將光子轉換為電子
計算器和人造衛星上使用的太陽能電池都是光伏電池或者模組（模組就是一組通過電路連線並封裝在乙個框架內的電池）。光伏電池（photovoltaics），顧名思義（photo=光， voltaic=電），是指將太陽光轉換為電能的電池。光伏電池之前只用在太空中，而現在卻越來越普及，且使用方式也越來越普通。
它們甚至可以為您的住宅供電。這些裝置是如何工作的呢？
光伏（pv）電池由半導體材料製成，比如矽就是目前最常用的一種半導體。當光照射電池時，有一部分光會被半導體材料吸收。這意味著吸收的光能將傳給半導體。
能量會導致電子逸出，使它們可以自由流動。光伏電池中還有乙個或多個電場，可以迫使由光吸收並釋放的電子以一定方向流動。電子的流動形成電流，通過在光伏電池的頂部和底部安放金屬觸點，我們可以將電流引出來，以供使用。
例如，電流可以為計算器供電。此電流以及電池電壓（由內部電場產生）決定了太陽能電池的功率（或者瓦特數）。
這是發電的基本過程，但是實際情況要複雜得多。讓我們來深入研究乙個光伏電池的示例：
單晶矽電池
矽有一些特別的化學特性，尤其是它的晶體結構。矽原子含有14個電子，排列在三個不同的核外電子層中。距離原子核最近的頭兩個電子層完全填滿。
而最外層電子則處於半滿狀態，只有四個電子。矽原子始終會想方設法填滿最外面的電子層（即希望有八個電子）。為此，它會與相鄰矽原子的四個電子共享自身的電子，這就好比每個原子與周圍原子握手一樣，只是在這種情況下，每個原子有四隻手與四個鄰居相握。
這就形成了晶體結構，該結構對於這種型別的光伏電池具有重要的意義。
現在，我們已經了解了純晶體矽。純矽是一種效能很差的導體，因為它的電子不能像銅這樣的導體中的電子那樣自由移動。矽中的電子被全部鎖在晶體結構中。
太陽能電池中的矽結構已經過稍稍調整，以便它能作為太陽能電池來工作。
太陽能電池使用的矽混有雜質——其他原子與矽原子混在一起，這樣會稍稍改變矽的工作方式。我們通常認為雜質是某種不好的東西，但在這個例子中，如果沒有這些雜質，電池就無法工作。實際上，這些雜質是有意新增到矽中的。
考慮矽與乙個位置不定的磷原子在一起的情況，也許每一百萬個矽原子配上乙個磷原子。磷原子的外電子層有五個電子，而不是四個。它仍然要與矽周圍的原子結合，但從某種意義上講，磷原子有乙個電子是不與任何原子握手的。
它沒有成為鍵的一部分，但是磷原子核中的正質子會使其保持在原位上。
當把能量加到純矽中時（比如以熱的形式），它會導致幾個電子脫離其共價鍵並離開原子。每有乙個電子離開，就會留下乙個空穴。然後，這些電子會在晶格周圍四處遊蕩，尋找另乙個空穴來安身。
這些電子被稱為自由載流子，它們可以運載電流。不過，留在純矽中的電子數量極少，因此沒有太大的用處。而將純矽與磷原子混合起來，情況就完全不同了。
此時，只需很少的能量即可使磷原子的某個「多餘」的電子逸出，因為這些電子沒有結合到共價鍵中——它們的鄰居不會將它們拉回。因此，大多數這類電子會成為自由電子，這樣，我們就得到了比純矽中多得多的自由載流子。有意新增雜質的過程被稱為摻雜，當利用磷原子摻雜時，得到的矽被成為n型（「n」表示負電），因為矽裡面有很多自由電子。
與純矽相比，n 型摻雜矽是一種效能好得多的導體。
實際上，太陽能電池只有一部分是n型。另一部分矽摻雜的是硼，硼的最外電子層只有三個而不是四個電子，這樣可得到p型矽。p型矽中沒有自由電子（「p」表示正電），但是有自由空穴。
空穴實際是電子離開造成的，因此它們帶有相反（正）的電荷。它們像電子一樣四處移動。
在將n型矽與p型矽放到一起時，有趣的情形發生了。切記，每塊光伏電池至少有乙個電場。沒有電場，電池就無法工作，而此電場是在n型矽和p型矽接觸的時候形成的。
