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起底光伏发电的秘密

2020-02-27 14:12:17 来源:浙电e家 点击:591

【大比特导读】当太阳能电池片受到光照时,除了原本就自由的电子,原先稳定的电子,吸收了光子的能量,也真是给点阳光就灿烂,开始躁动,都想要重获自由,从而产生了许多带正电的空穴和带负电的自由电子。

时至今日,太阳能光伏发电已广泛应用于航天(卫星、航天器等)、交通(航标灯、交通信号灯等)、通讯(无人值守微波中继站、小型通信机等)等领域,光伏电站也大面积并网运行。

对于光伏发电,小伙伴们应该都不陌生,也能说出这是利用太阳能电池将光能转换成电能的一项技术。

那么,大家有没有想过太阳能电池又是怎么发电的呢?

1839年,法国人贝尔雷克在做研究的时候,发现光照能够使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这个现象被称为“光生伏特效应”,简称“光伏效应”。

1954年,美国人恰宾和皮尔松在贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池,诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。

好像还是不明白,那就来拆块太阳能电池看看~

Part1 太阳能电池的构造

我们先来看看太阳能电池的构造,它由两块硅板(N型硅板和P型硅板)压在一起构成的,形成“PN结”。结构基本上是这样:

哈?!PN结?

别急,一点点慢慢说。

我们都知道,原子是由原子核和核外电子构成,核外电子分成好几层围绕原子核运动。通常,最外层电子数为8个时,原子才会达到稳定状态。

我们的主角――硅,最外层电子只有4个。要达到稳定结构,还得再找4个电子。

从哪里找呢?可以和其他的硅一起凑一凑。

每个硅原子和相邻的4个硅原子共享电子对,形成“共价键”,这样每个原子核周围都有8个电子,稳稳的幸福。

硅的晶态结构宏观上呈银色、具有金属光泽。类似的元素还有碳、锗(最外层都是4个电子)。晶态构型的碳就是钻石。锗和硅一样,也是半导体材料。

但这里的电子,被稳稳地束缚住。纯净的硅晶体,是不导电的。

于是,我们往其中一块硅板里掺点磷,磷的最外层有5个电子,比硅多1个。每个磷都多一个电子,加在一起,这块板就会多出很多自由电子,形成N型硅板。

另一块呢,掺点硼,硼的最外层只有3个电子,比硅少1个。每个硼都少一个电子,加在一起,这块板,就会多出很多“空穴”,形成P型硅板。

接着,我们把两块板紧紧的压在一起,下面就是见证奇迹的时刻(然而并没有)。

游荡的自由电子们,往空穴区扩散,发起“占坑行动”。

在两块板连接的部位,P型侧的空穴得到电子,形成负离子层;N型侧失去自由电子,形成正离子层。正负离子层之间形成内电场,对自由电子产生电场力,试图穿过中间带的电子被排斥在外,从而阻止了电子的进一步扩散,这个内电场,我们称为PN结。

电池在不工作的时候,就稳定在这个状态。

Part2 解释了什么叫PN结,我们就可以进一步说说太阳能电池是如何发电的啦~

太阳能电池如何发电

当太阳能电池片受到光照时,除了原本就自由的电子,原先稳定的电子,吸收了光子的能量,也真是给点阳光就灿烂,开始躁动,都想要重获自由,从而产生了许多带正电的空穴和带负电的自由电子。

空穴捕捉到电子被填充,其他原子失去电子产生空穴,这个过程可以看成是空穴的移动。

空穴和电子游荡到PN结附近时,在内建电场力的作用下,电子向N区漂移,空穴向P区漂移,从而在N区堆积大量负电荷,在P区堆积大量正电荷,从而产生电动势。

如果此时从外部接通太阳能电池片的正负极,就会形成电流。

阳光源源不断地打在光伏板上,不断产生新的自由电子和空穴,自由电子和空穴在内建电场力的作用下不断漂移,形成外部电流,周而复始。

这种电能的产生方式,就叫做光伏发电。

 

 

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