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太阳能电池的工作原理基础是:半导体p-n绪的光生伏打效应。所谓光生伏打效应,简言之,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p-n结时,就会在p-n结的两边出现电压,叫光生电压。使p-n结短路,就会产生电流。
单晶硅的原子是接照一定的规律排列的。硅原子的外层电子亮层中有4个电子,如图l所示。
图1硅原子结构图
每个原子的外层电子都有固定的位置,并受原子核的约束。它们在外来能量的激发下,如在太阳光辐射时,就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子,并同时在它原来的地方留出一个空位,即半导体物理学中所谓的"空穴"。由于电子带负电,空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。如果在晶体硅中搂入能够俘获电子的棚、铝、嫁或锢等杂质元素,那么它就成为空穴型半导体,简称p型半导体。如果有硅晶体中掺入能够释放电子的磷、碑或锦等杂质元素,那么它就成了电子型的半导体,简称n型半导体。若把这两种半导体结合在一起,由于电子和空穴的扩散,在交界面处便会形成p-n结,并在结的两边形成内建电场,又称势垒电场。由于此处电阻特别高,所以也称为阻挡层。当太阳光照射p-n结时,在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子,相应地便产生了电子一一空穴对,并在势垒电场的作用下,电子被驱向n型区,空穴被驱向p型区,从而使n区有过剩的电子,p区有过剩的空穴;于是,就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场,如下图2所示。
图2太阳能电能级图
光生电场的一部分抵消势垒电场,其余部分使p型区带正电,n型区带负电;于是,就使得在n区与p区之间的薄层产生了电动势,即光生伏打电动势。接通电路时便有电能输出。这就是p-n结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并连起来,组成太阳能电池组体,在太阳光的照射下,便可获得相当可观的输出功率的电能。
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