光伏電池的原理是什麼？

太陽能電池板有兩種不同的結構形式，這是因為內部的晶體結構不同。兩種晶矽體的原材料本身是一樣的，只是製備工藝不同，多晶矽採用的是鑄錠工藝，單晶矽是在多晶矽鑄錠工藝的基礎上增加了，拉棒工藝是矽分子排列結構一致，從而得到了更高導電效能的矽片。因為單晶矽電池具有更高效率的光電轉換率，近兩年來得到了大規模的普及和應用屋頂上的太陽能光伏板。來自太陽的能量是地球上最豐富和絕對免費的能源。

為了利用這種能量，我們需要地球上第二豐富的沙子元素的幫助。沙子必須轉化成99.99999%的純矽晶體，才能用於太陽能電池。

要做到這一點，沙子必須經過一個複雜的淨化過程。未加工的矽轉化為氣態矽化合物形式。然後將其與氫混合，得到高度純化的多晶矽。這些矽料被融化鑄錠以後，切割成180微米的薄片，稱之為矽片。

矽片是光伏電池的核心，當分析矽原子的結構時，正常情況下矽原子只攜帶有4個電子，但是矽原子在共享周邊的電子以後，就形成了每個原子周圍8個電子的穩固的分子形態，這些相鄰的電子就像結合在一起，無法自由移動。

為了便於理解，考慮矽晶體的二維結構，假設有5價電子的磷原子被注入矽片中，5價電的磷原子和4價電的矽原子結合，就產生一個多餘的自由電子，這種摻雜就形成了電池片的N型區。

高度淨化的太陽能電池。只用這種材料，當光線照射它們時，電子將獲得光子能量並可以自由移動，然而電子的這種運動是隨機的，它不會導致任何電流透過負載。要使電子流單向流動，就需要一個驅動力，PN接面是一種簡單實用的產生動力的方法。

與N型摻雜類似，如果在矽片中注入3價電子的硼原子，3價電的硼原子與4價電的矽原子結合，就會形成一個空穴區，也就是說它再吸附1個電子，這種摻雜形成了電池片的P型區。

如果這兩種摻雜的材料結合在一起，一些電子將從N端遷移到P區域，填補那裡的空穴，這樣就形成了那裡沒有自由電子和空穴的耗盡區。

由於電子遷移，N側邊界略帶正電荷，P側邊界帶負電荷。在這些電荷之間肯定會形成一個電場，這個電場產生必要的驅動力。當光線照射到PN接面，電池的末端區域穿透並達到耗盡區域。這個光子能量足以在耗盡區產生電子空穴對，耗盡區中的電場將電子和空穴逐出耗盡區。

電子在N區和空穴P區的濃度變得如此之高，以至於它們之間會產生電位差。一旦連線了這些區域之間的任何負載，電子就會開始流過負載，電子在完成他們的路徑後與P區的空穴區重新結合。這樣太陽能電池就可以連續地提供直流電。

在實際的太陽能電池中，可把這些串聯起來，連線起來的電池與另一個電池總並聯，你就得到了太陽能電池板，一個光伏電池只產生0.5左右的電壓，電池組的串聯和並聯組合，將電流和電壓值增加到一個可用範圍。

如果光線照射在太陽能電池上並且光在介面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在P型矽和N型矽中將電子從共價鍵中激發，以致產生電子－空穴對。介面層附近的電子和空穴在複合之前，將透過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的N區和空穴向帶負電的P區運動。透過介面層的電荷分離，將在P區和N區之間產生一個向外的可測試的電壓。此時可在矽片的兩邊加上電極並接入電壓表。對晶體矽太陽能電池來說，開路電壓的典型數值為0.5～0.6V。透過光照在介面層產生的電子－空穴對越多，電流越大。介面層吸收的光能越多，介面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。

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簡單地說，光伏電池的原理是利用半導體的光生伏特效應，在太陽能電池內部PN 結上形成電位差，從而將太陽能轉換為電能。