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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。
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       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。
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       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”。
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       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。
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       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:
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