光伏電池的工作原理

我們的光伏電池可以吸收多少太陽光的能量？遺憾的是，此處介紹的簡易電池對太陽光能量的吸收率至多為25%左右，通常的吸收率是15%或更低。為什么吸收率會這么低？
 

可見光只是電磁頻譜的一部分。電磁輻射不是單頻的——它由一系列不同波長（進而產(chǎn)生的一系列能級）組成。（有關(guān)電磁頻譜的詳細(xì)介紹，請參閱狹義相對論基本原理。）
 

光可分為不同波長，我們可以通過彩虹看出這一點。由于射到電池的光的光子能量范圍很廣，因此有些光子沒有足夠的能量來形成電子空穴對。它們只是穿過電池，就像電池是透明的一樣。但其他一些光子的能量卻很強。只有達(dá)到一定的能量--單位為電子伏特（eV），由電池材料（對于晶體硅，約為1.1eV）決定——才能使電子逸出。我們將這個能量值稱為材料的帶隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，則多余的能量會損失掉（除非光子的能量是所需能量的兩倍，并且可以創(chuàng)建多組電子空穴對，但這種效應(yīng)并不重要）。僅這兩種效應(yīng)就會造成電池中70%左右的輻射能損失。
 

為何我們不選擇一種帶隙很低的材料，以便利用更多的光子？遺憾的是，帶隙還決定了電場強度（電壓），如果帶隙過低，那么在增大電流（通過吸收更多電子）的同時，也會損失一定的電壓。請記住，功率是電壓和電流的乘積。最優(yōu)帶隙能量必須能平衡這兩種效應(yīng)，對于由單一材料制成的電池，這個值約為1.4電子伏特。
 

我們還有其他能量損失。電子必須通過外部電路從電池的一側(cè)流到另一側(cè)。我們可以在電池底部鍍上一層金屬，以保證良好的導(dǎo)電性。但如果我們將電池頂部完全鍍上金屬，光子將無法穿過不透光導(dǎo)體，這樣就會喪失所有電流（在某些電池中，只有上表面而非所有位置使用了透明導(dǎo)體）。如果我們只在電池的兩側(cè)設(shè)置觸點，則電子需要經(jīng)過很長一段距離（對于電子而言）才能抵達(dá)接觸點。要知道，硅是半導(dǎo)體，它傳輸電流的性能沒有金屬那么好。它的內(nèi)部電阻（稱為串聯(lián)電阻）相當(dāng)高，而高電阻意味著高損耗。為了最大限度地降低這些損耗，電池上覆有金屬接觸網(wǎng)，它可縮短電子移動的距離，同時只覆蓋電池表面的一小部分。即使是這樣，有些光子也會被網(wǎng)格阻止，網(wǎng)格不能太小，否則它自身的電阻就會過高。

在實際使用電池之前，還要執(zhí)行其他幾個步驟。硅是一種有光澤的材料，這意味著它的反射性能很好。被反射的光子不能被電池利用。出于這個原因，在電池頂部采用抗反射涂層，可將反射損失降低到5%以下。

最后一步是安裝玻璃蓋板，用來將電池與元件分開，以保護電池。光伏模塊由多塊電池（通常是36塊）串聯(lián)和并聯(lián)而成，以提供可用的電壓和電流等級，這些電池放在一個堅固的框架中，后部分別引出正極端子和負(fù)極端子，并用玻璃蓋板封上。