神马作文网太阳能电池的工作原理是怎样的?好急
来源：学生作业帮 编辑：神马作文网作业帮 分类：综合作业 时间：2024/11/12 19:02:04
太阳能电池的工作原理是怎样的?好急
将光子转换为电子
计算器和人造卫星上使用的太阳能电池都是光伏电池或者模块（模块就是一组通过电路连接并封装在一个框架内的电池）.光伏电池（Photovoltaics）,顾名思义（photo=光, voltaic=电）,是指将太阳光转换为电能的电池.光伏电池之前只用在太空中,而现在却越来越普及,且使用方式也越来越普通.它们甚至可以为您的住宅供电.这些装置是如何工作的呢?
光伏（PV）电池由半导体材料制成,比如硅就是目前最常用的一种半导体.当光照射电池时,有一部分光会被半导体材料吸收.这意味着吸收的光能将传给半导体.能量会导致电子逸出,使它们可以自由流动.光伏电池中还有一个或多个电场,可以迫使由光吸收并释放的电子以一定方向流动.电子的流动形成电流,通过在光伏电池的顶部和底部安放金属触点,我们可以将电流引出来,以供使用.例如,电流可以为计算器供电.此电流以及电池电压（由内部电场产生）决定了太阳能电池的功率（或者瓦特数）.
这是发电的基本过程,但是实际情况要复杂得多.让我们来深入研究一个光伏电池的示例：单晶硅电池.
硅有一些特别的化学特性,尤其是它的晶体结构.硅原子含有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式.我们通常认为杂质是某种不好的东西,但在这个例子中,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.磷原子的外电子层有五个电子,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,它们可以运载电流.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.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”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）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.
计算器和人造卫星上使用的太阳能电池都是光伏电池或者模块（模块就是一组通过电路连接并封装在一个框架内的电池）.光伏电池（Photovoltaics）,顾名思义（photo=光, voltaic=电）,是指将太阳光转换为电能的电池.光伏电池之前只用在太空中,而现在却越来越普及,且使用方式也越来越普通.它们甚至可以为您的住宅供电.这些装置是如何工作的呢?
光伏（PV）电池由半导体材料制成,比如硅就是目前最常用的一种半导体.当光照射电池时,有一部分光会被半导体材料吸收.这意味着吸收的光能将传给半导体.能量会导致电子逸出,使它们可以自由流动.光伏电池中还有一个或多个电场,可以迫使由光吸收并释放的电子以一定方向流动.电子的流动形成电流,通过在光伏电池的顶部和底部安放金属触点,我们可以将电流引出来,以供使用.例如,电流可以为计算器供电.此电流以及电池电压（由内部电场产生）决定了太阳能电池的功率（或者瓦特数）.
这是发电的基本过程,但是实际情况要复杂得多.让我们来深入研究一个光伏电池的示例：单晶硅电池.
硅有一些特别的化学特性,尤其是它的晶体结构.硅原子含有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式.我们通常认为杂质是某种不好的东西,但在这个例子中,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.磷原子的外电子层有五个电子,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,它们可以运载电流.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.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”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）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.