太阳能电池|把“硅”变成“太阳能电池”,究竟用了什么魔法?( 四 )


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 。

太阳能电池|把“硅”变成“太阳能电池”,究竟用了什么魔法?
△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 。

太阳能电池|把“硅”变成“太阳能电池”,究竟用了什么魔法?
△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

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