太陽能電池，也稱為光伏 (PV)，是一類快速發(fā)展的可再生能源設備，可將太陽射線（光子）轉化為電能。太陽能電池有多種形式，尤其是涉及將陽光轉化為電能的活性材料時。最傳統(tǒng)的太陽能電池依靠無機材料作為活性材料，而最新的太陽能電池使用從有機材料到印刷油墨的一切材料。在這里，我們專注于傳統(tǒng)的無機太陽能電池，因為即使較新的類別帶來不同的好處（可印刷、柔性），無機太陽能電池仍然是當今使用最廣泛和最高效的太陽能電池。

太陽能電池依賴于光電效應的原理，即當材料暴露于光時表現出產生電壓和電流的化學和物理現象。無機太陽能電池傳統(tǒng)上使用硅，將其摻雜以形成半導體結。在許多情況下，設計人員在結的兩側都使用硅，其中一側摻雜一個比硅少一個電子的原子（p 型），另一側摻雜一個比硅多一個電子的原子（ n型）。在大多數情況下，硅摻雜有硼或鎵和磷，以分別產生 p 型和 n 型半導體區(qū)域。近年來，已經從使用硅轉向使用各種納米材料，因為納米材料通常會產生更高的器件效率。

無論使用何種材料——無論是兩種不同摻雜的硅材料還是納米材料——都會形成一個半導體結，其中兩個區(qū)域包含被耗盡區(qū)隔開的空穴和電子。電子和空穴在半導體結中的形成和排列方式很大程度上取決于材料的化學性質和化學摻雜水平。當硅被摻雜成為p型區(qū)時，摻雜的原子只能形成三個共價化學鍵，而硅只有四個。這留下了化學鍵應該存在的空間。這種缺乏鍵的現象被稱為空穴，它帶正電。另一方面，當硅摻雜原子形成n型區(qū)域時，額外的電子留在晶格中，因為硅采用的晶格幾何結構只能容納四個鍵（許多納米材料也是如此，因為通常使用的是碳納米材料，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。這個界面區(qū)域是一些電子和空穴聚集在一起的區(qū)域，導致其他帶正電和帶負電的載流子被這個“中性區(qū)”分開。除了作為一個中性區(qū)，它還會產生一個內部電場，阻止兩個區(qū)域中的所有空穴和電子結合。

雖然電荷載流子最初是分開的，但當陽光照射到太陽能電池上時，這種情況會發(fā)生變化。光子具有能量，當光子撞擊太陽能電池時，該能量會轉移到耗盡區(qū)兩側的空穴和電子中。這種額外的能量還使自由載流子能夠移動到耗盡區(qū)。發(fā)生這種情況時，耗盡區(qū)的寬度會減小。最終，內部電場無法抵消電荷載流子的高能運動，電子移動到結的另一側，在那里它們與空穴重新結合。這會產生恒定電流。一旦載流子開始復合，耗盡區(qū)再次增加，但只要有能量輸入（即太陽能電池上的光），它就永遠不會回到靜止狀態(tài)。所以，只要有陽光，就會有源源不斷的電流流過，可以收集和儲存。一旦陽光不再存在，耗盡區(qū)將恢復到原來的厚度，并且設備基本上被重置，直到更多的陽光照射到電池上。

結論

無機太陽能電池依靠化學、化學原理和化學反應的作用，通過半導體pn結將太陽光高效地轉化為電能。兩個區(qū)域的摻雜，無論是硅還是其他無機材料，都會產生一個區(qū)域，使帶相反電荷的粒子能夠結合并在太陽輻射下產生電流。無機電池的效率比其他類型的太陽能電池高得多，但所使用的材料本質上是高度結晶的，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能電池靈活。然而，它們仍然是最常見的類型，在柔性和可印刷太陽能電池達到相似的效率水平之前，無機太陽能電池很可能會在未來多年內成為領跑者。

審核編輯黃昊宇