4.6 扩展资料：太阳能电池是如何工作的
如4.1节所述，太阳能电池通过将半导体的电气性质和PN结与光电效应相结合而使太阳能转化为电能。硅基半导体为太阳能电池中最常用的材料，但其他半导体材料也可使用或正在开发中。
此扩展材料详细阐述了如何使用半导体利用太阳能发电。
4.6.1 硅的原子结构
太阳能电池主要用硅基半导体制成。因为硅的原子结构以及纯硅产生的晶格结构，所以硅被当作半导体来使用。
如同大多数其他元素，硅原子由质子、种子和电子组成。
（1）质子带正电荷。它们是原子的核心（中心），决定了原子是何种元素。例如，质子数为1的原子是氢原子，质子数为8的原子是氧原子，质子数为79的原子是金原子。硅原子质子数为14个。
（2）中子带中性电荷。它们也是原子核心的一部分。通常，硅原子中子数为14个。
（3）电子带负电荷。它们比质子和中子小得多，它们就如同行星绕着太阳转一样绕着核子转。静电作用力将它们保持在轨道中。不带电的原子的电子数与质子数相同；硅原子电子数也为14个。
在此状态下，即14个质子、14个中子、14个电子，硅处在稳定的电中性状态。
4.6.2 电子轨道
图4.14 硅的原子结构
绕着原子转的电子以壳层的形式排列，被称为电子壳层。每个壳层只能容纳一定数量的电子，壳层从里到外逐渐填满。任何被原子接受的电子将加入未满壳层；如果当前所有的壳层均填满，则新建一个壳层。
硅的电子数为14个，其排列如下（图4.14）：
（1）壳层0（内壳层）有2个电子。该壳层为稳定的满壳层。
（2）壳层1（中壳层）有8个电子。该壳层为稳定的满壳层。
（3）壳层2（外壳层）有4个电子。该壳层内达到8个电子才满，因此它还能容纳4个电子。
未满壳层内的电子靠近原子核的程度不如满壳层内的电子靠近原子核的程度。如果电子接收到的能量等于或大于其结合能力时，它将从电子壳层中被逐出，变成自由电子。
4.6.3 硅的晶格结构
原子在电子壳层填满时处于稳定状态。为此，原子彼此之间将共享电子，这样实际上所有的原子都具有满壳层。这种电子共享是一种被称为共价键的化学键。
图4.15 纯硅的晶格结构
硅原子的外层以8电子外壳的形式内含4个电子。4个电子中每个电子都与另一个硅原子中的电子形成共价键。
硅原子现在有一个完整的外壳，结合的硅原子在一起形成稳定的晶格结构（图4.15）。碳和锗等元素也具有半满外层，也共享该晶格特性。这种晶格结构是指纯硅不是很容易导电，即它是一个绝缘体。这是因为每个电子都与另一个原子形成强共价键，每个原子的外电子层都是满的；因此，需要许多能量来驱逐电子以使电流流动。
4.6.4 光电效应和硅
光电效应是能量从一个光子（光波粒）转移到一个原子中的一个电子中。如果有足够的能量，它会导致其中一个原子的电子摆脱其化学键。驱逐硅晶格中的电子所需能量为1.14eV（电子伏特）。
如果转移给电子的能量超过驱逐电子所需的能量，那么多出的能量将作为热量被释放。这意味着，并不是所有的太阳辐射能量都将用于释放电子。为此，硅太阳能电池的自然最大能量转换效率低于40%。此外，光伏组件通常覆盖着玻璃，玻璃过滤掉高能（短波长）光子，降低光伏组件的转换效率。如果转移的能量不足以释放电子，该能量将作为光重新被释放。主要的太阳能电池材料对不同波长光的响应不同，能级如图4.16所示。
知识点
一个光子的能量与它的波长有关。高能光子波长小（如紫外线），低能光子波长长（如微波）。
在正常情况下，被释放的电子不久又重新结合成原子，同时发射出光。发射出光的每个元素都有特定的光谱，可用于识别材料。
