太阳能光电板

光伏系统是一个有吸引力的替代到化石燃料或核燃料的产生电．阳光是免费的，它不消耗不可替代的资源，而且它转换成电力是无污染的。事实上,太阳能光电板现在在哪里使用权力来自公用电网的线路要么不可能，要么根本不存在，就像在外太空或偏远的非城市地区一样。

广泛使用阳光发电的障碍是光伏系统的成本。材料科学的应用对于将成本降低到可以与化石燃料或核燃料竞争的水平至关重要。

光到电的转换取决于电子结构的太阳能电池有两层或更多的半导体能吸收的物质光子，初级能源一包光。光子会提高能量水平的电子在半导体中，激发一些能量从低能级跃迁价带到更高的能量导带．传导带中的电子和孔留在价带中的它们都是可移动的，并且可以被电压诱导移动。的电子运动，以及洞在相反方向的运动，构成一个电流．驱动电子和空穴通过电路的力是由结在两种不同的半导体材料中，其中一种材料有放弃电子而获得空穴的倾向(从而变成正电，或p-type，载流子)，而另一个则接受电子(变成负电荷或负电荷)n类型、载体)。允许这种情况发生的电子结构是带隙;它相当于将一个电子从较低波段移动到较高波段所需的能量。这一差距的大小很重要。只有光子的能量大于带隙能将电子从价带激发到导带;因此，间隙越小，光转化为电能的效率就越高——因为能量足够高的光频率范围更大。另一方面，间隙不能太小，因为电子和空穴很容易重新结合，因而无法维持相当大的电流。

带隙定义了理论最大值效率的太阳能电池，但由于其他物质因素无法实现。每一种材料都有一个内在电子和空穴重新结合的速率，它消除了它们对电流的贡献。这种重组是增强通过表面、界面和水晶缺陷，如晶界、位错和杂质。此外，一部分光被电池表面反射而不是被吸收，一些光可以通过电池而不激发电子到传导带。

的制备很好地说明了电池效率和成本之间权衡的改进硅这是目前太阳能电池的基本材料。最初，高纯度的硅是从硅熔体中生长出来的，方法是缓慢地拉出一个种子晶体，这个种子晶体是由熔融材料的吸积和缓慢凝固而生长出来的。被称为直拉法，这就产生了高纯度的单晶锭，然后被切成约1毫米(0.04英寸)厚的晶圆。每个晶圆的表面都被“掺杂”了杂质p类型和n-在它们之间有连接点的材料。然后金属被沉积以提供电引线，晶圆被封装产生直径约100毫米的细胞。这是一个昂贵而费时的过程;它在许多方面都得到了很大的改进。例如，通过化学方法将普通硅转化为高纯度硅，可以大大降低成本硅烷或者三氯硅烷，然后还原成硅。这种硅烷工艺能够以高产量和低能量输入连续操作。为了避免将硅锯成晶圆所带来的成本和浪费，人们开发了直接将熔融硅拉成薄片或带状的方法;这些可以产生晶体，多晶，或非晶态材料．另一种选择是在陶瓷衬底上制造薄膜，这种工艺比其他方法使用的硅要少得多。单晶硅比其他形式的效率更高，但也更贵。材料的挑战是找到一种成本和效率的结合，使光伏发电在经济上成为可能。

表面提高效率的治疗方法包括沉积抗反射涂层，如氮化硅，在电池的前面和高反射涂层在后面。因此，更多的照射到电池上的光实际上进入了电池，而从后面逃脱的光则被反射回了电池。一种巧妙的表面处理是点接触法的一部分，在这种方法中，电池的表面不是平面的，而是微槽的，因此当光线照射到电池时，会被随机反射。这增加了细胞可以捕捉到的光的数量。