太陽能電池工作原理

在近20年中，您可能不斷聽到“太陽能革命”這一說法 -- 講的是有一天我們會全部使用從太陽獲得的免費電能。這是一個誘人的承諾：在天氣晴朗、陽光明媚的日子里，太陽向地球表面輻射的能量約為1,000瓦每平方米，如果我們可以將這些能量全部收集起來，就可以輕松地為住宅和辦公室提供免費電力。

您可能見過使用太陽能電池的計算器-從不需要電池的計算器，有時這種計算器甚至沒有關(guān)閉按鈕。只要有足夠的光，這些計算器似乎就可以一直工作下去。您可能見過更大的太陽能電池板——在緊急交通標志、公共電話亭、浮標甚至停車場中和電源指示燈上都能看到這樣的電池板。盡管這些大型面板不像太陽能計算器那樣常見，但它們確實存在，如果您知道相應(yīng)的位置，便會很容易發(fā)現(xiàn)它們。太陽能電池還裝在人造衛(wèi)星上，用來為其供電。

在本文中，我們將研究太陽能電池，了解它們?nèi)绾螌⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)換為電能。在閱讀過程中，您將了解到為什么說太陽能離人們的日常生活越來越近，以及為什么在這項技術(shù)具有成本效益之前我們還有許多研究工作要做。

將光子轉(zhuǎn)換為電子

計算器和人造衛(wèi)星上使用的太陽能電池都是光伏電池或者模塊（模塊就是一組通過電路連接并封裝在一個框架內(nèi)的電池）。光伏電池（Photovoltaics），顧名思義（photo=光， voltaic=電），是指將太陽光轉(zhuǎn)換為電能的電池。光伏電池之前只用在太空中，而現(xiàn)在卻越來越普及，且使用方式也越來越普通。它們甚至可以為您的住宅供電。這些裝置是如何工作的呢？

光伏（PV）電池由半導(dǎo)體材料制成，比如硅就是目前最常用的一種半導(dǎo)體。當光照射電池時，有一部分光會被半導(dǎo)體材料吸收。這意味著吸收的光能將傳給半導(dǎo)體。能量會導(dǎo)致電子逸出，使它們可以自由流動。光伏電池中還有一個或多個電場，可以迫使由光吸收并釋放的電子以一定方向流動。電子的流動形成電流，通過在光伏電池的頂部和底部安放金屬觸點，我們可以將電流引出來，以供使用。例如，電流可以為計算器供電。此電流以及電池電壓（由內(nèi)部電場產(chǎn)生）決定了太陽能電池的功率（或者瓦特數(shù)）。

這是發(fā)電的基本過程，但是實際情況要復(fù)雜得多。讓我們來深入研究一個光伏電池的示例：單晶硅電池。

硅有一些特別的化學(xué)特性，尤其是它的晶體結(jié)構(gòu)。硅原子含有14個電子，排列在三個不同的核外電子層中。距離原子核最近的頭兩個電子層完全填滿。而最外層電子則處于半滿狀態(tài)，只有四個電子。硅原子始終會想方設(shè)法填滿最外面的電子層（即希望有八個電子）。為此，它會與相鄰硅原子的四個電子共享自身的電子，這就好比每個原子與周圍原子握手一樣，只是在這種情況下，每個原子有四只手與四個鄰居相握。這就形成了晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對于這種類型的光伏電池具有重要的意義。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解了純晶體硅。純硅是一種性能很差的導(dǎo)體，因為它的電子不能像銅這樣的導(dǎo)體中的電子那樣自由移動。硅中的電子被全部鎖在晶體結(jié)構(gòu)中。太陽能電池中的硅結(jié)構(gòu)已經(jīng)過稍稍調(diào)整，以便它能作為太陽能電池來工作。

太陽能電池使用的硅混有雜質(zhì)——其他原子與硅原子混在一起，這樣會稍稍改變硅的工作方式。我們通常認為雜質(zhì)是某種不好的東西，但在這個例子中，如果沒有這些雜質(zhì)，電池就無法工作。實際上，這些雜質(zhì)是有意添加到硅中的。考慮硅與一個位置不定的磷原子在一起的情況，也許每一百萬個硅原子配上一個磷原子。磷原子的外電子層有五個電子，而不是四個。它仍然要與硅周圍的原子結(jié)合，但從某種意義上講，磷原子有一個電子是不與任何原子握手的。它沒有成為鍵的一部分，但是磷原子核中的正質(zhì)子會使其保持在原位上。

當把能量加到純硅中時（比如以熱的形式），它會導(dǎo)致幾個電子脫離其共價鍵并離開原子。每有一個電子離開，就會留下一個空穴。然后，這些電子會在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個空穴來安身。這些電子被稱為自由載流子，它們可以運載電流。不過，留在純硅中的電子數(shù)量極少，因此沒有太大的用處。而將純硅與磷原子混合起來，情況就完全不同了。此時，只需很少的能量即可使磷原子的某個“多余”的電子逸出，因為這些電子沒有結(jié)合到共價鍵中——它們的鄰居不會將它們拉回。因此，大多數(shù)這類電子會成為自由電子，這樣，我們就得到了比純硅中多得多的自由載流子。有意添加雜質(zhì)的過程被稱為摻雜，當利用磷原子摻雜時，得到的硅被成為N型（“n”表示負電），因為硅里面有很多自由電子。與純硅相比，N 型摻雜硅是一種性能好得多的導(dǎo)體。

實際上，太陽能電池只有一部分是N型。另一部分硅摻雜的是硼，硼的最外電子層只有三個而不是四個電子，這樣可得到P型硅。P型硅中沒有自由電子（“p”表示正電），但是有自由空穴。空穴實際是電子離開造成的，因此它們帶有相反（正）的電荷。它們像電子一樣四處移動。

在將N型硅與P型硅放到一起時，有趣的情形發(fā)生了。切記，每塊光伏電池至少有一個電場。沒有電場，電池就無法工作，而此電場是在N型硅和P型硅接觸的時候形成的。突然，N 側(cè)的自由電子（它們一直在尋找空穴來安身）看到了P側(cè)的所有空穴，然后便瘋狂地奔向空穴，將空穴填滿。