太阳能电池工作原理

您可能见过使用太阳能电池的计算器——从不需要电池的计算器，有时这种计算器甚至没有关闭按钮。只要有足够的光，这些计算器似乎就可以一直工作下去。您可能见过更大的太阳能电池板——在紧急交通标志、公共电话亭、浮标甚至停车场中和电源指示灯上都能看到这样的电池板。尽管这些大型面板不像太阳能计算器那样常见，但它们确实存在，如果您知道相应的位置，便会很容易发现它们。太阳能电池还装在人造卫星上，用来为其供电。

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。

光伏电池：将光子转换为电子

您看到的计算器和卫星的太阳能电池也被称为光伏（PV）电池，顾名思义（照片，意思是“光”和光伏，意思是“ 电 “），将太阳光直接转化为电能。一个 模块是一个电气连接的电池组，并打包成一帧（俗称的太阳能电池板），这样就可以组合成更大的太阳能电池阵列，像一个操作系统在内利斯空军基地，内华达州。

特殊材料制成的光伏电池，称为半导体如硅，这是目前最常用的使用。基本上，当光照射的细胞内的半导体材料，它的某些部分被吸收。这意味着，所吸收的光的能量被转移到半导体。能源敲门电子松动，使他们能够自由流动。
光伏电池也都具有一个或多个电场作用迫使光吸收所释放的电子，以在一定的方向流动。这种电子流是一个电流，并通过将金属触点的PV电池的顶部和底 部的，我 们可以得出，供外部使用，也就是说，一个计算器供电电流切断。这个电流，连同细胞的电压（这是一个结果，其内置在电场或字段）定义的功率（或功率）的太阳 能电池单元，可以制作。
这是基本的过程，但真的更。在接下来的页面中，让我们更深入地了解一个光伏电池：单晶硅电池成一个例子。

硅如何使太阳能电池

硅有一些特殊的化学性质，特别是在其结晶形式。硅原子有14个电子，安排在三个不同的炮弹。前两发炮弹- 2至8个电子分别持有-完全充满。的外壳，但是，是仅有四个电子只有半满。硅原子总是会寻找途径，以填补其最后的外壳，而要做到这一点，将分享附近有四个 原子的电子。这就像每个原子与邻国持有手中，不同的是在这种情况下，每个原子有四手接合的四个邻居。这就是形成的结晶结构，该结构的结果是重要的这种类型 的光伏电池。
唯一的问题是，纯晶体硅是电的不良导体，因为没有它的电子可以自由走动，不像更优化的，如铜导体中的电子。为了解决这个问题，在太阳能电 池中的硅杂质 - 其他原子的硅原子故意混在-它改变了工作位。我们通常认为杂质是不可取的，但在这种情况下，我们的细胞是行不通的，没有他们。考虑硅的磷原子在这里和那 里，也许每一百万个硅原子中的一个。磷有五个电子，在其外壳，而不是四个。它仍然债券，其硅邻原子，但在某种意义上，磷，没有任何人执子之手，有一个电 子。它不形成一个键的一部分，但它保持在磷核有一个正的质子。
当能量被添加到纯硅，例如热的形式中，它可能会导致一些电子挣脱他们的债券和离开他们的原子。留下一个洞，在每一种情况下。这些电子，所谓的自由载流子， 然后带着周围的结晶晶格中随机寻找另一个孔落入以承载电流。不过，也有纯硅中很少有这样的，他们是非常有用的。
但是，我们的纯硅与磷原子混合，是一个不同的故事。少了很多的精力，因为他们没有太大的在任何相邻原子的债券敲松之一的“额外”的磷电子。因此，这些电子 挣脱，我们有更多的自由载流子，比我们在纯硅。添加杂质的目的的方法，被称为掺杂，并用磷掺杂时，所得到的硅被称为N型（为负的“n”），因为自由电子的 患病率。N-型掺杂的硅比纯硅是一种更好的导体。
一个典型的太阳能电池单元的其他部分被掺杂的元素硼，只有三个在其外壳中的电子，而不是四个，成为P-型硅。具有自由的开口，而不是具有自由电子，P型（“p”表示正数），进行相反的（正）电荷。
在接下来的页面中，我们就来仔细看看会发生什么时，这两种物质开始互动。

