阳能电池板发电原理亚盈体育app：太

　　硅有一些特别的化学特性，尤其是它的晶体结构。硅原子含有 14 个电子，排列在三 个不同的核外电子层中。距离原子核最近的头两个电子层完全填满。而最外层电子则处于 半满状态，只有四个电子。硅原子始终会想方设法填满最外面的电子层（即希望有八个电 子）。为此，它会与相邻硅原子的四个电子共享自身的电子，这就好比每源自文库原子与周围原 子握手一样，只是在这种情况下，每个原子有四只手与四个邻居相握。这就形成了晶体结 构，该结构对于这种类型的光伏电池具有重要的意义。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。最后一步是安装玻璃盖板，阳能电池板发电原理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。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，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。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。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。现在，我们已经了解了纯晶体硅。纯硅是一种性能很差的导体，因为它的电子不能像 铜这样的导体中的电子那样自由移动。硅中的电子被全部锁在晶体结构中。太阳能电池中 的硅结构已经过稍稍调整，以便它能作为太阳能电池来工作。太阳能电池使用的硅混有杂质――其他原子与硅原子混在一起，这样会稍稍改变硅的 工作方式。我们通常认为杂质是某种不好的东西，但在这个例子中，如果没有这些杂质， 电池就无法工作。实际上，这些杂质是有意添加到硅中的。考虑硅与一个位置不定的磷原 子在一起的情况，也许每一百万个硅原子配上一个磷原子。磷原子的外电子层有五个电子， 而不是四个。它仍然要与硅周围的原子结合，但从某种意义上讲，磷原子有一个电子是不 与任何原子握手的。亚盈体育app：太它没有成为键的一部分，但是磷原子核中的正质子会使其保持在原位 上。计算器和人造卫星上使用的太阳能电池都是光伏电池或者模块（模块就是一组通过电 路连接并封装在一个框架内的电池）。光伏电池（Photovoltaics），顾名思义（photo= 光， voltaic=电），是指将太阳光转换为电能的电池。光伏电池之前只用在太空中，而 现在却越来越普及，且使用方式也越来越普通。它们甚至可以为您的住宅供电。这些装置 是如何工作的呢？ 光伏（PV）电池由半导体材料制成，比如硅就是目前最常用的一种半 导体。当光照射电池时，有一部分光会被半导体材料吸收。这意味着吸收的光能将传给半 导体。能量会导致电子逸出，使它们可以自由流动。光伏电池中还有一个或多个电场，可 以迫使由光吸收并释放的电子以一定方向流动。电子的流动形成电流，通过在光伏电池的 顶部和底部安放金属触点，我们可以将电流引出来，以供使用。例如，电流可以为计算器 供电。此电流以及电池电压（由内部电场产生）决定了太阳能电池的功率（或者瓦特数）。在本文中，我们将研究太阳能电池，了解它们如何将太阳能直接转换为电能。在阅读 过程中，您将了解到为什么说太阳能离人们的日常生活越来越近，以及为什么在这项技术 具有成本效益之前我们还有许多研究工作要做。 将光子转换为电子有了光伏（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，亚盈体育app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，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。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。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。在近 20 年中，您可能不断听到“太阳能”这一说法 -- 讲的是有一天我们会全 部使用从太阳获得的免费电能。这是一个诱人的承诺：在天气晴朗、阳光明媚的日子里， 太阳向地球表面辐射的能量约为 1,000 瓦每平方米，如果我们可以将这些能量全部收集起 来，就可以轻松地为住宅和办公室提供免费电力。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当把能量加到纯硅中时（比如以热的形式），它会导致几个电子脱离其共价键并离开 原子。每有一个电子离开，就会留下一个空穴。然后，这些电子会在晶格周围四处游荡， 寻找另一个空穴来安身。这些电子被称为自由载流子，它们可以运载电流。不过，留在纯 硅中的电子数量极少，因此没有太大的用处。而将纯硅与磷原子混合起来，情况就完全不 同了。此时，只需很少的能量即可使磷原子的某个“多余”的电子逸出，因为这些电子没 有结合到共价键中――它们的邻居不会将它们拉回。因此，大多数这类电子会成为自由电 子，这样，我们就得到了比纯硅中多得多的自由载流子。有意添加杂质的过程被称为掺杂， 当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为 N 型（“n”表示负电），因为硅里面有很多自由 电子。与纯硅相比，N 型掺杂硅是一种性能好得多的导体。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。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。）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。亚盈体育官网