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能源發(fā)電技術(shù)2_太陽(yáng)能光伏發(fā)電(編輯修改稿)

2024-09-12 02:56 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、太陽(yáng)能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn) 21太陽(yáng)能概述 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的主要優(yōu)點(diǎn): (1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小且輕。 (2)易安裝,易運(yùn)輸,建設(shè)周期短。 (3)容易啟動(dòng),維護(hù)簡(jiǎn)單,隨時(shí)使用,保證供應(yīng)。 (4)清潔,安全,無(wú)噪聲。 (5)可靠件高,壽命長(zhǎng)。 (6)太陽(yáng)能無(wú)處不有,應(yīng)用范圍廣。 (7)降價(jià)速度快,能量?jī)斶€時(shí)間有可能縮短。 89 六、太陽(yáng)能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn) 21太陽(yáng)能概述 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的主要缺點(diǎn): (1)能量分散,占地面積大。 (2)間歇性大。除了晝夜這種周期變化外,太陽(yáng)能光伏發(fā)電還常常受云層變化的影響。小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)可用蓄電池補(bǔ)充,大功率光伏電站的控制運(yùn)行比常規(guī)火電廠、水電站、核電廠要復(fù)雜。 (3)地域性強(qiáng)。 90 太陽(yáng)能概述 太陽(yáng)能電池的基本原理 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng) 本章提要 91 22太陽(yáng)能電池的基本原理 太陽(yáng)能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽(yáng)的輻射光通過(guò)半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件 , 這種光電轉(zhuǎn)換過(guò)程通常叫做 “ 光生伏打效應(yīng) ” , 因此太陽(yáng)能電池又稱為 “ 光伏電池 ” 。 92 ?太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ) ?本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 ?電子和空穴的輸運(yùn) ?PN結(jié)的光伏效應(yīng) ?太陽(yáng)能電池的工作原理 22太陽(yáng)能電池的基本原理 93 ?能帶理論 是解釋金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種理論 。 ?能級(jí)( Enegy Level) :在孤立原子中,原子核外的電子按照一定的 殼層排列,每一殼層 容納一定數(shù)量的電子。 每個(gè)殼層上的電子具 有分立的能量值,也 就是電子按 能級(jí) 分布。 一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 94 ?電子的共有化運(yùn)動(dòng) :晶體中大量的原子集合在一起,而且原子之間距離很近,致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊,殼層交疊使電子不再局限于某個(gè)原子上,有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層 上去,也可能從相鄰原 子運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼 層上去,這種現(xiàn)象稱為 電子的共有化運(yùn)動(dòng) 。 一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 95 ?能帶( Enegy Band) :電子的共有化運(yùn)動(dòng)使本來(lái)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(duì)應(yīng)的 能級(jí) 擴(kuò)展為 能帶 。每一條能帶有許多極其相近的能級(jí)組成。 一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 96 ?禁帶( Forbidden Band) :能帶允許被電子占據(jù)的稱為允帶 ,允帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的,此范圍稱為 禁帶 。 一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 97 ?原子殼層中的內(nèi)層允帶總是被電子先占滿,然后再占據(jù)能量更高的外面一層的允帶。被電子占滿的允帶稱為 滿帶 或者 價(jià)帶 。 ?每一個(gè)能級(jí)上都沒(méi)有電子的能帶稱為 空帶 。 ?未被電子填滿的能帶或者空帶稱為 導(dǎo)帶 。 一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 98 ?實(shí)際晶體的 能帶 和孤立原子 能級(jí) 間的關(guān)系非常復(fù)雜。 ?有時(shí),兩個(gè)分立的能級(jí)會(huì)相互交雜,或變?yōu)榛ハ喁B合的能帶而禁帶消失;或分裂為另外兩組能帶。這種過(guò)程稱為 軌道的雜化 。 ?硅原子的導(dǎo)帶和價(jià)帶就是軌道雜化而成。 一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 99 、絕緣體和半導(dǎo)體 ?導(dǎo)體 :導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶相鄰或者重疊,禁帶消失。