光伏小原理之从“PN结”说起

PN结，顾名思义，是由P和N所打成的一个结。这个结的构造，是太阳能电池能够发电的关键。

我们以目前主流的晶体硅来看：

P型，即是在硅晶体中掺入硼元素，将硼“放入”硅中。进入硅中的硼原子与硅原子发生替换，因为硼生下来就比硅少了一只手（外层电子），这个替换发生的并不完美。所以当硼原子和周围的硅原子牵手时，缺少的一只手就会形成一个“空子”（空穴）。

产生的这些“空子”对电子很有吸引力，如果有喜欢到处放电的束缚电子路过空穴周围，很容易就会来“插一手”（填充），根据异性相吸的原理，我们可以把这些“空穴”理解为“正电荷”，并假设这些正电荷是可以移动的。这样，P型硅晶体因为含有一定浓度的“空穴”，就具备了拥有导电性能的基础。如果这些掺入硅中先天缺陷的硼原子被钻了“空子”，就会由原本的正常人变成了“阴性人”，成为带负电的离子。

N型，即在硅晶体中掺入磷元素，把磷“放入”硅中。磷进入硅中同样与硅原子产生了替换，不同的是磷比硅还要多一只手（外层电子）。于是在完成替换的时候，磷多出来的一只手无处结合，就脱离主体，开始自由活动，成为了独立的手（自由电子）。于是，N型晶体硅就成为了含电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。而那些掺入硅中的磷原子因为少了一个电子，就变成了“阳性人”，成为带正电的离子。

下图可以形象的展现两者的差别


图1：左图中大圆内包含负号的代表B-（硼离子）、空心小圆代表“空穴”；右图中大圆内包含正号的代表P+（磷离子）、实心小圆代表“电子” 

如果将p型硅和N型硅制作在同一块硅片上，就会发生奇妙的现象。如下图：


上图包含两个运动。

一开始，从交界面左边的P区和交界面右边的N区对比来看，P区拥有很多可以移动的“空穴”，N区拥有很多自由移动的“电子”，由于物质总会从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，我们视为扩散运动，所以P区的空穴开始向N区扩散，N区渐渐有了少量的空穴；N区的电子开始向P区扩散，P区也渐渐有了少量的电子。这里，我们可以将在每个区域拥有数量优势的粒子称作这个区域的“多子”，数量少的称为“少子”，即P区的多子为空穴，N区的多子为电子。

接下来，扩散到N区的空穴会和电子拉手（复合）、扩散到P区的电子会和空穴拉手（复合），复合以后呈中性。这时，交界面附近多子的浓度会下降，交界面左侧开始出现一片只剩下B-的区域，这个区域变成负离子区；右侧开始出现一片只剩下P+的区域，这个区域变成正离子区。我们将这两个区域合起来称作空间电荷区，它会随着扩散运动的持续而不断加宽。

同时，这个空间电荷区本身会产生一个内建电场，电场的方向由正极指向负极，即N区指向P区。由于电场力的作用，扩散到相对区域的少子会开始往老家跑，P区的电子会开始返回N区，N区的空穴会开始返回P区。我们将这种在电场力作用下，少子的迁移称作是漂移运动。漂移运动阻止了扩散运动的进行。

最后，扩散运动和漂移运动依旧同时进行。在没有其它因素干扰的条件下，经过不断拉扯修正，参加扩散运动的多子的数量将与参加漂移运动的少子的数量渐渐持平，空间电荷区也将保持稳定，整个体系达到一种动态平衡。这时，我们就可以把它们交界面形成的空间电荷区称作PN结。