出品:科普中國
製作:張俊達
監製:中國科學院計算機網路資訊中心
可再生能源,是指在一定範圍內可以重複利用的能源。換句話說,只要地球和太陽不毀滅,像風能、地熱能、太陽能這些可再生能源,都是取之不盡用之不竭的。拿太陽能來說,地球吸收的太陽能就有173000太瓦,這個數字是地球上人類使用能源總和的一萬倍。
我們不禁會想,有一天人類社會能不能完全依賴太陽能執行下去?
其實,人們很早就盯上了太陽能,並嘗試將其轉化成可直接使用的電能。最笨的方法就是用太陽光提供熱來燒開水,然後用開水的蒸汽來發電。但是每次能量的轉化必然伴隨著消耗,燒開水方法的效率不高。因此人們陷入了沉思:怎樣把太陽能直接變成電能呢?
第一次將這個想法變成現實的人叫埃德蒙·貝克勒爾。
1839年的某一天,研究磷光的埃德蒙發現了不得了的東西,他把氯化銀放在酸溶液裡,再接兩個鉑電極,然後拿到太陽下去曬,結果在兩個電極中間發現了電壓!
當時人們還不知道該現象的原理,只知道光照可以產生電勢,於是把這種現象叫做光生伏特效應,簡稱光伏效應。現在的太陽能電池基本都是利用了光伏效應,所以太陽能電池也叫太陽能光伏電池。
目前應用最廣泛的光伏電池主要是用矽等半導體材料來製作的,那麼人們是怎麼利用半導體和光伏效應來製作出太陽能電池的呢?
一切的基礎:原子能帶結構
簡單來說,能帶是指我們根據電子的能量多少,給它劃分到的不同區域。我們都知道,原子核帶正電,它會吸引帶負電的電子,而且離原子核越近的電子被束縛得越強。現在我們把原子拆分開,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活動區域:一是離原子核比較近的區域,這裡的電子都被緊緊吸住,我們稱之為價帶。二是遠離原子核的區域,這裡的電子不受監管,比較自由,如果有外加電場讓這些電子跑起來,那材料就導電了,我們稱這個區域為導帶。
除了這兩個區域,在價帶上面、導帶下面還有一個區域,是不允許電子存在的,我們稱之為禁帶。
基本的原子能帶結構就是這樣了,但是還有些細節我們需要注意一下:首先,能帶還可以細分為不同的能級,而由於泡利不相容原理,每個能級只能容納兩個電子。其次,大部分原子的電子沒那麼多,甚至價帶上還沒住滿,導帶上是沒有電子的。再者,價帶上的電子並不老實,它可能會“出軌”,也就是越過禁帶,衝到導帶上,當然這個過程我們叫它躍遷,躍遷是要吸收能量的。
考慮到這三個細節,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,或者乾脆沒有禁帶,在室溫下它的價帶外層電子可以輕易躍遷到導帶上,這就是導體。相反如果材料的禁帶很寬,一般大於三電子伏特(3eV),在室溫下電子老老實實地待在價帶上,那它就不能導電,這就是絕緣體。
“善變”的半導體
那有沒有價帶和導帶之間的能隙小於3eV的材料呢?有,那就是半導體,通常意義上就是指導電能力介於導體和絕緣體之間的物質。
但半導體的價值並不是表現在它的導電能力上,而是它“左右橫跳”的導電性。半導體的導電效能很容易受到外界因素的影響而改變,後面我們就會看到光伏效應如何改變半導體的導電性。接下來我們將以矽原子為例,一起探索半導體內部的奧秘。
1、本徵半導體的結構
像純矽、純鍺這類不加任何雜質的半導體,我們稱之為本徵半導體。來看看矽原子,它有14個電子,電子排布是2-8-4,最外層有4個電子。元素的性質主要是由最外層電子決定的,那矽的最外層電子就有這樣的趨勢:要麼再找四個電子湊四對,要麼把四個電子都扔了。
在矽晶體中,每個矽原子的上下左右都相鄰一個矽原子,正好矽最外層有四個電子,它就會和相鄰的矽原子共用這些電子,這樣每個矽原子最外層就湊齊了8個電子。完美!
