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把“硅”变成“太阳能电池”,原形用了什么魔法?

  • 作者:admin    最后更新:2021-12-02 04:31    点击数:
  • 出品:科普中国

    制作:张俊达

    监制:中国科学院计算机网络新闻中心

    可新生能源,是指在肯定周围内能够重复行使的能源。换句话说,只要地球和太阳不熄灭,像风能、地炎能、太阳能这些可新生能源,都是取之不尽用之不息的。拿太阳能来说,地球接收的太阳能就有 173000 太瓦,这个数字是地球上人类操纵能源总和的一万倍。

    吾们不禁会想,有镇日人类社会能不克十足倚赖太阳能运走下往?

    其实,人们很早就盯上了太阳能,并尝试将其转化成可直接操纵的电能。最笨的手段就是用太阳光挑供炎来烧炎水,然后用炎水的蒸汽来发电。但是每次能量的转化必然陪同着消耗,烧炎水手段的效果不高。因此人们陷入了沉思:怎样把太阳能直接变成电能呢?

    第一次将这个思想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:维基百科 )

    1839 年的某镇日,钻研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,然后拿到太阳下往晒,效果在两个电极中心发现了电压!

    那时人们还不清新该表象的原理,只清新光照能够产生电势,于是把这栽表象叫做光生伏特效答,简称光伏效答。现在的太阳能电池基本都是行使了光伏效答,因而太阳能电池也叫太阳能光伏电池。

    现在行使最普及的光伏电池主要是用硅等半导体原料来制作的,那么人们是怎么行使半导体和光伏效答来制作出太阳能电池的呢?

    一致的基础:原子能带组织

    浅易来说,能带是指吾们根据电子的能量众少,给它划分到的差别区域。吾们都清新,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奴役得越强。现在吾们把原子拆睁开,原子核沉到下面,电子放在上面。

    云云的话,吾们能够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,吾们称之为价带。二是远隔原子核的区域,这里的电子不受监管,比较解放,倘若有外添电场让这些电子跑首来,那原料就导电了,吾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,是不批准电子存在的,吾们称之为禁带。

    原子的能带组织(图片来源:作者自制)

    基本的原子能带组织就是云云了,但是还有些细节吾们必要仔细一下:最先,能带还能够细分为差别的能级,而原由泡利不相容原理,每个能级只能原谅两个电子。其次,大片面原子的电子没那么众,甚至价带上还没住满,导带上是异国电子的。再者,价带上的电子并不忠实,它能够会 " 出轨 ",也就是越过禁带,冲到导带上,自然这个过程吾们叫它跃迁,跃迁是要接收能量的。

    考虑到这三个细节,能够有些读者就猜到了,自炎界存在着两栽截然差别的原料:一栽禁带很窄,或者干脆异国禁带,在室温下它的价带外层电子能够容易跃迁到导带上,这就是导体。相逆倘若原料的禁带很宽,清淡大于三电子伏特(3eV),在室温下电子老忠实实地待在价带上,那它就不克导电,这就是绝缘体。

    差别固体的能带组织 ( 图片来源:维基百科 )

    " 善变 " 的半导体

    那有异国价带和导带之间的能隙幼于 3eV 的原料呢?有,那就是半导体 , 清淡意义上就是请示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外现在它的导电能力上,而是它 " 旁边横跳 " 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转折,后面吾们就会望到光伏效答如何转折半导体的导电性。接下来吾们将以硅原子为例,一首追求半导体内部的稀奇。

    1、本征半导体的组织

    像纯硅、纯锗这类不添任何杂质的半导体,吾们称之为本征半导体。来望望硅原子,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云云的趋势: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,每个硅原子的上下旁边都相邻一个硅原子,正益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,云云每个硅原子最外层就凑齐了 8 个电子。完善!

    硅晶体共价键(图片来源:作者自制)

    2、杂质半导体的组织

    倘若吾们给本征半导体掺杂一些杂质,情况会有什么差别呢?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,还众出来一个电子。云云每掺一个磷原子,就会有一个无处布置的电子,掺众了就会形成一支 " 未婚电子大军 "。吾们称云云的半导体为 N 型半导体,N(Negative)外示电子带负电。

    N 型半导体(图片来源:作者自制)

    相逆,吾们倘若掺入硼原子,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安详组织,因此这里产生了一个" 空穴 "。吾们称之为 P 型半导体,P(Positive)外示空穴能够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?

