太阳能电池板特性及工作原理

太阳能电池板（Solarpanel）是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”，但因制作成本较大，以至于它普遍地使用还有一定的局限。相对于普通电池和可循环充电电池来说，太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。  

太阳能电池板特性  

太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一，作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。采用36片或72片多晶硅太阳能电池进行串联以形成12V和24V各种类型的组件。该组件可用于各种户用光伏系统、独立光伏电站和并网光伏电站等。  

电池片采用高效率（16.5%以上）的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。玻璃采用低铁钢化绒面玻璃（又称为白玻璃），在太阳电池光谱响应的波长范围内透光率达91%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。EVA采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。TPT太阳电池的背面覆盖物—氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。边框所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。  

太阳能电池板特性及工作原理  

太阳能电池板的工作原理  

通常应用的太阳电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件。它的基本构造是由半导体的P-N结组成。本章主要以最常见的硅P-N结太阳电池为例，详细讨论光能转换成电能的情况。  

众所周知，具有大量能够自由移动的带电粒子，容易传导电流的物体，称为导体。一般金属都是导体。例如，铜的电导率在106/（Ω.cm）左右，如果在1cmx1cmx1cm的铜立方体的两个对应面上加1V的电压，则这两个面之间将流过106A的电流。  

另一个极端是极不容易传导电流的物体，称为绝缘体，如陶瓷、云母、油脂、橡胶等。例如，石英（SiO2）的电导率在10-16/（Ω.cm）左右。  

导电性能介于导体和绝缘体两者之间的是半导体，其电导率在10-4～104/（Ω.cm）之间;而且半导体还可以通过加人少量杂质使其电导率在上述范围内变化;足够纯净的半导体，其电导率会随温度的上升而急剧增加。这些是最容易识别的半导体的特性。  

半导体可以是元素，如硅（Si）、锗（Ge）硒（Se）等;也可以是化合物，如硫化镉（Cds）、砷化镓（GaAs）等;还可以是合金，如Ga，AL1～XAs，其中x为0~1之间的任意数。许多有机化合物也是半导体。  

半导体的许多电学特性可以用种简单的模型来解释，硅的原子序数是14，所以原子核外面有14个电子，其中，内层的10个电子被原子核紧密地束缚住，而外层的4个电子受到原子核的束缚较小，如果得到足够的能量，就能使其脱离原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来的位置留出一个空穴。电子带负电，空穴带正电。硅原子核外层的这4个电子又称为价电子。  

在硅晶体中每个原子周围有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有2个价电子，形成稳定的8原子壳层。从硅的原子中分离出一个电子需要1.12eV的能量，该能量称为硅的禁带宽度。被分离出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。一个电子从原子中逸出后，留下了一个空位，称为空穴。从相邻原子来的电子可以填补这个空穴，于是造成空穴从一个位置移到了一个新的位置，从而形成了电流。电子的流动所产生的电流与带正电的空穴向相反方向运动时产生的电流是等效的。  

太阳能发电厂，通常被称为太阳能电池板，将太阳能直接转换为电能。在太阳能电池板中，太阳发射的光子将半导体材料的外部电子与原子键分开。当迫使电子沿相同方向移动时，可以产生电流以给电子设备供电或向电网输送电力。  

自1839年法国光伏发电理论以来，光伏发电一直是科学研究的主题之一。目前，随着美国——在日本和欧洲的主要研究团队加速各自太阳能系统的产业化，国际光伏产业市场不断扩大。  

尽管太阳能电池板发电系统的组件是不同的，但是所有组件都包括从光泽侧到后侧的若干层材料。太阳光首先穿过保护层（通常是玻璃），然后通过透明接触层进入电池内部。在组建的中心是吸附材料，其吸收光子以完成“光生电流”。其中的半导体材料取决于特定的PV系统要求。  

在吸附层材料下面是背金属层，其完成电路的传导。复合薄膜层位于背金属层下方，以提供防水且隔离的光伏模块。通常在PV模块的背面添加额外的保护层。保护层由玻璃——铝或塑料制成。  

半导体  

光伏系统中的半导体材料可以是硅——多晶膜或单晶膜。硅材料包括单晶硅——多晶硅和非晶硅。单晶硅具有规则的结构，其高于多晶硅的光电转换率。  

非晶硅中的硅原子是随机分布的，并且具有比单晶硅低的光电转换率。然而，它可以捕获更多的光子，同时向晶体硅添加锗或碳到非晶硅。合金化可以增强这种特性。  

铜铟硒（CIS）——碲化镉（CdTe）和薄膜硅是常用的多晶薄膜材料和具有高光电转换率的材料，如砷化镓（GaAs）。通常还包括单晶硅膜材料。这些材料由于其独特的性质而用于特定的光伏发电领域。这些特性包括：结晶度——带隙大小——吸收性能和易加工性。外部因素对半导体的影响晶体结构中原子的顺序决定了半导体材料的结晶度，并且太阳能电池板电池的电荷转移电流密度和能量转换效率受结晶度的影响。半导体材料的带隙是将电子从束缚态转变为自由态（即，允许电子传导）所需的少量能量。带隙尺寸通常用Eg表示，其描述了价带和导带之间的能量差。半导体材料的价带是低能级，并且导带是高能级。吸收系数用于表征特定波长的光子通过介质的距离，这决定了光子被介质吸收的能力。吸收系数由细胞材料和光子被吸收的波长决定。