无机太阳能电池背后的化学原理

发布于2023-03-21

太阳能电池也称为光伏 (PV) 电池，是一类快速发展的可再生能源设备，可将阳光（光子）转变为电能。太阳能电池有很多类型，如果以光电转换材料来区分的话，细分种类尤其多。传统的太阳能电池采用无机光电转换材料，许多新型太阳能电池则采用了从有机材料到印刷油墨的各种新材料。本文将重点探讨传统无机太阳能电池，因为更加新型的产品虽然能带来许多优势（可印刷、柔性等），但无机太阳能电池仍然是当今最普及、最高效的太阳能电池。

太阳能电池依靠的是光电效应原理，也就是材料受到光照时表现出的一种产生电压和电流的化学和物理现象。无机太阳能电池传统上使用硅作为光电转换材料，通过对其进行掺杂来形成半导体结。通常情况下，该半导体结的两侧都使用硅材料，其中一侧掺入比硅少一个电子的原子（p型），另一侧掺入比硅多一个电子的原子（n型）。在实际应用中，p型半导体通常掺入硼或镓，n型半导体通常掺入磷。近年来，无机光电转换材料出现了从硅转向各种纳米材料的趋势，因为纳米材料通常会产生更高的器件效率。虽然它们的效率高于硅，但硅基太阳能电池仍然是使用最广泛的无机太阳能电池。

无论使用两种不同掺杂的硅材料还是纳米材料，它们都会形成半导体结，其中p型和n型半导体分别包含空穴和自由电子，两者之间由耗尽区隔开。电子和空穴在半导体结中的形成和排列方式很大程度上取决于材料的化学性质和化学掺杂程度。当硅通过掺杂成为p型半导体后，由于硅原子能够形成四个共价键，但掺入的原子只能形成三个，这就在本应成键的地方留出了空间。这种缺乏共价键的现象称为空穴，它带有正电。而当硅通过掺杂成为n型半导体后，多余的电子会留在晶格中，因为硅的晶格几何结构只能容纳四个共价键（许多纳米材料也是如此，因为通常使用的是碳纳米材料，如果此类材料要保持稳定的话，仍然只能容纳四个共价键）。于是，额外的电子便成为自由电子。这些掺杂半导体区域便分别成为富空穴和富电子的区域。

在太阳能电池受到光照之前，耗尽区隔开了这些电子和空穴。耗尽区是n型半导体和p型半导体的界面，通常被称为p-n结。这一界面区域是一些电子和空穴聚集在一起的区域，其他带正电和带负电的载流子被这一“中性区”隔开。除了作为中性区外，耗尽区还会产生内部电场，阻止两类半导体中的空穴和电子完全结合。

虽然电荷载流子最初是分开的，但当阳光照射到太阳能电池上时，这种情况就会发生变化。光子是有能量的，当光子撞击太阳能电池时，这些能量会转移到耗尽区两侧的空穴和电子中，还会使自由载流子移动到耗尽区。此时，耗尽区的宽度会减小。最终，耗尽区的内部电场无法抵消电荷载流子的高能运动，电子移动到p-n结的另一侧，与空穴重新结合，从而产生恒定电流。载流子重新结合后，耗尽区会再次变宽，但只要有能量输入（也就是照射到太阳能电池上的光线），它就永远不会回到静止状态。因此，只要有阳光，就会有持续的电流流动，供收集和储存。阳光停止照射后，耗尽区将恢复到原来的厚度，器件将会重置到原来的状态，直到阳光再次照射到太阳能电池上。

结语

无机太阳能电池依靠化学原理和化学反应的作用，通过半导体p-n结将阳光高效地转化为电能。无论硅还是其他无机光电转换材料，都是通过掺杂来产生两类半导体，在阳光照射下，使带相反电荷的粒子结合并产生电流。无机太阳能电池的效率显著高于其他类型的太阳能电池，但所使用的材料本质上是高度结晶的，并且具有规则的固态晶格，因而柔韧性往往不如其他类型的太阳能电池。然而，它们仍然是最常见的类型，在柔性和可印刷太阳能电池达到相似的效率水平之前，无机太阳能电池在未来多年内仍然具有相当的重要性成为领跑者。