太阳能电池板发电原理

在近20年中，您可能不断听到“太阳能革命”这一说法 -- 讲的是有一天我们会全部使用从太阳获得的免费电能。这是一个诱人的承诺：在天气晴朗、阳光明媚的日子里，太阳向地球表面辐射的能量约为1,000瓦每平方米，如果我们可以将这些能量全部收集起来，就可以轻松地为住宅和办公室提供免费电力。

SunLine Transit Agency供图

SunLine Transit Agency用太阳能板吸收能量来制氢。

在本文中，我们将研究太阳能电池，了解它们如何将太阳能直接转换为电能。在阅读过程中，您将了解到为什么说太阳能离人们的日常生活越来越近，以及为什么在这项技术具有成本效益之前我们还有许多研究工作要做。

将光子转换为电子

计算器和人造卫星上使用的太阳能电池都是光伏电池或者模块（模块就是一组通过电路连接并封装在一个框架内的电池）。光伏电池（Photovoltaics），顾名思义（photo=光， voltaic=电），是指将太阳光转换为电能的电池。光伏电池之前只用在太空中，而现在却越来越普及，且使用方式也越来越普通。它们甚至可以为您的住宅供电。这些装置是如何工作的呢？

光伏（PV）电池由半导体材料制成，比如硅就是目前最常用的一种半导体。当光照射电池时，有一部分光会被半导体材料吸收。这意味着吸收的光能将传给半导体。能量会导致电子逸出，使它们可以自由流动。光伏电池中还有一个或多个电场，可以迫使由光吸收并释放的电子以一定方向流动。电子的流动形成电流，通过在光伏电池的顶部和底部安放金属触点，我们可以将电流引出来，以供使用。例如，电流可以为计算器供电。此电流以及电池电压（由内部电场产生）决定了太阳能电池的功率（或者瓦特数）。

这是发电的基本过程，但是实际情况要复杂得多。让我们来深入研究一个光伏电池的示例：单晶硅电池。

硅有一些特别的化学特性，尤其是它的晶体结构。硅原子含有14个电子，排列在三个不同的核外电子层中。距离原子核最近的头两个电子层完全填满。而最外层电子则处于半满状态，只有四个电子。硅原子始终会想方设法填满最外面的电子层（即希望有八个电子）。为此，它会与相邻硅原子的四个电子共享自身的电子，这就好比每个原子与周围原子握手一样，只是在这种情况下，每个原子有四只手与四个邻居相握。这就形成了晶体结构，该结构对于这种类型的光伏电池具有重要的意义。

现在，我们已经了解了纯晶体硅。纯硅是一种性能很差的导体，因为它的电子不能像铜这样的导体中的电子那样自由移动。硅中的电子被全部锁在晶体结构中。太阳能电池中的硅结构已经过稍稍调整，以便它能作为太阳能电池来工作。

太阳能电池使用的硅混有杂质——其他原子与硅原子混在一起，这样会稍稍改变硅的工作方式。我们通常认为杂质是某种不好的东西，但在这个例子中，如果没有这些杂质，电池就无法工作。实际上，这些杂质是有意添加到硅中的。考虑硅与一个位置不定的磷原子在一起的情况，也许每一百万个硅原子配上一个磷原子。磷原子的外电子层有五个电子，而不是四个。它仍然要与硅周围的原子结合，但从某种意义上讲，磷原子有一个电子是不与任何原子握手的。它没有成为键的一部分，但是磷原子核中的正质子会使其保持在原位上。

当把能量加到纯硅中时（比如以热的形式），它会导致几个电子脱离其共价键并离开原子。每有一个电子离开，就会留下一个空穴。然后，这些电子会在晶格周围四处游荡，寻找另一个空穴来安身。这些电子被称为自由载流子，它们可以运载电流。不过，留在纯硅中的电子数量极少，因此没有太大的用处。而将纯硅与磷原子混合起来，情况就完全不同了。此时，只需很少的能量即可使磷原子的某个“多余”的电子逸出，因为这些电子没有结合到共价键中——它们的邻居不会将它们拉回。因此，大多数这类电子会成为自由电子，这样，我们就得到了比纯硅中多得多的自由载流子。有意添加杂质的过程被称为掺杂，当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为N型（“n”表示负电），因为硅里面有很多自由电子。与纯硅相比，N 型掺杂硅是一种性能好得多的导体。

实际上，太阳能电池只有一部分是N型。另一部分硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有三个而不是四个电子，这样可得到P型硅。P型硅中没有自由电子（“p”表示正电），但是有自由空穴。空穴实际是电子离开造成的，因此它们带有相反（正）的电荷。它们像电子一样四处移动。

在将N型硅与P型硅放到一起时，有趣的情形发生了。切记，每块光伏电池至少有一个电场。没有电场，电池就无法工作，而此电场是在N型硅和P型硅接触的时候形成的。突然，N 侧的自由电子（它们一直在寻找空穴来安身）看到了P侧的所有空穴，然后便疯狂地奔向空穴，将空穴填满。

以前，从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。所有自由电子会填充所有空穴吗？不会。如果是这样，那么整个准备工作就没有什么意义了。不过，在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。

光伏电池中的电场效应

这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从P侧流向N侧，而不是相反。它就像一座山——电子可以轻松地滑下山头（到达N侧），却不能向上攀升（到达P侧）。

这样，我们就得到了一个作用相当于二极管的电场，其中的电子只能向一个方向运动。让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。

当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。

每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到N侧，将空穴送到P侧。这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（P侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。电子流动提供电流，电池的电场产生电压。有了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。

光伏电池的工作原理

我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量？遗憾的是，此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为25%左右，通常的吸收率是15%或更低。为什么吸收率会这么低？

可见光只是电磁频谱的一部分。电磁辐射不是单频的——它由一系列不同波长（进而产生的一系列能级）组成。（有关电磁频谱的详细介绍，请参阅狭义相对论基本原理。）