解剖的太阳能电池

在此之前，我们两个单独的硅是电中性的，最有趣的部分开始，当你把它们放在一起。这是因为没有一个电场的情况下，细胞将不能正常工作;形成的N型和P型硅 时，接触到该字段。突然，自由电子的N端看到的P侧的所有开口，有一个狂奔，以填补他们。所有的自由电子填满所有的自由空穴？号如果他们这么做，那么整个 的安排不会是非常有用的。但是，他们这样做的交界处，结构和形式障碍的东西，使得它越来越难以跨越P侧的N端上的电子。最终，平衡达到，我们有一个电场分 离双方。
此电场的作为一个二极管的行为，使（连推）电子流从P侧的N侧，但不是周围的其他方法。它像一座小山-电子很容易下山（N侧），但不能爬上去（P侧）。
当光线照射，光子的形式，击中了我们的太阳能电 池，其能量分解的电子-空穴对。每个有足够能量的光子，通常会释放，导致在一个自由孔，以及一个电子 如果 发生这种情况的电场足够接近，或者如果发生的自由电子和自由空穴漂移到它的影响范围，该字段将发送电子的N端和P侧的孔。这将导致进一步破坏的电中性，如 果我们提供了一个外部电流通路，电子流过的路径P侧团结孔，电场送到那里，一路上为我们做的工作。电子的流动提供了电流，和细胞的电场引起的电压。随着电 流和电压，功率，这是该产品的两个。
有几个组件离开之前，我们真的可以使用我们的细胞。硅恰好是一个非常有光泽的材料，它可以发送的光子反弹走之前，他们已经完成了他们的工作，所以
抗反射涂层被施加，以减少这些损失。最后的步骤是安装的东西，将保护细胞免受元素-通常是玻璃盖板。光伏组件通常通过连接几个独立的细胞结合在一起，以实现有用的电压和电流，并把它们放在一个坚固的框架，完整的正面和负面的终端。
我们的光伏电池吸收多少阳光能源？不幸的是，可能不是一个可怕的很多。例如，在2006年，大多数太阳能电池板只能达到约12％至18％的效率水平。最尖 端的太阳能电池板系统，今年终于肌肉发达，其对行业的长期40％的太阳能电池的效率屏障-达到40.7％。那么，为什么是这样一个挑战，使一个阳光灿烂的 日子吗？

在太阳能电池中的能量损失

可见光是只在电磁频谱的一部分。电磁辐射是不是单色-它是由不同波长的范围内，因此，能量水平。（参见光的原理有一个良好的电磁频谱的讨论。）
轻者可被分成不同的波长，我们可以看到一个彩虹的形式。由于光线击中了我们的细胞有一个宽能量范围的光子s的，事实证明，有些人会没有足够的能量 来改变一 个电子-空穴对。 他们会简单地通过细胞仿佛是透明的。还有其他的光子具有太多的精力。只有一定量的能量，在电子伏特（eV）和测量定义由我们的格网材料（晶体硅约 1.1eV），需要松敲一个电子。我们把这种材料的带隙能量。如果一个光子有更多的能量超过所需的量，那么额外的能量损失。（也就是说，除非一个光子的两 倍所需的能量，并能创造一个以上的电子-空穴对，但这种影响是不显着）。这两种效应能解释的损失约70％的辐射能量事件我们的细胞。
为什么我们不能选择一个非常低的带隙的材料，所以我们可以使用更多的光子？不幸的是，我们的带隙也决定了我们的电场强度（电压），如果太低，那么我们做 了额外的电流（通过吸收更多的光子），我们失去了一个小的电压。请记住，功率是电压乘以电流。平衡这两种效应的最佳带隙，是由单一材料制成的细胞约1.4 电子伏特。
我们有其他损失。我们的电子流通过外部电路从一侧的单元格的其他。我们可以用金属盖底，让良好的导电，但如果我们完全盖在上面，然后光子不能获得通过不 透明的导体，我们失去了所有我们目前的（在一些细胞中，透明导体上使用顶表面，但不是在所有）。如果我们把我们的联系人，然后在我们的细胞的两侧的电子具 有，前往极长的距离才能到达的接触。请记住，硅是一种半导体 -这是不是最好的传输电流的金属。其内部电阻（称为串联电阻）是相当高的，和高电阻装置的高 损耗。为了尽量减少这些损失，细胞通常所涵盖的金属接触缩短的距离，电子有旅行，而只有一小部分的细胞表面覆盖的网格。即便如此，一些光子被阻塞的网格， 不能太小，否则其自身的电阻将会太高。