无机太阳能电池

太阳能电池，也称为光伏 (PV)，是一类快速发展的可再生能源设备，可将太阳射线（光子）转化为电能。太阳能电池有多种形式，尤其是涉及将阳光转化为电能的活性材料时。最传统的太阳能电池依靠无机材料作为活性材料，而最新的太阳能电池使用从有机材料到印刷油墨的一切材料。在这里，我们专注于传统的无机太阳能电池，因为即使较新的类别带来不同的好处（可印刷、柔性），无机太阳能电池仍然是当今使用最广泛和最高效的太阳能电池。

太阳能电池依赖于光电效应的原理，即当材料暴露于光时表现出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，将其掺杂以形成半导体结。在许多情况下，设计人员在结的两侧都使用硅，其中一侧掺杂一个比硅少一个电子的原子（p 型），另一侧掺杂一个比硅多一个电子的原子（ n型）。在大多数情况下，硅掺杂有硼或镓和磷，以分别产生 p 型和 n 型半导体区域。近年来，已经从使用硅转向使用各种纳米材料，因为纳米材料通常会产生更高的器件效率。

无论使用何种材料——无论是两种不同掺杂的硅材料还是纳米材料——都会形成一个半导体结，其中两个区域包含被耗尽区隔开的空穴和电子。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水平。当硅被掺杂成为p型区时，掺杂的原子只能形成三个共价化学键，而硅只有四个。这留下了化学键应该存在的空间。这种缺乏键的现象被称为空穴，它带正电。另一方面，当硅掺杂原子形成n型区域时，额外的电子留在晶格中，因为硅采用的晶格几何结构只能容纳四个键（许多纳米材料也是如此，因为通常使用的是碳纳米材料，如果材料要稳定）。因此，额外的电子在晶格中变得离域。然后这些掺杂区域分别变得富含空穴和富含电子。

在太阳能电池暴露于任何光线之前，这些电子和空穴被耗尽区隔开，耗尽区是 n 区和 p 区的界面，通常被称为 pn 结。这个界面区域是一些电子和空穴聚集在一起的区域，导致其他带正电和带负电的载流子被这个“中性区”分开。除了作为一个中性区，它还会产生一个内部电场，阻止两个区域中的所有空穴和电子结合。

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，这种情况会发生变化。光子具有能量，当光子撞击太阳能电池时，该能量会转移到耗尽区两侧的空穴和电子中。这种额外的能量还使自由载流子能够移动到耗尽区。发生这种情况时，耗尽区的宽度会减小。最终，内部电场无法抵消电荷载流子的高能运动，电子移动到结的另一侧，在那里它们与空穴重新结合。这会产生恒定电流。一旦载流子开始复合，耗尽区再次增加，但只要有能量输入（即太阳能电池上的光），它就永远不会回到静止状态。所以，只要有阳光，就会有源源不断的电流流过，可以收集和储存。一旦阳光不再存在，耗尽区将恢复到原来的厚度，并且设备基本上被重置，直到更多的阳光照射到电池上。

结论

无机太阳能电池依靠化学、化学原理和化学反应的作用，通过半导体pn结将太阳光高效地转化为电能。两个区域的掺杂，无论是硅还是其他无机材料，都会产生一个区域，使带相反电荷的粒子能够结合并在太阳辐射下产生电流。无机电池的效率比其他类型的太阳能电池高得多，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。因此，这意味着它们通常不如其他类型的太阳能电池灵活。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，无机太阳能电池很可能会在未来多年内成为领跑者。

审核编辑黄昊宇