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作者简介：
李璞（1973-），男，本科学历，讲师，从事高校应用物理教育教学工作。
摘要：太阳能发电是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，本文以晶体为例描述太阳能的发电原理。
关键词：太阳能；光生伏特效应；晶体；P型半导体；N型半导体；P-N结
中图分类号：TM615
文献标识码：B
文章编号：1812-2485（2010）05-021-03
随着世界能源危机的出现，各国开始重视可再生能源的开发和利用。太阳能的利用是其中之一。太阳能发光发热，科学家实验发现太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于上百万吨煤的能量。科学界一致认为太阳的能量是由核融合反应提供的原理。太阳能可被人类可以长期使用而且对环境无任何污染。目前全球有数百万太阳能热水器，在许多寒冷地区利用太阳能作房间冬天暖房已使用多年。然而太阳能的大规模利用则是用来发电。
太阳能能发电必须将光能转换为电能。科学家利用光电效应将光能直接转换成电能。光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件。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。
由于单晶硅太阳能电池转换效率最高，现以晶体为例描述光发电过程。图中1-1是硅的原子结构图其中正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。
图1-1图1-2
当硅晶体中掺入其他的杂质，通过扩散作用形成带正电的P型半导体和带负电的N型半导体。图：1-2
中，在晶体中掺入了硼原子，白色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的黑色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，从而形成P（positive）型半导体。
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。如图1-3黑色的为磷原子核，小的为多余的电子。
图1-3图1-4
我们看到N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差，N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。从而形成了一个由N指向P的“内电场”，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的离子薄层形成电势差，这就是PN结，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。如图1-4。
PN结外加电压后可以单向导电。当光照射到P－N结上时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，从而产生电子一空穴对，在半导体内部P—N结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。它们在P－N结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。这个过程的实质就是光子能量转换成电能的过程。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将P—N结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差，称为开路电压。如图1-5是正在接受光照的晶片外接一个灯泡。我们发现灯泡会发出不稳定的光。
图1-5
当然利用太阳能发电就要制作太阳能发电系统。太阳能发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成，如果是太阳能直流发电系统则不包括逆变器。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源，我们要根据用电器的功率和地理位置，合理选择各部件。
虽然太阳能资源丰富，但太阳能的能量密度低、不稳定。我们知道它因时而变，因地而异，所以在开发和利用太阳能方面面临的问题还很多很复杂。目前，在实验室中太阳能电池的光电转化效率可达到40%多，而已经产业化生产的、应用到日常生活中的太阳能电池的光电转化效率大都在10%~20%之间。所以在太阳能电池的光电转化效率上还有很大的空间有待提升。
参考文献
1王国栋.大学物理学.高等教育出版社,2008:412.
2王宾（译）.太阳能发电-光伏能源系统.机械工业出版社,2008:
195.
李璞（1973-），男，本科学历，讲师，从事高校应用物理教育教学工作。
摘要：太阳能发电是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，本文以晶体为例描述太阳能的发电原理。
关键词：太阳能；光生伏特效应；晶体；P型半导体；N型半导体；P-N结
中图分类号：TM615
文献标识码：B
文章编号：1812-2485（2010）05-021-03
随着世界能源危机的出现，各国开始重视可再生能源的开发和利用。太阳能的利用是其中之一。太阳能发光发热，科学家实验发现太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于上百万吨煤的能量。科学界一致认为太阳的能量是由核融合反应提供的原理。太阳能可被人类可以长期使用而且对环境无任何污染。目前全球有数百万太阳能热水器，在许多寒冷地区利用太阳能作房间冬天暖房已使用多年。然而太阳能的大规模利用则是用来发电。
太阳能能发电必须将光能转换为电能。科学家利用光电效应将光能直接转换成电能。光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件。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。
由于单晶硅太阳能电池转换效率最高，现以晶体为例描述光发电过程。图中1-1是硅的原子结构图其中正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。
图1-1图1-2
当硅晶体中掺入其他的杂质，通过扩散作用形成带正电的P型半导体和带负电的N型半导体。图：1-2
中，在晶体中掺入了硼原子，白色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的黑色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，从而形成P（positive）型半导体。
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。如图1-3黑色的为磷原子核，小的为多余的电子。
图1-3图1-4
我们看到N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差，N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。从而形成了一个由N指向P的“内电场”，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的离子薄层形成电势差，这就是PN结，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。如图1-4。
PN结外加电压后可以单向导电。当光照射到P－N结上时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，从而产生电子一空穴对，在半导体内部P—N结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。它们在P－N结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。这个过程的实质就是光子能量转换成电能的过程。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将P—N结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差，称为开路电压。如图1-5是正在接受光照的晶片外接一个灯泡。我们发现灯泡会发出不稳定的光。
图1-5
当然利用太阳能发电就要制作太阳能发电系统。太阳能发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成，如果是太阳能直流发电系统则不包括逆变器。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源，我们要根据用电器的功率和地理位置，合理选择各部件。
虽然太阳能资源丰富，但太阳能的能量密度低、不稳定。我们知道它因时而变，因地而异，所以在开发和利用太阳能方面面临的问题还很多很复杂。目前，在实验室中太阳能电池的光电转化效率可达到40%多，而已经产业化生产的、应用到日常生活中的太阳能电池的光电转化效率大都在10%~20%之间。所以在太阳能电池的光电转化效率上还有很大的空间有待提升。
参考文献
1王国栋.大学物理学.高等教育出版社,2008:412.
2王宾（译）.太阳能发电-光伏能源系统.机械工业出版社,2008:
195.