價(jià)帶中的電子在電場(chǎng)作用下可以自由地進(jìn)入導(dǎo)帶,表現(xiàn)為良好的導(dǎo)電能力。 一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 100 、絕緣體和半導(dǎo)體 ?絕緣體 : 絕緣體 的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的禁帶很寬, Eg達(dá) 5~ 7eV(1eV為 1019J或 mol1) ,導(dǎo)帶幾乎是空的,若電場(chǎng)既不能使位于價(jià)帶的電子移動(dòng),也不能使其躍遷到導(dǎo)帶,因此不能導(dǎo)電。 一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 101 、絕緣體和半導(dǎo)體 ?半導(dǎo)體 : 半導(dǎo)體 的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間禁帶的寬度較小,一般 Eg≤ 3eV。在一定能量(例如外電場(chǎng))的激發(fā)下 , 價(jià)帶中的電子總會(huì)被激 發(fā)到空帶中,使之成為 導(dǎo)帶,而在價(jià)帶中留下 空穴。 半導(dǎo)體就是利用 這種方式傳導(dǎo)電流的。 一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 102 ?由同一種原子組成的半導(dǎo)體稱 元素半導(dǎo)體 ,兩種以上原子組成的半導(dǎo)體稱 化合物半導(dǎo)體 。 ?完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的 半導(dǎo)體為 本征半導(dǎo)體 , 是共價(jià)鍵晶體。 二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 22太陽(yáng)能電池的基本原理 103 二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?以硅為例,如圖中每個(gè)硅原子最外層有四個(gè)價(jià)電子,這些價(jià)電子的軌道通過(guò)適當(dāng)?shù)碾s化,恰好與最近鄰的四個(gè)硅原于形成四面體型共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。 ?當(dāng)共價(jià)鍵中的電子因熱、光、電 場(chǎng)等因素的作用獲得足夠的能量 時(shí),能夠克服共價(jià)鍵的束縛從價(jià) 帶躍遷到導(dǎo)帶而成為自由電子。 104 二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?這時(shí)在原來(lái)的共價(jià)鍵位置上就留下一個(gè)空位,而周圍近鄰鍵上的電子隨時(shí)可能跳過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位,因而使空位又轉(zhuǎn)移到了鄰近的鍵上去,這種可移動(dòng)的空位稱為 空穴 。 105 二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?半導(dǎo)體就是這樣靠著電子和空穴的移動(dòng)來(lái)導(dǎo)電的,所以電子(電子濃度 n)和空穴(空穴濃度 p)皆為半導(dǎo)體的 載流子 。 ?本征載流子濃度隨溫度升高而增加,隨禁帶寬度的增加而減小。 106 二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?根據(jù)需要在本征半導(dǎo)體中摻入其它雜質(zhì)以后就得到 摻雜半導(dǎo)體 。 107 二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?在晶體硅中加進(jìn) Ⅴ 族元素磷后,磷原子除了拿出 4個(gè)價(jià)電子和周圍最鄰近的 4個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵外,還多余一個(gè)價(jià)電子,使磷原子電離成正離子。 108 二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?只要很小的能量,就可以使多余的價(jià)電子跳到導(dǎo)帶上,因此,其禁帶要比純硅晶體窄得多。 ?摻雜硅中的磷元素全部電離時(shí)可提供同等數(shù)量的導(dǎo)電電子。 ?這種提供電子的雜質(zhì)稱為 施主 ,對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱為 N型半導(dǎo)體 。 109 二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?在晶體硅中加進(jìn) Ⅲ 族元素硼后,硼原子在和周圍最鄰近的 4個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí),還缺少一個(gè)價(jià)電子,因而很容易從別處奪來(lái)一個(gè)價(jià)電子,自身電離成負(fù)離子。 ?可以認(rèn)為硼原子帶著一個(gè)容易電離的空穴。 110 二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?只要很小的能量,就可以使空穴跳至價(jià)帶上,因此,其禁帶要比純硅晶體也要窄得多。 ?摻雜硅中的硼元素全部電離時(shí) 可向價(jià)帶提供同等數(shù)量的空穴。 ?這種從半導(dǎo)體接受電子的雜質(zhì)稱為 受主 ,對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱為 P型半導(dǎo)體 。 111 二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?摻有施主的硅稱為 N型硅 。在 N型半導(dǎo)體中,由于 np,一般把電子稱為多數(shù)載流子,而空穴稱為少數(shù)載流子。 ?摻有受主的硅稱為 P型硅 。在 P型半導(dǎo)體中,由于 np,一般把電子稱為少數(shù)載流子,而空穴稱為多數(shù)載流子。 