薄膜太阳能电池背后的化学

太阳能电池，也称为光伏 (PV)，是一类可将来自太阳射线的光子转化为电能的可再生能源设备。太阳能电池有多种形式，最常见的类型由无机材料组成。但是，技术的新发展已经产生了范围广泛的薄膜太阳能电池。值得注意的发展范围从使用油墨印刷的太阳能电池到由有机材料制成的柔性太阳能电池、使用量子点的太阳能电池和染料敏化太阳能电池 (DSSC)。在这里，我们看看现在可以制造的不同类型的薄膜太阳能电池，以及这些发展背后的化学原理。

有机太阳能电池

有机太阳能电池是第二大类太阳能电池。这些有机太阳能电池通常使用聚合物材料——但也可以使用其他有机材料——将光子转化为电能。有机太阳能电池的生产成本要低得多，而且比无机太阳能电池更灵活，但它们的转换效率要低得多。与无机太阳能电池不同，有机分子可以进行溶液处理，设计工程师可以使用这些配方来制造比无机太阳能电池更薄的设备。

聚合物的化学组成对于产生电流至关重要。可以应用化学方法来改变聚合物的带隙，从而实现电子可调性。尽管有机太阳能电池的转换效率不如无机材料高，但有机材料具有非常高的光吸收系数，这就是为什么设计工程师可以制造更薄的设备而不会失去发电能力的原因。该化学还允许将聚合物加工成可以印刷的配方（可印刷太阳能电池），并使有机太阳能电池变得透明，之后它们可以用于窗户和建筑物的其他区域。

许多人可能认为工作机制与无机太阳能电池大致相同。然而，化学和内部结构根本不同。在无机太阳能电池中，掺杂剂用于改变无机材料的化学结构，从而产生电子和空穴，然后由耗尽区分离，其中一些空穴和电子已经重新结合，导致分离剩余费用。这些分离的载流子在光子吸收下迁移到耗尽区的另一侧，导致电流流动。

然而，有机太阳能电池不同。有机太阳能电池使用特定的供体和受体材料来产生电子和空穴，而不是掺杂材料。有机分子吸收光子，产生激子——电子及其相应的空穴。光吸收还导致激子内的电子被激发，于是它们从价带移动到导带。然后激子移动到供体和受体材料之间的界面，在那里它分离成电子和空穴。这种电荷分离导致电流流动，因为电子和空穴流向电极。

染料敏化太阳能电池 (DSSC)

染料敏化太阳能电池 (DSSC) 是另一类新兴的薄膜太阳能电池，同样具有完全不同的在太阳辐射下产生电流的机制。它是一类半透明、半柔性的薄膜太阳能电池。

在 DSSC 中，一切都与阳极有关。DSSC 中的阳极涂有半导体薄膜，然后是二氧化钛层。然后用与二氧化钛层结合的光敏染料（通常是钌络合物）进行浸泡。阴极只是一块涂有铂膜的玻璃板，起到催化剂的作用。两个电极之间是电解质溶液。

顾名思义，位于阳极中的染料是电流产生机制的关键。当光线照射在 DSSC 上时，染料会被激发，导致其电子从基态转变为激发态。这种更高的能量使染料能够克服半导体的带隙，于是它被氧化，一个电子被释放到半导体的导带中。这导致半导体变得导电，并产生电流。电池的电子平衡取决于向染料提供电子的电解质分子，其中染料转变回非激发电子基态。电解质通过阴极处的还原反应再生到其正常电子状态。

量子点太阳能电池

量子点太阳能电池不像其他薄膜太阳能电池那样得到广泛开发，但人们对它们的兴趣正在增长。量子点是 0D 材料（电子在所有三个方向上都被量子限制），其尺寸只有几纳米。量子点的大小和量子特性意味着它们具有独特的光吸收和发射特性。使用量子点的关键原因之一是它们的可调带隙。由于它们本质上是半导体，因此它们的工作方式与传统无机半导体类似，但由于每个量子点的尺寸较小，它们本质上充当多结太阳能电池。

可调带隙意味着它们也可以被调谐以吸收电磁波谱中许多不同波长的辐射。就目前而言，它们的效率远低于其他太阳能电池；然而，这些设备有很大的潜力。量子点是太阳能电池中使用的唯一一种材料，可以为吸收的每个光子释放一个以上的电子。所有其他材料都具有 1:1 的比例，因此量子点可以通过为每个吸收的光子释放更多电子来显着提高转换效率。

结论

尽管无机太阳能电池仍然是最常见的，但也有许多不同类型的太阳能电池。许多其他太阳能电池的效率不高，但它们在效率上的不足可以通过其他特性来弥补。使用非无机材料的一个关键驱动因素是它们可以做得更薄、更柔韧、光学透明，并且在某些情况下还可以印刷。使用其他材料的能力使太阳能电池能够在传统无机太阳能电池无法覆盖的建筑物的某些部分（例如窗户或弯曲的建筑）上实现。这极大地扩展了太阳能电池作为一类可再生能源设备的能力，并使它们更加通用。而且，与许多事情一样，所用材料的化学性质使这成为可能。

审核编辑黄昊宇