太阳能如何转换成电能

为什么太阳能电池能将太阳能转化为电能？

在过去的几十年中，人们一直在谈论太阳能 革命：当所有人都使用上来自太阳的免费电能时 所发生的变革。太阳能的前景十分诱人：在晴朗 而阳光灿烂的日子，太阳射到地球表面的能量约 为每平方米1000瓦。 如果我们能将这些能量全 部收集起来，就可以轻松地向家庭和办公室提 供免费的电能。我们今天所使用的太阳能电池 正是要利用这种能源。 太阳能电池随处可见，从卫星到计算器许多 地方都用上了太阳能电池。 太阳能计算器不需要 电池，有的甚至没有“关闭”键。只要阳光充足， 这些计算器似乎就可以永远工作下去。在应急道 路指示牌、电话亭、浮标或停车场里，人们使用 较大的太阳能电池即太阳能电池板来为它们提供 ...全部

   在过去的几十年中，人们一直在谈论太阳能 革命：当所有人都使用上来自太阳的免费电能时 所发生的变革。太阳能的前景十分诱人：在晴朗 而阳光灿烂的日子，太阳射到地球表面的能量约 为每平方米1000瓦。
  如果我们能将这些能量全 部收集起来，就可以轻松地向家庭和办公室提 供免费的电能。我们今天所使用的太阳能电池 正是要利用这种能源。 太阳能电池随处可见，从卫星到计算器许多 地方都用上了太阳能电池。
  太阳能计算器不需要 电池，有的甚至没有“关闭”键。只要阳光充足， 这些计算器似乎就可以永远工作下去。在应急道 路指示牌、电话亭、浮标或停车场里，人们使用 较大的太阳能电池即太阳能电池板来为它们提供 灯光。
  那么，这些电池是怎样将太阳能转化为电 能的呢？ 计算器和卫星上的太阳能电池是光电池或 组件（由电路连接并固定在一个外框里的一组电 池）。光电器件把阳光直接转化为电能。过去， 光电器件基本上只在太空中使用，而现在情况却 有所不同。
  现在的光电器件甚至可以为我们的家 庭提供电能。那么，光电器件又是如何进行工作 的呢？ 光电池是由半导体这种特殊的材料制成的。 目前，最常用的半导体是硅。通常，当光照射到 电池上，一部分光会被半导体物质所吸收。
  也就 是说，被吸收的这部分光所含的能量就会被转移 到半导体中。能量使电子的结构变得松散，使它 们可以自由移动。光电池通常都包含一个或多个 电场，在这些电场的作用下，那些因光的吸收而 自由移动的电子就会朝着某个方向运动。
  电子的 流动形成电流，如果光电池的顶部和底部安装了 金属触点，这股电流就可以对外供电了。比如 说，这股电流可以给一个计算器供电。这股电流 再加上电池的电压（由电池的一个或多个电场所 产生），就是太阳能电池所能产生的全部能量（功 率量)。
   以上只是光电池的基本原理，还有很多其他 的方面。下面，就让我们来深入地了解一种光电 池：单晶硅电池。 纯硅的导电性很差，它所有的电子都被锁在 晶体结构中，没有可以自由运动的电子。我们可 以通过“掺杂”的方法，即在硅晶体中添加杂质， 来改变硅的属性，把它变为导体。
  在硅中添加磷 或硼，就会形成N型或P型硅。 当我们把N型和P型硅放在一起，会发生令 人惊奇的变化。在二者的交界面，会形成一道屏 障，进而形成电场，将两边分开。 要知道，每个光电池至少有一个电场。
  如果 没有电场，电池就无法工作。当N型和P型硅接 触时，就会产生这样的电场。在N型硅的一侧是 一直在寻找空穴的自由电子，而在P型硅的一侧 又有这样的空穴，因此瞬间就会出现强劲的电子 流将这些空穴填满。
   在电子填满空穴前，整个硅晶体的电荷呈中 性。多余的硅电子与磷原子里多余的质子作用相 互抵消。电子的空位（空穴）与硼原子里质子的 空位作用相互抵消。但是，当空穴与电子在N型 和P型硅的交界面混合后，这种中性电荷的状况 就会被打破。
  那么，是不是所有的自由电子把所 有的自由空穴都填满了呢？答案是否定的。如果 情况真是这样，光电池就不会这么有用了。真实 的情况是，自由电子和空穴混合并形成一道屏障， 使N型硅一侧的电子想要穿过屏障到达P型硅的 一侧变得越来越困难。
   最终达到的是一种平衡状态，即形成一个电 场将两侧分开。 电场就像一个二极管，促使（甚至推动）电 子从P型硅的一侧流动到N型硅的一侧，但不会 发生相反的运动。这就像爬山：电子可以轻易地 “下山”（到达N型硅的一侧），却无法“上山”（到 达P型硅的一侧)。
   因此，在这个作用类似二极管的电场中，电 子只能单向移动。那么，当光照射到电池上，将 发生什么呢？ 当以光子形式存在的光照射到太阳能电池 上，光能会把电子-空穴对拆开。 通常，每个带有一定能量的光子都会释放一 个电子，形成一个自由空穴。
  如果这种情况发生 在交界面附近，或者一个自由电子和一个自由空 穴刚好运动到交界面的影响范围内，在电场的作 用下，电子就会进人N型硅一侧，而空穴就会进 入P型硅一侧。这样，中性电荷的状况就会被进 一步打破。
  如果此时出现一条外部的电流通路，电子就会从这条通路返回它们初始的位置（P型 硅的一侧）。在返回途中，它们会与在电场作用 下到达该侧的空穴结合。电子的流动产生电流， 电池的电场形成电压。那么，电流和电压就会产 生电能啦！ 硅是一种闪闪发光的物质，也就是说，硅的反射性很强。
  那些未被电池使用的光子会被反射回来。考虑到这种情况，人们在电池的顶部涂 上了抗反射涂层，把由于反射造成的耗损降到5% 以内。 生产太阳能电池的最后一个步骤是：安装玻 璃盖板，防止电池与化学元素发生反应。
  光电池 组是把一些电池（通常是36个）连接成组，产 生有效的电压和电流，然后将电池固定在坚固的 外框内，再在电池背面盖上玻璃盖板并装上正负 电极。收起