4.1　将太阳能转化为电能：太阳能电池如何工作

太阳能电池通过将光电效应与半导体独特的电气性质相结合而使太阳能转化为电能。这些概念确定了太阳能电池的电气特性，因此对于理解并网光伏系统的光伏阵列的设计很重要。

定义

太阳能电池是一种在太阳光的照射下产生电流的小型光伏单元。

光伏电池也是一个常用术语，将在本书中使用。

本节中简述了半导体的光电效应和使用，以便简要介绍一下这些概念。这些概念在本章末尾的扩展材料中进行了详述。

4.1.1　光电效应

当光照射到某些材料时，光中的一些能量可被转移到该材料中。特别是，组成光的光子可能有足够的能量，使得材料中某个原子中的电子摆脱其化学键（图4.1）。

在正常情况下，释放出的电子不久会重新结合成原子，因此，净结果为零。然而，在太阳能电池中，电子受激可移到别处，从而产生一种电流。为此，需要PN结。

4.1.2　半导体和PN结

太阳能电池的电气部分是由半导体材料制成的，半导体材料通常为硅基材料。纯半导体的导电性能较差，但通过使用一种掺杂工艺掺杂杂质后，它们可通过改性变成导体。

添加到半导体的杂质具有两种类型：N型和P型。

（1）N型。所用杂质（例如磷）中的原子所含的电子比半导体材料中的原子所含的电子还要多。这就导致了存在可自由移动的电子，从而形成富电子半导体[图4.2（a）]。

（2）P型。所用杂质（例如硼）中的原子所含的电子比半导体材料中的原子所含的电子还要少。这就导致了存在电子空穴（正空穴），从而形成缺电子半导体。空穴通过接受邻近原子中的电子可在原子周围移动[图4.2（b）]。

注意

N型代表电子型半导体，因为半导体为富电子，所以带负电荷。

P型代表空穴型半导体，因为半导体为缺电子，所以带正电荷。

此硅晶格掺杂了磷原子，从而引入了自由电子，生成了N型半导体。此硅晶格掺杂了硼原子，从而引入了电子空穴，生成了P型半导体。

当富电子（N型）半导体连接到缺电子（P型）半导体时，它们之间的连接被称为PN结。通过这种连接，N型半导体中额外的电子移到P型半导体中的电子空穴中，从而产生一种电场，该电场只允许电流在一个方向流动（被称为二极管）。

在PN结中出现的电场是指，当太阳光照射硅时，因光电效应而释放的电子受激远离产生它们的原子。这种电子往电池边缘上淀积金属栅格的移动产生了一种电流。

此基本概述介绍了太阳光照射到PN结的半导体部分后是如何产生电流的。附加信息可在本章节末尾处扩展材料中查询。