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。
光伏電池：將光子轉換為電子
您看到的計算器和衛(wèi)星的太陽能電池也被稱為光伏（PV）電池，顧名思義（照片，意思是“光”和光伏，意思是“ 電 “），將太陽光直接轉化為電能。一個 模塊是一個電氣連接的電池組，并打包成一幀（俗稱的太陽能電池板），這樣就可以組合成更大的太陽能電池陣列，像一個操作系統(tǒng)在內(nèi)利斯空軍基地，內(nèi)華達州。
特殊材料制成的光伏電池，稱為半導體如硅，這是目前最常用的使用?；旧?，當光照射的細胞內(nèi)的半導體材料，它的某些部分被吸收。這意味著，所吸收的光的能量被轉移到半導體。能源敲門電子松動，使他們能夠自由流動。
光伏電池也都具有一個或多個電場作用迫使光吸收所釋放的電子，以在一定的方向流動。這種電子流是一個電流，并通過將金屬觸點的PV電池的頂部和底 部的，我 們可以得出，供外部使用，也就是說，一個計算器供電電流切斷。這個電流，連同細胞的電壓（這是一個結果，其內(nèi)置在電場或字段）定義的功率（或功率）的太陽 能電池單元，可以制作。
這是基本的過程，但真的更。在接下來的頁面中，讓我們更深入地了解一個光伏電池：單晶硅電池成一個例子。
硅如何使太陽能電池
硅有一些特殊的化學性質，特別是在其結晶形式。硅原子有14個電子，安排在三個不同的炮彈。前兩發(fā)炮彈- 2至8個電子分別持有-完全充滿。的外殼，但是，是僅有四個電子只有半滿。硅原子總是會尋找途徑，以填補其最后的外殼，而要做到這一點，將分享附近有四個 原子的電子。這就像每個原子與鄰國持有手中，不同的是在這種情況下，每個原子有四手接合的四個鄰居。這就是形成的結晶結構，該結構的結果是重要的這種類型 的光伏電池。
唯一的問題是，純晶體硅是電的不良導體，因為沒有它的電子可以自由走動，不像更優(yōu)化的，如銅導體中的電子。為了解決這個問題，在太陽能電 池中的硅雜質 - 其他原子的硅原子故意混在-它改變了工作位。我們通常認為雜質是不可取的，但在這種情況下，我們的細胞是行不通的，沒有他們?？紤]硅的磷原子在這里和那 里，也許每一百萬個硅原子中的一個。磷有五個電子，在其外殼，而不是四個。它仍然債券，其硅鄰原子，但在某種意義上，磷，沒有任何人執(zhí)子之手，有一個電 子。它不形成一個鍵的一部分，但它保持在磷核有一個正的質子。
當能量被添加到純硅，例如熱的形式中，它可能會導致一些電子掙脫他們的債券和離開他們的原子。留下一個洞，在每一種情況下。這些電子，所謂的自由載流子， 然后帶著周圍的結晶晶格中隨機尋找另一個孔落入以承載電流。不過，也有純硅中很少有這樣的，他們是非常有用的。
但是，我們的純硅與磷原子混合，是一個不同的故事。少了很多的精力，因為他們沒有太大的在任何相鄰原子的債券敲松之一的“額外”的磷電子。因此，這些電子 掙脫，我們有更多的自由載流子，比我們在純硅。添加雜質的目的的方法，被稱為摻雜，并用磷摻雜時，所得到的硅被稱為N型（為負的“n”），因為自由電子的 患病率。N-型摻雜的硅比純硅是一種更好的導體。
一個典型的太陽能電池單元的其他部分被摻雜的元素硼，只有三個在其外殼中的電子，而不是四個，成為P-型硅。具有自由的開口，而不是具有自由電子，P型（“p”表示正數(shù)），進行相反的（正）電荷。
在接下來的頁面中，我們就來仔細看看會發(fā)生什么時，這兩種物質開始互動。
在此之前，我們兩個單獨的硅是電中性的，最有趣的部分開始，當你把它們放在一起。這是因為沒有一個電場的情況下，細胞將不能正常工作;形成的N型和P型硅 時，接觸到該字段。突然，自由電子的N端看到的P側的所有開口，有一個狂奔，以填補他們。所有的自由電子填滿所有的自由空穴？號如果他們這么做，那么整個 的安排不會是非常有用的。但是，他們這樣做的交界處，結構和形式障礙的東西，使得它越來越難以跨越P側的N端上的電子。最終，平衡達到，我們有一個電場分 離雙方。