112 三、 電子和空穴的輸運(yùn) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?常態(tài)時(shí),半導(dǎo)體中的電子和空穴始終在進(jìn)行無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)沒(méi)有方向性,不引起靜位移,對(duì)電流沒(méi)有貢獻(xiàn)。 ?有兩種原因可引起電子和空穴的靜位移,產(chǎn)生 電子和空穴的輸運(yùn),即 漂移 和 擴(kuò)散 。 ?外電場(chǎng)引起 漂移 ,載流子濃度差引起 擴(kuò)散 。 113 三、 電子和空穴的輸運(yùn) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?半導(dǎo)體受外電場(chǎng)作用,在載流子的熱運(yùn)動(dòng)上疊加一個(gè)附加速度,稱為 漂移速度 。 ?對(duì)于電子,漂移速度與電場(chǎng)反向;對(duì)于空穴,漂移速度與電場(chǎng)同向。 ?漂移速度使電子和空穴有一個(gè)靜位移,從而形成電流。 114 三、 電子和空穴的輸運(yùn) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?在半導(dǎo)體中電子(或空穴)的濃度不均勻,則電子(或空穴)將在濃度梯度的影響下擴(kuò)散,從而使電子(或空穴)有一個(gè)靜位移,形成電流。 ?濃度梯度越大,擴(kuò)散越快。 115 三、 電子和空穴的輸運(yùn) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?平衡狀態(tài)下,受到光照時(shí),價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶,在價(jià)帶中留下等量空穴。這些多余平衡濃度的光生電子和空穴,稱為 非平衡載流子 或 過(guò)剩載流子 。 116 三、 電子和空穴的輸運(yùn) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?這種由外界條件改變使半導(dǎo)體產(chǎn)生過(guò)剩載流子的過(guò)程稱為載流子的 注入 (簡(jiǎn)稱注入或 激發(fā) )。 ?反之,半導(dǎo)體中載流子濃度小于平衡載流子濃度的情況,稱為載流子的 抽取 (簡(jiǎn)稱抽取)。 ?太陽(yáng)能電池一般只研究注入。 117 三、 電子和空穴的輸運(yùn) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?由光照而產(chǎn)生光注入或光激發(fā);由熱運(yùn)動(dòng)引起熱注入或熱激發(fā);由電場(chǎng)則引起電注入或電激發(fā)。 ?當(dāng)載流子濃度偏離其平衡值時(shí),它們有恢復(fù)平衡的傾向。 ?在注入情況,恢復(fù)平衡是靠 復(fù)合 來(lái)實(shí)現(xiàn);在抽取情況,則靠載流子的 產(chǎn)生 實(shí)現(xiàn)。 118 三、 電子和空穴的輸運(yùn) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?產(chǎn)生和復(fù)合互為逆過(guò)程。 ?產(chǎn)生時(shí)價(jià)帶中的電子躍遷至導(dǎo)帶要 吸收能量 ,導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)也要以各種方式 釋放能量 。 119 四、 PN結(jié)的光伏效應(yīng) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?常溫下, N型半導(dǎo)體的施主雜質(zhì)將電離成帶負(fù)電的電子和帶正電的施主雜質(zhì)離子;P型半導(dǎo)體的受主雜質(zhì)也將電離成帶正電的空穴和帶負(fù)電的受主雜質(zhì)離子。 120 四、 PN結(jié)的光伏效應(yīng) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?當(dāng)兩塊不同導(dǎo)電類型的 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體緊密接觸時(shí),其交界面稱為形成 PN結(jié)。 ?交界面上存在電子和空穴的濃度差, N區(qū)的電子濃度比較高, P區(qū)的空穴濃度比較高,電子和空穴都要從濃度高的 地方向濃度低的地 方 擴(kuò)散 。 121 四、 PN結(jié)的光伏效應(yīng) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?由于擴(kuò)散作用,必然有一部分電子從 N區(qū)進(jìn)入 P區(qū),也有一部分空穴從 P區(qū)進(jìn)入 N區(qū)。 ?擴(kuò)散的結(jié)果在交界面附近 P區(qū)一邊失去了帶正電的空穴和接受了帶負(fù)電的電子,因而呈現(xiàn)負(fù)電;N區(qū)一邊失去帶負(fù)電的 電子,并接受了帶正電 的空穴因而呈現(xiàn)正電。 122 四、 PN結(jié)的光伏效應(yīng) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?正負(fù)電荷集中在 P區(qū)和 N區(qū)的交界面附近,形成 空間電荷區(qū) ,并產(chǎn)生一個(gè)從帶正電荷的 N區(qū)指向帶負(fù)電荷的 P區(qū)的 內(nèi)建電場(chǎng) ,稱為 勢(shì)壘電場(chǎng) 。 123 四、 PN結(jié)的光伏效應(yīng) 22太陽(yáng)能電池的基本原理 ?在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下,空間電荷區(qū)內(nèi)的電子從 P區(qū)向南 N區(qū)漂移,空穴從 N區(qū)向 P區(qū) 漂移 。 ?隨著載流子 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 的不斷進(jìn)行,空間電荷區(qū)不斷擴(kuò)大,內(nèi)建電場(chǎng) 也不斷增強(qiáng),載流
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