在開發(fā)新能源的今天，太陽能作為新能源的一種，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了我們的生活之中，我們的洗澡用水是用太陽能熱水器燒的，有些家庭可能用的浴灞，還有就是公路兩邊的路燈也是汲取的太陽能，我們在公路上行駛時(shí)可以看到一排朝南玻璃板，那就是太陽能集熱板，也可以叫做太陽能電池板。接下來小兔介紹一下家用的太陽能電池板是如何發(fā)電的。

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(huì)全部使用從太陽獲得的免費(fèi)電能。這是一個(gè)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(fèi)電力。

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(xiàng)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(jì)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(gè)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(dāng)光照射電池時(shí)，有一部分光會(huì)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(huì)導(dǎo)致電子逸出，使它們可以自由流動(dòng)。光伏電池中還有一個(gè)或多個(gè)電場，可以迫使由光吸收并釋放的電子以一定方向流動(dòng)。電子的流動(dòng)形成電流，通過在光伏電池的頂部和底部安放金屬觸點(diǎn)，我們可以將電流引出來，以供使用。例如，電流可以為計(jì)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?cái)?shù))。這是發(fā)電的基本過程，但是實(shí)際情況要復(fù)雜得多。讓我們來深入研究一個(gè)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(gè)電子，排列在三個(gè)不同的核外電子層中。距離原子核最近的頭兩個(gè)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(gè)電子。硅原子始終會(huì)想方設(shè)法填滿最外面的電子層(即希望有八個(gè)電子)。為此，它會(huì)與相鄰硅原子的四個(gè)電子共享自身的電子，這就好比每個(gè)原子與周圍原子握手一樣，只是在這種情況下，每個(gè)原子有四只手與四個(gè)鄰居相握。這就形成了晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)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?yàn)樗碾娮硬荒芟胥~這樣的導(dǎo)體中的電子那樣自由移動(dòng)。

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(huì)稍稍改變硅的工作方式。我們通常認(rèn)為雜質(zhì)是某種不好的東西，但在這個(gè)例子中，如果沒有這些雜質(zhì)，電池就無法工作。實(shí)際上，這些雜質(zhì)是有意添加到硅中的。考慮硅與一個(gè)位置不定的磷原子在一起的情況，也許每一百萬個(gè)硅原子配上一個(gè)磷原子。磷原子的外電子層有五個(gè)電子，而不是四個(gè)。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(gè)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(huì)使其保持在原位上。當(dāng)把能量加到純硅中時(shí)(比如以熱的形式)，它會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)電子脫離其共價(jià)鍵并離開原子。每有一個(gè)電子離開，就會(huì)留下一個(gè)空穴。然后，這些電子會(huì)在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個(gè)空穴來安身。

這些電子被稱為自由載流子，它們可以運(yùn)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(shí)，只需很少的能量即可使磷原子的某個(gè)“多余”的電子逸出，因?yàn)檫@些電子沒有結(jié)合到共價(jià)鍵中——它們的鄰居不會(huì)將它們拉回。因此，大多數(shù)這類電子會(huì)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(dāng)利用磷原子摻雜時(shí)，得到的硅被成為N型(“n”表示負(fù)電)，因?yàn)楣枥锩嬗泻芏嘧杂呻娮印Ｅc純硅相比，N型摻雜硅是一種性能好得多的導(dǎo)體。實(shí)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(gè)而不是四個(gè)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(shí)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(dòng)。

在將N型硅與P型硅放到一起時(shí)，有趣的情形發(fā)生了。切記，每塊光伏電池至少有一個(gè)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(shí)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。以前，從電的角度來看，我們所用的硅都是中性的。多余的電子被磷中多余的質(zhì)子所中和。缺失電子(空穴)由硼中缺失質(zhì)子所中和。當(dāng)空穴和電子在N型硅和P型硅的交界處混合時(shí)，中性就被破壞了。所有自由電子會(huì)填充所有空穴嗎?不會(huì)。如果是這樣，那么整個(gè)準(zhǔn)備工作就沒有什么意義了。不過，在交界處，它們確實(shí)會(huì)混合形成一道屏障，使得N側(cè)的電子越來越難以抵達(dá)P側(cè)。最終會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個(gè)將兩側(cè)分開的電場。

家用太陽能電池板通過太陽的照射，將光能轉(zhuǎn)化為了電能，并且保存在了電池板中，在使用時(shí)自動(dòng)提取出來，這種巧妙的設(shè)計(jì)大大節(jié)省了我們對(duì)不可再生能源的消耗，對(duì)于太陽能電池板的發(fā)電方式的設(shè)計(jì)也是非常巧妙的。太陽能電池板不僅僅只是應(yīng)用于家庭，它應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)行業(yè)。聰明的大家都對(duì)太陽能的發(fā)電方式理解了嗎。