此電場的作為一個二極管的行為，使（連推）電子流從P側的N側，但不是周圍的其他方法。它像一座小山-電子很容易下山（N側），但不能爬上去（P側）。
當光線照射，光子的形式，擊中了我們的太陽能電 池，其能量分解的電子-空穴對。每個有足夠能量的光子，通常會釋放，導致在一個自由孔，以及一個電子 如果 發(fā)生這種情況的電場足夠接近，或者如果發(fā)生的自由電子和自由空穴漂移到它的影響范圍，該字段將發(fā)送電子的N端和P側的孔。這將導致進一步破壞的電中性，如 果我們提供了一個外部電流通路，電子流過的路徑P側團結孔，電場送到那里，一路上為我們做的工作。電子的流動提供了電流，和細胞的電場引起的電壓。隨著電 流和電壓，功率，這是該產(chǎn)品的兩個。
有幾個組件離開之前，我們真的可以使用我們的細胞。硅恰好是一個非常有光澤的材料，它可以發(fā)送的光子反彈走之前，他們已經(jīng)完成了他們的工作，所以
抗反射涂層被施加，以減少這些損失。最后的步驟是安裝的東西，將保護細胞免受元素-通常是玻璃蓋板。光伏組件通常通過連接幾個獨立的細胞結合在一起，以實現(xiàn)有用的電壓和電流，并把它們放在一個堅固的框架，完整的正面和負面的終端。
我們的光伏電池吸收多少陽光能源？不幸的是，可能不是一個可怕的很多。例如，在2006年，大多數(shù)太陽能電池板只能達到約12％至18％的效率水平。最尖 端的太陽能電池板系統(tǒng)，今年終于肌肉發(fā)達，其對行業(yè)的長期40％的太陽能電池的效率屏障-達到40.7％。那么，為什么是這樣一個挑戰(zhàn)，使一個陽光燦爛的 日子嗎？
在太陽能電池中的能量損失
可見光是只在電磁頻譜的一部分。電磁輻射是不是單色-它是由不同波長的范圍內(nèi)，因此，能量水平。（參見光的原理有一個良好的電磁頻譜的討論。）
輕者可被分成不同的波長，我們可以看到一個彩虹的形式。由于光線擊中了我們的細胞有一個寬能量范圍的光子s的，事實證明，有些人會沒有足夠的能量 來改變一 個電子-空穴對。 他們會簡單地通過細胞仿佛是透明的。還有其他的光子具有太多的精力。只有一定量的能量，在電子伏特（eV）和測量定義由我們的格網(wǎng)材料（晶體硅約 1.1eV），需要松敲一個電子。我們把這種材料的帶隙能量。如果一個光子有更多的能量超過所需的量，那么額外的能量損失。（也就是說，除非一個光子的兩 倍所需的能量，并能創(chuàng)造一個以上的電子-空穴對，但這種影響是不顯著）。這兩種效應能解釋的損失約70％的輻射能量事件我們的細胞。
為什么我們不能選擇一個非常低的帶隙的材料，所以我們可以使用更多的光子？不幸的是，我們的帶隙也決定了我們的電場強度（電壓），如果太低，那么我們做 了額外的電流（通過吸收更多的光子），我們失去了一個小的電壓。請記住，功率是電壓乘以電流。平衡這兩種效應的最佳帶隙，是由單一材料制成的細胞約1.4 電子伏特。
我們有其他損失。我們的電子流通過外部電路從一側的單元格的其他。我們可以用金屬蓋底，讓良好的導電，但如果我們完全蓋在上面，然后光子不能獲得通過不 透明的導體，我們失去了所有我們目前的（在一些細胞中，透明導體上使用頂表面，但不是在所有）。如果我們把我們的聯(lián)系人，然后在我們的細胞的兩側的電子具 有，前往極長的距離才能到達的接觸。請記住，硅是一種半導體 -這是不是最好的傳輸電流的金屬。其內(nèi)部電阻（稱為串聯(lián)電阻）是相當高的，和高電阻裝置的高 損耗。為了盡量減少這些損失，細胞通常所涵蓋的金屬接觸縮短的距離，電子有旅行，而只有一小部分的細胞表面覆蓋的網(wǎng)格。即便如此，一些光子被阻塞的網(wǎng)格， 不能太小，否則其自身的電阻將會太高。