太阳光如何变成电流？

2016-12-14

       光伏发电系统是通过将阳光转化为电的系统，但具体是怎样的一个过程呢？很多人都不是很清楚，以下是关于太阳光变成电的一个具体过程，让您更清楚的了解光伏发电系统的发电原理。
       跟半导体有关
       太阳能发电最不能少的材料是硅这种半导体。硅原子的最外层有4个电子，这是不完美的结构，要想发不离8，硅原子的最外层迫切需要达到8个电子，为此，它们不得不抱团取暖，互相借力，当很多硅原子在一起时，每个硅原子共享相邻的4个硅原子的4个电子，同时也把自身最外层的4个电子共享出去，如此，它们组成了稳定的硅晶体。

       硅晶体化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。硅晶体是不良导体，因为它没有无所事事的自由电子，现在，我们就来改造它。磷原子（P）的最外层有5个电子，把磷原子掺杂进硅晶体，那么硅晶体显然就多出了一个自由电子。磷原子拿出4个电子与相邻4个硅原子共享后，还剩余一个电子，它是自由的。
       硅晶体中无数的硅原子被磷原子取而代之，就多出了很多的自由电子，于是，它就导电了。此时，我们已经做成了一个半导体，它的名字叫“N型半导体”，为了让你一辈子都能记住N型半导体的由来，你可以把“N”想象成一个百无聊奈的自由电子在走“N”字型闲逛。

       以上，是掺杂有5个最外层电子的磷原子，那么，假如掺杂的是最外层只有3个电子的铝（AI）呢？掺杂铝原子后，显然，就缺少了一个电子了，这就像一个没有被填满的洞，我们叫它“空穴”。

       硅晶体掺杂诸如铝、硼这样的三价原子后，就制成了另一种半导体，叫做“P型半导体”，为了记住它，我们可以把“P”想象成一个需要电子去填充的空穴。
       P型半导体也是导电的，这是因为，施加外电场后，P型半导体中的电子会逆电场方向依次填补空穴，同时呢，空穴也就沿电场方向移动，于是，电流产生了。
       PN结
       说了半天的N型半导体和P型半导体，它俩有啥用？非常有用，如果你把它俩对接在一起的话。如果一块半导体晶体的一侧是N型半导体，另一侧是P型半导体，那么中间相连的接触面就叫PN结。

       PN结是许多电子元件，例如二极管、各种晶体管的物质基础。而晶体管被认为是现代历史上最伟大的发明之一，在重要性方面可以与印刷术，汽车和电话等发明相提并论。
       现在我们已经知道，在N型半导体中，自由电子的浓度很高，而在P型半导体中，空穴的浓度很高。根据扩散的原理，物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
       所以，在PN结中，会有很多自由电子从N型半导体中扩散到P型半导体中，带来的结果是，本来N型半导体是电中性的，不带电，但因为失去一部分电子后，就带正电了。
       而在P型半导体中，因为很多自由电子跑过来，填满了不少空穴，导致空穴浓度降低了，本来P型半导体也是电中性的，现在多出了很多电子，所以带上了负电。
       PN结中，一侧带上正电，一侧带上负电，于是就在接触面形成了一个内部的电场。
       阳光如何变成电流？
       说完了PN结，和PN结里面的内电场，现在，我们终于可以进入正题–阳光是怎么变成电流的？在光电效应中，我们知道，一定频率以上的光可以从金属中打出电子。这告诉我们，光的能量是可以作用在电子上。
       当太阳光照射到一般的半导体上时，会产生电子与空穴对，即，阳光在半导体中产生一个自由电子时，就会同时产生一个空穴，因为电子在阳光能量的作用下离开本该待的位置，成为自由电子时，那个位置必然缺乏一个电子，空穴就产生了。
       不过，在一般的半导体中，阳光产生的自由电子和空穴很快就结合在一起了，自由电子和空穴的生命周期很短。但是在PN结半导体中，就不同了。因为PN结中有内电场，当太阳光在PN结中产生电子和空穴对时，电子会在内电场的作用下，向N型半导体中移动，同理，空穴向P型半导体中移动。
       此时，如果PN结两端接通导线，就可以产生电流了。
       以上，就是太阳能发电的原理。下图为示意图：