探索太阳能电池：结构、工作原理与系统组件详解

全球碳排放的不利影响导致人们最近开始使用更绿色的能源。太阳能就是这样一种低成本且随时可用的能源。这项技术的核心部件是太阳能电池，它可以将阳光转化为电能。

太阳能电池的结构

太阳能电池是一种半导体器件，通常由晶体或薄膜硅材料制成。它们是由 pn 结组成的半导体二极管，其中 n 层具有过量的电子，而 p 层具有过量的空穴。p 型和 n 型半导体材料相遇的区域称为耗尽区，如图 1 所示。

图 1 太阳能电池的结构

最初，来自 n 型区域的电子被吸引到 p 侧，从而产生带负电的电子并形成带正电的离子。

当 p 型材料接受带负电的电子时，它会变成带负电的离子。此过程会产生电场，在正常情况下阻止电子和空穴的移动。

这些硅夹在导电金属层之间；金属导电板位于半导体材料下方，形成正极，金属电极位于其上方，形成负极，如图 2 所示。

顶部导电层由厚条和薄条组成，厚条和薄条分别称为母线和指状物。电子通过放置在硅上的指状物收集并传送到母线。这些指状物必须尽可能薄，以增强光对半导体材料的穿透能力。

图 2 太阳能电池的工作原理

太阳能电池如何工作？

光由许多称为光子的粒子组成。当光子进入耗尽区并拥有大于太阳能电池中硅原子带隙能量的能量时，它们可以从价带中移除电子并将其提升到导带，从而产生空穴。

如图 2 所示，入射光子会产生电子-空穴对。电子穿过结面并被吸引到细胞的上层，而空穴则向底层移动。

当连接到外部电路时，电子穿过电路并与空穴重新结合。电子流动产生电能。太阳能电池的 n 层相对较薄，以便更多入射光子可以进入耗尽区，从而增加产生的电子空穴空气量。

由于硅是一种有光泽的材料，因此在 n 层顶部涂有防反射涂层，以提高光穿透力并防止光反射。太阳能电池与光电二极管具有相似的结构；唯一的区别是光电二极管是反向偏置的。

太阳能电池板 - 太阳能系统的组成部分

由于单个太阳能电池只能提供 0.5 V 电压，因此需要将多个太阳能电池连接起来，形成一个太阳能模块或太阳能板，如图 3 所示。将这些太阳能板连接在一起即可形成太阳能串。太阳能电池阵列由多个相互连接的太阳能串组成。

图 3 太阳能电池、太阳能电池板、太阳能串和太阳能电池阵列的示意图

太阳能电池串联时，电压相加，但电流不变；太阳能电池并联时，电压不变，但电流相加。

例如，如果太阳能电池在六块电池串联时可以产生 2 A 电流和 0.5 V 电压，则它们可以产生 3 V 和 2 A 电流。相比之下，如果并联连接，六块电池可以产生 0.5 V 和 4 A。因此，太阳能电池板采用大量串并联连接来提高电流和电压。

太阳能电池板层数

典型的太阳能电池板有几层，如图 4 所示。

● 铝制框架

● 钢化玻璃

● 封装材料 乙烯醋酸乙烯酯（EVA）

● 太阳能电池

● 封装材料EVA

● 背板

● 接线盒

图 4 太阳能电池板的各层 来源：Ecoprogetti

最上层为铝框，对保护太阳能电池层压组件和边缘至关重要。其次，厚度为 2-4 纳米的钢化玻璃可保护太阳能电池免受外界因素的影响。

下一层称为封装层，由 EVA 组成，起着至关重要的作用，并密封在太阳能电池的顶部和底部。其目的是保持太阳能电池的结构完整性。

这一层对于保护太阳能电池免受机械应变、冲击、振动、潮湿和长时间暴露造成的电气性能下降至关重要。夹在这一封装层之间的太阳能电池由

● 更大的p型半导体材料

● 薄n层半导体材料

● pn 结 - 暴露在阳光下时产生电子空穴对，并在 n 层顶部形成防反射涂层

晶体半导体材料由于效率较高而比其他类型的材料使用得更频繁。太阳能电池生产中更常用的晶体硅主要有两种形式：多晶硅和单晶硅。单晶硅的效率高于多晶硅，但价格更昂贵。

最后面的一层是塑料材料制成的坚固背板，用于电气隔离并保护太阳能电池免受潮湿和其他环境条件的影响。最后是接线盒，用于提供太阳能电池的电气连接。

太阳能发电系统的基本组件

电池、充电控制器和逆变器是太阳能系统的附加部件。在阳光明媚的日子里，太阳能电池板往往会对电池过度充电，这会导致电池损坏。

夜间，电力可能会重新放电到太阳能电池板中，从而损坏电池板；因此，用充电控制器将太阳能电池板和电池分开至关重要。

电池和太阳能电池板产生的大部分电力是直流电 (DC)，但住宅和商业建筑需要交流电 (AC)，因此需要使用逆变器。

并网太阳能电池板和能源管理

太阳能电池板通常通过电表和逆变器连接到电网，供住宅和商业使用。白天产生多余的电力并输出到电网。当晚上没有产生能量时，电网为设备供电。

影响太阳能效率的因素

有几个因素对于确定太阳能电池板产生多少电量至关重要。

● 太阳能电池板的安装位置至关重要；与太阳垂直的太阳能电池板效率更高。因此，必须仔细评估太阳能电池板的面积、角度、倾斜度和方向，以最大限度地发挥其性能。

● 前期投资较大，且太阳能对整体能源的贡献较小，是一种不太便捷的能源。

● 这些太阳能分散不均，且受气候影响。夏季产生的能量过剩，而冬季产生的能量相对较少。

本文要点

● 太阳能电池板是太阳能系统的重要组成部分，通过复杂的半导体工艺将阳光转化为电能。

● 了解太阳能电池的结构，包括pn结和耗尽区，对于高效发电至关重要。

● 太阳能电池板的串并联连接有助于提高电压和电流，从而增强整体能量输出和系统性能。

● 电池、充电控制器和逆变器等组件在调节和优化系统内太阳能流动方面发挥着重要作用。

● 位置、气候和初始投资等因素显著影响太阳能技术在不同环境中的效率和实用性。