把“硅”变成“太阳能电池”,究竟用了什么魔法?
发布时间:2021-11-11
出品:科普中国
制作:张俊达
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  可再生能源,是指在一定范围内可以重复利用的能源。换句话说,只要地球和太阳不毁灭,像风能、地热能、太阳能这些可再生能源,都是取之不尽用之不竭的。拿太阳能来说,地球吸收的太阳能就有173000太瓦,这个数字是地球上人类使用能源总和的一万倍。

  我们不禁会想,有一天人类社会能不能完全依赖太阳能运行下去?

  其实,人们很早就盯上了太阳能,并尝试将其转化成可直接使用的电能。最笨的方法就是用太阳光提供热来烧开水,然后用开水的蒸汽来发电。但是每次能量的转化必然伴随着消耗,烧开水方法的效率不高。因此人们陷入了沉思:怎样把太阳能直接变成电能呢?

  第一次将这个想法变成现实的人叫埃德蒙·贝克勒尔。

  

  埃德蒙·贝克勒尔 (图片来源:维基百)

  1839年的某一天,研究磷光的埃德蒙发现了不得了的东西,他把氯化银放在酸溶液里,再接两个铂电极,然后拿到太阳下去晒,结果在两个电极中间发现了电压!

  当时人们还不知道该现象的原理,只知道光照可以产生电势,于是把这种现象叫做光生伏特效应,简称光伏效应。现在的太阳能电池基本都是利用了光伏效应,所以太阳能电池也叫太阳能光伏电池。

  目前应用最广泛的光伏电池主要是用硅等半导体材料来制作的,那么人们是怎么利用半导体和光伏效应来制作出太阳能电池的呢?

一切的基础:原子能带结构

  简单来说,能带是指我们根据电子的能量多少,给它划分到的不同区域。我们都知道,原子核带正电,它会吸引带负电的电子,而且离原子核越近的电子被束缚得越强。现在我们把原子拆分开,原子核沉到下面,电子放在上面。

  这样的话,我们可以给电子们划分两个活动区域:一是离原子核比较近的区域,这里的电子都被紧紧吸住,我们称之为价带。二是远离原子核的区域,这里的电子不受监管,比较自由,如果有外加电场让这些电子跑起来,那材料就导电了,我们称这个区域为导带

  除了这两个区域,在价带上面、导带下面还有一个区域,是不允许电子存在的,我们称之为禁带

  

  原子的能带结构(图片来源:作者自制)

  基本的原子能带结构就是这样了,但是还有些细节我们需要注意一下:首先,能带还可以细分为不同的能级,而由于泡利不相容原理,每个能级只能容纳两个电子。其次,大部分原子的电子没那么多,甚至价带上还没住满,导带上是没有电子的。再者,价带上的电子并不老实,它可能会“出轨”,也就是越过禁带,冲到导带上,当然这个过程我们叫它跃迁,跃迁是要吸收能量的。

  考虑到这三个细节,可能有些读者就猜到了,自热界存在着两种截然不同的材料:一种禁带很窄,或者干脆没有禁带,在室温下它的价带外层电子可以轻易跃迁到导带上,这就是导体。相反如果材料的禁带很宽,一般大于三电子伏特(3eV),在室温下电子老老实实地待在价带上,那它就不能导电,这就是绝缘体

  

  不同固体的能带结构 (图片来源:维基百)

“善变”的半导体

  那有没有价带和导带之间的能隙小于3eV的材料呢?有,那就是半导体,通常意义上就是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。

  但半导体的价值并不是表现在它的导电能力上,而是它“左右横跳”的导电性。半导体的导电性能很容易受到外界因素的影响而改变,后面我们就会看到光伏效应如何改变半导体的导电性。接下来我们将以硅原子为例,一起探索半导体内部的奥秘。

1、本征半导体的结构

  像纯硅、纯锗这类不加任何杂质的半导体,我们称之为本征半导体。来看看硅原子,它有14个电子,电子排布是2-8-4,最外层有4个电子。元素的性质主要是由最外层电子决定的,那硅的最外层电子就有这样的趋势:要么再找四个电子凑四对,要么把四个电子都扔了。

  

  硅原子(图片来源:作者自制)

  在硅晶体中,每个硅原子的上下左右都相邻一个硅原子,正好硅最外层有四个电子,它就会和相邻的硅原子共用这些电子,这样每个硅原子最外层就凑齐了8个电子。完美!

