太陽能電池，也稱為光伏 (PV)，是一類可將來自太陽射線的光子轉(zhuǎn)化為電能的可再生能源設(shè)備。太陽能電池有多種形式，最常見的類型由無機(jī)材料組成。但是，技術(shù)的新發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了范圍廣泛的薄膜太陽能電池。值得注意的發(fā)展范圍從使用油墨印刷的太陽能電池到由有機(jī)材料制成的柔性太陽能電池、使用量子點(diǎn)的太陽能電池和染料敏化太陽能電池 (DSSC)。在這里，我們看看現(xiàn)在可以制造的不同類型的薄膜太陽能電池，以及這些發(fā)展背后的化學(xué)原理。

有機(jī)太陽能電池

有機(jī)太陽能電池是第二大類太陽能電池。這些有機(jī)太陽能電池通常使用聚合物材料——但也可以使用其他有機(jī)材料——將光子轉(zhuǎn)化為電能。有機(jī)太陽能電池的生產(chǎn)成本要低得多，而且比無機(jī)太陽能電池更靈活，但它們的轉(zhuǎn)換效率要低得多。與無機(jī)太陽能電池不同，有機(jī)分子可以進(jìn)行溶液處理，設(shè)計(jì)工程師可以使用這些配方來制造比無機(jī)太陽能電池更薄的設(shè)備。

聚合物的化學(xué)組成對于產(chǎn)生電流至關(guān)重要?？梢詰?yīng)用化學(xué)方法來改變聚合物的帶隙，從而實(shí)現(xiàn)電子可調(diào)性。盡管有機(jī)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率不如無機(jī)材料高，但有機(jī)材料具有非常高的光吸收系數(shù)，這就是為什么設(shè)計(jì)工程師可以制造更薄的設(shè)備而不會失去發(fā)電能力的原因。該化學(xué)還允許將聚合物加工成可以印刷的配方（可印刷太陽能電池），并使有機(jī)太陽能電池變得透明，之后它們可以用于窗戶和建筑物的其他區(qū)域。

許多人可能認(rèn)為工作機(jī)制與無機(jī)太陽能電池大致相同。然而，化學(xué)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)根本不同。在無機(jī)太陽能電池中，摻雜劑用于改變無機(jī)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生電子和空穴，然后由耗盡區(qū)分離，其中一些空穴和電子已經(jīng)重新結(jié)合，導(dǎo)致分離剩余費(fèi)用。這些分離的載流子在光子吸收下遷移到耗盡區(qū)的另一側(cè)，導(dǎo)致電流流動。

然而，有機(jī)太陽能電池不同。有機(jī)太陽能電池使用特定的供體和受體材料來產(chǎn)生電子和空穴，而不是摻雜材料。有機(jī)分子吸收光子，產(chǎn)生激子——電子及其相應(yīng)的空穴。光吸收還導(dǎo)致激子內(nèi)的電子被激發(fā)，于是它們從價(jià)帶移動到導(dǎo)帶。然后激子移動到供體和受體材料之間的界面，在那里它分離成電子和空穴。這種電荷分離導(dǎo)致電流流動，因?yàn)殡娮雍涂昭飨螂姌O。

染料敏化太陽能電池 (DSSC)

染料敏化太陽能電池 (DSSC) 是另一類新興的薄膜太陽能電池，同樣具有完全不同的在太陽輻射下產(chǎn)生電流的機(jī)制。它是一類半透明、半柔性的薄膜太陽能電池。

在 DSSC 中，一切都與陽極有關(guān)。DSSC 中的陽極涂有半導(dǎo)體薄膜，然后是二氧化鈦層。然后用與二氧化鈦層結(jié)合的光敏染料（通常是釕絡(luò)合物）進(jìn)行浸泡。陰極只是一塊涂有鉑膜的玻璃板，起到催化劑的作用。兩個電極之間是電解質(zhì)溶液。

顧名思義，位于陽極中的染料是電流產(chǎn)生機(jī)制的關(guān)鍵。當(dāng)光線照射在 DSSC 上時(shí)，染料會被激發(fā)，導(dǎo)致其電子從基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。這種更高的能量使染料能夠克服半導(dǎo)體的帶隙，于是它被氧化，一個電子被釋放到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中。這導(dǎo)致半導(dǎo)體變得導(dǎo)電，并產(chǎn)生電流。電池的電子平衡取決于向染料提供電子的電解質(zhì)分子，其中染料轉(zhuǎn)變回非激發(fā)電子基態(tài)。電解質(zhì)通過陰極處的還原反應(yīng)再生到其正常電子狀態(tài)。

量子點(diǎn)太陽能電池

量子點(diǎn)太陽能電池不像其他薄膜太陽能電池那樣得到廣泛開發(fā)，但人們對它們的興趣正在增長。量子點(diǎn)是 0D 材料（電子在所有三個方向上都被量子限制），其尺寸只有幾納米。量子點(diǎn)的大小和量子特性意味著它們具有獨(dú)特的光吸收和發(fā)射特性。使用量子點(diǎn)的關(guān)鍵原因之一是它們的可調(diào)帶隙。由于它們本質(zhì)上是半導(dǎo)體，因此它們的工作方式與傳統(tǒng)無機(jī)半導(dǎo)體類似，但由于每個量子點(diǎn)的尺寸較小，它們本質(zhì)上充當(dāng)多結(jié)太陽能電池。

可調(diào)帶隙意味著它們也可以被調(diào)諧以吸收電磁波譜中許多不同波長的輻射。就目前而言，它們的效率遠(yuǎn)低于其他太陽能電池；然而，這些設(shè)備有很大的潛力。量子點(diǎn)是太陽能電池中使用的唯一一種材料，可以為吸收的每個光子釋放一個以上的電子。所有其他材料都具有 1:1 的比例，因此量子點(diǎn)可以通過為每個吸收的光子釋放更多電子來顯著提高轉(zhuǎn)換效率。

結(jié)論

盡管無機(jī)太陽能電池仍然是最常見的，但也有許多不同類型的太陽能電池。許多其他太陽能電池的效率不高，但它們在效率上的不足可以通過其他特性來彌補(bǔ)。使用非無機(jī)材料的一個關(guān)鍵驅(qū)動因素是它們可以做得更薄、更柔韌、光學(xué)透明，并且在某些情況下還可以印刷。使用其他材料的能力使太陽能電池能夠在傳統(tǒng)無機(jī)太陽能電池?zé)o法覆蓋的建筑物的某些部分（例如窗戶或彎曲的建筑）上實(shí)現(xiàn)。這極大地?cái)U(kuò)展了太陽能電池作為一類可再生能源設(shè)備的能力，并使它們更加通用。而且，與許多事情一樣，所用材料的化學(xué)性質(zhì)使這成為可能。

審核編輯黃昊宇