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材料制成的柔性太陽能電池、使用量子點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。

有機太陽能電池

有機太陽能電池是第二大類太陽能電池。這些有機太陽能電池通常使用聚合物材料——但也可以使用其他有機材料——將光子轉(zhuǎn)化為電能。有機太陽能電池的生產(chǎn)成本要低得多，而且比無機太陽能電池更靈活，但它們的轉(zhuǎn)換效率要低得多。與無機太陽能電池不同，有機分子可以進行溶液處理，設(shè)計工程師可以使用這些配方來制造比無機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。可以應(yīng)用化學(xué)方法來改變聚合物的帶隙，從而實現(xiàn)電子可調(diào)性。盡管有機太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率不如無機材料高，但有機材料具有非常高的光吸收系數(shù)，這就是為什么設(shè)計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)為工作機制與無機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。在無機太陽能電池中，摻雜劑用于改變無機材料的化學(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，有機太陽能電池不同。有機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，因為電子和空穴流向電極。

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)生機制的關(guān)鍵。當(dāng)光線照射在 DSSC 上時，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)。

量子點太陽能電池

量子點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。量子點的大小和量子特性意味著它們具有獨特的光吸收和發(fā)射特性。使用量子點的關(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)無機半導(dǎo)體類似，但由于每個量子點的尺寸較小，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。使用非無機材料的一個關(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）上實現(xiàn)。這極大地擴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