突然，n 側的自由電子（它們一直在尋找空穴來安身）看到了p側的所有空穴，然後便瘋狂地奔向空穴，將空穴填滿。
以前，從電的角度來看，我們所用的矽都是中性的。多餘的電子被磷中多餘的質子所中和。缺失電子（空穴）由硼中缺失質子所中和。
當空穴和電子在n型矽和p型矽的交界處混合時，中性就被破壞了。所有自由電子會填充所有空穴嗎？不會。
如果是這樣，那麼整個準備工作就沒有什麼意義了。不過，在交界處，它們確實會混合形成一道屏障，使得n側的電子越來越難以抵達p側。最終會達到平衡狀態，這樣我們就有了乙個將兩側分開的電場。
這個電場相當於乙個二極體，允許（甚至推動）電子從p側流向n側，而不是相反。它就像一座山——電子可以輕鬆地滑下山頭（到達n側），卻不能向上攀公升（到達p側）。
這樣，我們就得到了乙個作用相當於二極體的電場，其中的電子只能向乙個方向運動。讓我們來看一下在太陽光照射電池時會發生什麼。
當光以光子的形式撞擊太陽能電池時，其能量會使電子空穴對釋放出來。
每個攜帶足夠能量的光子通常會正好釋放乙個電子，從而產生乙個自由的空穴。如果這發生在離電場足夠近的位置，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響範圍之內，則電場會將電子送到n側，將空穴送到p側。這會導致電中性進一步被破壞，如果我們提供乙個外部電流通路，則電子會經過該通路，流向它們的原始側（p側），在那裡與電場傳送的空穴合併，並在流動的過程中做功。
電子流動提供電流，電池的電場產生電壓。有了電流和電壓，我們就有了功率，它是二者的乘積。
我們的光伏電池可以吸收多少太陽光的能量？遺憾的是，此處介紹的簡易電池對太陽光能量的吸收率至多為25%左右，通常的吸收率是15%或更低。為什麼吸收率會這麼低？
可見光只是電磁頻譜的一部分。電磁輻射不是單頻的——它由一系列不同波長（進而產生的一系列能級）組成。（有關電磁頻譜的詳細介紹，請參閱狹義相對論基本原理。）
光可分為不同波長，我們可以通過彩虹看出這一點。由於射到電池的光的光子能量範圍很廣，因此有些光子沒有足夠的能量來形成電子空穴對。它們只是穿過電池，就像電池是透明的一樣。
但其他一些光子的能量卻很強。只有達到一定的能量——單位為電子伏特（ev），由電池材料（對於晶體矽，約為1.1ev）決定——才能使電子逸出。
我們將這個能量值稱為材料的帶隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，則多餘的能量會損失掉（除非光子的能量是所需能量的兩倍，並且可以建立多組電子空穴對，但這種效應並不重要）。僅這兩種效應就會造成電池中70%左右的輻射能損失。
為何我們不選擇一種帶隙很低的材料，以便利用更多的光子？遺憾的是，帶隙還決定了電場強度（電壓），如果帶隙過低，那麼在增大電流（通過吸收更多電子）的同時，也會損失一定的電壓。請記住，功率是電壓和電流的乘積。
最優帶隙能量必須能平衡這兩種效應，對於由單一材料製成的電池，這個值約為1.4電子伏特。
我們還有其他能量損失。電子必須通過外部電路從電池的一側流到另一側。我們可以在電池底部鍍上一層金屬，以保證良好的導電性。
但如果我們將電池頂部完全鍍上金屬，光子將無法穿過不透光導體，這樣就會喪失所有電流（在某些電池中，只有上表面而非所有位置使用了透明導體）。如果我們只在電池的兩側設定觸點，則電子需要經過很長一段距離（對於電子而言）才能抵達接觸點。要知道，矽是半導體，它傳輸電流的效能沒有金屬那麼好。
