太陽(yáng)能電池，也稱為光伏 (PV)，是一類快速發(fā)展的可再生能源設(shè)備，可將太陽(yáng)射線（光子）轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能電池有多種形式，尤其是涉及將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的活性材料時(shí)。最傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池依靠無(wú)機(jī)材料作為活性材料，而最新的太陽(yáng)能電池使用從有機(jī)材料到印刷油墨的一切材料。在這里，我們專注于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池，因?yàn)榧词馆^新的類別帶來(lái)不同的好處（可印刷、柔性），無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池仍然是當(dāng)今使用最廣泛和最高效的太陽(yáng)能電池。

太陽(yáng)能電池依賴于光電效應(yīng)的原理，即當(dāng)材料暴露于光時(shí)表現(xiàn)出產(chǎn)生電壓和電流的化學(xué)和物理現(xiàn)象。無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池傳統(tǒng)上使用硅，將其摻雜以形成半導(dǎo)體結(jié)。在許多情況下，設(shè)計(jì)人員在結(jié)的兩側(cè)都使用硅，其中一側(cè)摻雜一個(gè)比硅少一個(gè)電子的原子（p 型），另一側(cè)摻雜一個(gè)比硅多一個(gè)電子的原子（ n型）。在大多數(shù)情況下，硅摻雜有硼或鎵和磷，以分別產(chǎn)生 p 型和 n 型半導(dǎo)體區(qū)域。近年來(lái)，已經(jīng)從使用硅轉(zhuǎn)向使用各種納米材料，因?yàn)榧{米材料通常會(huì)產(chǎn)生更高的器件效率。

無(wú)論使用何種材料——無(wú)論是兩種不同摻雜的硅材料還是納米材料——都會(huì)形成一個(gè)半導(dǎo)體結(jié)，其中兩個(gè)區(qū)域包含被耗盡區(qū)隔開的空穴和電子。電子和空穴在半導(dǎo)體結(jié)中的形成和排列方式很大程度上取決于材料的化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)摻雜水平。當(dāng)硅被摻雜成為p型區(qū)時(shí)，摻雜的原子只能形成三個(gè)共價(jià)化學(xué)鍵，而硅只有四個(gè)。這留下了化學(xué)鍵應(yīng)該存在的空間。這種缺乏鍵的現(xiàn)象被稱為空穴，它帶正電。另一方面，當(dāng)硅摻雜原子形成n型區(qū)域時(shí)，額外的電子留在晶格中，因?yàn)楣璨捎玫木Ц駧缀谓Y(jié)構(gòu)只能容納四個(gè)鍵（許多納米材料也是如此，因?yàn)橥ǔＪ褂玫氖翘技{米材料，如果材料要穩(wěn)定）。因此，額外的電子在晶格中變得離域。然后這些摻雜區(qū)域分別變得富含空穴和富含電子。

在太陽(yáng)能電池暴露于任何光線之前，這些電子和空穴被耗盡區(qū)隔開，耗盡區(qū)是 n 區(qū)和 p 區(qū)的界面，通常被稱為 pn 結(jié)。這個(gè)界面區(qū)域是一些電子和空穴聚集在一起的區(qū)域，導(dǎo)致其他帶正電和帶負(fù)電的載流子被這個(gè)“中性區(qū)”分開。除了作為一個(gè)中性區(qū)，它還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部電場(chǎng)，阻止兩個(gè)區(qū)域中的所有空穴和電子結(jié)合。

雖然電荷載流子最初是分開的，但當(dāng)陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池上時(shí)，這種情況會(huì)發(fā)生變化。光子具有能量，當(dāng)光子撞擊太陽(yáng)能電池時(shí)，該能量會(huì)轉(zhuǎn)移到耗盡區(qū)兩側(cè)的空穴和電子中。這種額外的能量還使自由載流子能夠移動(dòng)到耗盡區(qū)。發(fā)生這種情況時(shí)，耗盡區(qū)的寬度會(huì)減小。最終，內(nèi)部電場(chǎng)無(wú)法抵消電荷載流子的高能運(yùn)動(dòng)，電子移動(dòng)到結(jié)的另一側(cè)，在那里它們與空穴重新結(jié)合。這會(huì)產(chǎn)生恒定電流。一旦載流子開始復(fù)合，耗盡區(qū)再次增加，但只要有能量輸入（即太陽(yáng)能電池上的光），它就永遠(yuǎn)不會(huì)回到靜止?fàn)顟B(tài)。所以，只要有陽(yáng)光，就會(huì)有源源不斷的電流流過(guò)，可以收集和儲(chǔ)存。一旦陽(yáng)光不再存在，耗盡區(qū)將恢復(fù)到原來(lái)的厚度，并且設(shè)備基本上被重置，直到更多的陽(yáng)光照射到電池上。

結(jié)論

無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池依靠化學(xué)、化學(xué)原理和化學(xué)反應(yīng)的作用，通過(guò)半導(dǎo)體pn結(jié)將太陽(yáng)光高效地轉(zhuǎn)化為電能。兩個(gè)區(qū)域的摻雜，無(wú)論是硅還是其他無(wú)機(jī)材料，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)區(qū)域，使帶相反電荷的粒子能夠結(jié)合并在太陽(yáng)輻射下產(chǎn)生電流。無(wú)機(jī)電池的效率比其他類型的太陽(yáng)能電池高得多，但所使用的材料本質(zhì)上是高度結(jié)晶的，并且具有規(guī)則的固態(tài)晶格。因此，這意味著它們通常不如其他類型的太陽(yáng)能電池靈活。然而，它們?nèi)匀皇亲畛Ｒ姷念愋?，在柔性和可印刷太?yáng)能電池達(dá)到相似的效率水平之前，無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池很可能會(huì)在未來(lái)多年內(nèi)成為領(lǐng)跑者。

審核編輯黃昊宇