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3 认识太阳能发电 尽管太阳能发电最近引起了广泛的关注, 但这项技术起源于19 世纪, 研究者们发现光可以从固体材料中激发出电子, 现在我们使 用的几种类型的太阳能电池都是来源于这个惊人的发现。 在本章中, 我们将介绍太阳能电池是如何工作的, 以市场上现有的几种模块为 例, 介绍一些重要的术语和概念。 如果你想了解太阳能电池技术的 历史以及新发展, 可以参考拙著 《Power fromthe Sun》 一书。 3．1　 什么是光伏电池? 光伏电池或称太阳能电池是一种固态的电子器件, 就像晶体 管、 二极管, 以及现代电子设备的其他组成部件一样, 这些器件被 称为固态, 是由于电子在其内部的固体材料中流动形成电流。 现在 使用的大部分的光伏电池是由地球上含量充足的硅制成的, 硅可以 从石英砂中提取得到。 跟其他的原子一样, 硅原子是由中央原子核和围绕原子核运动 的外层电子构成的, 中央原子核又包含有质子和中子。 当光照射到 硅原子上时, 一些外层电子会偏离它们原来的运动轨道被释放出 来, 这些电子按照相同的方向流动, 形成了电流。 由于一个光伏模 块是由很多个光伏电池单元串联而成的, 这样大量的电子就会聚集 在一起运动产生电流, 从而驱动负载。 目前使用的太阳能电池大部分都是硅薄片, 厚约为 1in 的1/ 100 (180~350μm之间)。 如图3．1所示, 大部分太阳电池包括两 层, 很薄的上层和较厚的下层, 上层由硅和磷原子构成, 下层由硅 和硼原子构成。 35 太阳能光伏发电知识读本 　 图3．1　 太阳电池的截面 如图中所示, 太阳能电池包含两层感光性硅, 很薄的上层, 即 n层, 以及较厚的下层, 即p层。 由光照释放出的电子从电池表面 的金属端子流出, 产生直流电, 这些获取了太阳能的电子流向负 载, 能量被用来驱动负载, 然后电子再流向太阳能电池的另一端。 认　 识　 硅 硅光伏电池是由硅元素制成的, 硅是从石英或者含有石英 颗粒的沙子中提取得到的, 石英由二氧化硅构成。 当阳光照射到太阳能电池中的硅原子上时, 将电子从上下两层 的原子中激发出来, 这些电子优先流向表面 (原因超出了本书范围, 不再介绍), 流到太阳能电池前段的金属端子处。 在第1章中已经指 出, 一个太阳能光伏模块是由很多太阳能电池串联而成的, 因此从 一个电池中释放出的电子流向下一个电池, 以此类推, 最终流向了 模块的负极端子。 电子从太阳能电池阵列流出, 驱动连接在线路中 的负载 (用电设备)。 当从阳光中获取的能量被传递到负载中之后, 这些电子通过另一条线路回到了太阳能电池中, 填充之前电子释放 留下来的空穴, 这样使得电子的流动能够继续进行下去。 如果需要 详细了解这个过程, 可以参考 《Power fromthe Sun》 一书。 36 　 第3 章　 认识太阳能发电 3．2　 光伏电池的种类 太阳能电池可以由各种半导体材料制成, 目前最常用的是硅。 前面已经指出, 硅是由二氧化硅中得到的, 二氧化硅可以从石英岩 或者石英砂中获取。 石英岩完全是由石英矿构成的, 因此含有几乎 纯净的石英 (二氧化硅), 石英砂是一种相对纯净的沙子, 含有高 比例的石英。 从地质上来说, 石英砂来自石英。 尽管有其他的将太 阳能转换成电能的效率更高的半导体材料, 但是硅主导了半导体市 场, 因为它可以用最低的成本获得最多的电能。 用于制造太阳能光伏模块的硅有3种: 单晶硅、 多晶硅和非晶 体硅。 3．2．1　 单晶硅光伏电池 单晶硅电池是最早投入商业生产的太阳能电池, 是由一个 圆柱形硅晶体的晶圆切片制成的 (见图3．2)。 通过熔化大块高 纯度多晶硅和微量的硼元素可以制成单晶锭, 熔化之后, 将籽 晶浸在硅和硼的熔体中, 边旋转边取出, 在取出的过程中, 熔