  

  硅晶体共价键(图片来源:作者自制)

2、杂质半导体的结构

  如果我们给本征半导体掺杂一些杂质,情况会有什么不同呢?比如把其中一个硅原子换成磷原子,磷原子有15个电子,排布是2-8-5,最外层有5个电子,和相邻的硅原子凑齐8个电子之后,还多出来一个电子。这样每掺一个磷原子,就会有一个无处安放的电子,掺多了就会形成一支“单身电子大军”。我们称这样的半导体为N型半导体,NNegative)表示电子带负电。

  

  N型半导体(图片来源:作者自制)

  相反,我们如果掺入硼原子,它有5个电子,最外层有3个。硼原子和周围的硅原子凑,也只能凑出7个电子。这7个电子还差一个电子形成稳定结构,因此这里产生了一个“空穴”。我们称之为P型半导体,PPositive)表示空穴可以等效成带正电的微粒。

  

  P型半导体(图片来源:作者自制)

3、半导体为什么会导电?

  按照前面的说法,杂质半导体有自由移动的电荷,自然可以导电。那本征半导体导电的自由电荷是哪来的呢?

  其实在理想情况(即绝对零度)下,本征半导体确实不能导电,所有的价电子都被束缚在了共价键上。但是一般半导体的应用都是在室温下进行的,这时候由于热运动,半导体会本征激发出一对空穴电子。

  

  本征激发(图片来源:作者自制)

  在两种杂质半导体中,当然也有本征激发。也就是说在N型半导体中,也有空穴的存在,但是数量少于自由电子,这两种载流子中,数量多的我们叫它多子,少的叫做少子。在P型半导体中则相反。

N型与P型半导体的结合:“自带电场”的PN

  如果我们把两种杂质半导体连接起来,会发生什么呢?

  N型半导体的电子多空穴少,P型半导体的空穴多电子少。这有点像两种不同溶液之间的混合,这边多数的电子会想跑到另一边,那边多数的空穴想跑到这边,这种行为叫做多子的扩散,但是这个扩散一开始就出现问题了。不知道大家玩过“贴树皮”的游戏没有,两人需要在规定时间内“贴”在一起,时间一到,没贴起来的人要被淘汰。

  电子空穴也一样,它们不可能舍近求远,因此常常两种杂质半导体连接处的多子就直接“贴”了起来。要记得我们的两个半导体都掺杂了原子进去,整体是电中性的,我们只是画出了导带上的自由电子和空穴,下面还有原子核和内层电子呢。现在电子跑了,或者空穴被填充了,那这两块地方就会显示出电性。失去电子的N型半导体显正电性,失去空穴的P型半导体显负电性,这个结构就叫做PN结。

  是不是听起来有点晕?下面这张示意图可以帮助大家直观地了解PN结的形成过程。

  

  PN (图片来源:维基百)

  PN结形成后,其两端显不同的电性,进而形成一个从N指向P的电场。这个电场是自发形成的,我们可以叫它自建电场。这时候我们来看看少子的情况,少子和多子的电性是相反的,既然自建电场阻碍了多子的扩散,反而就促进少子运动到对面去了,这个过程叫少子的漂移。多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡的时候,这时候PN结就稳定形成了。

  经过层层铺垫,我们知道了硅为何会被称为半导体,以及为何两种半导体拼接可以得到一个自带电场的结构——PN结。铺垫结束,该轮到光伏效应出场了!

最后的关键一步:把光打到PN结上

  把太阳光打到PN结上,会发生什么呢?没错,是光伏效应。光伏效应的作用就是让那些已经成对的价带电子再次受到“诱惑”,并再次形成电子空穴对。实质就是我们前面讲的价带电子吸收了光的能量,能量变高,跃迁到了导带上。

  

  光伏效应(图片来源:作者自制)

  这些电子空穴受到自建电场的影响被扔到两边去,形成一个从P指向N的电场,这就是光生电场,方向与自建电场相反。此时外接一个回路,由于电势差的存在,回路中就产生了电流!至此,我们借由光伏效应和半导体把光能转化成电能的工作就大功告成了。

  

  光伏电池内部(图片来源:作者自制)

  光伏电池经过了近百年的发展,本文例举的这种无机半导体光伏电池是其中最为成熟的一类。除此之外,还有基于有机半导体材料的一些光伏电池,例如染料敏化太阳电池、一部分钙钛矿太阳能电池等。不管有机还是无机,这些光伏电池的基本原理都离不开我们介绍的各种半导体相关理论。

  基于这些理论和材料的光伏电池虽然仍未到达它们的极限,但是总体的理论转换效率也不过30%,真实的转换效率也很难达到理论值。现在已经有研究人员开始探索基于新工作原理的光伏电池,例如载流子太阳电池、杂质光伏电池等等,他们希望能把光电转换效率提高到60%,甚至更高。对于仍然处于初级阶段的光伏产业,我们始终抱有巨大的信心,它可能是未来人类解决能源问题的重要选项。

  参考文献:

  [1] 黄海宾等. 光伏物理与太阳电池技术[M]. 北京:科学出版社, 2019

中国科学院科普云平台技术支持,中国科学院计算机网络信息中心运行
文章内容仅为作者观点,不代表中国科普博览网、中国科普博览网运行单位、中国科普博览网主办单位的任何观点或立场。
关闭