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【光伏基础知识】路灯太阳能电池板为什么可以
时间: 2016-11-26 10:01 浏览次数:
路灯太阳能电池板产生电的效应叫光生伏特效应简称为光伏效应,指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有好几种,主要
   路灯太阳能电池板产生电的效应叫光生伏特效应简称为光伏效应,指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有好几种,主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以P-N 结为例说明。
 
   热平衡态下的 P-N 结
 
   P-N 结的形成:
 
   同质结可用一块半导体经掺杂形成 P 区和 N 区。由于杂质的激活能量ΔE 很小,在室温下杂质差不多都电离成受主离子 NA-和施主离子 ND+。在 PN 区交界面处因存在载流子的浓度差,故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间,在 N 区的电子为多子,在 P 区的电子为少子,使电子由 N 区流入 P 区,电子与空穴相遇又要发生复合,这样在原来是 N 区的结面附近电子变得很少,剩下未经中和的施主离子 ND+形成正的空间电荷。同样,空穴由 P 区扩散到 N 区后,由不能运动的受主离子 NA-形成负的空间电荷。在 P 区与 N 区界面两侧产生不能移动的离子区(也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层),于是出现空间电偶层,形成内电场(称内建电场)此电场对两区多子的扩散有抵制作用,而对少子的漂移有帮助作用,直到扩散流等于漂移流时达到平衡,在界面两侧建立起稳定的内建电场。
 
热平衡下 P-N 结模型及能带图
 
   光照下的 P-N 结
 
   P-N 结光电效应:
 
   当 P-N 结受光照时,样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因 P 区产生的光生空穴,N 区产生的光生电子属多子,都被势垒阻挡而不能过结。只有 P 区的光生电子和 N 区的光生空穴和结区的电子空穴对(少子)扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向 N 区,光生空穴被拉向 P 区,即电子空穴对被内建电场分离。这导致在 N 区边界附近有光生电子积累,在 P 区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡 P-N 结的内建电场方向相反的光生电场,其方向由 P 区指向 N 区。此电场使势垒降低,其减小量即光生电势差,P 端正,N端负。于是有结电流由 P 区流向 N 区,其方向与光电流相反。
 
   实际上,并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设 N 区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为 Lp,P 区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为 Ln。Ln+Lp=L 远大于 P-N 结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离 L 内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过 L 的电子空穴对,在扩散过程中将全部复合掉,对 P-N 结光电效应无贡献。
 
   光照下的 P-N 结电流方程:
 
   与热平衡时比较,有光照时,P-N 结内将产生一个附加电流(光电流)Ip,其方向与 P-N 结反向饱和电流 I0相同,一般 Ip≥I0。此时
 
I=I0e
qU/KT - (I0+Ip)
令 Ip=SE,则
I=I0e
qU/KT - (I0+SE)
开路电压 Uoc:
 
光照下的 P-N 结外电路开路时 P 端对 N 端的电压,即上述电流方程中 I=0 时的 U 值:
 
0=I0e
qU/KT - (I0+SE)
Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)
 
短路电流 Isc:
 
   光照下的 P-N 结,外电路短路时,从 P 端流出,经过外电路,从 N 端流入的电流称为短路电流 Isc。即上述电流方程中 U=0 时的 I 值,得 Isc=SE。
 
   Uoc与 Isc是光照下 P-N 结的两个重要参数,在一定温度下,Uoc与光照度 E 成对数关系,但最大值不超过接触电势差 UD。弱光照下,Isc与 E 有线性关系。
 
a)无光照时热平衡态,NP 型半导体有统一的费米能级,势垒高度为 qUD=EFN-EFP。
b)稳定光照下 P-N 结外电路开路,由于光生载流子积累而出现光生电压 Uoc不
再有统一费米能级,势垒高度为 q(UD-Uoc)。
c)稳定光照下 P-N 结外电路短路,P-N 结两端无光生电压,势垒高度为 qUD,
光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。
d)有光照有负载,一部分光电流在负载上建立起电压 Uf,另一部分光电流被
P-N 结因正向偏压引起的正向电流抵消,势垒高度为 q(UD-Uf)。

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