在過去的幾十年中人們一直在談?wù)撎柲芨锩寒?dāng)所有人都使用上來自太陽的免費(fèi)電能時所發(fā)生的變革。太陽能的前景十分誘人。我們今天所使用的太陽能電池正是要利用這種能源。太陽能電池隨處可見，從衛(wèi)星到計(jì)算器許多地方都用上了太陽能電池。太陽能計(jì)算器不需要電池，有的甚至沒有“關(guān)閉”鍵。只要陽光充足，這些計(jì)算器似乎就可以永遠(yuǎn)工作下去。在應(yīng)急道路指示牌、電話亭、浮標(biāo)或停車場里，人們使用較大的太陽能電池即太陽能電池板來為它們提供燈光。那么，這些電池是怎樣將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的呢？

 

 

 

將光子轉(zhuǎn)化為電子

 

 

 

計(jì)算器和衛(wèi)星上的太陽能電池是光電池或組件（由電路連接并固定在一個外框里的一組電池）。光電器件把陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。過去，光電器件基本上只在太空中使用，而現(xiàn)在情況卻有所不同?，F(xiàn)在的光電器件甚至可以為我們的家庭提供電能。那么，光電器件又是如何進(jìn)行工作的呢？光電池是由半導(dǎo)體這種特殊的材料制成的。目前，最常用的半導(dǎo)體是硅。通常，當(dāng)光照射到電池上，一部分光會被半導(dǎo)體物質(zhì)所吸收。

 

 

 

也就是說，被吸收的這部分光所含的能量就會被轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體中。能量使電子的結(jié)構(gòu)變得松散，使它們可以自由移動。光電池通常都包含一個或多個電場，在這些電場的作用下，那些因光的吸收而自由移動的電子就會朝著某個方向運(yùn)動。電子的流動形成電流如果光電池的頂部和底部安裝了金屬觸點(diǎn)，這股電流就可以對外供電了。比如說，這股電流可以給一個計(jì)算器供電。這股電流再加上電池的電壓（由電池的一個或多個電場所產(chǎn)生）， 就是太陽能電池所能產(chǎn)生的全部能量（功率量）。以上只是光電池的基本原理，還有很多其他的方面。下面，就讓我們來深入地了解一種光電池：單晶硅電池。

 

太陽能電池中的硅

 

 

 

純硅的導(dǎo)電性很差，它所有的電子都被鎖在晶體結(jié)構(gòu)中，沒有可以自由運(yùn)動的電子。我們可以通過“摻雜”的方法，即在硅晶體中添加雜質(zhì)，來改變硅的屬性，把它變?yōu)閷?dǎo)體。在硅中添加磷或硼，就會形成N型或P型硅。當(dāng)我們把N型和P型硅放在一起，會發(fā)生令人驚奇的變化。在二者的交界面，會形成一道屏障，進(jìn)而形成電場，將兩邊分開要知道，每個光電池至少有一個電場。如果沒有電場，電池就無法工作。

 

 

當(dāng)N型和P型硅接觸時，就會產(chǎn)生這樣的電場。在N型硅的一側(cè)是直在尋找空穴的自由電子，而在P型硅的一側(cè)又有這樣的空穴，因此瞬間就會出現(xiàn)強(qiáng)勁的電子流將這些 空穴填滿。在電子填滿空穴前，整個硅晶體的電荷呈中性。多余的硅電子與磷原子里多余的質(zhì)子作用相互抵消。電子叩的空位（空穴）與硼原子里質(zhì)子的空位作用相互抵消。但是，當(dāng)空穴與電子在N型和P型硅的交界面混合后，這種中性電荷的狀況就會被打破。

 

 

那么，是不是所有的自由電子把所有的自由空穴都填滿了呢？答案是否定的。如果情況真是這樣，光電池就不會這么有用了。真實(shí)的情況是，自由電子和空穴混合并形成一道屏障，使N型硅一側(cè)的電子想要穿過屏障到達(dá)P型硅的一側(cè)變得越來越困難最終達(dá)到的是一種平衡狀態(tài)，即形成一個電場將兩側(cè)分開。電場就像一個二極管，促使（甚至推動）電子從P型硅的一側(cè)流動到N型硅的一側(cè)，但不會發(fā)生相反的運(yùn)動。這就像爬山電子可以輕易地“下山”（到達(dá)N型硅的一側(cè)），卻無法“上山”（到達(dá)P型硅的一側(cè)）。因此，在這個作用類似二極管的電場中，電子只能單向移動。那么，當(dāng)光照射到電池上，將發(fā)生什么呢？

 

當(dāng)光照射到電池上

 

 

 

當(dāng)以光子形式存在的光照射到大陽能電池上，光能會把電子一空穴對拆開。通常，每個帶有一定能量的光子都會釋放一個電子，形成一個自由空穴。如果這種情況發(fā)生在交界面附近，或者一個自由電子和一個自由空穴剛好運(yùn)動到交界面的影響范圍內(nèi)，在電場的作用下，電子就會進(jìn)入N型硅一側(cè)，而空穴就會進(jìn)入P型硅側(cè)。這樣，中性電荷的狀況就會被進(jìn)步打破。如果此時出現(xiàn)一條外部的電流通路，電子就會從這條通路返回它們初始的位置（P型硅的一側(cè)）。在返回途中，它們會與在電場作用下到達(dá)該側(cè)的空穴結(jié)合。電子的流動產(chǎn)生電流，電池的電場形成電壓。那么，電流和電壓就會產(chǎn)生電能啦！

 

生產(chǎn)的最后工序

 

 

 

硅是一種閃閃發(fā)光的物質(zhì)，也就是說，硅的反射性很強(qiáng)。那些未被電池使用的光子會被硅反射回來。考慮到這種情況，人們在電池的頂部涂上了抗反射涂層，把由于反射造成的耗損降到5％以內(nèi)。生產(chǎn)太陽能電池的最后一個步驟是：安裝玻璃蓋板，防止電池與化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)。光電池組是把一些電池（通常是36個）連接成組，產(chǎn)生有效的電壓和電流，然后將電池固定在堅(jiān)固的外框內(nèi)，再在電池背面蓋上玻璃蓋板并裝上正負(fù)電極。

 

 

 

光電器件可以制造豐富的能量，但目前想要在全世界范圍內(nèi)使用太陽能還行不通。不錯，陽光的確是免費(fèi)的，但光電系統(tǒng)生產(chǎn)的電能并不免費(fèi)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，太陽能發(fā)電的成本正逐漸下降，但就目前而言，光電系統(tǒng)還是無法與現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)競爭。研究人員相信，總有一天，光電將會成為鄉(xiāng)村和城市普遍使用的低成本電能。目前存在的問題之一是，必須要進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)才能將成本降到最低。在價格降到具有競爭力的程度前，這種問題將一直存在。盡管如此，隨著組件效率的不斷提高以及價格的逐漸下降，人們對光電池的需求持續(xù)上升。隨著人們越來越關(guān)注與常規(guī)能源相關(guān)的環(huán)保問題，光電技術(shù)的前景非常廣闊。