光伏效应及其应用

摘要摘要：通过查阅文献，光伏效应可分为p-n结的光伏效应、异质结的光伏效应、肖特基势垒的光伏效应和体积光伏效应，本论文通过分析p-n结光伏效应的原理，及其光电特性，阐述了光伏效应在实际中的应用，光伏效应是光伏发电的基本原理它最重要的应用就是把太阳能转化为电能，对于太阳能发电技术的发展有着至关重要作用。关键词：光伏效应，p-n结，量子效率，光吸收引言光生伏特效应简称为光伏效应[1]，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相接触形成势垒，在光照下，激发光生载流子，注入到势垒附近，产生光生电压的现象。可分为p-n结的光生伏特效应，异质结的光生伏特效应，肖特基势垒的光生伏特效应和体积光生伏特效应。本论文主要研究p-n结的光生伏特效应。光生伏特效应最重要的应用就是把太阳能转化为电能。传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。1p-n结的光电特性同质结[2]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。在大多数实际应用中光是以垂直于p-n结的方向入射的，设入射光子的能量比半导体的禁带宽度大。吸收光子的结果在p-n结内和结外n区和p区材料中产生附加电子-空穴对。光伏效应中少数载流子浓度可以发生很大的相对变化，而多数载流子浓度实际上变化不大，多以少数载流子的作用很重要。在内建电场的作用下p-n结两边结区内光生少数载流子被加速而想相反的方向运动，p区的电子向n区，n区的空穴向p区，同时，在结外p区和n区中的光生电子和空穴由于存在浓度梯度而扩散。如果它们离开结区的距离小于相应的载流子扩散长度，则有一定数量的载流子扩散到结区而受到内建电场的作用。同样地内建电场将这些载流子分开。p区和n区的少数载流子被加速分别向n区和p区运动，而多数载流子则被内建电场排斥开，这样，就形成了从n区到p区的光生电流。在少数载流子的运动过程中，最后都变成了多数载流子，电荷分开的结果使在n区积聚电子，p区积聚空穴，它们抵消掉结区一部分空间电荷使p-n势垒降低，这样就相当于在p-n结加上一个正向电压V，这就是光生电动势[3]。这样的p-n结与外电路连接，就会有电流经过，原来的p-n结势垒降低Vb-qV，克服这个势垒的载流子会注入到另一区，变为少数载流子。光电压V和光电流I的大小取决于所接的外电路情形。在开路情形，所有被内建电场分来的载流子积聚于p-n结最大限度的补偿势垒，建立起最高光电压，即开路光电压[4]。短路的时候，被内建电场分开的载流子通过外路流动，不发生附加电荷的积聚，光电压为零，得到短路光电流。在外接电阻一定时，被内建电场分开的载流子一部分积聚于p-n结补偿势垒使势垒降低，而另一部分载流子则流经外电路。二极管的伏安特性电流：那么流过PN结的电流为：0I是反向饱和电流，pI是短路光电流。宽p-n结时情况比较复杂，必须考虑结区中非平衡载流子的复合产生和复合，宽p-n结光生伏特效应的经验公式可表示为0T=ln(1)'pIIVqI式中系数1，最常为=2，0'I为宽p-n结的反向饱和电流。2光谱特性不同能量范围的半导体材料的光吸收是不同的，因此光生伏特效应的光谱特性应首先取决于吸收系数光谱特性。因为p-n结中有内建电场，所以可以在光子能量明显低于禁带宽度时借助于隧道效应的吸收跃迁而产生电子-空穴对，即hgE时也可以产生p-n结的光生伏特效应，由于内建电场的存在，在本征吸收限以下的吸收系数以及光生电流近似地按指数式减少。0(exp()1)pqVIIIkT0(exp()1)jqVIIkT除了光吸收过程外光生伏特效应的强弱还应与一个光子所产生的电子-空穴对数目即量子效率有关。因此，量子效率随光子的能量的变化也影响光生伏特效应光谱曲线的形状吧。但因为穿隧道的几率小于1，所以量子效率也小于1，随着h的增加，量子效率也增高。在测量光生伏特效应的光谱特性时还必须考虑到无场区材料对光的吸收。到达p-n结结区的辐射可能与入射到器件上的光谱组成不同，因为能量较高的光子在表面层中被吸收很大部分。当p-n结余被照表面相平行二离开它的距离超过载流子扩散长度时，这种状况就成了很严重的问题。此外，在近表面层中产生的载流子可以在他它们能够到达结区和对光电压作出贡献之前就通过表面态二迅速的复合，这些都是导致量子效率以及光生伏特响应的降低，尤其是对高h是响应的影响较大。3光生伏特效应的应用如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。光生伏特效应的最大应用就是光伏发电，太阳能发电。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光生伏特效应的好友其他的应用，比如：1.用户太阳能电源：（1）小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；（3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。2.交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。3.通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。4.石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。5.家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。6.光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。7.太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。8.其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。光伏材料是能将太阳能直接转换成电能的材料。光伏材料又称太阳能电池材料，只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、Gags、CaA1As、InP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚处于开发阶段。目前致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳能电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件[5]。参考文献[1]余长青.光伏效应的产生机理及应用[J].黔南民族师范学院学报,2006,03:21-22+43.[2]姜节俭.光电物理基础[M].成都电讯工程学院出版社,1986.[3]沈学础.半导体光学[M].科学出版社,2002.[4]闫吉祥.光电子学基础[M],北京理工大学出版社,1998.[5]光伏效应[J].化工时刊,2012,05:39.