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晶体硅工作原理
碳、硅和锗（锗和硅一样，也是半导体）的电子结构具有一种独特的性质——它们的最外层轨道上都有四个电子，这使它们能够形成很好的晶体。四个电子可与四个相邻的原子形成完美的共价键，从而产生晶格。我们都知道晶态构型的碳就是钻石，而硅的晶态构型是一种银色、具有金属外观的物质。
金属通常是良好的导电体，因为它们一般都具有可以在原子间轻松运动的“自由电子”，而电子的流动便会形成电流。尽管硅晶体看上去很像金属，但是实际上它们不是金属。在硅晶体中，所有外层电子都形成了完美的共价键，因此这些电子不能到处运动。纯净的硅晶体几乎就是绝缘体——只能流过很小的电流。 可以混入两种类型的杂质：
少量的N型或P型掺杂剂就可将硅晶体从良好的绝缘体转变为可导电（但不是很优秀）的导体——故此将其称作“半导体”。 如果将N型硅和P型硅放在一起（如图所示），会发生很有趣的现象，这是二极管独有的一种特性。
虽然N型和P型硅本身就是一种导体，但是当它们以如图方式组合在一起的时候却不会传导任何电流。N型硅中的负电子会被吸引到电池的正极，P型硅中带正电的孔则会被吸引到电池的负极，不会有任何电流流过结合部，因为孔和电子的运动方向都是错误的。 如果将电池翻转过来，二极管就可以很好地传导电流了。N型硅中的自由电子受电池负极的排斥，P型硅中的孔则受正极的排斥。孔和电子在N型硅和P型硅的结合部相遇，电子会填充在孔中，这些孔和自由电子便会消失，并且会有新的孔和新的自由电子出来接替它们的位置，这就会在结合部形成电流。 二极管是在一个方向上阻止电流通过而在另一个方向上允许电流通过的装置。二极管的使用方法有很多种。例如，使用电池的设备经常包含一个二极管，在电池方向插反的时候对设备起到保护作用。如果方向插反，二极管可以阻止电流从电池中流出——这样可以保护设备中敏感的电子元器件。 半导体二极管的表现并不是十分完美，如下图所示：
在反向连接的时候，理想的二极管应该阻止所有电流。而实际上二极管允许10毫安的电流通过——这并不是很多，但是仍然不够完美。而且，如果施加足够的反向电压（V），结合部将被击穿并允许电流通过。通常，击穿电压远远大于正常电压，因此这一点并不算什么问题。 当正向连接时，只需要很小的电压就可以使二极管导通。对于硅，这个电压大约为0.7伏，此电压是在结合部开始空穴-电子结合过程所必需的。 与二极管中使用两层结构不同，晶体管包含三层结构。可以创建NPN型或PNP型的夹层结构，晶体管可作为开关或放大器使用。 晶体管看上去像是两个二极管背靠背布置在一起。您可能会想，没有电流能够流过晶体管，因为背靠背布置的二极管在两个方向上都会阻止电流通过，而事实也的确如此。不过，如果对夹层结构的中间层施加一个小电流，则会有一个更大的电流流过整个夹层结构。这使得晶体管具有了开关行为，一个小电流能够开启或关闭一个大电流。 硅芯片是一个硅片，能够容纳数千个晶体管。通过将晶体管用作开关，可以制造出逻辑门电路，而通过逻辑门，可以制造出微处理器芯片。 从硅、掺杂硅到晶体管再到芯片这一自然发展过程，便是当今社会微处理器和其他电子设备如此廉价和普遍的原因所在。其基本原理是如此地简单，而奇迹来自于对这些原理的持续深入探究，直至今日，数千万个晶体管可以集成在一块芯片上，而且价格很便宜。 实际上，太阳能电池只有一部分是N型。另一部分硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有三个而不是四个电子，这样可得到P型硅。P型硅中没有自由电子（“p”表示正电），但是有自由空穴。空穴实际是电子离开造成的，因此它们带有相反（正）的电荷。它们像电子一样四处移动。 在将N型硅与P型硅放到一起时，有趣的情形发生了。切记，每块光伏电池至少有一个电场。没有电场，电池就无法工作，而此电场是在N型硅和P型硅接触的时候形成的。突然，N 侧的自由电子（它们一直在寻找空穴来安身）看到了P侧的所有空穴，然后便疯狂地奔向空穴，将空穴填满。 以前，从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。所有自由电子会填充所有空穴吗？不会。如果是这样，那么整个准备工作就没有什么意义了。不过，在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。
