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为什么阴暗多云天气不会影响太阳能光伏发电?

光伏电池组件  来源:科技领航人    2019/11/13 11:57:17  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:太阳能电池的发明,依赖于法国物理学家亚历山大·埃德蒙·贝克勒(1820-1891年)发现的一种称为光伏效应的现象。它与光电效应有关,光电效应是当光线照射到导电材料上时,电子会从导电材料中弹出。阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955年)因成功运用当时新的量子原理,来解释这一现象而获得1921年诺贝尔物理学奖。

与光电效应不同,光伏效应发生在两个半导体板的边界处,而不是单个导电板。当光线照射时,没有电子被实际弹出。相反,它们沿边界累积以创建电压。当您用导电线连接两个板时,电流将流入导线中。

爱因斯坦的伟大成就,以及他获得诺贝尔奖的原因,是认识到从光电板块中喷出的电子的能量取决于频率,其大小为波长的倒数,而不是像波理论所预测的那样,取决于光强度(振幅)。入射光的波长越短,光的频率越高,射出的电子拥有的能量就越多。同样,光伏电池对波长敏感,在光谱的某些部分对阳光的反应比其他部分更好。

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光电效应原来图

太阳能波长对电子能源的影响

爱因斯坦对光电效应的解释有助于建立光的量子模型。每个光束,称为光子,都是由振动频率决定的特性能量。光子的能量(E)由普朗克定律计算出:

E = hf,

其中 f 是频率,h 是普朗克的常数(6.626 × 10^(–34) 焦耳∙秒)。尽管光子具有粒子性质,但它也具有波的特性,对于任何波,其频率是其波长的倒数(此处用w表示)。如果光速为 c,则 f = c/w,可以修改普朗克定律:

E = hc/w

当光子在导电材料上碰撞时,它们与单个原子中的电子碰撞。如果光子有足够的能量,它们就会驱逐原子最外层中的电子。然后,这些电子可以自由通过材料循环。根据入射光子的能量,它们可能从材料中完全弹出。

根据普朗克定律,入射光子的能量与其波长成反比。短波长辐射占据光谱的紫色端,包括紫外线辐射和伽马射线。另一方面,长波长辐射占据红端,包括红外辐射、微波和无线电波。

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阳光包含整个光谱的辐射,但只有波长足够短的光才会产生光电效应或光伏效应。这意味着一部分太阳光谱的光子可用于发电。可见,光伏发电与阳光的明暗程度无关,只要有足够短的波长光就能满足发电要求。众所周知,高能紫外线辐射可以穿透云层,在多云天,意味着太阳能电池应也能发挥作用,事实上也是如此。

功函数和带隙

光子必须具有最小能量值,以激发足够的电子,使其脱离轨道,并允许它们自由移动。在导电材料中,这种最小能量称为功函数,并且每种导电材料都不同。与光子碰撞释放的电子的动能等于光子的能量减去功函数。

在光伏电池中,采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。在实践中,通常使用单晶体材料(如硅),并使用不同的化学物质掺杂来制造这种结。例如,用硅晶体掺杂少量锑元素形成N型半导体,用硅晶体掺杂少量硼形成了P型半导体。被撞击出轨道的电子聚集在PN结附近,并增加了穿过PN的电压。将电子撞击出轨道并进入传导带的阈值(临界值)能量称为带隙,它类似于功函数。

最小波长和最长

要想在太阳能电池的PN结中产生电压,入射辐射必须超过带隙能量。对于不同的材料,这是不同的。对于硅来说是1.11电子伏特,它是太阳能电池最常用的材料。一电子伏特 = 1.6 × 10^(-19 )焦耳,因此带隙能量为 1.78 × 10^(-19) 焦耳。重新整理普朗克( Plank) 方程,求解波长,就可告诉您对应于此能量的光的波长:

w = hc/E = 1110 纳米(1.11 × 10^(-6) 米)

可见光的波长在400至700纳米之间,因此硅太阳能电池的带宽波长在接近红外波段。任何波长较长的辐射,如微波和无线电波,都缺乏从太阳能电池发电的能量。

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太阳能发电原理简图

任何能量大于1.11 eV 的光子都可以将电子从硅原子中驱逐出,并将其送入传导带。然而,在实践中,极短波长的光子(能量超过3 eV)将电子从传导带中释放出来,使它们无法正常形成可控的电流。太阳能电池板的光电效应能否获得有用的波长阈值,取决于太阳能电池的结构、其构造中使用的材料和电路特性。

太阳能波长和电池效率

简而言之,只要波长高于用于制造光伏电池的材料的带隙,光伏电池对整个光谱的光很敏感,但波长极短的光被浪费掉,这是影响太阳能电池效率的因素之一。另一个是半导体材料的厚度,如果光子必须在材料中长距离传播,它们会因与其他粒子的碰撞而失去能量,并且可能没有足够的能量来驱逐电子。

影响效率的第三个因素是太阳能电池的反射率。一定比例的入射光从光伏电池表面反射,从而不会与光伏电池材料内的电子相接触,丧失了撞击电子机会。为了减少反射率的损失并提高效率,太阳能电池制造商通常为电池涂上非反射、吸收光的材料。这就是为什么太阳能电池通常是黑色的原因。

原标题:为什么阴暗多云天气,不会影响太阳能光伏发电?

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