太陽能電池構造

以前，從電的角度來看，我們所用的硅都是中性的。多余的電子被磷中多余的質子所中和。缺失電子（空穴）由硼中缺失質子所中和。當空穴和電子在N型硅和p型硅的交界處混合時，中性就被破壞了。所有自由電子會填充所有空穴嗎？不會。如果是這樣，那么整個準備工作就沒有什么意義了。不過，在交界處，它們確實會混合形成一道屏障，使得N側的電子越來越難以抵達p側。最終會達到平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個將兩側分開的電場。

這個電場相當于一個二極管，允許（甚至推動）電子從p側流向N側，而不是相反。它就像一座山——電子可以輕松地滑下山頭（到達N側），卻不能向上攀升（到達p側）。

這樣，我們就得到了一個作用相當于二極管的電場，其中的電子只能向一個方向運動。讓我們來看一下在太陽光照射電池時會發(fā)生什么。

當光以光子的形式撞擊太陽能電池時，其能量會使電子空穴對釋放出來。

每個攜帶足夠能量的光子通常會正好釋放一個電子，從而產(chǎn)生一個自由的空穴。如果這發(fā)生在離電場足夠近的位置，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響范圍之內(nèi)，則電場會將電子送到N側，將空穴送到p側。這會導致電中性進一步被破壞，如果我們提供一個外部電流通路，則電子會經(jīng)過該通路，流向它們的原始側（p側），在那里與電場發(fā)送的空穴合并，并在流動的過程中做功。電子流動提供電流，電池的電場產(chǎn)生電壓。有了電流和電壓，我們就有了功率，它是二者的乘積。

我們的光伏電池可以吸收多少太陽光的能量？遺憾的是，此處介紹的簡易電池對太陽光能量的吸收率至多為25%左右，通常的吸收率是15%或更低。為什么吸收率會這么低？

可見光只是電磁頻譜的一部分。電磁輻射不是單頻的——它由一系列不同波長（進而產(chǎn)生的一系列能級）組成。（有關電磁頻譜的詳細介紹，請參閱狹義相對論基本原理。）

光可分為不同波長，我們可以通過彩虹看出這一點。由于射到電池的光的光子能量范圍很廣，因此有些光子沒有足夠的能量來形成電子空穴對。它們只是穿過電池，就像電池是透明的一樣。但其他一些光子的能量卻很強。只有達到一定的能量——單位為電子伏特（eV），由電池材料（對于晶體硅，約為1.1eV）決定——才能使電子逸出。我們將這個能量值稱為材料的帶隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，則多余的能量會損失掉（除非光子的能量是所需能量的兩倍，并且可以創(chuàng)建多組電子空穴對，但這種效應并不重要）。僅這兩種效應就會造成電池中70%左右的輻射能損失。

為何我們不選擇一種帶隙很低的材料，以便利用更多的光子？遺憾的是，帶隙還決定了電場強度（電壓），如果帶隙過低，那么在增大電流（通過吸收更多電子）的同時，也會損失一定的電壓。請記住，功率是電壓和電流的乘積。最優(yōu)帶隙能量必須能平衡這兩種效應，對于由單一材料制成的電池，這個值約為1.4電子伏特。

我們還有其他能量損失。電子必須通過外部電路從電池的一側流到另一側。我們可以在電池底部鍍上一層金屬，以保證良好的導電性。但如果我們將電池頂部完全鍍上金屬，光子將無法穿過不透光導體，這樣就會喪失所有電流（在某些電池中，只有上表面而非所有位置使用了透明導體）。如果我們只在電池的兩側設置觸點，則電子需要經(jīng)過很長一段距離（對于電子而言）才能抵達接觸點。要知道，硅是半導體，它傳輸電流的性能沒有金屬那么好。它的內(nèi)部電阻（稱為串聯(lián)電阻）相當高，而高電阻意味著高損耗。為了最大限度地降低這些損耗，電池上覆有金屬接觸網(wǎng)，它可縮短電子移動的距離，同時只覆蓋電池表面的一小部分。即使是這樣，有些光子也會被網(wǎng)格阻止，網(wǎng)格不能太小，否則它自身的電阻就會過高。

在實際使用電池之前，還要執(zhí)行其他幾個步驟。硅是一種有光澤的材料，這意味著它的反射性能很好。被反射的光子不能被電池利用。出于這個原因，在電池頂部采用抗反射涂層，可將反射損失降低到5%以下。

最后一步是安裝玻璃蓋板，用來將電池與元件分開，以保護電池。光伏模塊由多塊電池（通常是36塊）串聯(lián)和并聯(lián)而成，以提供可用的電壓和電流等級，這些電池放在一個堅固的框架中，后部分別引出正極端子和負極端子，并用玻璃蓋板封上。

單晶硅并非光伏電池中使用的唯一材料。電池材料中還采用了多晶硅，盡管這樣生產(chǎn)出來的電池不如單晶硅電池的效率高，但可以降低成本。此外，還采用了沒有晶體結構的非晶硅，這樣做同樣是為了降低成本。使用的其他材料還包括砷化鎵、硒化銦銅和碲化鎘。由于不同材料的帶隙不同，因此它們似乎針對不同的波長或不同能量的光子進行了“調諧”。一種提高效率的方法是使用兩層或者多層具有不同帶隙的不同材料。帶隙較高的材料放在表面，吸收較高能量的光子；而帶隙較低的材料放在下方，吸收較低能量的光子。這項技術可大大提高效率。這樣的電池稱為多接面電池，它們可以有多個電場。