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摩天大楼在都市已经是随处可见了，但是在摩天前面加上三个字，你就会觉得很神奇，那就是“太阳能”。国外很多建筑设计师以大胆的创新及丰富的想象力将太阳能大厦推向了高峰。
太阳城大厦
万瓦大厦
左边的图片中的这幢美丽的大厦是里约热内卢的太阳城大厦。它可不是普通的大厦，它是为年里约热内卢奥林匹克运动会所设计的场馆之一。太阳城大厦可以在白天收集太阳能，将太阳能转化成电能后，用于晚上大厦的照明。右边的图片是由阿联酋StudiedImpact公司为迪拜设计的万瓦大厦。该建筑设置有万瓦风力发电机组和万瓦太阳能供电系统。万瓦大厦共有50层，预计其产生的电能是该建筑所需用电量的10多倍。像这样能源自给的建筑现今被称为可持续性建筑。
其实，我国也有建成的可持续性建筑。如年在山东德州建成的全球最大的太阳能办公大楼——山东日月坛微排大厦，成为了年第四届世界太阳城大会的主会场。其总建筑面积达到7.5万平方米，集展示、科研、办公、会议、培训、宾馆等功能于一身，采用全球首创的太阳能热水供应、采暖、制冷、光伏发电等与建筑结合的技术，是目前世界上最大的集太阳能光热、光伏、建筑节能于一体的高层公共建筑。长沙的中建五局的办公大楼被称为“阳光屋顶大楼”，这座大楼的屋顶不再是传统的钢筋混凝土，而是整齐地摆放着多平方米的太阳能电池板，该屋顶年发电量是整栋近40层大楼四个月的用电量。
前面所介绍的这些大厦的设计中都巧妙地运用了太阳能电池，将光能和热能转化为电能。要制作太阳能电池，离不开的就是太阳能电池板。制作太阳能电池的主要原料是单晶硅，它是由硅元素经过特殊的工艺生产出来的。纯净的单晶硅是不能制作太阳能电池的，必须通过一定的工艺在其中掺进一些“杂质”元素后才能够成为太阳能电池而用于发电。那么太阳能电池是如何形成的？它是如何发电的呢？
化学揭秘
纯净的单晶硅导电性较差，只有掺入一定“杂质”元素后，其导电能力才会发生显著变化。因而，纯净的单晶硅是不能够形成太阳能电池的，它必须将两块掺有“杂质”元素P型半导体和N型半导体组合在一起，才能够形成太阳能电池。
那么，什么是P型半导体和N型半导体呢？它们各自有什么性质？为什么会有这样的性质？
物质的化学性质主要反映在核外的最外层的电子上。一般情况下，物质要达到稳定状态，最外层要达到8个电子才稳定。硅最外层有4个电子，每个硅原子和另外4个硅原子通过共价键组成晶体结构。在太阳光的照射下，最外层的电子能量增加，增加到一定程度就会摆脱原子核的束缚，成为自由电子，并在它原来的地方留出一个空位，我们称这个空位为“空穴”。电子带负电荷，空穴带正电荷，它们统称载流子。
化学小贴士
什么叫单晶硅？
单晶硅是硅的单晶体，具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。纯度要求达到99.%，甚至达到99.999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。
资料小卡片
载流子
载流子是指在半导体中载运电流的带电粒子——电子和空穴，又称自由载流子。
不论是N型半导体中的自由电子，还是P型半导体中的空穴，它们都参与导电，统称为“载流子”。
在纯净的硅中，自由电子和空穴的数目是相等的，因此它是呈电中性的。硅半导体结构如下图所示。
化学小贴士
1．什么是共价键？
原子间通过共用电子对所形成的相互作用，叫做共价键。例如氯气，氯原子最外层有7个电子，要达到稳定的8电子结构，两个氯原子都需要获得一个电子，这样两个氯原子各提供1个电子，形成共用“电子对”，两个氯原子就都成了8电子的稳定结构。同样，氯化氢也是这样的道理。
2．什么是化学键？
使离子相结合或原子相结合的作用力统称为化学键。
当在单晶硅中通过特殊的工艺掺入少量的、能够获得电子的元素——硼（或铝、镓及铟等杂质元素）后，由于硼原子最外层只有三个电子，与周围的硅原子的最外层电子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引别的电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子（我们称为杂质离子）。
这样，硅半导体中由于含有较高浓度的带正电荷的“空穴”而成为空穴型半导体，简称P型半导体。其形成图如下所示。
P型半导体形成图
当在单晶硅中通过特殊的工艺掺入能够释放电子的磷元素（或砷、锑等杂质元素）后，由于磷的最外电子层有5个电子，与周围的硅半导体原子形成共价键时，多出了一个电子，其几乎不受束缚，较容易地成为自由电子。当这个自由电子运动到别处时，磷原子就变成了带正电的离子（另一种杂质离子）。这样，硅半导体中含有较高浓度的带负电的自由电子，称为N型半导体。其形成如下图所示。
N型半导体形成图
把这两种半导体用特殊工艺结合在一起，由于P型半导体空穴多，N型半导体自由电子多，在P区和N区之间就出现了载流子的浓度差，因而P型半导体中的空穴就要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，N型半导体中的电子就从浓度大的N区向浓度小的P区扩散。
在靠近交界处的地方，P区失去了一部分空穴，剩下了不能移动的负离子（带负电的硼离子）；N区失去了一部分电子，剩下了不能移动的正离子（带正电荷的磷离子）。交界面两侧的离子薄层称为空间电荷区，形成了一个由N指向P的“内电场”，叫做内建电场，又称势垒电场。电场力对继续扩散过来的载流子起到阻止的作用，驱使它们向相反的方向发生漂移运动（空穴向P区运动，电子向N区运动）。由于载流子浓度差引起的扩散运动与内部电场力作用下的漂移运动构成了矛盾的双方，随着扩散运动的进行，空间电荷区不断加宽，内部电场逐渐增强，当扩散运动与漂移运动形成动态平衡时，空间电荷区即相对稳定，则形成了PN结。
PN结具有单向导电性。电流只能由N结向P结流动。
PN结
当太阳光照射PN结时，在半导体内的电子由于获得了光能而变成自由电子，相应地便产生了电子-空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴。于是，就构成了太阳能电池。P结成为电池的正极，N结成为电池的负极，接通电路时便有电能输出。这就是PN结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太阳能电池单体根据需要采取串联或并联的方式连接起来，组成太阳能电池组体，在太阳光的照射下，便可获得相当可观的输出功率的电能。
太阳能电池工作原理图
照射在地球上的太阳光的能量非常巨大，约40min的太阳光照射就可以供全球人类一年的用电消耗。真可谓是取之不尽、用之不竭的宝贵能源。
太阳能电池板的用途还真不小！据报道，英国人发明了“大胃垃圾桶”。这款垃圾桶安装了太阳能电池板，利用太阳能产生的电能对垃圾箱里的垃圾进行压缩，并能在垃圾装满的时候发射出信号通知清洁部门派人清理。普通垃圾桶平均每星期需要清理19次，由于这款智能垃圾桶可以压缩垃圾，比起其他垃圾桶，它能多承装4～8倍的垃圾，这意味着它每星期最多只需要清理5次，提高了垃圾处理的效率。
夜晚出行由于天黑会有很多的不便，此时就需要一个便携且电量充足的手电筒。因此，设计师们又设计出了便携式太阳能手电筒。它体积小巧，可以轻松地放进口袋里，在强光下6～8h就可以把手电筒里的两节蓄电池充满电，可以连续照明8h。在停电的时候将小手电筒挂起来使用，作为应急灯也不错的！