这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从P侧流向N侧，而不是相反。它就像一座山——电子可以轻松地滑下山头（到达N侧），却不能向上攀升（到达P侧）。 这样，我们就得到了一个作用相当于二极管的电场，其中的电子只能向一个方向运动。让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。 当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。 每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到N侧，将空穴送到P侧。这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（P侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。电子流动提供电流，电池的电场产生电压。有了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。
我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量？遗憾的是，此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为25%左右，通常的吸收率是15%或更低。为什么吸收率会这么低？ 可见光只是电磁频谱的一部分。电磁辐射不是单频的——它由一系列不同波长（进而产生的一系列能级）组成。（有关电磁频谱的详细介绍，请参阅狭义相对论基本原理。） 光可分为不同波长，我们可以通过彩虹看出这一点。由于射到电池的光的光子能量范围很广，因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。它们只是穿过电池，就像电池是透明的一样。但其他一些光子的能量却很强。只有达到一定的能量——单位为电子伏特（eV），由电池材料（对于晶体硅，约为1.1eV）决定——才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉（除非光子的能量是所需能量的两倍，并且可以创建多组电子空穴对，但这种效应并不重要）。仅这两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失。 为何我们不选择一种带隙很低的材料，以便利用更多的光子？遗憾的是，带隙还决定了电场强度（电压），如果带隙过低，那么在增大电流（通过吸收更多电子）的同时，也会损失一定的电压。请记住，功率是电压和电流的乘积。最优带隙能量必须能平衡这两种效应，对于由单一材料制成的电池，这个值约为1.4电子伏特。 我们还有其他能量损失。电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们可以在电池底部镀上一层金属，以保证良好的导电性。但如果我们将电池顶部完全镀上金属，光子将无法穿过不透光导体，这样就会丧失所有电流（在某些电池中，只有上表面而非所有位置使用了透明导体）。如果我们只在电池的两侧设置触点，则电子需要经过很长一段距离（对于电子而言）才能抵达接触点。要知道，硅是半导体，它传输电流的性能没有金属那么好。它的内部电阻（称为串联电阻）相当高，而高电阻意味着高损耗。为了最大限度地降低这些损耗，电池上覆有金属接触网，它可缩短电子移动的距离，同时只覆盖电池表面的一小部分。即使是这样，有些光子也会被网格阻止，网格不能太小，否则它自身的电阻就会过高。 在实际使用电池之前，还要执行其他几个步骤。硅是一种有光泽的材料，这意味着它的反射性能很好。被反射的光子不能被电池利用。出于这个原因，在电池顶部采用抗反射涂层，可将反射损失降低到5%以下。 最后一步是安装玻璃盖板，用来将电池与元件分开，以保护电池。光伏模块由多块电池（通常是36块）串联和并联而成，以提供可用的电压和电流等级，这些电池放在一个坚固的框架中，后部分别引出正极端子和负极端子，并用玻璃盖板封上。
单晶硅并非光伏电池中使用的唯一材料。电池材料中还采用了多晶硅，尽管这样生产出来的电池不如单晶硅电池的效率高，但可以降低成本。此外，还采用了没有晶体结构的非晶硅，这样做同样是为了降低成本。使用的其他材料还包括砷化镓、硒化铟铜和碲化镉。由于不同材料的带隙不同，因此它们似乎针对不同的波长或不同能量的光子进行了“调谐”。一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。带隙较高的材料放在表面，吸收较高能量的光子；而带隙较低的材料放在下方，吸收较低能量的光子。这项技术可大大提高效率。这样的电池称为多接面电池，它们可以有多个电场。 有了光伏（PV）模块，我们该如何利用呢？如何利用太阳能来为房间供电？