爱华网Solar乃当今之大热，本人公司、SS公司加若干友人都有涉足太阳能行业。那么，太阳能是怎么发光的呢？读了会儿书，写了个小结，分享如下。
[原理综述]由于光的照射，在半导体材料中产生电子空穴对，这些电子空穴对在pn结的电场作用下产生分离运动，其中，电子移向n区，而空穴则移向p区，此过程导致外部端子呈现电压并通过外部电路产生电流，这就是太阳能电池的基本原理- 半导体的光生伏特效应。
Question1.为什么光的照射会使半导体材料产生电子空穴对呢？
简言之，是光子能量传递给电子从而导致其跃迁的过程。步骤与背景知识如下，
光的吸收
当光线照射到某种物质上时可能被反射、传输或吸收，其中，吸收的含义是入射光中光子的能量转换为另一种形式的能量，比如热能，在此过程中，材料价带中的电子受光子激发跃迁至导带，在价带中产生一个空穴，同时，光子湮灭。光子被吸收的结果之一是将其携带的能量转移到吸收物质中原子的电子上，这种转换遵循动量守恒定律和能量守恒定律，并有下面3种特点：
1.光子能量必须超过材料的带隙能级；
2.无论光子携带多高的能量，一个光子最多只能激发一个电子空穴对，其余能量只能转换为热；
3.能量低于带隙的光，一部分在材料中转换为热，另一部分则穿过材料，即，材料对这部分光线是“透明”的；
电子的跃迁
[电子能级]按照量子理论，孤立原子中的电子运行于若干个具有不同能级的轨道上，在不同轨道上的电子具有不同的能量。处于低能级轨道上的电子由于某种机制（比如光照）获取能量后可跃迁到高能级轨道上，而处于高能级轨道的电子返回低能级轨道上的同时会释放出能量。
[能带理论]在众多原子组成的晶体中，由于多个原子的高能级电子轨道产生交叉，电子可为多个原子共有并在原子中迁移，从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。能够被电子占据的能带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。电子通常占满能量较低的能带使之成为满带，然后再占据能量更高的外面一层的能带。无任何电子占据的能带称为空带。
[价电子与价带]处于原子最外层能带的电子称为价电子，与价电子能级对应的能带称为价带。
[电子跃迁]得到能量，价带中的部分电子会跃迁至导带。在半导体中，这些电子实际上是离开了半导体材料的共价键，这样，在价带就产生了“空穴”，导带电子和空穴是成对发生的。电子和空穴这两种载流子在某种作用下产生的定向流动，便构成了半导体材料中的导电过程。
Question 2.怎么实现电子空穴对的定向流动从而产生电流呢？
通常来说，光的吸收无论产生多少电子和空穴，这些载流子的主要运动形式仍然是随机的热运动，并不能产生定向移动而产生电流和电压。为了实现光能转化为电能，必须找出能使电子和空穴定向移动的机制，而这一机制就是半导体的pn结，咚锵咚咚锵，又见到你！
[n型半导体]掺入磷砷等五价元素，材料中自由电子数量大大超过空穴而成为主要的载流子。-第5个电子很容易脱离原子核而形成自由电子，同时使原子本身成为不能移动的正离子
[p型半导体] 掺入硼铝镓等三价元素，材料中的空穴数量大大超过自由电子而成为主要的载流子。-3个价电子与周围的硅原子只能形成3个共价键，缺少的1个共价键易捕捉电子而形成负离子
注：无论n型半导体还是p型半导体，它们内部的电荷是平衡的，即正负电荷数量相等；
[pn结]把pn两种杂质半导体相接，两种半导体中电子和空穴浓度的差别将导致如下过程：n型半导体中的电子向p型半导体扩散并与其空穴复合；而p型半导体中的空穴则向n型半导体扩散并与其电子复合。注：无外部因素干扰的情况下，扩散过程会因为内电场的平衡而中止。因此，在太阳能应用中，需要外部端子输出电压。
Question 3. 太阳能转换率由什么来决定？-带隙
在太阳能发电系统中，希望光伏电池能从太阳光谱中得到最大的吸收，从而得到最佳的转换效率，其中，半导体材料的带隙是影响转换效率的关键之一。往往光伏电池的材料一旦选定，其最大可能的转换效率便基本确定，在电池的开发和设计中的重重改进，都是为了逼近最大转换效率。
PS1，单晶硅电池的理论最大转换效率是24%,砷化镓是26.5%. PS2.针对太阳光谱的最佳带隙为1.4eV，砷化镓的1.43eV比单晶硅的1.1eV更接近，因此有望达到更高的转换效率。PS3.在阳光功率比较集中的范围内，直接带隙材料砷化镓的吸收系数大于间接带隙材料硅10倍左右，这意味着，相对于同一水平的光能吸收，直接带隙材料的电池可以做得很薄。
小知识点：
[太阳光宽谱特性]太阳光具有连续的从紫外线经可见光到红外线的宽带光谱。太阳光谱的高功率部分主要分布在可见光和近红外部分，其峰值在绿光区域。
[此电池非彼电池，光伏电池是瞬间能量转换器件]光伏电池是利用光生伏特效应（PhotovoltaicEffect，简称光伏效应）把光能转变为电能的器件。与干电池、蓄电池和燃料电池不同，光伏电池不是事先将待转换的能量储存起来，它只能把接收到的光能立即转换为电能。
目前光伏应用的光电转换器件主要是硅光伏电池，包括：单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。
光伏发电系统包括：光伏离网发电系统、光伏并网发电系统、风光互补发电系统。
