太阳能电池的工作原理

今天使用的大多数太阳能电池是薄的硅晶圆，大约1/100in^[1]厚（厚度从180～350μm）。如图3-2所示，大多数太阳能电池由两部分组成——很薄的上层和厚一些的底层。上层掺杂了磷原子，底层掺杂了硼原子。

图3-2 太阳能电池的横截面。这里给出的太阳能电池由两层光敏硅晶体构成，薄的顶层是n-层，较厚的底层是p-层。阳光会引起电子流动，从电池流过大多数太阳能电池表面的金属触点，产生直流电。然后太阳能驱动的电子流到负荷，在那里，它们携带的太阳能用来驱动负荷。之后，释放了能量的电子流回太阳能电池。

如图3-3所示，太阳能电池中的硅原子的最外层具有四个电子，其中的每个电子都与相邻的硅原子结合到一起，形成硅晶体。

如图3-3所示，PV的上层是n-层，包含磷原子。每个磷原子的价电子层有五个电子。磷原子的出现向n-层引入了过剩的电子，当这些调皮的电子被包含足够能量的光子撞击的时候，就能被推入导带。在导带中，它们可以自由移动。

如图3-3所示，PV电池的下层是p-层，用硼原子掺杂。硼原子的最外层（价电子层）包含三个电子，这就在p-层的晶体结构中产生了“空穴”。这些空穴能被自由电子填充——自相邻原子发射的电子。因为一个原子中产生的空穴能被另一个原子的电子填充，所以空穴看起来是在移动。

图3-3 n-和p-层的原子结构。这张图揭示了太阳能n-型和p-型层的晶体结构。如图所示，纯硅原子的最外层有四个电子，每个电子与相邻的硅原子构成共价键，形成硅晶体。由于这四个电子与相邻的原子结合在一起，所以不能自由移动。上层（n-层）的磷原子的最外层有五个电子，当电子受到携有能量的光子的撞击时，磷原子在该层中的过剩电子就能够自由移动。硼用来掺杂底层。硼的最外层有三个电子，于是就在硼掺杂的p-层晶体结构中产生空穴，这些空穴能够被自由电子填充——也就是从相邻原子射出的那些电子。(www.xing528.com)

那么，PV电池是如何工作的？答案很简单，一个能量使得电子从太阳电池的硅原子中释放出来，这些“松散的”电子被太阳能电池前面的金属触点聚集起来，这样就形成了一股电流。然后，这股电流从组成太阳能阵列的太阳能模块上被抽取出来（金属触点从每个太阳电池上抽取电子）。稍微详细一点的描述如下：当PV电池的n-层形成时，在电池中马上产生一个电场。电子从n-层向p-层流动，在这两层的结处形成了这个电场。结的上部带正电，下部带负电。当阳光照射PV电池的时候，这个电场就迫使p-层释放的电子进入n-层；同时，这个电场还能够阻止n-层释放的电子流入p-层（带负电的结的下部排斥电子）。最后的结果就是，电子只能朝一个方向移动——从p-层到n-层再向电池表面，也就是触点所处的位置。

如第1章提到的，在太阳能模块中，许多太阳电池用导线串联在一起。因此，从一个电池抽取的电子流向下一个电池，然后到再下一个电池，直到模块的负极。离开PV模块后，电子流经外电路到达负载（负载是消耗电能的任何元件）。把从太阳获得的能量传递给负载后，电子回到模块的正极。然后，它们流回太阳能电池，填入p-层的空穴，使得电路循环往复。更详细的描述，请参看下文“PV是如何工作的”。

PV是如何工作的

PV电池是相对简单的元件，但由复杂的物理和化学反应所掌控。为了弄清楚PV电池是怎么工作的，我们先来看顶层的构成，即n-层。n-层一经形成，该层中磷原子的一些过剩电子扩散穿过n-层和p-层的结。这些电子填充相邻的p-层的空穴，而这些空穴则是在PV电池制造过程中加入硼原子后所产生的。电子从n-层到p-层的流动，导致n-层在结附近电子耗尽并增加空穴；电子流入p-层靠近结的区域，导致结的这一侧出现过剩电子和短缺空穴。

电子流入p-层不仅引起p-侧的电子过剩，还在结附近的n-层产生了电子短缺（结附近的p-层带负电而n-层带正电）。电荷的分离在结的两侧建立起一个强电场。

当光线中的光子将电子推入p-层的导带并漂移到结附近，这个电子就会被电场吸入并飞过结，到达n-层。由于p-层比n-层有更多的电子，所以电子不会反向运动。结处的p-层表面带负电，阻止电子回到p-层。对于n-层释放的电子，也是同样的情况，这些电子不能流入p-层，而是被结阻挡（物理学家把这种结叫做结型二极管。结型二极管允许电流单向流动——在这种情况下，从p-层到n-层）。n-层中积累的电子被收集到太阳电池的表面，然后由电池表面前方的导电格栅传输至别处。

当来自p-层较深部分的电子穿过结的时候，p-层中就产生了电子空穴，它们被流入PV电池背面的电子所填充。电池背面（p-层）也连接导电层。当光线照射PV电池时，电子从电池前面的触点流出，经过电路并做有用功，然后经过背面端子返回，填充到p-层的空穴中，从而确保能够提供持续的电力。