把“硅”變成“太陽能電池”，究竟用了什么魔法？

出品：科普中國

制作：張俊達

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

可再生能源，是指在一定范圍內(nèi)可以重復利用的能源。換句話說，只要地球和太陽不毀滅，像風能、地熱能、太陽能這些可再生能源，都是取之不盡用之不竭的。拿太陽能來說，地球吸收的太陽能就有173000太瓦，這個數(shù)字是地球上人類使用能源總和的一萬倍。

我們不禁會想，有一天人類社會能不能完全依賴太陽能運行下去？

其實，人們很早就盯上了太陽能，并嘗試將其轉(zhuǎn)化成可直接使用的電能。最笨的方法就是用太陽光提供熱來燒開水，然后用開水的蒸汽來發(fā)電。但是每次能量的轉(zhuǎn)化必然伴隨著消耗，燒開水方法的效率不高。因此人們陷入了沉思：怎樣把太陽能直接變成電能呢？

第一次將這個想法變成現(xiàn)實的人叫埃德蒙·貝克勒爾。

埃德蒙·貝克勒爾 (圖片來源：維基百科)

1839年的某一天，研究磷光的埃德蒙發(fā)現(xiàn)了不得了的東西，他把氯化銀放在酸溶液里，再接兩個鉑電極，然后拿到太陽下去曬，結(jié)果在兩個電極中間發(fā)現(xiàn)了電壓！

當時人們還不知道該現(xiàn)象的原理，只知道光照可以產(chǎn)生電勢，于是把這種現(xiàn)象叫做光生伏特效應，簡稱光伏效應?，F(xiàn)在的太陽能電池基本都是利用了光伏效應，所以太陽能電池也叫太陽能光伏電池。

目前應用最廣泛的光伏電池主要是用硅等半導體材料來制作的，那么人們是怎么利用半導體和光伏效應來制作出太陽能電池的呢？

一切的基礎(chǔ)：原子能帶結(jié)構(gòu)

簡單來說，能帶是指我們根據(jù)電子的能量多少，給它劃分到的不同區(qū)域。我們都知道，原子核帶正電，它會吸引帶負電的電子，而且離原子核越近的電子被束縛得越強?，F(xiàn)在我們把原子拆分開，原子核沉到下面，電子放在上面。

這樣的話，我們可以給電子們劃分兩個活動區(qū)域：一是離原子核比較近的區(qū)域，這里的電子都被緊緊吸住，我們稱之為價帶。二是遠離原子核的區(qū)域，這里的電子不受監(jiān)管，比較自由，如果有外加電場讓這些電子跑起來，那材料就導電了，我們稱這個區(qū)域為導帶。

除了這兩個區(qū)域，在價帶上面、導帶下面還有一個區(qū)域，是不允許電子存在的，我們稱之為禁帶。

原子的能帶結(jié)構(gòu)（圖片來源：作者自制）

基本的原子能帶結(jié)構(gòu)就是這樣了，但是還有些細節(jié)我們需要注意一下：首先，能帶還可以細分為不同的能級，而由于泡利不相容原理，每個能級只能容納兩個電子。其次，大部分原子的電子沒那么多，甚至價帶上還沒住滿，導帶上是沒有電子的。再者，價帶上的電子并不老實，它可能會“出軌”，也就是越過禁帶，沖到導帶上，當然這個過程我們叫它躍遷，躍遷是要吸收能量的。

考慮到這三個細節(jié)，可能有些讀者就猜到了，自熱界存在著兩種截然不同的材料：一種禁帶很窄，或者干脆沒有禁帶，在室溫下它的價帶外層電子可以輕易躍遷到導帶上，這就是導體。相反如果材料的禁帶很寬，一般大于三電子伏特（3eV），在室溫下電子老老實實地待在價帶上，那它就不能導電，這就是絕緣體。

不同固體的能帶結(jié)構(gòu) (圖片來源：維基百科)

“善變”的半導體

那有沒有價帶和導帶之間的能隙小于3eV的材料呢？有，那就是半導體,通常意義上就是指導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。

但半導體的價值并不是表現(xiàn)在它的導電能力上，而是它“左右橫跳”的導電性。半導體的導電性能很容易受到外界因素的影響而改變，后面我們就會看到光伏效應如何改變半導體的導電性。接下來我們將以硅原子為例，一起探索半導體內(nèi)部的奧秘。

1、本征半導體的結(jié)構(gòu)

像純硅、純鍺這類不加任何雜質(zhì)的半導體，我們稱之為本征半導體。來看看硅原子，它有14個電子，電子排布是2-8-4，最外層有4個電子。元素的性質(zhì)主要是由最外層電子決定的，那硅的最外層電子就有這樣的趨勢：要么再找四個電子湊四對，要么把四個電子都扔了。

硅原子（圖片來源：作者自制）

在硅晶體中，每個硅原子的上下左右都相鄰一個硅原子，正好硅最外層有四個電子，它就會和相鄰的硅原子共用這些電子，這樣每個硅原子最外層就湊齊了8個電子。完美！

硅晶體共價鍵（圖片來源：作者自制）

2、雜質(zhì)半導體的結(jié)構(gòu)

如果我們給本征半導體摻雜一些雜質(zhì)，情況會有什么不同呢？比如把其中一個硅原子換成磷原子，磷原子有15個電子，排布是2-8-5，最外層有5個電子，和相鄰的硅原子湊齊8個電子之后，還多出來一個電子。這樣每摻一個磷原子，就會有一個無處安放的電子，摻多了就會形成一支“單身電子大軍”。我們稱這樣的半導體為N型半導體，N（Negative）表示電子帶負電。

