可再生能源，是指在一定范圍內(nèi)可以重復(fù)利用的能源。換句話說(shuō)，只要地球和太陽(yáng)不毀滅，像風(fēng)能、地?zé)崮?、太?yáng)能這些可再生能源，都是取之不盡用之不竭的。拿太陽(yáng)能來(lái)說(shuō)，地球吸收的太陽(yáng)能就有173000太瓦，這個(gè)數(shù)字是地球上人類使用能源總和的一萬(wàn)倍。

　　我們不禁會(huì)想，有一天人類社會(huì)能不能完全依賴太陽(yáng)能運(yùn)行下去？

　　其實(shí)，人們很早就盯上了太陽(yáng)能，并嘗試將其轉(zhuǎn)化成可直接使用的電能。最笨的方法就是用太陽(yáng)光提供熱來(lái)燒開(kāi)水，然后用開(kāi)水的蒸汽來(lái)發(fā)電。但是每次能量的轉(zhuǎn)化必然伴隨著消耗，燒開(kāi)水方法的效率不高。因此人們陷入了沉思：怎樣把太陽(yáng)能直接變成電能呢？

　　第一次將這個(gè)想法變成現(xiàn)實(shí)的人叫埃德蒙 貝克勒爾。

　　

　　埃德蒙 貝克勒爾 (圖片來(lái)源：維基百科)

　　1839年的某一天，研究磷光的埃德蒙發(fā)現(xiàn)了不得了的東西，他把氯化銀放在酸溶液里，再接兩個(gè)鉑電極，然后拿到太陽(yáng)下去曬，結(jié)果在兩個(gè)電極中間發(fā)現(xiàn)了電壓！

　　當(dāng)時(shí)人們還不知道該現(xiàn)象的原理，只知道光照可以產(chǎn)生電勢(shì)，于是把這種現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)。現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池基本都是利用了光伏效應(yīng)，所以太陽(yáng)能電池也叫太陽(yáng)能光伏電池。

　　目前應(yīng)用最廣泛的光伏電池主要是用硅等半導(dǎo)體材料來(lái)制作的，那么人們是怎么利用半導(dǎo)體和光伏效應(yīng)來(lái)制作出太陽(yáng)能電池的呢？

一切的基礎(chǔ)：原子能帶結(jié)構(gòu)

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，能帶是指我們根據(jù)電子的能量多少，給它劃分到的不同區(qū)域。我們都知道，原子核帶正電，它會(huì)吸引帶負(fù)電的電子，而且離原子核越近的電子被束縛得越強(qiáng)。現(xiàn)在我們把原子拆分開(kāi)，原子核沉到下面，電子放在上面。

　　這樣的話，我們可以給電子們劃分兩個(gè)活動(dòng)區(qū)域：一是離原子核比較近的區(qū)域，這里的電子都被緊緊吸住，我們稱之為價(jià)帶。二是遠(yuǎn)離原子核的區(qū)域，這里的電子不受監(jiān)管，比較自由，如果有外加電場(chǎng)讓這些電子跑起來(lái)，那材料就導(dǎo)電了，我們稱這個(gè)區(qū)域?yàn)?b>導(dǎo)帶。

　　除了這兩個(gè)區(qū)域，在價(jià)帶上面、導(dǎo)帶下面還有一個(gè)區(qū)域，是不允許電子存在的，我們稱之為禁帶。

　　

　　原子的能帶結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：作者自制）

　　基本的原子能帶結(jié)構(gòu)就是這樣了，但是還有些細(xì)節(jié)我們需要注意一下：首先，能帶還可以細(xì)分為不同的能級(jí)，而由于泡利不相容原理，每個(gè)能級(jí)只能容納兩個(gè)電子。其次，大部分原子的電子沒(méi)那么多，甚至價(jià)帶上還沒(méi)住滿，導(dǎo)帶上是沒(méi)有電子的。再者，價(jià)帶上的電子并不老實(shí)，它可能會(huì)“出軌”，也就是越過(guò)禁帶，沖到導(dǎo)帶上，當(dāng)然這個(gè)過(guò)程我們叫它躍遷，躍遷是要吸收能量的。

　　考慮到這三個(gè)細(xì)節(jié)，可能有些讀者就猜到了，自熱界存在著兩種截然不同的材料：一種禁帶很窄，或者干脆沒(méi)有禁帶，在室溫下它的價(jià)帶外層電子可以輕易躍遷到導(dǎo)帶上，這就是導(dǎo)體。相反如果材料的禁帶很寬，一般大于三電子伏特（3eV），在室溫下電子老老實(shí)實(shí)地待在價(jià)帶上，那它就不能導(dǎo)電，這就是絕緣體。