它的內部電阻（稱為串聯電阻）相當高，而高電阻意味著高損耗。為了最大限度地降低這些損耗，電池上覆有金屬接觸網，它可縮短電子移動的距離，同時只覆蓋電池表面的一小部分。即使是這樣，有些光子也會被網格阻止，網格不能太小，否則它自身的電阻就會過高。
在實際使用電池之前，還要執行其他幾個步驟。矽是一種有光澤的材料，這意味著它的反射效能很好。被反射的光子不能被電池利用。
出於這個原因，在電池頂部採用抗反射塗層，可將反射損失降低到5%以下。
最後一步是安裝玻璃蓋板，用來將電池與元件分開，以保護電池。光伏模組由多塊電池（通常是36塊）串聯和併聯而成，以提供可用的電壓和電流等級，這些電池放在乙個堅固的框架中，後部分別引出正極端子和負極端子，並用玻璃蓋板封上。
單晶矽並非光伏電池中使用的唯一材料。電池材料中還採用了多晶矽，儘管這樣生產出來的電池不如單晶矽電池的效率高，但可以降低成本。此外，還採用了沒有晶體結構的非晶矽，這樣做同樣是為了降低成本。
使用的其他材料還包括砷化鎵、硒化銦銅和碲化鎘。由於不同材料的帶隙不同，因此它們似乎針對不同的波長或不同能量的光子進行了「調諧」。一種提高效率的方法是使用兩層或者多層具有不同帶隙的不同材料。
帶隙較高的材料放在表面，吸收較高能量的光子；而帶隙較低的材料放在下方，吸收較低能量的光子。這項技術可大大提高效率。這樣的電池稱為多接面電池，它們可以有多個電場。
有了光伏（pv）模組，我們該如何利用呢？如何利用太陽能來為房間供電？儘管它並非像隨便在屋頂放置一些模組那樣簡單，但也不是特別複雜。
首先，並非每個屋頂都有合適的朝向或傾斜角度可以充分利用太陽能。北半球的無軌道光伏系統應指向正南（這是方位）。它們應該以該地區緯度來設定傾斜角度，以便可以整年吸收盡可能多的能量。
如果希望在上午或下午以及夏季或冬季獲得盡可能多的能量，可以採用不同的方位、傾角。當然，不管在一天或者一年中的什麼時間，模組決不能被附近的樹木或者建築物擋住。在光伏模組中，即使36塊電池中只有一塊被擋住了，發電量也會減少一大半。
如果您有一間房子，它的屋頂沒有遮擋並且朝南，那麼您還需要確定自己需要的系統規模。這是一項複雜的工作，因為發電量取決於天氣情況，而天氣從來都是不可完全**的，並且您的用電需求也會隨時發生變化。這些障礙很容易清除。
氣象資料會提供不同地理區域每月的平均日照水平。其中考慮了降雨和多雲天氣，以及緯度、濕度和其他更細微的因素。您在設計時應考慮到日照狀況最差的月份，這樣才能保證全年都有充足的電力**。
有了這個資料，並且清楚自己家裡的平均用電需求（通過用電帳單即可得知每月的用電量），可以用一些簡單的方法來確定您需要多少個光伏模組。此外，您還需要確定系統電壓，這可以通過決定串聯的模組數量來控制。
您可能已經猜到我們要解決的幾個問題了。首先，在沒有太陽光照射時我們應該怎麼做？當然，如果可以選擇的話，肯定沒有人願意接受只在白天並且只在晴朗的白天才有電的生活。
我們需要能量儲存裝置——電池。遺憾的是，電池為光伏系統增加了很多成本和維護工作。但是在目前，電池還是乙個必需品，因為只有這樣才能完全擺脫天氣的影響。
繞開這個問題的乙個方法是，將房子與電網相連，從而可以在需要電的時候買電，而在發電量超過需要時賣電。這樣，電網實際上充當了乙個巨大的能量儲存系統。當然，這需要徵得電網方面的同意，並且在大多數情況下，它們從您這裡買電的**將比它們售電的**低得多。
您還需要特殊的裝置來確保**給電網的電力與它們的電力同步——即共享相同的正弦波形和頻率。安全性也是乙個問題。電網需要確保如果在您的住宅附近出現斷電，您的光伏系統不會向線路工人以為已經沒有電的線路供電。
這稱之為隔離。
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