【文章內容簡介】 化還原電勢，在導電材料電極表面進行多層復合，制成類似無機 PN 結的單向導電裝置。其中一個電極的內層由還原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的還原電位較高，電子轉移方向只能由內層向外層轉移；另一個電極的修飾正好相反，并且第一個電極上兩種聚合物的還原電位均高于后者的兩種聚合物的還原電位。當兩個修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時光，敏化劑吸光后產生的電子轉移到還原電位較低的電極上，還原電位較低電極上積 累的電子不能向外層聚合物轉移，只能通過外電路通過還原電位較高的電極回到電解液，因此外電路中有光電流產生。 由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢從，而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。 太陽能電池的工作原理及結構 P 型和 N 型半導體 如果雜質是周期表中第Ⅲ族中的一種元素──受主雜質，例如硼或銦，它們的價電子帶都只有三個電子，并且它們傳導帶的最小 能級低于第Ⅳ族元素的傳導電子能級。因此電子能夠更容易地由鍺或硅的價電子帶躍遷到硼或銦的傳帶。在這個過程中，由于失去了電子而產生了一個正離子，因為這對于其它電子而言是個“空位”，所以通常把它叫做“空穴”，而這種材料被稱為“ P”型半導體。在這樣的材料中傳導主要是由帶正電的空穴引起的 ， 因而在這種情況下電子 是 “少數(shù)載流子”，如圖 33 所示。 如果摻入的雜質是周期表第 V 族中的某種元素──施主雜質，例如砷或銻，這些元素的價電子帶都有五個電子，然而，雜質元素價電子的最大能級大于鍺（或硅）的最大太陽能臺燈 5 能級，因此電子很容易從這個 能級進入第Ⅳ族元素的傳導帶。這些材料就變成了半導體。N”型。也有些材料的傳導性是由于材料中有多余的正離子，但主要還是由于有大量的電子引起的，因而， （ 在 N 型材料中 ） 電子被稱為“多數(shù)載流子”，如圖 34 所示 。 圖 33 P 型半導體晶體結構 圖 34 N 型半導體晶體結構 太陽電池基本工作原理 變換成電能的能量轉換器，就叫做 太陽能電池。太陽能電池工作原理的基礎是半導體 pn結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應，就是當物體受到光照時，其體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電動勢和電流的一種效應，如圖 35 所示。 圖 35 PN 結 照射到太陽電池上的太陽光線，一部分被太陽電池上表面反射掉，另一部分被太陽電池吸收 ， 還有少量透過太陽電池。在被太陽電池吸收的光子中，那些能夠大于半導體禁帶寬度的光子 ， 可以使得半導體中原子的價電子受到激發(fā)，在 P 區(qū)、空間電荷區(qū)和 N區(qū)都會產生光生電子 空穴對，也稱光生載流子。這樣形成的電子 空穴對由于熱 運動，向各個方向遷移。光生電子 空穴對在空間電荷區(qū)中產生后，立即被內建電場分離，光生電子被推進 N 區(qū)，光生空穴被推進 P 區(qū)，在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度近似為0。在 N 區(qū)，光生電子 空穴產生后，光生成空穴便向 PN 結邊界擴散，一旦到達 PN 結太陽能臺燈 6 邊界，便立即受到內電場的作用，在電場力作用下作漂移運動，越過空間電荷區(qū)進入 P區(qū)，而光生電子（多數(shù)載流子 ) 則被留在 N 區(qū) 。 P 區(qū)中的光生電子也會向 PN 結邊界擴散，并在到達 PN 結邊界后，同樣受到內建電場的作用而在電場力作用下作漂移運動 ,進入 N 區(qū) ,而光生空穴 ( 多數(shù)載流子 )則 被留在 P PN 結兩側產生了正、負電荷的積累 , 形成與內建電場方向相反的光生電場。這個電場除了一部分抵消內建電場以外，還使 P 型層帶正電， N 型層帶負電，因此產生了光生電動勢，這個就是光生伏特效應（簡稱光伏）。 在有光照射時，上、下電極之間就有一定電勢差，用導線連接負載，就能產生直流電。如果是太陽電池開路，即負載電阻 RL=∞，則被 PN 結分開的全部過剩載流子就會積累在 PN 結附近，于是產生了最大光生電動勢。假使把太陽電池短路，即 RL=0，則所有可以到達 PN 結的過剩載流子都可以穿過結，并因外電 路閉合而產生了最大可能的電流 ISC。如果把太陽電池接上負載 RL，則被 PN 結分開的過剩載流子中就有一部分把能量消耗于減低 PN 結勢壘，即用于建立工作電壓 Um，而剩余部分的光生載流子則用來產生光生電流 Im 。 晶體硅太陽電池結構 典型的晶體硅太陽電池的結構如圖 36 所示 ， 其基體材料是薄片 P 型單晶硅厚度在 以下。上表面為一層 N+型的頂區(qū) ， 并構成一個 N+/P 型結構。從電池頂區(qū)表面引出的電極是上電極 ， 為保證盡可能多的入射光不被電極遮擋同時又能減少電子和空穴的復合損失 ， 使之以最短的路徑到達電極 ， 所以上 電 極一般都采用鋁 銀材料制成柵線形狀。由電池底部引出的電極為下電極 ， 為了減少 極用鎳 錫材料做成布滿下表面的板狀結構 。 上、下電極分別與 N+區(qū)和 P 區(qū)形成歐姆接 觸， 盡量做到接觸電阻為零。為了減少入射光的損失 ， 整個上表面還均勻地覆蓋一層用二氧化硅等材料構成的減反射膜。 每一片單體硅太陽電池的工作電壓大約為 ， 此數(shù)值的大小與電池片的尺寸無關。而太陽電池的輸出電流則與自身面積的大小、日照的強弱以及溫度的高低等因素有關。 因此功率也較大。太陽電池一般制成 P+/N 型或 N+/P 型結構 ， 其中第一個符號即 P+或 N+表示太陽電池正面光照半導體的導電類型 ， 第二個符號 ， 即 N 或 P 表示太陽電池背面襯底半導體材料的導電類型。在太陽光照射時 ， 太陽電池輸出電壓的極性以 P 型側電極為正 ， N 型側電極為負。 圖 36 典型的晶體硅太陽電池的結構圖 太陽能臺燈 7 太陽能電池的參數(shù)及型號 太陽能電池片的技術參數(shù) 表 31 125*125 單晶電池片技術參數(shù) 太陽能電池組件規(guī)格參數(shù)表 表 32 太陽能電池組件參數(shù)表 太陽能臺燈 8 4 LED 簡介 LED 發(fā)光原理 發(fā)光二極管英文全稱為 Light Emitting Diode， 簡稱 LED， 是一種新型的固態(tài)光源 ，誕生于 20 世紀 60 年代。 LED 是一種固態(tài)的半導體器件 ， 它可以直接把電轉化為光。 LED 的核心部件是一塊半導體的晶片 ， 晶片的一端附在一個支架上 ， 該端是負極 ， 另一端連接電源的正極 ，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成 ， 一部分是 P 型半導體 ， 在它里面空穴占主導地位 ， 另一端是 N 型半導體 ， 在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候 ， 它們之間就形成一個 PN 結。 當電流 通過導線作用于這個晶片的時候 ， 電子就會被推向 P 區(qū) ， 在 P 區(qū)里電子跟空穴復合然后就會以光子的形式發(fā)出能量 ， 這就是LED 發(fā)光的原理。而光的波長也 就 是光的顏色 ， 是由形成 PN 結的材料決定。 LED 分類及結構 6 種常見的 LED， 如下圖所示。