太阳能电池板是如何工作的?
建设者和开发商费尔南多Pagés鲁伊斯解释了太阳能发电背后的科学。
对于那些不熟悉化学领域的人来说,下面是一个快速而粗略的概述太阳能电池板把阳光转化为电能。
亚利桑那州立大学数学与统计科学学院的研究人员Steffen Eikenberry在长达一小时的电话采访中解释说:“把太阳能电池想象成一个反向的LED。”艾肯伯里博士像老师那样耐心地向一个成绩得C的学生讲解,帮助我更全面地了解了太阳能电池是如何将太阳光转化为能量的。
LED灯中的二极管类似于太阳能电池中的两层硅晶体。除了太阳能电池,二极管的两层都是硅,一层在上面,另一层在下面。为了产生电流,这些硅层通过一种叫做“掺杂”的化学过程进行处理,这种化学过程会导致电子不平衡。在试图达到平衡的过程中,产生的电子舞蹈就变成了我们所说的电流。
硅的顶层(暴露在阳光下)掺有磷,底层掺有硼。磷多了一个电子,而硼少了一个。电子喜欢在偶对中达到稳定。稳定的元素,如氩,有偶对。不稳定元素没有,但它们通过与互补元素共用电子来寻求平衡。在硅片中,电子通过在共享电子的矩阵中配对而达到平衡,或者我们可以称之为晶格(想想雪花)。但是一个光子,或者说是一个光粒子,如果能被精确地瞄准,并且有足够的能量,就能把一个硅电子从静止的地方撞出来。
当阳光照射到硅电池的顶层时,光粒子或光子会将电子从晶格中分离出来。如果不是磷掺杂,这些自由电子就会到处乱飞,然后回到原来的位置。艾肯伯里解释说,由于磷中多余的电子和硼中缺失的电子所造成的电子不平衡,许多从顶层被撞出的电子会移动到底层,寻找一个休息的地方定居下来——一个被称为电子空穴的地方。
电子在顶层和底层之间的运动(然后又回到顶层)形成了电流或电子流,我们称之为电。当顶层和底层通过导电板和电线连接起来时,电流就变成了电路,为家庭照明和电池充电提供了有用的能量。
更准确地说,光伏电池是由两层半导体材料制成的,比如硅——一种具有一定导电性但不如金属的材料。半导体经过化学处理或掺杂以产生p-n(正负)结,充当二极管。二极管是一种只允许电流在一个方向上流动的器件——从正极到负极。硅掺杂层之间的不平衡将使电子只能从正极传递到负极。当电子从p(正极,掺杂硼的一侧)移动到n(负极,掺杂磷的一侧)时,它们就产生了电流。最终,电子通过线路绕回来,这种电子舞蹈就是我们所说的电路。voilà,我们有光电效应。
爱因斯坦花了不少于爱因斯坦的时间来弄清楚这是如何工作的,所以如果你像我一样还在挠头,不要感到太糟糕。
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原载于GreenBuildingAdvisor.com.
Fernando Pagés Ruiz是一名建筑商和icc认证的住宅建筑检查员,积极参与代码开发。