彻底地放电而不会对其性能造成损害。即使是深循环铅酸电池,在百分之百放电的情况下也不可避免地会严重缩短电池寿命。通常来说,光伏系统中铅酸电池的放电率不会超过 40%到 50%。

另外,使用电池时还需要安装充电控制器。如果能够妥善使用电池,避免过度充电或过度消耗,那么电池的寿命会长得多。这正是充电控制器要做的工作。一旦电池充满电,充电控制器就不再允许电流从光伏模块继续流入电池中。同样,一旦电池电量消耗到一定水平(通过测量电池电压来控制),很多充电控制器将不允许更多的电流继续从电池流出,直至对电池进行重新充电。充电控制器的使用对延长电池寿命起到了重要作用。

另一个问题是,由光伏模块产生的电以及从电池中提取(如果您选择使用电池)的电都是直流电,而电网所供应的电(以及您房间中各种家用电器使用的电)是交流电。因此您需要一个换流器,这是一种能将直流电转换为交流电的设备。大多数大型换流器还允许您自动控制系统的工作方式。有些名为交流模块的光伏模块实际上在每个模块中内置了一个换流器,因而无需使用大型的集中型换流器,并简化了接线问题。

太阳能电池工作原理

配备了安装硬件、接线、接线盒、接地设备、过电流保护、直流和交流断路器以及其他附件之后,您就有了一个自己的系统。安装时必须遵守电气法规(《美国国家电气法规》(National Electrical Code)中有一个针对光伏系统的条款)。强烈建议由在光伏系统方面有经验的持证电工来完成安装工作。安装完成之后,光伏系统几乎不需要维护(尤其在不使用电池的情况下),并可在 20 年或者更长的时间里提供清洁、安静的电能。

既然光电是这么好的一种免费能源,那么为何全世界没有都靠太阳能来发电呢?有些人对太阳能抱有一种错误的观念。尽管太阳光确实是免费的,但光伏系统发的电并不是免费的。从我们对家用光伏系统的讨论中您可以看到,这个系统需要很多硬件。目前,一个安装好的光伏系统的成本约为每峰瓦 9 美元。为了让您对家用发电系统的成本有一个概念,让我们来看一看太阳房——一幢位于北卡罗莱纳州罗利市的模型住宅,北卡罗莱纳州太阳能中心在其中安装了光伏系统,以展示这项发电技术。这是一幢相当小的住宅,据估计,它的 3.6 千瓦光伏系统将满足总电力需求的一半(该系统没有使用电池,而是与电网相连)。尽管如此,以每瓦特 9 美元的价格来计算,安装这个系统将花费您大约 32,000 美元。

光伏系统之所以通常用于远离传统电源的偏远地区,原因就在于此。现在,它确实无法与电网竞争。不过,随着研究工作的深入,太阳能发电的成本将会下降。研究人员相信,总有一天,市区的光伏系统的成本效益会同偏远地区一样。部分问题在于,必须大规模生产才能尽可能地降低产品成本。而只有产品价格降到有竞争力的水平,才会产生对光伏系统的需求。这就陷入了进退两难的境地。即便如此,需求量和模块效率还是在不断地提高,产品价格也在不断地下降,全世界也越来越关注传统电源所带来的环境问题,所有这些都为光电技术带来了光明的前景。


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