　　

　　不同固體的能帶結(jié)構(gòu) (圖片來(lái)源：維基百科)

“善變”的半導(dǎo)體

　　那有沒(méi)有價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙小于3eV的材料呢？有，那就是半導(dǎo)體,通常意義上就是指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。

　　但半導(dǎo)體的價(jià)值并不是表現(xiàn)在它的導(dǎo)電能力上，而是它“左右橫跳”的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能很容易受到外界因素的影響而改變，后面我們就會(huì)看到光伏效應(yīng)如何改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。接下來(lái)我們將以硅原子為例，一起探索半導(dǎo)體內(nèi)部的奧秘。

1、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

　　像純硅、純鍺這類不加任何雜質(zhì)的半導(dǎo)體，我們稱之為本征半導(dǎo)體。來(lái)看看硅原子，它有14個(gè)電子，電子排布是2-8-4，最外層有4個(gè)電子。元素的性質(zhì)主要是由最外層電子決定的，那硅的最外層電子就有這樣的趨勢(shì)：要么再找四個(gè)電子湊四對(duì)，要么把四個(gè)電子都扔了。

　　

　　硅原子（圖片來(lái)源：作者自制）

　　在硅晶體中，每個(gè)硅原子的上下左右都相鄰一個(gè)硅原子，正好硅最外層有四個(gè)電子，它就會(huì)和相鄰的硅原子共用這些電子，這樣每個(gè)硅原子最外層就湊齊了8個(gè)電子。完美！

　　

　　硅晶體共價(jià)鍵（圖片來(lái)源：作者自制）

2、雜質(zhì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

　　如果我們給本征半導(dǎo)體摻雜一些雜質(zhì)，情況會(huì)有什么不同呢？比如把其中一個(gè)硅原子換成磷原子，磷原子有15個(gè)電子，排布是2-8-5，最外層有5個(gè)電子，和相鄰的硅原子湊齊8個(gè)電子之后，還多出來(lái)一個(gè)電子。這樣每摻一個(gè)磷原子，就會(huì)有一個(gè)無(wú)處安放的電子，摻多了就會(huì)形成一支“單身電子大軍”。我們稱這樣的半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體，N（Negative）表示電子帶負(fù)電。

　　

　　N型半導(dǎo)體（圖片來(lái)源：作者自制）

　　相反，我們?nèi)绻麚饺肱鹪?，它?span lang="en-US">5個(gè)電子，最外層有3個(gè)。硼原子和周圍的硅原子湊，也只能湊出7個(gè)電子。這7個(gè)電子還差一個(gè)電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此這里產(chǎn)生了一個(gè)“空穴”。我們稱之為P型半導(dǎo)體，P（Positive）表示空穴可以等效成帶正電的微粒。

　　

　　P型半導(dǎo)體（圖片來(lái)源：作者自制）

3、半導(dǎo)體為什么會(huì)導(dǎo)電？

　　按照前面的說(shuō)法，雜質(zhì)半導(dǎo)體有自由移動(dòng)的電荷，自然可以導(dǎo)電。那本征半導(dǎo)體導(dǎo)電的自由電荷是哪來(lái)的呢？

　　其實(shí)在理想情況（即絕對(duì)零度）下，本征半導(dǎo)體確實(shí)不能導(dǎo)電，所有的價(jià)電子都被束縛在了共價(jià)鍵上。但是一般半導(dǎo)體的應(yīng)用都是在室溫下進(jìn)行的，這時(shí)候由于熱運(yùn)動(dòng)，半導(dǎo)體會(huì)本征激發(fā)出一對(duì)空穴電子。

　　

　　本征激發(fā)（圖片來(lái)源：作者自制）

　　在兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，當(dāng)然也有本征激發(fā)。也就是說(shuō)在N型半導(dǎo)體中，也有空穴的存在，但是數(shù)量少于自由電子，這兩種載流子中，數(shù)量多的我們叫它多子，少的叫做少子。在P型半導(dǎo)體中則相反。

N型與P型半導(dǎo)體的結(jié)合：“自帶電場(chǎng)”的PN結(jié)

　　如果我們把兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體連接起來(lái)，會(huì)發(fā)生什么呢？

　　N型半導(dǎo)體的電子多空穴少，P型半導(dǎo)體的空穴多電子少。這有點(diǎn)像兩種不同溶液之間的混合，這邊多數(shù)的電子會(huì)想跑到另一邊，那邊多數(shù)的空穴想跑到這邊，這種行為叫做多子的擴(kuò)散，但是這個(gè)擴(kuò)散一開(kāi)始就出現(xiàn)問(wèn)題了。不知道大家玩過(guò)“貼樹(shù)皮”的游戲沒(méi)有，兩人需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)“貼”在一起，時(shí)間一到，沒(méi)貼起來(lái)的人要被淘汰。