    服以前面的说法,杂质半导体有解放移动的电荷,自然能够导电。那本征半导体导电的解放电荷是哪来的呢?

    其实在理想情况(即绝对零度)下,本征半导体实在不克导电,所有的价电子都被奴役在了共价键上。但是清淡半导体的行使都是在室温下进走的,这时候原由炎行动,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)

    在两栽杂质半导体中,自然也有本征激发。也就是说在 N 型半导体中,也有空穴的存在,但是数目少于解放电子,这两栽载流子中,数目众的吾们叫它众子,少的叫做少子。在 P 型半导体中则相逆。

    N 型与 P 型半导体的结相符:" 自带电场 " 的 PN 结

    倘若吾们把两栽杂质半导体连接首来,会发生什么呢?

    N 型半导体的电子众空穴少,P 型半导体的空穴众电子少。这有点像两栽差别溶液之间的同化,这儿无数的电子会想跑到另一面,那边无数的空穴想跑到这儿,这栽走为叫做众子的扩散,但是这个扩散一路先就展现题目了。不清新行家玩过 " 贴树皮 " 的游玩异国,两人必要在规准时间内 " 贴 " 在一首,时间一到,没贴首来的人要被裁汰。

    电子空穴也相通,它们不能够弃近求远,因此往往两栽杂质半导体连接处的众子就直接 " 贴 " 了首来。要记得吾们的两个半导体都掺杂了原子进往,集体是电中性的,吾们只是画出了导带上的解放电子和空穴,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,那这两块地方就会表现出电性。失踪电子的 N 型半导体显正电性,失失踪穴的 P 型半导体显负电性,这个组织就叫做 PN 结。

    是不是听首来有点晕?下面这张暗示图能够协助行家直不益看地晓畅 PN 结的形成过程。

    PN 结 ( 图片来源:维基百科 )

    PN 结形成后,其两端显差别的电性,进而形成一个从 N 指向 P 的电场。这个电场是自愿形成的,吾们能够叫它自建电场。这时候吾们来望望少子的情况,少子和众子的电性是相逆的,既然自建电场窒碍了众子的扩散,逆而就促进少子行动到迎面往了,这个过程叫少子的漂移。众子的扩散和少子的漂移达到动态均衡的时候,这时候 PN 结就安详形成了。

    通过层层铺垫,吾们清新了硅为何会被称为半导体,以及为何两栽半导体拼接能够得到一个自带电场的组织—— PN 结。铺垫终结,该轮到光伏效答出场了!

    末了的关键一步:把光打到 PN 结上

    把太阳光打到 PN 结上,会发生什么呢?没错,是光伏效答。光伏效答的作用就是让那些已经成对的价带电子再次受到 " 勾引 ",并再次形成电子空穴对。内心就是吾们前线讲的价带电子接收了光的能量,能量变高,跃迁到了导带上。

    光伏效答(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双方往,形成一个从 P 指向 N 的电场,这就是光生电场,倾向与自建电场相逆。此时外接一个回路,原由电势差的存在,回路中就产生了电流!至此,吾们借由光伏效答和半导体把光能转化成电能的做事就大功告成了。

    光伏电池内部(图片来源:作者自制)

    光伏电池通过了近百年的发展,本文例举的这栽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原料的一些光伏电池,例如染料敏化太阳电池、一片面钙钛矿太阳能电池等。不管有机照样无机,这些光伏电池的基本原理都离不开吾们介绍的各栽半导体有关理论。

    基于这些理论和原料的光伏电池固然仍未到达它们的极限,但是总体的理论转换效果也不过 30%,实在的转换效果也很难达到理论值。现在已经有钻研人员最先追求基于新做事原理的光伏电池,例如载流子太阳电池、杂质光伏电池等等,他们期待能把光电转换效果挑高到 60%,甚至更高。对于照样处于初级阶段的光伏产业,吾们首终抱有重大的信念,它能够是异日人类解决能源题目的主要选项。

    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

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