在太阳能电池中，释放出的电子受半导体PN结（在4.5.4节中有说明）生成的电场影响。如果电子移动到太阳能电池上的金属触点上，它将在外部接线中产生电流而发电。
图4.16 不同类型太阳能电池的光谱响应
[来源：Field，H.与光谱带宽和截波光波形有关的太阳能电池光谱响应测量误差。电气和电子工程师协会（IEEE）光伏专家会议，1997年10月3日，美国加利福尼亚州阿纳海姆市]
4.6.5 半导体和掺杂
由于其晶格结构完善，所以纯硅是一种绝缘体，但是这可通过掺杂等工艺来改变。掺杂将杂质引入晶格中，引入额外的电子或不完整的外壳（电子空穴）。
有两种类型的杂质用于掺杂：N型和P型。将硅与N型杂质掺杂在一起产生富电子半导体；将硅与P型杂质掺杂在一起产生缺电子半导体。
1.N型半导体
用于掺杂的N型材料，如含磷材料，其外壳层中有5个电子。4个电子在晶格中形成共价键，正如硅原子的外层电子一样，但第5个电子并未与任何元素相结合。该电子并不需要更多能量来驱逐，因此变成自由电子比较容易。在加入了少量的N型杂质之后，将会有足够的自由电子使电流流动自如，从而将硅从绝缘体变成导体。
2.P型半导体
用于掺杂的P型材料，如硼，在其外壳层中有3个电子。在硅晶格结构中，P型原子无足够的可共享电子来有效地填满近硅原子的外电子壳层，因此留下“空穴”。这些正空穴每个都能接受邻近原子中的电子，从而在原位留下空穴，本质上是把空穴穿过晶格。这些正空穴（以及填满它们的电子）的移动产生电流。在加入了少量的P型杂质之后，将会有足够的正空穴使电流流动自如，从而将硅从绝缘体变成导体。
知识点
在PN结处产生电场的区域被称为耗尽区。
4.6.6 PN结
单独来看，与大多数金属一样，富电子（N型）和缺电子（P型）半导体都是导电材料。然而，将富电子半导体与缺电子半导体相结合导致在PN结处产生有趣的电气特性。
按照定义，N型半导体有许多可用的电子，P型半导体有许多正空穴以接受电子。在N型半导体与P型半导体之间的PN结处，发生了如下情况：
（1）一些电子从N型（富电子）移到P型（缺电子）材料。这使得N型半导体的边缘带少许正电，因为它失去了电子；P型半导体的边缘带少许负电，因为它获得了电子。
（2）带电的差异导致在N型半导体与P型半导体之间的PN结处产生电场。
（3）电场导致一些电子返回到相反方向；电子被吸到N型半导体的带正电部分。同样的，空穴被吸到P型半导体的带负电部分。
（4）电子流的两个方向之间达到平衡之后，电子就不再移动，但仍会有电场（图4.17）。
图4.17 产生的电场原因（由于在PN结处N型半导体带正电，P型半导体带正电）
在太阳能电池中，在PN结处产生的电场可用于影响光电效应释放的电子。这在下一节中说明。
4.6.7 光电效应与PN结相结合
从本质上讲，太阳能电池是一个PN结。当太阳光照射到电池上时，通过光电效应从硅原子释放的电子受到PN结的电场的影响。
电子穿过电池进入电池的上表面。在进入电池的表面的过程中，一些电子可能会被硅原子再吸收，但是许多电子到达电池的表面。通过将金属触点放在电池的两侧，产生的电流可通过外部电路来收集（图4.18）。
图4.18 光电效应与PN结的电场相结合，在外部接线中产生电流
并非所有光的波长都能有效地在太阳能电池中产生电流。中间可见光波长，即黄色、绿色和蓝色的光，均是最有效的波长。这些波长产生的自由电子靠近PN结，它们在那里不可能与电子空穴重新组合，因此会产生电流。
较长的波长，如红光和橙色光，没有足够的能量来成功释放自由电子。较短的波长，如紫外光，不能深入地穿透电池，因此它们生成的自由电子在电池表面附近产生。这些自由电子将仅仅可能与电池表面的电子空穴重新组合。