尽管它并非像随便在屋顶放置一些模块那样简单，但也不是特别复杂。 首先，并非每个屋顶都有合适的朝向或倾斜角度可以充分利用太阳能。北半球的无轨道光伏系统应指向正南（这是方位）。它们应该以该地区纬度来设定倾斜角度，以便可以整年吸收尽可能多的能量。如果希望在上午或下午以及夏季或冬季获得尽可能多的能量，可以采用不同的方位、倾角。当然，不管在一天或者一年中的什么时间，模块决不能被附近的树木或者建筑物挡住。在光伏模块中，即使36块电池中只有一块被挡住了，发电量也会减少一大半。 如果您有一间房子，它的屋顶没有遮挡并且朝南，那么您还需要确定自己需要的系统规模。这是一项复杂的工作，因为发电量取决于天气情况，而天气从来都是不可完全预测的，并且您的用电需求也会随时发生变化。这些障碍很容易清除。气象数据会提供不同地理区域每月的平均日照水平。其中考虑了降雨和多云天气，以及纬度、湿度和其他更细微的因素。您在设计时应考虑到日照状况最差的月份，这样才能保证全年都有充足的电力供应。有了这个数据，并且清楚自己家里的平均用电需求（通过用电帐单即可得知每月的用电量），可以用一些简单的方法来确定您需要多少个光伏模块。此外，您还需要确定系统电压，这可以通过决定串联的模块数量来控制。 您可能已经猜到我们要解决的几个问题了。首先，在没有太阳光照射时我们应该怎么做？当然，如果可以选择的话，肯定没有人愿意接受只在白天并且只在晴朗的白天才有电的生活。我们需要能量存储装置——电池。遗憾的是，电池为光伏系统增加了很多成本和维护工作。但是在目前，电池还是一个必需品，因为只有这样才能完全摆脱天气的影响。绕开这个问题的一个方法是，将房子与电网相连，从而可以在需要电的时候买电，而在发电量超过需要时卖电。这样，电网实际上充当了一个巨大的能量存储系统。当然，这需要征得电网方面的同意，并且在大多数情况下，它们从您这里买电的价格将比它们售电的价格低得多。您还需要特殊的设备来确保出售给电网的电力与它们的电力同步——即共享相同的正弦波形和频率。安全性也是一个问题。电网需要确保如果在您的住宅附近出现断电，您的光伏系统不会向线路工人以为已经没有电的线路供电。这称之为隔离。 如果您决定使用电池，请切记电池是需要维护的，并且在一定年限之后需要更换。光伏模块应该可以使用20年或者更长的时间，但电池就没有这么长的寿命了。由于电池中存有能量且包含酸性电解液，光伏系统中的电池可能非常危险，因此您需要为它们提供一个通风良好的非金属外壳。 尽管常用的电池有好几种类型，但它们都有一个共同的特性，即它们都是深循环电池。与您的汽车电池（浅循环电池）不同，深循环电池可以释放出比存储电能还要多的电能，同时还能保持较长的寿命。汽车电池在很短的时间内会释放很大的电流来启动您的汽车，并且在您驾驶时立即充电。光伏电池通常需要经过较长的时段（如整夜时间）才会释放出较小的电流，并在整个白天进行充电。 最常用的深循环电池是铅酸电池（密封式和开口式）和镍镉电池。镍镉电池虽然价格昂贵，但使用寿命较长，并且可以更彻底地放电而不会对其性能造成损害。即使是深循环铅酸电池，在百分之百放电的情况下也不可避免地会严重缩短电池寿命。通常来说，光伏系统中铅酸电池的放电率不会超过40%到50%。 另外，使用电池时还需要安装充电控制器。如果能够妥善使用电池，避免过度充电或过度消耗，那么电池的寿命会长得多。这正是充电控制器要做的工作。一旦电池充满电，充电控制器就不再允许电流从光伏模块继续流入电池中。同样，一旦电池电量消耗到一定水平（通过测量电池电压来控制），很多充电控制器将不允许更多的电流继续从电池流出，直至对电池进行重新充电。充电控制器的使用对延长电池寿命起到了重要作用。 另一个问题是，由光伏模块产生的电以及从电池中提取（如果您选择使用电池）的电都是直流电，而电网所供应的电（以及您房间中各种家用电器使用的电）是交流电。因此您需要一个换流器，这是一种能将直流电转换为交流电的设备。大多数大型换流器还允许您自动控制系统的工作方式。有些名为交流模块的光伏模块实际上在每个模块中内置了一个换流器，因而无需使用大型的集中型换流器，并简化了接线问题。
