愛華網(wǎng)Solar乃當今之大熱，本人公司、SS公司加若干友人都有涉足太陽能行業(yè)。那么，太陽能是怎么發(fā)光的呢？讀了會兒書，寫了個小結(jié)，分享如下。
[原理綜述]由于光的照射，在半導體材料中產(chǎn)生電子空穴對，這些電子空穴對在pn結(jié)的電場作用下產(chǎn)生分離運動，其中，電子移向n區(qū)，而空穴則移向p區(qū)，此過程導致外部端子呈現(xiàn)電壓并通過外部電路產(chǎn)生電流，這就是太陽能電池的基本原理- 半導體的光生伏特效應。
Question1.為什么光的照射會使半導體材料產(chǎn)生電子空穴對呢？
簡言之，是光子能量傳遞給電子從而導致其躍遷的過程。步驟與背景知識如下，
光的吸收
當光線照射到某種物質(zhì)上時可能被反射、傳輸或吸收，其中，吸收的含義是入射光中光子的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量，比如熱能，在此過程中，材料價帶中的電子受光子激發(fā)躍遷至導帶，在價帶中產(chǎn)生一個空穴，同時，光子湮滅。光子被吸收的結(jié)果之一是將其攜帶的能量轉(zhuǎn)移到吸收物質(zhì)中原子的電子上，這種轉(zhuǎn)換遵循動量守恒定律和能量守恒定律，并有下面3種特點：
1.光子能量必須超過材料的帶隙能級；
2.無論光子攜帶多高的能量，一個光子最多只能激發(fā)一個電子空穴對，其余能量只能轉(zhuǎn)換為熱；
3.能量低于帶隙的光，一部分在材料中轉(zhuǎn)換為熱，另一部分則穿過材料，即，材料對這部分光線是“透明”的；
電子的躍遷
[電子能級]按照量子理論，孤立原子中的電子運行于若干個具有不同能級的軌道上，在不同軌道上的電子具有不同的能量。處于低能級軌道上的電子由于某種機制（比如光照）獲取能量后可躍遷到高能級軌道上，而處于高能級軌道的電子返回低能級軌道上的同時會釋放出能量。
[能帶理論]在眾多原子組成的晶體中，由于多個原子的高能級電子軌道產(chǎn)生交叉，電子可為多個原子共有并在原子中遷移，從而使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應的能級擴展為能帶。能夠被電子占據(jù)的能帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。電子通常占滿能量較低的能帶使之成為滿帶，然后再占據(jù)能量更高的外面一層的能帶。無任何電子占據(jù)的能帶稱為空帶。
[價電子與價帶]處于原子最外層能帶的電子稱為價電子，與價電子能級對應的能帶稱為價帶。
[電子躍遷]得到能量，價帶中的部分電子會躍遷至導帶。在半導體中，這些電子實際上是離開了半導體材料的共價鍵，這樣，在價帶就產(chǎn)生了“空穴”，導帶電子和空穴是成對發(fā)生的。電子和空穴這兩種載流子在某種作用下產(chǎn)生的定向流動，便構成了半導體材料中的導電過程。
Question 2.怎么實現(xiàn)電子空穴對的定向流動從而產(chǎn)生電流呢？
通常來說，光的吸收無論產(chǎn)生多少電子和空穴，這些載流子的主要運動形式仍然是隨機的熱運動，并不能產(chǎn)生定向移動而產(chǎn)生電流和電壓。為了實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)化為電能，必須找出能使電子和空穴定向移動的機制，而這一機制就是半導體的pn結(jié)，咚鏘咚咚鏘，又見到你！
[n型半導體]摻入磷砷等五價元素，材料中自由電子數(shù)量大大超過空穴而成為主要的載流子。-第5個電子很容易脫離原子核而形成自由電子，同時使原子本身成為不能移動的正離子
[p型半導體] 摻入硼鋁鎵等三價元素，材料中的空穴數(shù)量大大超過自由電子而成為主要的載流子。-3個價電子與周圍的硅原子只能形成3個共價鍵，缺少的1個共價鍵易捕捉電子而形成負離子
注：無論n型半導體還是p型半導體，它們內(nèi)部的電荷是平衡的，即正負電荷數(shù)量相等；
[pn結(jié)]把pn兩種雜質(zhì)半導體相接，兩種半導體中電子和空穴濃度的差別將導致如下過程：n型半導體中的電子向p型半導體擴散并與其空穴復合；而p型半導體中的空穴則向n型半導體擴散并與其電子復合。注：無外部因素干擾的情況下，擴散過程會因為內(nèi)電場的平衡而中止。因此，在太陽能應用中，需要外部端子輸出電壓。
Question 3. 太陽能轉(zhuǎn)換率由什么來決定？-帶隙
在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，希望光伏電池能從太陽光譜中得到最大的吸收，從而得到最佳的轉(zhuǎn)換效率，其中，半導體材料的帶隙是影響轉(zhuǎn)換效率的關鍵之一。往往光伏電池的材料一旦選定，其最大可能的轉(zhuǎn)換效率便基本確定，在電池的開發(fā)和設計中的重重改進，都是為了逼近最大轉(zhuǎn)換效率。
PS1，單晶硅電池的理論最大轉(zhuǎn)換效率是24%,砷化鎵是26.5%. PS2.針對太陽光譜的最佳帶隙為1.4eV，砷化鎵的1.43eV比單晶硅的1.1eV更接近，因此有望達到更高的轉(zhuǎn)換效率。PS3.在陽光功率比較集中的范圍內(nèi)，直接帶隙材料砷化鎵的吸收系數(shù)大于間接帶隙材料硅10倍左右，這意味著，相對于同一水平的光能吸收，直接帶隙材料的電池可以做得很薄。
小知識點：
[太陽光寬譜特性]太陽光具有連續(xù)的從紫外線經(jīng)可見光到紅外線的寬帶光譜。太陽光譜的高功率部分主要分布在可見光和近紅外部分，其峰值在綠光區(qū)域。
[此電池非彼電池，光伏電池是瞬間能量轉(zhuǎn)換器件]光伏電池是利用光生伏特效應（PhotovoltaicEffect，簡稱光伏效應）把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。與干電池、蓄電池和燃料電池不同，光伏電池不是事先將待轉(zhuǎn)換的能量儲存起來，它只能把接收到的光能立即轉(zhuǎn)換為電能。
目前光伏應用的光電轉(zhuǎn)換器件主要是硅光伏電池，包括：單晶硅、多晶硅和非晶硅電池。
光伏發(fā)電系統(tǒng)包括：光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、風光互補發(fā)電系統(tǒng)。
