6.2　硅原子结构

硅原子是由质子、中子和电子组成的。带有正电荷的质子和中子（无电荷）通过强大的核能量保持在一起，形成了原子核。带有负电荷的电子比质子和中子小得多，就像行星围绕在太阳周围一样围绕在核周围运动，同时通过静电引力保持在相对稳定的位置（异电相引，同电相斥）。

在稳定的情况下，硅由14个质子、14个中子以及14个电子组成，因此呈电中性。硅原子结构如图6.1所示。

由图6.1可以看出，电子排列在原子核周围的轨道（称为电子层）上。最内层的电子层只能容纳2个电子，它们紧紧地围绕着原子核。第二电子层（也是饱和的）有8个电子，它们也十分紧密地围绕着原子核，这两个电子层都是饱和的，不能容纳更多的电子。

第三电子层可以容纳多达8个电子，而仅仅有4个电子位于中性硅原子的第三电子层。这些电子不怎么紧密地围绕着原子核。这些电子如果获得等于（或大于）原子核束缚它们的能量（结合能），它们将会脱离所在电子层而成为自由电子。

太阳辐射可以给电子提供能量，当太阳辐射的光子撞击外层电子时，就发生了能量的转换。入射的光子损失了可使一个电子从电子层脱离的能量，这种现象称为光电效应。如果入射光子的能量恰好等于电子脱离的能量，那么光子就会湮灭，产生一个自由电子。如果光子的能量大于束缚电子的能量，那么电子也仅会获得能够从电子层脱离的能量，剩余的能量将会转化为硅的热量。因此并不是所有的太阳辐射能量都被用来产生自由电子，这将使硅光伏电池的最大转换效率限制在40%以下。光电效应如图6.2所示。

自由电子将随机自由移动，并迅速地被失去一个电子的硅原子吸收。这种吸收也伴随着光的发射，发射的光的频率决定于电子“落”回电子层释放的能量的大小。该频率形成了原子特征吸收光谱，可以用来识别不同的物质。