N型半導體（圖片來源：作者自制）

相反，我們?nèi)绻麚饺肱鹪?，它?個電子，最外層有3個。硼原子和周圍的硅原子湊，也只能湊出7個電子。這7個電子還差一個電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此這里產(chǎn)生了一個“空穴”。我們稱之為P型半導體，P（Positive）表示空穴可以等效成帶正電的微粒。

P型半導體（圖片來源：作者自制）

3、半導體為什么會導電？

按照前面的說法，雜質(zhì)半導體有自由移動的電荷，自然可以導電。那本征半導體導電的自由電荷是哪來的呢？

其實在理想情況（即絕對零度）下，本征半導體確實不能導電，所有的價電子都被束縛在了共價鍵上。但是一般半導體的應用都是在室溫下進行的，這時候由于熱運動，半導體會本征激發(fā)出一對空穴電子。

本征激發(fā)（圖片來源：作者自制）

在兩種雜質(zhì)半導體中，當然也有本征激發(fā)。也就是說在N型半導體中，也有空穴的存在，但是數(shù)量少于自由電子，這兩種載流子中，數(shù)量多的我們叫它多子，少的叫做少子。在P型半導體中則相反。

N型與P型半導體的結(jié)合：“自帶電場”的PN結(jié)

如果我們把兩種雜質(zhì)半導體連接起來，會發(fā)生什么呢？

N型半導體的電子多空穴少，P型半導體的空穴多電子少。這有點像兩種不同溶液之間的混合，這邊多數(shù)的電子會想跑到另一邊，那邊多數(shù)的空穴想跑到這邊，這種行為叫做多子的擴散，但是這個擴散一開始就出現(xiàn)問題了。不知道大家玩過“貼樹皮”的游戲沒有，兩人需要在規(guī)定時間內(nèi)“貼”在一起，時間一到，沒貼起來的人要被淘汰。

電子空穴也一樣，它們不可能舍近求遠，因此常常兩種雜質(zhì)半導體連接處的多子就直接“貼”了起來。要記得我們的兩個半導體都摻雜了原子進去，整體是電中性的，我們只是畫出了導帶上的自由電子和空穴，下面還有原子核和內(nèi)層電子呢?，F(xiàn)在電子跑了，或者空穴被填充了，那這兩塊地方就會顯示出電性。失去電子的N型半導體顯正電性，失去空穴的P型半導體顯負電性，這個結(jié)構(gòu)就叫做PN結(jié)。

是不是聽起來有點暈？下面這張示意圖可以幫助大家直觀地了解PN結(jié)的形成過程。

PN結(jié) (圖片來源：維基百科)

PN結(jié)形成后，其兩端顯不同的電性，進而形成一個從N指向P的電場。這個電場是自發(fā)形成的，我們可以叫它自建電場。這時候我們來看看少子的情況，少子和多子的電性是相反的，既然自建電場阻礙了多子的擴散，反而就促進少子運動到對面去了，這個過程叫少子的漂移。多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡的時候，這時候PN結(jié)就穩(wěn)定形成了。

經(jīng)過層層鋪墊，我們知道了硅為何會被稱為半導體，以及為何兩種半導體拼接可以得到一個自帶電場的結(jié)構(gòu)——PN結(jié)。鋪墊結(jié)束，該輪到光伏效應出場了！

最后的關(guān)鍵一步：把光打到PN結(jié)上

把太陽光打到PN結(jié)上，會發(fā)生什么呢？沒錯，是光伏效應。光伏效應的作用就是讓那些已經(jīng)成對的價帶電子再次受到“誘惑”，并再次形成電子空穴對。實質(zhì)就是我們前面講的價帶電子吸收了光的能量，能量變高，躍遷到了導帶上。

光伏效應（圖片來源：作者自制）

這些電子空穴受到自建電場的影響被扔到兩邊去，形成一個從P指向N的電場，這就是光生電場，方向與自建電場相反。此時外接一個回路，由于電勢差的存在，回路中就產(chǎn)生了電流！至此，我們借由光伏效應和半導體把光能轉(zhuǎn)化成電能的工作就大功告成了。

光伏電池內(nèi)部（圖片來源：作者自制）

光伏電池經(jīng)過了近百年的發(fā)展，本文例舉的這種無機半導體光伏電池是其中最為成熟的一類。除此之外，還有基于有機半導體材料的一些光伏電池，例如染料敏化太陽電池、一部分鈣鈦礦太陽能電池等。不管有機還是無機，這些光伏電池的基本原理都離不開我們介紹的各種半導體相關(guān)理論。

基于這些理論和材料的光伏電池雖然仍未到達它們的極限，但是總體的理論轉(zhuǎn)換效率也不過30%，真實的轉(zhuǎn)換效率也很難達到理論值。現(xiàn)在已經(jīng)有研究人員開始探索基于新工作原理的光伏電池，例如載流子太陽電池、雜質(zhì)光伏電池等等，他們希望能把光電轉(zhuǎn)換效率提高到60%，甚至更高。對于仍然處于初級階段的光伏產(chǎn)業(yè)，我們始終抱有巨大的信心，它可能是未來人類解決能源問題的重要選項。

參考文獻：

[1] 黃海賓等. 光伏物理與太陽電池技術(shù)[M]. 北京：科學出版社, 2019