配备了安装硬件、接线、接线盒、接地设备、过电流保护、直流和交流断路器以及其他附件之后，您就有了一个自己的系统。安装时必须遵守电气法规（《美国国家电气法规》（National Electrical Code）中有一个针对光伏系统的条款）。强烈建议由在光伏系统方面有经验的持证电工来完成安装工作。安装完成之后，光伏系统几乎不需要维护（尤其在不使用电池的情况下），并可在20年或者更长的时间里提供清洁、安静的电能。 既然光电是这么好的一种免费能源，那么为何全世界没有都靠太阳能来发电呢？有些人对太阳能抱有一种错误的观念。尽管太阳光确实是免费的，但光伏系统发的电并不是免费的。从我们对家用光伏系统的讨论中您可以看到，这个系统需要很多硬件。目前，一个安装好的光伏系统的成本约为每峰瓦9美元。为了让您对家用发电系统的成本有一个概念，让我们来看一看太阳房——一幢位于北卡罗莱纳州罗利市的模型住宅，北卡罗莱纳州太阳能中心在其中安装了光伏系统，以展示这项发电技术。这是一幢相当小的住宅，据估计，它的3.6千瓦光伏系统将满足总电力需求的一半（该系统没有使用电池，而是与电网相连）。尽管如此，以每瓦特9美元的价格来计算，安装这个系统将花费您大约32,000美元。 光伏系统之所以通常用于远离传统电源的偏远地区，原因就在于此。现在，它确实无法与电网竞争。不过，随着研究工作的深入，太阳能发电的成本将会下降。研究人员相信，总有一天，市区的光伏系统的成本效益会同偏远地区一样。部分问题在于，必须大规模生产才能尽可能地降低产品成本。而只有产品价格降到有竞争力的水平，才会产生对光伏系统的需求。这就陷入了进退两难的境地。即便如此，需求量和模块效率还是在不断地提高，产品价格也在不断地下降，全世界也越来越关注传统电源所带来的环境问题，所有这些都为光电技术带来了光明的前景。 光—热—电转换（1） 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。 光—电直接转换太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波， 如红外线、紫外线、可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。 太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25.0%，多晶硅电池效率为20.4%，CIGS薄膜电池效率达19.6%，CdTe薄膜电池效率达16.7%，非晶硅（无定形硅）薄膜电池的效率为10.1%[2] 电池组件 太阳能电池组件构成及各部分功能： 1）钢化玻璃其作用为保护发电主体（如电池片），透光其选用是有要求的， 1.透光率必须高（一般91%以上）；2.超白钢化处理 2） EVA 用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片），透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命，暴露在空气中的EVA易老化发黄，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的，如EVA胶连度不达标，EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够，都会引起EVA提早老化，影响组件寿命。主要粘结封装发电主体和背板 3）电池片主要作用就是发电，发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片，两者各有优劣。晶体硅太阳能电池片,设备成本相对较低，光电转换效率也高，在室外阳光下发电比较适宜，但消耗及电池片成本很高；薄膜太阳能电池，消耗和电池成本很低，弱光效应非常好，在普通灯光下也能发电，但相对设备成本较高，光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点，如计算器上的太阳能电池。 4）背板作用，密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化，大部分组件厂家都是质保25年，钢化玻璃，铝合金一般都没问题，关键就在与背板和硅胶是否能达到要求。） 5）铝合金保护层压件，起一定的密封、支撑作用 6）接线盒保护整个发电系统，起到电流中转站的作用，如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，防止烧坏整个系统接线盒中最关键的是二极管的选用，根据组件内电池片的类型 不同，对应的二极管也不相同 7）硅胶密封作用，用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶，国内普遍使用硅胶，工艺简单，方便，易操作，而且成本很低。[5] 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。 当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。 向左转|向右转 |
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