2、雜質半導體的結構
如果我們給本徵半導體摻雜一些雜質,情況會有什麼不同呢?比如把其中一個矽原子換成磷原子,磷原子有15個電子,排布是2-8-5,最外層有5個電子,和相鄰的矽原子湊齊8個電子之後,還多出來一個電子。這樣每摻一個磷原子,就會有一個無處安放的電子,摻多了就會形成一支“單身電子大軍”。我們稱這樣的半導體為N型半導體,N(Negative)表示電子帶負電。
相反,我們如果摻入硼原子,它有5個電子,最外層有3個。硼原子和周圍的矽原子湊,也只能湊出7個電子。這7個電子還差一個電子形成穩定結構,因此這裡產生了一個“空穴”。我們稱之為P型半導體,P(Positive)表示空穴可以等效成帶正電的微粒。
3、半導體為什麼會導電?
按照前面的說法,雜質半導體有自由移動的電荷,自然可以導電。那本徵半導體導電的自由電荷是哪來的呢?
其實在理想情況(即絕對零度)下,本徵半導體確實不能導電,所有的價電子都被束縛在了共價鍵上。但是一般半導體的應用都是在室溫下進行的,這時候由於熱運動,半導體會本徵激發出一對空穴電子。
在兩種雜質半導體中,當然也有本徵激發。也就是說在N型半導體中,也有空穴的存在,但是數量少於自由電子,這兩種載流子中,數量多的我們叫它多子,少的叫做少子。在P型半導體中則相反。
N型與P型半導體的結合:“自帶電場”的PN接面
如果我們把兩種雜質半導體連線起來,會發生什麼呢?
N型半導體的電子多空穴少,P型半導體的空穴多電子少。這有點像兩種不同溶液之間的混合,這邊多數的電子會想跑到另一邊,那邊多數的空穴想跑到這邊,這種行為叫做多子的擴散,但是這個擴散一開始就出現問題了。不知道大家玩過“貼樹皮”的遊戲沒有,兩人需要在規定時間內“貼”在一起,時間一到,沒貼起來的人要被淘汰。
電子空穴也一樣,它們不可能捨近求遠,因此常常兩種雜質半導體連線處的多子就直接“貼”了起來。要記得我們的兩個半導體都摻雜了原子進去,整體是電中性的,我們只是畫出了導帶上的自由電子和空穴,下面還有原子核和內層電子呢。現在電子跑了,或者空穴被填充了,那這兩塊地方就會顯示出電性。失去電子的N型半導體顯正電性,失去空穴的P型半導體顯負電性,這個結構就叫做PN接面。
是不是聽起來有點暈?下面這張示意圖可以幫助大家直觀地瞭解PN接面的形成過程。
PN接面形成後,其兩端顯不同的電性,進而形成一個從N指向P的電場。這個電場是自發形成的,我們可以叫它自建電場。這時候我們來看看少子的情況,少子和多子的電性是相反的,既然自建電場阻礙了多子的擴散,反而就促進少子運動到對面去了,這個過程叫少子的漂移。多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡的時候,這時候PN接面就穩定形成了。
經過層層鋪墊,我們知道了矽為何會被稱為半導體,以及為何兩種半導體拼接可以得到一個自帶電場的結構——PN接面。鋪墊結束,該輪到光伏效應出場了!
最後的關鍵一步:把光打到PN接面上
把太陽光打到PN接面上,會發生什麼呢?沒錯,是光伏效應。光伏效應的作用就是讓那些已經成對的價帶電子再次受到“誘惑”,並再次形成電子空穴對。實質就是我們前面講的價帶電子吸收了光的能量,能量變高,躍遷到了導帶上。
這些電子空穴受到自建電場的影響被扔到兩邊去,形成一個從P指向N的電場,這就是光生電場,方向與自建電場相反。此時外接一個迴路,由於電勢差的存在,迴路中就產生了電流!至此,我們藉由光伏效應和半導體把光能轉化成電能的工作就大功告成了。
光伏電池內部(圖片來源:作者自制)
光伏電池經過了近百年的發展,本文例舉的這種無機半導體光伏電池是其中最為成熟的一類。除此之外,還有基於有機半導體材料的一些光伏電池,例如染料敏化太陽電池、一部分鈣鈦礦太陽能電池等。不管有機還是無機,這些光伏電池的基本原理都離不開我們介紹的各種半導體相關理論。
基於這些理論和材料的光伏電池雖然仍未到達它們的極限,但是總體的理論轉換效率也不過30%,真實的轉換效率也很難達到理論值。現在已經有研究人員開始探索基於新工作原理的光伏電池,例如載流子太陽電池、雜質光伏電池等等,他們希望能把光電轉換效率提高到60%,甚至更高。對於仍然處於初級階段的光伏產業,我們始終抱有巨大的信心,它可能是未來人類解決能源問題的重要選項。
參考文獻:
[1] 黃海賓等. 光伏物理與太陽電池技術[M]. 北京:科學出版社, 2019