太阳能发电的原理是怎样的？光能是如何通过单晶硅转换成电能的？

太阳能发电的核心原理是光伏效应，即通过半导体材料（如单晶硅）将光能直接转化为电能。以下是详细的转换过程：

当光照射到半导体材料（如单晶硅）时，光子的能量会被吸收，导致材料中的电子被激发，形成电流。这一过程的关键在于半导体内部的PN结。

• 单晶硅的特性：单晶硅由高度有序排列的硅原子构成，杂质少、缺陷少，电子迁移效率高。
• PN结的形成：
  • P型半导体：掺入硼（B）等元素，形成“空穴”（正电荷载体）。
  • N型半导体：掺入磷（P）等元素，产生多余的自由电子（负电荷载体）。
  • 结合后：P型和N型接触时，电子从N区扩散到P区，空穴反向扩散，形成内建电场（耗尽层），阻止进一步扩散。

光子吸收：

• 光子能量需大于硅的带隙（约1.1eV，对应波长≈1100nm）。
• 光子撞击硅原子，将价带中的电子激发到导带，形成电子-空穴对。

电荷分离：

• PN结的内建电场驱动电子向N区移动，空穴向P区移动。
• 电荷分离后，N区积累负电荷，P区积累正电荷，形成电压差。

电流输出：

• 外接电路后，电子从N区经导线流向P区，与空穴复合，产生直流电。
• 多个电池片串联/并联组成太阳能板，提升电压或电流。

• 高纯度与有序结构：减少电子散射，转换效率更高（实验室可达26%以上，商用约20-24%）。
• 长寿命与稳定性：晶体结构稳定，耐衰减性强。

• 光谱损失：能量低于带隙的光子无法被利用；高于带隙的光子多余能量转化为热能。
• 反射损失：通过镀减反射膜（如氮化硅）减少表面反射。
• 复合损失：电子与空穴在分离前复合，降低效率。

单晶硅通过吸收光子→激发电子→内建电场分离电荷→外电路输出电流的过程实现光能到电能的转换。其高效、稳定的特性使其成为主流的太阳能电池材料。