光伏电池的工作原理

当光子撞击光伏电池时，它们可能会被反射或吸收，或者直接穿过。只有被吸收的光子才能发电。当这种情况发生时，光子的能量被转移到细胞（实际上是半导体）原子中的电子。

利用新发现的能量，电子能够从与原子相关的正常位置逃逸出来，成为电路中电流的一部分。离开这个位置，电子会形成一个“空穴”。光伏电池的特殊电气特性——内置电场提供驱动电流通过外部负载（如灯泡）所需的电压。

p型、n型和电场

为了在光伏电池中感应电场，将两个独立的半导体夹在一起。“p“型和“n“型半导体对应于“正”型和“负”型半导体，因为它们有大量的空穴或电子（额外的电子形成“n“型半导体，因为电子实际上带有负电荷）。

虽然这两种材料都是电中性的，但N型硅有多余的电子，P型硅有多余的空穴。将它们夹在一起会在它们的界面上形成一个p/n结，从而产生电场。

当P型和N型半导体被夹在一起时，N型材料中的多余电子流向P型，并且在此过程中空出的空穴流向N型(空穴移动的概念有点像观察液体中的气泡。虽然实际上是液体在移动，但更容易描述气泡在相反方向移动时的运动。）通过这种电子和空穴流，两个半导体充当电池，在它们相遇的表面（称为“结”）产生电场。正是这个场使电子从半导体跃迁到表面，并使它们可用于电路。同时，空穴向相反方向移动，朝向正表面，在那里它们等待进入的电子。

吸收与传导

在光伏电池中，光子被P层吸收。将该层“调谐”到入射光子的特性，以吸收尽可能多的光子，从而释放尽可能多的电子，这一点非常重要。另一个挑战是防止电子在逃出电池之前与空穴相遇并与其“重组”。

为了做到这一点，我们设计了这种材料，使电子尽可能靠近结被释放，这样电场就可以帮助它们通过“传导”层（N层）进入电路。通过最大化所有这些特性，我们提高了光伏电池的转换效率。

为了制造高效的太阳能电池，我们试图最大化吸收，最小化反射和复合，从而最大化传导。

继续>制作氮和磷材料

光伏电池用氮磷材料的制备

制造P型或N型硅材料最常用的方法是添加一个具有额外电子或缺少电子的元素。在硅中，我们使用一种叫做“掺杂”的工艺

我们将以硅为例，因为晶体硅是最早成功的光伏器件中使用的半导体材料，它仍然是使用最广泛的光伏材料，尽管其他光伏材料和设计利用光伏效应的方式略有不同，了解这种效应在晶体硅中的工作原理，让我们对它在所有器件中的工作原理有一个基本的了解

如上图所示，硅有14个电子。围绕原子核运行的最外层或“价”能级的四个电子被给予、接受或与其他原子共享。

硅的原子描述

一切物质都是由原子组成的。原子依次由带正电的质子、带负电的电子和中性中子组成。大小大致相同的质子和中子构成了原子的密集中心“核”，几乎所有原子质量都位于该核。轻得多的电子以极高的速度围绕原子核运行。尽管原子是由带相反电荷的粒子构成的，但它的总电荷是中性的，因为它包含等量的正质子和负电子。

硅的原子描述——硅分子

电子围绕原子核运行的距离不同，这取决于它们的能级；能量较小的电子在靠近原子核的轨道上运行，而能量较大的电子则在更远的轨道上运行。离原子核最远的电子与相邻原子的电子相互作用，以确定固体结构的形成方式。

硅原子有14个电子，但它们的自然轨道排列只允许这些电子中的外四个被给予、接受或与其他原子共享。这些外部的四个电子称为“价”电子，在光伏效应中起着重要作用。

大量的硅原子，通过它们的价电子，可以结合在一起形成晶体。在晶体固体中，每个硅原子通常与四个相邻的硅原子以“共价”键共享其四个价电子中的一个。因此，固体由五个硅原子的基本单元组成：原始原子加上与之共享价电子的其他四个原子。在晶体硅固体的基本单元中，一个硅原子与四个相邻原子中的每一个共享其四个价电子。

因此，固态硅晶体由五个硅原子组成的规则系列单元组成。这种规则的、固定的硅原子排列被称为“晶格”

磷作为半导体材料

“掺杂”过程将另一种元素的原子引入硅晶体，以改变其电性能。掺杂剂有三个或五个价电子，与硅的四个相反。

磷原子有五个价电子，用于掺杂N型硅（因为磷提供了第五个自由电子）。

磷原子在晶格中所占据的位置与它所取代的硅原子所占据的位置相同。它的四个价电子接管了它们所取代的四个硅价电子的成键责任。但是第五价电子仍然是自由的，没有成键的责任。当晶体中的硅被许多磷原子取代时，许多自由电子就可用了。

在硅晶体中用一个磷原子（含五个价电子）代替一个硅原子，会留下一个额外的、未结合的电子，相对自由地在晶体周围移动。

最常见的掺杂方法是在硅层顶部涂上磷，然后加热表面。这使得磷原子扩散到硅中。然后降低温度，使扩散速率降至零。将磷引入硅中的其他方法包括气体扩散法、液体掺杂剂喷射法以及将磷离子精确地注入硅表面的技术。

硼作为半导体材料

当然，N型硅本身不能形成电场；也有必要改变一些硅，使其具有相反的电性能。因此，有三个价电子的硼被用来掺杂P型硅。硼是在硅加工过程中引入的，硅在硅加工过程中被净化以用于光伏器件。当硼原子在晶格中占据原来由硅原子占据的位置时，有一个键缺少一个电子（换句话说，一个额外的空穴）。

在硅晶体中用一个硼原子（含三个价电子）代替一个硅原子会留下一个空穴（缺少一个电子的键），该空穴相对自由地在晶体周围移动。

其他半导体材料

与硅一样，所有光伏材料必须制成P型和N型配置，以产生光伏电池所需的电场。但是，根据材料的特性，这可以通过多种不同的方式来实现。例如，非晶硅的独特结构使得本征层（或我层）成为必要。这种非晶硅的未掺杂层位于N型和P型层之间，形成所谓的“p-i-n“设计。

铜铟二硒化物（cuinse2）和碲化镉（cdte）等多晶薄膜在光伏电池中显示出巨大的应用前景。但这些材料不能简单地掺杂以形成N和P层。相反，使用不同材料的层来形成这些层。例如，硫化镉或类似材料的“窗口”层用于提供使其成为N型所需的额外电子。cuinse2本身可以制成P型，而碲镉汞则得益于由碲化锌（znte）等材料制成的P型层。

砷化镓（（砷化镓）也进行了类似的改性，通常使用铟、磷或铝，以生产各种N型和P型材料。

光伏电池的转换效率

*光伏电池的转换效率是太阳能电池转换为电能的比例。在讨论光伏设备时，这一点非常重要，因为提高这一效率对于使光伏能源与更传统的能源（如化石燃料）具有竞争力至关重要。当然，如果一块高效太阳能电池板可以提供与两块效率较低的电池板相同的能量，那么这种能量的成本（更不用说所需的空间）就会降低。相比之下，最早的光伏设备将约1%-2%的太阳能转化为电能。今天的光伏设备将7%-17%的光能转换为电能。当然，等式的另一面是制造光伏设备的成本。多年来，这一点也得到了改善。事实上，今天的光伏系统发电成本仅为早期光伏系统的一小部分。