太阳能电池板发电原理

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

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。

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，

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。< /p>

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

< br>”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）

< br>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。