众所周知，光伏发电是最常见的太阳能利用方式之一。 太阳能电池吸收太阳光，然后将其转化为电能。 那么光电转换是如何进行的呢？

大家都知道，原子核外有不同数量的电子，分布在不同的能级，有各自特殊的能量。 当大量原子聚集在一起时，由于相互作用，原子的能级会发生变化，成为一系列包含与原来能级非常接近的N个能级的新能级。 这些新的能级称为能带。 。

图 1. 原子能级和能带

可以说，能带是由能级组成的，因此能带和能级一样，彼此之间也有间隔。 这个区间称为带隙，电子在带隙内无法获得能量。 价带是充满电子的最高能带，导带是价带之上能量较高且几乎没有电子的能带。 [1]

大家应该知道，电流的产生来自于载流子的运动。 在价带中，电子已经占据了它们可以占据的所有可能的能级。 大部分相邻的电子能带也被占据，基本无法移动。 。 在导带中，由于这个能带基本上是空的，所以如果一个电子能够到达导带，它就可以像脱缰的野马一样自由奔跑。 如果此时施加外部电压，野马就会被勒住，按照命令作为载体流动。

图2 导体、半导体和绝缘体的能带分布图

如图2所示，导体的价带与导带非常接近甚至重叠； 半导体的禁带较小，一般低于3eV，因此在外界环境的影响下，电子可能会越过禁带到达导带并导电； 绝缘体的禁带很大开云官方app下载站，电子很难跨越禁带。 对于金属来说，费米能级是电子可以占据低于绝对零的最高能级。 这是湖面上的一层，微风吹过，就会泛起涟漪。 费米能级的物理意义是该能级的状态被电子占据的概率为1/2。 在半导体和绝缘体中，如图2所示，费米能级位于其禁带中部，价带内的电子有50%的概率到达该点。

你可以这样想，把电子产品想象成马路上熙熙攘攘的人群，而价格带就是马路。 道路拥挤，行动困难。 对于导体来说，导带就是一座人行天桥。 行人可以随时通过人行天桥，穿越拥挤的人群； 对于半导体来说，导带是大气层的平流层。 花一点钱坐飞机就可以把电子产品带到那里。 溜走； 对于绝缘体来说，导带就是天空之城、外星球、被悟空打倒的天坛。 不是不能去，而是成本巨大，普通电子根本承受不起。

图 3. 硅基太阳能电池板

目前，商业光伏系统采用以硅为基础的硅太阳能电池，利用光伏效应原理发电。 纯硅需要相对苛刻的条件才能让足够的载流子跃迁到导带。 可以理解，纯硅中的电子必须乘坐最昂贵的商务舱才能工作。 因此，硅一般会掺杂其他元素来产生载流子和新的能级。

让我们列出祖先的元素周期表：

图 4. 元素周期表

硅位于哪里？ 第四主族最外层有4个电子。 大家都知道，最外层电子最稳定的数量是八个。 当然，我们不能让硅再找到另外四个。 否则，我们只会将其增加到八个，并且不会有自由电子来承载电流。

超越硅：铝？ 不适合不适合，拿金属来凑热闹有何意义？ 再抬头一看：硼？ 是的，是的，它的品质高开云手机平台，价格便宜。 看看硅的背后：磷？ 也是随处可见、分布广泛、随处可用的元素。

图5 p型半导体掺杂示意图

如图5所示，硅和硼掺杂后，缺少一个电子来满足共价键配位，并形成空穴。 空穴相当于带正电的载流子。 这种类型的半导体称为p正半导体。

图6 n型半导体掺杂示意图

当掺杂磷时，除了配位之外开云手机平台，还有一个额外的电子作为载流子。 这种类型的半导体称为n型半导体（负半导体）。

掺杂也会导致费米能级的变化。 如下图所示，p型半导体的费米能级接近价带边缘。 掺杂浓度越高，空穴浓度越高，导电性越强。 掺杂太高会进入价带； n型半导体的费米能级接近导带边缘，掺杂浓度越高，电子浓度越高，导电性越强。 太高的掺杂会进入导带。

图 7. p 型和 n 型半导体掺杂后的费米能级

当两种类型的半导体组合时，载流子是不同的。 电子从n区向p区会发生扩散运动，大量空穴会在结处结合。 n型半导体失去电子，p型半导体获得电子。 。 因此，p区侧将带负电，n区侧将带正电。 pn结附近的所有载流子结合后云开·体育appkaiyun，会形成势垒区，也称为内建电场，以阻止载流子进一步扩散。 相当于先结合的一些电子挡住了空穴形成的路径，后面的电子就无法逃逸。

图8. pn结内建电场的形成

随着电子扩散，半导体的能带弯曲，费米能级也不断变化。 n型半导体的费米能级不断下降，p型半导体的费米能级不断上升，直至相等。 因此，pn结中的费米能级是统一且平衡的。 如图9所示，能带的弯曲量，即pn结的内建电势差，等于原n型p型半导体的费米能级之差。

图 9. pn 结处费米能级的变化

太阳能电池中光电转换的基本原理是光伏效应，它是光电效应的一种。

当pn结受到光照时，如果吸收的光子能量大于禁带能量，价带中的电子就会跃迁到导带，产生电子-空穴对。 嘿，我们刚才说了，pn结的内建电场阻止了p区的空穴和n区的电子继续扩散。 同样，受光照射时，p区产生的光生空穴和n区产生的光生电子都是多载流子，被势垒阻挡，无法通过结。 只有p区的光生电子、n区的光生空穴和结区的电子空穴对（少数载流子）在附近扩散时，在内建电场的作用下，可以漂移过结。结电场。

因此，在内建电场的作用下，n区的空穴将向p区迁移和聚集，p区的电子将向n区迁移和聚集，从而产生与pn结内建电场方向相反的光生电场，其方向为： p区指向n区。 即对于外电路来说，p区为正极，n区为负极。 该电场降低了势垒（内置电场）。 此时，费米能级分离，导致电压下降。 减少量就是光生电势差。

光伏电势差是太阳能电池的开路电压。 通过将两侧用导线连接并连接外部负载，即可向外界输出电能。 对于晶体硅太阳能电池，开路电压的典型值为0.5~0.6V。

图10. 太阳能电池工作示意图

参考链接：

[1] zhihu.com/question/31683770

[2]费米能级与PN结的光伏效应-努力工作再努力的文章-知乎

zhuanlan.zhihu.com/p/439141532

[3] zhuanlan.zhihu.com/p/62638615