天天說太陽能，然而太陽光是怎怎樣變成電的



太陽能電池，太陽能飛機，太陽能汽車，這些都是通過陽光轉換爲電的，但具體是一個怎樣的過程呢？如果你不是一目十行，那就很容易理解。

跟半導體有關

矽真是一個好東西，計算機、IT離不開它，太陽能發電也離不開它。

矽原子的最外層有4個電子，這是不完美的結構，要想發不離8，矽原子的最外層迫切需要達到8個電子，爲此，它們不得不抱團取暖，互相借力，當很多矽原子在一起時，每個矽原子共享相鄰的4個矽原子的4個電子，同時也把自身最外層的4個電子共享出去，如此，它們組成了穩定的矽晶體。



矽晶體化學性質非常穩定。在常溫下，除氟化氫以外，很難與其他物質發生反應。

矽晶體是不良導體，因爲它沒有無所事事的自由電子，現在，我們就來改造它。磷原子（P）的最外層有5個電子，把磷原子摻雜進矽晶體，那麽矽晶體顯然就多出了一個自由電子。



磷原子拿出4個電子與相鄰4個矽原子共享后，還剩余一個電子，它是自由的。

矽晶體中無數的矽原子被磷原子取而代之，就多出了很多的自由電子，于是，它就導電了。此時，我們已經做成了一個半導體，它的名字叫“N型半導體”，爲了讓你一輩子都能記住N型半導體的由來，你可以把“N”想象成一個百無聊奈的自由電子在走“N”字型閑逛。

以上，是摻雜有5個最外層電子的磷原子，那麽，假如摻雜的是最外層只有3個電子的鋁（AI）呢？



摻雜鋁原子后，顯然，就缺少了一個電子了，這就像一個沒有被填滿的洞，我們叫它“空穴”。

矽晶體摻雜諸如鋁、硼這樣的三價原子后，就制成了另一種半導體，叫做“P型半導體”，爲了記住它，我們可以把“P”想象成一個需要電子去填充的空穴。

P型半導體也是導電的，這是因爲，施加外電場后，P型半導體中的電子會逆電場方向依次填補空穴，同時呢，空穴也就沿電場方向移動，于是，電流産生了。

PN結

說了半天的N型半導體和P型半導體，它倆有啥用？非常有用，如果你把它倆對接在一起的話。

如果一塊半導體晶體的一側是N型半導體，另一側是P型半導體，那麽中間相連的接觸面就叫PN結。



PN結是許多電子元件，例如二極管、各種晶體管的物質基礎。而晶體管被認爲是現代曆史上最偉大的發明之一，在重要性方面可以與印刷術，汽車和電話等發明相提並論。

現在我們已經知道，在N型半導體中，自由電子的濃度很高，而在P型半導體中，空穴的濃度很高。根據擴散的原理，物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。

所以，在PN結中，會有很多自由電子從N型半導體中擴散到P型半導體中，帶來的結果是，本來N型半導體是電中性的，不帶電，但因爲失去一部分電子后，就帶正電了。

而在P型半導體中，因爲很多自由電子跑過來，填滿了不少空穴，導致空穴濃度降低了，本來P型半導體也是電中性的，現在多出了很多電子，所以帶上了負電。

PN結中，一側帶上正電，一側帶上負電，于是就在接觸面形成了一個內部的電場。

陽光是怎麽發電的？

說完了PN結，和PN結里面的內電場，現在，我們終于可以進入正題--陽光是怎麽變成電流的？

在光電效應中，我們知道，一定頻率以上的光可以從金屬中打出電子。這告訴我們，光的能量是可以作用在電子上。

當太陽光照射到一般的半導體上時，會産生電子與空穴對，即，陽光在半導體中産生一個自由電子時，就會同時産生一個空穴，因爲電子在陽光能量的作用下離開本該待的位置，成爲自由電子時，那個位置必然缺乏一個電子，空穴就産生了。

不過，在一般的半導體中，陽光産生的自由電子和空穴很快就結合在一起了，自由電子和空穴的生命周期很短。

但是在PN結半導體中，就不同了。

因爲PN結中有內電場，當太陽光在PN結中産生電子和空穴對時，電子會在內電場的作用下，向N型半導體中移動，同理，空穴向P型半導體中移動。

此時，如果PN結兩端接通導線，就可以産生電流了。

以上，就是太陽能發電的原理。下圖爲示意圖：