详述太阳能电池发电原理(全面、简单、易懂)

  ，大家都知道半导体就是导电性能介于导体和绝缘体之间，但应该不晓得是为什么？

  今天大致上可以分为五块进行总结，半导体能带理论、半导体分类、扩散和漂移、PN结、光生伏特效应。

  导电是因为电子的转移，原子外层有三种能带，我的理解是价带是离原子核比较近的区域，价带中的电子会受到比较强的束缚；导带是离原子核比较远的区域，其中的电子比较自由，在外加电场下可以发生转移，即能导电；禁带是价带和导带之间的区域，该区域没有电子存在，电子能吸收能量从价带越过禁带到达导带，这种电子出轨方式叫做“跃迁”。由下图可知，不同物质的禁带区域不同，导体的禁带很窄甚至没有禁带，所以在室温下就可以轻易完成跃迁，电子从价带转移到导带；但是绝缘体的禁带区域比价宽一般大于5eV，在正常室温下就不会发生导电，但是听说在强刺激下也有一定的可能导哈哈；半导体的禁带小于3eV，一般给点刺激（光、热）价带上的电子就可能穿越禁带，到达导带完成跃迁。

  半导体分为纯净半导体（本征半导体）和掺杂半导体。本征半导体就比较纯，它一般由四价元素硅、锗构成，在外界刺激（热运动）下，其共价键中少数的电子可能会挣脱束缚，完成跃迁，就会产生一个自由电子和一个空穴，自由电子可以在外电场作用下定向移动，形成电子电流。如下图：

  掺杂半导体就是在本征半导体里产了其他元素，大体上分为两种，就是咱们天天说的P型半导体和N型半导体；其中P型半导体是掺入了三价元素，硼、镓、铟等，原来排列中的硅原子被硼原子代替后，部分电子会被硼原子的空穴代替（图左）；N型半导体是掺入了五价元素，磷、锑、砷等，原来排列中的硅原子被磷原子替代，会多出部分电子（图右）。

  1）N型和P型半导体都是呈电中性的哈（很简单的问题我琢磨了好久），因为掺杂的B或P原子本身就是中性的，原子核和电子的数目都是一致的，这里要注意掺杂后的掺杂原子原子核不是原来硅原子的+4了哈。

  2）本征半导体在室温下由于热运动，可以激发出电子空穴对，但是比较少，当然掺杂半导体也可以本征激发出电子空穴对，这些带负电的自由电子和带正电的空穴称为载流子；P型半导体中因为掺杂三价元素，所以空穴在载流子中占多数，所以空穴在P型半导体中被称为多子，自由电子被称为少子；N型半导体中因为掺杂五价元素所以自由电子占载流子多数，被称为多子，N型空穴被称为少子。

  3.扩散和漂移电子或空穴移动形成电流，它们的移动方式有两种，一是扩散，二是漂移；多子的移动叫扩散，其实就像往白水里加了一些墨水，墨水多的区域中的墨水会向少的地方扩散；少子的移动叫漂移，一般是在电动势下，电子或空穴受电场力作用发生的移动；在待会儿要讲的PN结里漂移和扩散是方向相反的两种运动，最终漂移和扩散达到平衡就会形成PN结。4.PN结

  这个名字大多数人应该很熟悉，从我看光伏第一天，我就知道PN结，但一直也没弄清楚它。我们上边说了P型半导体和N型半导体，当我们把两种半导体放在一块儿时，会发生啥现象呢？首先由于两侧的电子和空穴浓度不同，所以会发生电子和空穴的扩散；P型半导体中空穴较多，会扩散到N型中；N型半导体自由电子较多，会扩散到P型半导体中。如下图：

  自由电子和空穴发生扩散运动后，空穴和电子会复合消失，但是不会整个P型半导体和N型半导体的载流子都均匀混合，靠近PN中间的那条线的两边的载流子会优先复合，但远离中间线的电子和空穴不会复合，可以先理解成后边的被前边的离子挡住了，过不去了，所以没法复合。

  P型半导体中有部分靠近PN中间线的原子失去了空穴，变成负离子；N型半导体中部分靠近PN中间线的原子失去了电子，变成了正离子；P型半导体和N型半导体中间接触的部分会形成一个空间载荷区。如下图：

  在空间载荷区中，左端P区的负离子会和右端N区的正离子形成一个自建电场，会产生电场力；电流方向是绿色箭头，此时空穴会受电场力影响从右向左移动，电子会受电场力影响从左向右移动，没错这就是上边说过的电子和空穴的漂移；不难发现漂移就相当于是刚刚扩散过去的电子和空穴又漂移了回来，所以最终当漂移和扩散运动达到均衡时，中间的这个空间载流区就会趋于稳定，形成PN结。如下图：

  PN结其实就是一个二极管，具有单向导电性，在其外部接正向电源时（正接N，负接P）,与自建电场方向相同，电子和空穴漂移会增加，PN宽度减小，电流可以很顺利的流过，应该就是电阻小的意思吧；在其外部接负向电源时（正接P，负接N），与自建电场方向相反，电子和空穴的扩散会增加，PN结区域会增加，电流不可以顺利通过，电阻最后会趋于无限大。（就是正接可以通电，反接不能通电）

  终于到最后了，回忆一下，半导体在外界刺激下，被原子核束缚的电子可以从价带跨越禁带进入导带，成为自由电子，放飞自我。

  我们的太阳光就是这一个刺激，当太阳光照射在上边那个由P型和N型半导体构成的大半导体上时，有三个区域的原子会产生受光子影响，产生跃迁反应，形成电子空穴对，分别是：PN结区域，除PN结以外的P型和N型半导体区域，就是整块每个地方都有一定的概率会产生电子空穴对。如下图：

  在PN结上光照产生的电子受到电场力的影响，会被扔到N型区，PN结上产生的空穴因为受电场力影响，会被扔到P型区；还有少数在PN结边上的电子空穴也有一定的可能穿过PN结，但应该可能性不是很大；此时太阳能电池就已形成，在该半导体两端接上回路便可产生电流。这就是太阳能电池发电啦！

  最后总结一下：1.首先是在本征半导体里掺杂三价和五价元素，形成P型/N型半导体。（就是做硅片时，掺杂形成P型/N型硅片）

  2.P型和N型半导体放在一起，由于多子的扩散和少子的漂移，形成PN结。（做电池片时会在硅片上进行进一步掺杂，形成PN结）

  3.光照射在PN结，电子从价带跃迁到导带，形成自由电子和空穴，在电场力影响下定向移动至N和P处，外接回路即可形成电流。