在開發新能源的今天，太陽能作為新能源的一種，已經廣泛應用在了我們的生活之中，我們的洗澡用水是用太陽能熱水器燒的，有些家庭可能用的浴灞，還有就是公路兩邊的路燈也是汲取的太陽能，我們在公路上行駛時可以看到一排朝南玻璃板，那就是太陽能集熱板，也可以叫做太陽能電池板。接下來小兔介紹一下家用的太陽能電池板是如何發電的。

在近20年中，您可能不斷聽到“太陽能革命”這一說法講的是有一天我們會全部使用從太陽獲得的免費電能。這是一個誘人的承諾：在天氣晴朗、陽光明媚的日子里，太陽向地球表面輻射的能量約為1,000瓦每平方米，如果我們可以將這些能量全部收集起來，就可以輕松地為住宅和辦公室提供免費電力。

在本文中，我們將研究太陽能電池，了解它們如何將太陽能直接轉換為電能。在閱讀過程中，您將了解到為什么說太陽能離人們的日常生活越來越近，以及為什么在這項技術具有成本效益之前我們還有許多研究工作要做。將光子轉換為電子計算器和人造衛星上使用的太陽能電池都是光伏電池或者模塊(模塊就是一組通過電路連接并封裝在一個框架內的電池)。光伏電池(Photovoltaics)，顧名思義(photo=光，voltaic=電)，是指將太陽光轉換為電能的電池。

光伏電池之前只用在太空中，而現在卻越來越普及，且使用方式也越來越普通。它們甚至可以為您的住宅供電。這些裝置是如何工作的呢?光伏(PV)電池由半導體材料制成，比如硅就是目前最常用的一種半導體。當光照射電池時，有一部分光會被半導體材料吸收。這意味著吸收的光能將傳給半導體。能量會導致電子逸出，使它們可以自由流動。光伏電池中還有一個或多個電場，可以迫使由光吸收并釋放的電子以一定方向流動。電子的流動形成電流，通過在光伏電池的頂部和底部安放金屬觸點，我們可以將電流引出來，以供使用。例如，電流可以為計算器供電。此電流以及電池電壓(由內部電場產生)決定了太陽能電池的功率(或者瓦特數)。這是發電的基本過程，但是實際情況要復雜得多。讓我們來深入研究一個光伏電池的示例：單晶硅電池。

硅有一些特別的化學特性，尤其是它的晶體結構。硅原子含有14個電子，排列在三個不同的核外電子層中。距離原子核最近的頭兩個電子層完全填滿。而最外層電子則處于半滿狀態，只有四個電子。硅原子始終會想方設法填滿最外面的電子層(即希望有八個電子)。為此，它會與相鄰硅原子的四個電子共享自身的電子，這就好比每個原子與周圍原子握手一樣，只是在這種情況下，每個原子有四只手與四個鄰居相握。這就形成了晶體結構，該結構對于這種類型的光伏電池具有重要的意義。現在，我們已經了解了純晶體硅。純硅是一種性能很差的導體，因為它的電子不能像銅這樣的導體中的電子那樣自由移動。

硅中的電子被全部鎖在晶體結構中。太陽能電池中的硅結構已經過稍稍調整，以便它能作為太陽能電池來工作。太陽能電池使用的硅混有雜質——其他原子與硅原子混在一起，這樣會稍稍改變硅的工作方式。我們通常認為雜質是某種不好的東西，但在這個例子中，如果沒有這些雜質，電池就無法工作。實際上，這些雜質是有意添加到硅中的。考慮硅與一個位置不定的磷原子在一起的情況，也許每一百萬個硅原子配上一個磷原子。磷原子的外電子層有五個電子，而不是四個。它仍然要與硅周圍的原子結合，但從某種意義上講，磷原子有一個電子是不與任何原子握手的。它沒有成為鍵的一部分，但是磷原子核中的正質子會使其保持在原位上。當把能量加到純硅中時(比如以熱的形式)，它會導致幾個電子脫離其共價鍵并離開原子。每有一個電子離開，就會留下一個空穴。然后，這些電子會在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個空穴來安身。

這些電子被稱為自由載流子，它們可以運載電流。不過，留在純硅中的電子數量極少，因此沒有太大的用處。而將純硅與磷原子混合起來，情況就完全不同了。此時，只需很少的能量即可使磷原子的某個“多余”的電子逸出，因為這些電子沒有結合到共價鍵中——它們的鄰居不會將它們拉回。因此，大多數這類電子會成為自由電子，這樣，我們就得到了比純硅中多得多的自由載流子。有意添加雜質的過程被稱為摻雜，當利用磷原子摻雜時，得到的硅被成為N型(“n”表示負電)，因為硅里面有很多自由電子。與純硅相比，N型摻雜硅是一種性能好得多的導體。實際上，太陽能電池只有一部分是N型。另一部分硅摻雜的是硼，硼的最外電子層只有三個而不是四個電子，這樣可得到P型硅。P型硅中沒有自由電子(“p”表示正電)，但是有自由空穴。空穴實際是電子離開造成的，因此它們帶有相反(正)的電荷。它們像電子一樣四處移動。

在將N型硅與P型硅放到一起時，有趣的情形發生了。切記，每塊光伏電池至少有一個電場。沒有電場，電池就無法工作，而此電場是在N型硅和P型硅接觸的時候形成的。突然，N側的自由電子(它們一直在尋找空穴來安身)看到了P側的所有空穴，然后便瘋狂地奔向空穴，將空穴填滿。以前，從電的角度來看，我們所用的硅都是中性的。多余的電子被磷中多余的質子所中和。缺失電子(空穴)由硼中缺失質子所中和。當空穴和電子在N型硅和P型硅的交界處混合時，中性就被破壞了。所有自由電子會填充所有空穴嗎?不會。如果是這樣，那么整個準備工作就沒有什么意義了。不過，在交界處，它們確實會混合形成一道屏障，使得N側的電子越來越難以抵達P側。最終會達到平衡狀態，這樣我們就有了一個將兩側分開的電場。

家用太陽能電池板通過太陽的照射，將光能轉化為了電能，并且保存在了電池板中，在使用時自動提取出來，這種巧妙的設計大大節省了我們對不可再生能源的消耗，對于太陽能電池板的發電方式的設計也是非常巧妙的。太陽能電池板不僅僅只是應用于家庭，它應用于社會各個行業。聰明的大家都對太陽能的發電方式理解了嗎。