　　電子空穴也一樣，它們不可能舍近求遠(yuǎn)，因此常常兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體連接處的多子就直接“貼”了起來(lái)。要記得我們的兩個(gè)半導(dǎo)體都摻雜了原子進(jìn)去，整體是電中性的，我們只是畫(huà)出了導(dǎo)帶上的自由電子和空穴，下面還有原子核和內(nèi)層電子呢。現(xiàn)在電子跑了，或者空穴被填充了，那這兩塊地方就會(huì)顯示出電性。失去電子的N型半導(dǎo)體顯正電性，失去空穴的P型半導(dǎo)體顯負(fù)電性，這個(gè)結(jié)構(gòu)就叫做PN結(jié)。

　　是不是聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)暈？下面這張示意圖可以幫助大家直觀地了解PN結(jié)的形成過(guò)程。

　　

　　PN結(jié) (圖片來(lái)源：維基百科)

　　PN結(jié)形成后，其兩端顯不同的電性，進(jìn)而形成一個(gè)從N指向P的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)是自發(fā)形成的，我們可以叫它自建電場(chǎng)。這時(shí)候我們來(lái)看看少子的情況，少子和多子的電性是相反的，既然自建電場(chǎng)阻礙了多子的擴(kuò)散，反而就促進(jìn)少子運(yùn)動(dòng)到對(duì)面去了，這個(gè)過(guò)程叫少子的漂移。多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)候，這時(shí)候PN結(jié)就穩(wěn)定形成了。

　　經(jīng)過(guò)層層鋪墊，我們知道了硅為何會(huì)被稱為半導(dǎo)體，以及為何兩種半導(dǎo)體拼接可以得到一個(gè)自帶電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)——PN結(jié)。鋪墊結(jié)束，該輪到光伏效應(yīng)出場(chǎng)了！

最后的關(guān)鍵一步：把光打到PN結(jié)上

　　把太陽(yáng)光打到PN結(jié)上，會(huì)發(fā)生什么呢？沒(méi)錯(cuò)，是光伏效應(yīng)。光伏效應(yīng)的作用就是讓那些已經(jīng)成對(duì)的價(jià)帶電子再次受到“誘惑”，并再次形成電子空穴對(duì)。實(shí)質(zhì)就是我們前面講的價(jià)帶電子吸收了光的能量，能量變高，躍遷到了導(dǎo)帶上。

　　

　　光伏效應(yīng)（圖片來(lái)源：作者自制）

　　這些電子空穴受到自建電場(chǎng)的影響被扔到兩邊去，形成一個(gè)從P指向N的電場(chǎng)，這就是光生電場(chǎng)，方向與自建電場(chǎng)相反。此時(shí)外接一個(gè)回路，由于電勢(shì)差的存在，回路中就產(chǎn)生了電流！至此，我們借由光伏效應(yīng)和半導(dǎo)體把光能轉(zhuǎn)化成電能的工作就大功告成了。

　　

　　光伏電池內(nèi)部（圖片來(lái)源：作者自制）

　　光伏電池經(jīng)過(guò)了近百年的發(fā)展，本文例舉的這種無(wú)機(jī)半導(dǎo)體光伏電池是其中最為成熟的一類。除此之外，還有基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的一些光伏電池，例如染料敏化太陽(yáng)電池、一部分鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等。不管有機(jī)還是無(wú)機(jī)，這些光伏電池的基本原理都離不開(kāi)我們介紹的各種半導(dǎo)體相關(guān)理論。

　　基于這些理論和材料的光伏電池雖然仍未到達(dá)它們的極限，但是總體的理論轉(zhuǎn)換效率也不過(guò)30%，真實(shí)的轉(zhuǎn)換效率也很難達(dá)到理論值?，F(xiàn)在已經(jīng)有研究人員開(kāi)始探索基于新工作原理的光伏電池，例如載流子太陽(yáng)電池、雜質(zhì)光伏電池等等，他們希望能把光電轉(zhuǎn)換效率提高到60%，甚至更高。對(duì)于仍然處于初級(jí)階段的光伏產(chǎn)業(yè)，我們始終抱有巨大的信心，它可能是未來(lái)人類解決能源問(wèn)題的重要選項(xiàng)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 黃海賓等. 光伏物理與太陽(yáng)電池技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2019