伽凡尼單元轉換不同能量的形式(化學燃料、陽光、機械壓力等)為電能及熱。在此課程中，我們將探討伽凡尼電池數例。
1. 電壓源
1.1 聚合物電解質膜(PEM)燃料電池
PEM(Polymer Electrolyte Membrane)燃料電池運用了聚合物電解質膜來將氫離子由陽極移動到陰極。圖2展示了氫氣PEM燃料電池的結構，氫氣分子在陽極被氧化成質子；電子則經由外部負載移動。質子們因PEM中的電化學梯度擴散往陰極。氧分子在陰極還原且與質子反應而產生水。生成物水由PEM吸收或蒸發於陰陽兩極的氣流。詳細反應如下：
陽極(氧化反應，產生電子)
H2(g) → 2 H+ + 2 e–
陰極(還原反應，消耗電子)
0.5 O2(g) + 2 H+ + 2e– → H2O(l)
淨反應
H2(g) + 0.5 O2(g) → H2O(l)
PEM燃料電池的等效電路如圖3所示。其電阻與電容由不同的效應所產生：
| RDa | 陽極的氣體擴散電阻 |
| RDc | 陰極的氣體擴散電阻 |
| Ria | 陽極的介面電荷轉移電阻 |
| Ric | 陰極的介面電荷轉移電阻 |
| RM | PEM的離子傳送電阻 |
| Cia | 陽極的介面電荷儲存 |
| Cic | 陰極的介面電荷儲存 |
1.2 固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
SOFC的特徵為使用固態氧化物作為電解質材料。和經由聚合物電解質膜將帶正電的氫離子(質子)從陽極移動到陰極的PEM燃料電池不同的是，SOFC將帶負電的陰離子(即氧離子)，從陰極移往陽極，如圖4所示：
陽極(氧化反應，產生電子)
H2(g) + O2- → H2O(l) + 2 e–
陰極(還原反應，消耗電子)
0.5 O2(g) + 2e– → O2-
淨反應
H2(g) + 0.5 O2(g) → H2O(l)
2. 電流源
2.1 矽PN接面太陽能電池
在學習矽太陽能電池前，我們需要先了解半導體物理的基本觀念。
基礎的固態物理表示，在半導體中擁有特定能量的電子只能出現在明顯規範的能階中，而能階間無法出現的便稱為能隙。如圖5所示，特定能隙周邊的兩條能帶均有特殊名稱。能隙下方直接緊鄰的能帶稱為價帶(valence band)；而上方稱為導帶(conduction band)。在純矽中，價帶的所有位置均被電子佔據，而在0K時所有的導帶均是空的。在高溫時，部分能階可能被電子佔據。這些部分佔住導帶的電子，可能因反應外加的電壓場而自由移動。除此之外，在價帶中未被電子佔據的能階，可接收額外的電子故稱為「電洞」。
矽的能階結構可透過「摻雜(doping)」來改變。摻雜透過外來原子並不巨大地修改矽的晶格結構，但可「供應」或「接受」電子。來自週期表五族原子可以貢獻其中一個電子至導帶而自身帶正電，稱作「施子(donor)」。摻雜來自週期表五族原子稱作N型半導體。至於來自週期表三族原子則可以「接受」形成連結的電子，而成為帶負電的「受子(acceptor)」。摻雜來自週期表三族原子稱作P型半導體。半導體中電子軌域與「施子」或「受子」的關係，可表達成圖6的能階關係圖。「施子」的能階在禁制區內稍低於導帶的ED處；其原因為只要一些能量便足以使電子離開導帶。同樣地，「受子」的能階也存在於價帶稍高處EA，只需要些許能量便可使電洞脫離價帶。
一個理想的PN接合半導體結構中，代表著摻雜成分瞬間由N型的定濃度施子轉變為P型的定濃度受子，如圖7所示。在N側的電子會傾向流往P側，因為P側在相同能量下有較多未被電子占據的軌域；同樣地，電洞則傾向自P側流往N側，因N側在相同能量下有較多可以容納電洞的軌域。當熱力學平衡達成且電荷的重新分佈停止後，一個電荷偶極便會橫越接合面成立。其效果為N側的淨正電荷，而P側為淨負電荷，因此PN接合面有一內建的電位場。
當PN接合面吸收一光子hv>Eg，新的電子-電洞對便會形成。內建的電位場會驅使電子往N側而電洞往P側。如果我們在PN接合面連接一外部電路，便可在電極上「收割」電子-電洞對所產生的電流。
PN接面太陽能電池的等效電路如圖8(a)所示，由二極體與光電流源Ip並聯組成。圖8(b)展示了此二極體的電流-電壓曲線。在順向偏壓中，大電流可以輕易地通過；但在逆向偏壓中，只有小的飽和電流Is可通過。
假設Rint=0, 電流-電壓關係為
圖9展示了PN接面太陽能電池的電壓-電流曲線。當IP=0 (黑暗環境)，太陽能電池呈現為一個二極體。當IP>0 (光亮環境)，開路電壓為
2.2 葛雷策爾Grätzel電池(染料敏化dye-sensitized太陽能電池)
染料敏化太陽能電池是由光敏陽極與電解質之間的半導體所構成，如圖10。此種電池有三個主要構件，頂部是摻氟二氧化錫(SnO2:F)構成的透明陽極，並塗佈於某面板(通常為玻璃)的背面。在導電平面的背後是一薄層的二氧化鈦(TiO2)，其巨大的表面積形成高度多孔性結構。二氧化鈦僅吸收一小部分的陽光量子。將此平板浸於光敏釕-多吡啶染料與溶劑的混和物內，一層極薄的光敏的釕-多吡啶染料與二氧化鈦便形成共價鍵而存在。分離的支撐由撒在導電層上的碘化電解質構成，導電層通常為鉑金屬。
陽光穿過透明的摻氟二氧化錫上表面，擊中二氧化矽表面的染料。光子以足夠的能量擊中染料，被吸收並使染料軌域成激發狀態。其中使染料電子被直接注入二氧化鈦的導帶中，且電子經過擴散(電子濃度梯度的結果)移動並清空頂部的陽極。同時，如果染料損失的電子沒有及時補充，染料分子將會分解。染料從二氧化鈦底下的電解質取得一個電子，並氧化其成三碘化物。比起自由電子和氧化染料重新合成所需的時間，此反應相當快速，並阻止了太陽能電池因此而短路。三碘化物透過擴散到另一側電極，並與經過外部電路的重新加入的電子結合。
圖11展示了染料敏化太陽能電池的等效電路。基本概念仍是相通的：「收割」來自吸收光子的電子-電洞對。
2.3 電動力學能量轉換
一股壓力驅動(pressure-driven)的流體攜帶電荷經過微流道，在流道的終點累積電荷便會產生電流與電位能。如圖12所示。這些所謂的串流(streaming)電流或串流(streaming)電位能，可以驅動一外部負載，也就是代表轉變靜壓液能(hydrostatic energy)為電能(electrical power)。此種具電動力學效應(electro kinetic effect)的能量轉換設備概念，我們稱之為電動力學能量轉換(electro kinetic energy conversion)。電動力學能量轉換的物理模型需要最佳化其特性的指標。我們可以由以下關係公式描述電動力學現象：
其中P代表壓力、Q代表流率、V是電壓、I是電流。KH是多孔性物質的水力傳導率(hydrodynamic conductivity)、KE是電傳導率(electric conductivity)、而S是電動力耦合(electro kinetic coupling)。電動力能量轉換模擬細節會在課程33中討論。
