眾所周知，太陽能電池是利用光生伏打效應，把光能直接轉換成電能的一種器件。所謂光生伏打效應是某種材料吸收的光能之后產(chǎn)生電動勢的效應。在固體中，尤其在半導體內，光能轉換成電能的效率特別高。太陽能電池的工作原理可以概括成下面幾個主要過程:

(1).必須有光的照射，可以是單色光，太陽光或模擬太陽光源等。

(2).光子注入到半導體后，激發(fā)出電子-空穴對,這些電子-空穴對必須有足夠的壽命保證，在他們被分離之前不會復合消失。

(3).必須有個靜電場(PN結)，起分離電子-空穴對的作用。

(4. 被分離的電子和空穴，經(jīng)電極收集輸出到電池體外，形成電流。

太陽能發(fā)電原理

太陽能電池發(fā)電的主要原理是半導體的光電效應。硅原子有4個電子，如果在純硅中摻入有5個電子的原子如磷原子，就成為帶負電的N型半導體;若在純硅中摻入有3個電子的原子如硼原子，形成帶正電的P型半導體。當P型和N型結合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P-N結后，空穴由N極區(qū)往P極區(qū)移動，電子由P極區(qū)向N極區(qū)移動，形成電流。

制作時，多晶硅經(jīng)過鑄錠、破錠、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上摻雜和擴散微量的硼、磷等，就形成P-N結。然后采用絲網(wǎng)印刷，將精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結，同時制成背電極，并在有柵線的面涂一層防反射涂層，電池片就至此制成。電池片排列組合成電池組件，就組成了大的電路板。一般在組件四周包鋁框，正面覆蓋玻璃，反面安裝電極。有了電池組件和其他輔助設備，就可以組成發(fā)電系統(tǒng)。為了將直流電轉化交流電，需要安裝電流轉換器。發(fā)電后可用蓄電池存儲，也可輸入公共電網(wǎng)。發(fā)電系統(tǒng)成本中，電池組件約占50%，電流轉換器、安裝費、其他輔助部件以及其他費用占另外50%。

太陽能電池芯片

太陽能電池芯片是具有光電效應的半導體器件，半導體的PN結被光照后產(chǎn)生電流，當光直射太陽能電池芯片，其中一部分被反射，一部分被吸收。一部分透過電池芯片、被吸收的光激發(fā)被束縛的高能級狀態(tài)下的電子，使之成為自由電子，這些自由電子在晶體內向各方向移動，余下空穴(電子以前的位置)?？昭ㄒ矅@晶體飄移，自由電子(-)在N結聚集，空穴(+)在P結聚集，當外部環(huán)路被閉合，電流產(chǎn)生。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)組成。如輸出電源為交流220V或

110V，還需要配置逆變器。各部分的作用為：

(一)太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質量和成本。

(二)太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_關、時控開關都應當是控制器的可選項。

(三)蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。

(四)逆變器：在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負載時，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉換成5VDC的電能(注意，不是簡單的降壓)。

美國科學家制造了一種三結太陽能電池，其效率達到了39.5%，創(chuàng)下了單太陽光照下任何類型電池的世界紀錄。盡管這一概念所依賴的材料和工藝對大多數(shù)商業(yè)用途來說仍過于昂貴，但它很快就會在衛(wèi)星和其他太空技術中得到實際應用。

由美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)領導的一組科學家在沒有聚光器的正常照明下創(chuàng)造了太陽能電池效率的新世界紀錄，基于三層III-V材料的電池效率達到39.5%。

這一新的記錄打破了NREL之前39.2%的記錄，通過各種創(chuàng)新，該小組能夠極大地簡化該設備，使用三端串聯(lián)而不是之前的六端。此前三結型太陽能電池的記錄是夏普公司在2013年創(chuàng)下的37.9%

最近發(fā)表在《焦耳》雜志上的一篇論文“厚量子阱超晶格使三結太陽能電池具有39.5%的地面效率和34.2%的空間效率”對這種電池進行了全面描述。該小組將鎵銦砷(GaInAs)、砷化鎵(GaAs)和砷化鎵銦(GaInP)層結合起來，創(chuàng)造出一種可以吸收大量太陽光譜的設備。

這種方法的關鍵是NREL最新的“量子阱”工作，它允許它更好地調整每一層來吸收太陽光譜的不同部分。NREL的高級科學家和電池設計師Ryan France說，“雖然砷化鎵是一種優(yōu)秀的材料，通常用于III-V型多結電池，但它不具有與三結電池相當正確的帶隙，這意味著三個電池之間的光電流平衡不是最佳的?！?

“在這里，我們通過使用量子阱在保持優(yōu)異材料質量的同時修改了帶隙，這使得該設備和潛在的其他應用成為可能?！彼a充說。

量子阱是插入電池層的薄納米結構，可以改變帶隙和其他特性。利用這些，小組能夠提高中間砷化鎵電池層的帶隙，以最大化其性能與其他兩個一致。雖然量子阱現(xiàn)象不是一個新發(fā)現(xiàn)，但在幾個納米尺度上使用這些材料所面臨的各種挑戰(zhàn)限制了它們在以往研究中的實際效益。

該小組承認，至少就目前而言，他們正在研究的這些電池的工藝和材料對大多數(shù)主流太陽能應用來說過于復雜和昂貴。盡管NREL正在嘗試一些不同的方法，可以大大減少其成本，但目前，為衛(wèi)星和其他空間技術供電是基于這些“III-V”材料的任何類型太陽能電池的唯一可能應用。

太陽能已經(jīng)成為時下節(jié)能環(huán)保的功臣，電用熱水器和燃氣熱水器逐漸被太陽能熱水器所替代，傳統(tǒng)的路燈也逐漸被太陽能草坪燈替代。

太陽能草坪燈的系統(tǒng)組成

太陽能草坪燈是一個獨立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。它能夠獨立地完成把太陽能轉換為電能，并能把電能轉換成熱能供照明和裝飾使用，而不需要電線的傳輸。主要的系統(tǒng)組成部分有光伏發(fā)電系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。

光伏系統(tǒng)

一個獨立的光伏系統(tǒng)一般由三部分組成：太陽電池組件;充、放電控制器、逆變器、測試儀表和計算機監(jiān)控等電力電子設備和蓄電池或其它蓄能和輔助發(fā)電設備。

光伏發(fā)電系統(tǒng)具有以下的特點：沒有轉動部件，不產(chǎn)生噪音;沒有空氣污染、不排放廢水;沒有燃燒過程，不需要燃料;維修保養(yǎng)簡單，維護費用低;運行可靠性、穩(wěn)定好;作為關鍵部件的太陽電池使用壽命長，晶體硅太陽電池可達到25年以上;根據(jù)需要很容易擴大發(fā)電規(guī)模。

供電系統(tǒng)

太陽能草坪燈是一個小型的太陽能供電系統(tǒng)。它的結構非常簡單主要由太陽能電池板、充放電控制器、蓄電池、照明電路和燈桿等部分組成

太陽能草坪燈的結構組成

由太陽能電池組件(光伏板)、超高亮LED燈(光源)、免維護可充電蓄電池、自動控制電路、燈具等組成。

太陽能草坪燈的光源優(yōu)勢

目前多數(shù)草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長，可以達到100000小時以上，工作電壓低，非常適合應用在太陽能草坪燈上。特別是LED技術已經(jīng)有了關鍵性的突破，并且其特性在過去5年中有很大提高，其性能價格比也有較大的高。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，使調節(jié)明暗，頻繁開關都成為可能，并且不會對LED的性能產(chǎn)生不良影響。