出品：科普中国
制作：张俊达
监制：中国科学院计算机网络信息中心
可再生能源，是指在一定范围内可以重复利用的能源。换句话说，只要地球和太阳不毁灭，像风能、地热能、太阳能这些可再生能源，都是取之不尽用之不竭的。拿太阳能来说，地球吸收的太阳能就有173000太瓦，这个数字是地球上人类使用能源总和的一万倍。
我们不禁会想，有一天人类社会能不能完全依赖太阳能运行下去？
其实，人们很早就盯上了太阳能，并尝试将其转化成可直接使用的电能。最笨的方法就是用太阳光提供热来烧开水，然后用开水的蒸汽来发电。但是每次能量的转化必然伴随着消耗，烧开水方法的效率不高。因此人们陷入了沉思：怎样把太阳能直接变成电能呢？
第一次将这个想法变成现实的人叫埃德蒙·贝克勒尔。
埃德蒙·贝克勒尔 (图片来源：维基百科)
1839年的某一天，研究磷光的埃德蒙发现了不得了的东西，他把氯化银放在酸溶液里，再接两个铂电极，然后拿到太阳下去晒，结果在两个电极中间发现了电压！
当时人们还不知道该现象的原理，只知道光照可以产生电势，于是把这种现象叫做光生伏特效应，简称光伏效应。现在的太阳能电池基本都是利用了光伏效应，所以太阳能电池也叫太阳能光伏电池。
目前应用最广泛的光伏电池主要是用硅等半导体材料来制作的，那么人们是怎么利用半导体和光伏效应来制作出太阳能电池的呢？
一切的基础：原子能带结构
简单来说，能带是指我们根据电子的能量多少，给它划分到的不同区域。我们都知道，原子核带正电，它会吸引带负电的电子，而且离原子核越近的电子被束缚得越强。现在我们把原子拆分开，原子核沉到下面，电子放在上面。
这样的话，我们可以给电子们划分两个活动区域：一是离原子核比较近的区域，这里的电子都被紧紧吸住，我们称之为价带。二是远离原子核的区域，这里的电子不受监管，比较自由，如果有外加电场让这些电子跑起来，那材料就导电了，我们称这个区域为导带。
除了这两个区域，在价带上面、导带下面还有一个区域，是不允许电子存在的，我们称之为禁带。
原子的能带结构（图片来源：作者自制）
基本的原子能带结构就是这样了，但是还有些细节我们需要注意一下：首先，能带还可以细分为不同的能级，而由于泡利不相容原理，每个能级只能容纳两个电子。其次，大部分原子的电子没那么多，甚至价带上还没住满，导带上是没有电子的。再者，价带上的电子并不老实，它可能会“出轨”，也就是越过禁带，冲到导带上，当然这个过程我们叫它跃迁，跃迁是要吸收能量的。
考虑到这三个细节，可能有些读者就猜到了，自热界存在着两种截然不同的材料：一种禁带很窄，或者干脆没有禁带，在室温下它的价带外层电子可以轻易跃迁到导带上，这就是导体。相反如果材料的禁带很宽，一般大于三电子伏特（3eV），在室温下电子老老实实地待在价带上，那它就不能导电，这就是绝缘体。
不同固体的能带结构 (图片来源：维基百科)
“善变”的半导体
那有没有价带和导带之间的能隙小于3eV的材料呢？有，那就是半导体,通常意义上就是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
但半导体的价值并不是表现在它的导电能力上，而是它“左右横跳”的导电性。半导体的导电性能很容易受到外界因素的影响而改变，后面我们就会看到光伏效应如何改变半导体的导电性。接下来我们将以硅原子为例，一起探索半导体内部的奥秘。
1、本征半导体的结构
像纯硅、纯锗这类不加任何杂质的半导体，我们称之为本征半导体。来看看硅原子，它有14个电子，电子排布是2-8-4，最外层有4个电子。元素的性质主要是由最外层电子决定的，那硅的最外层电子就有这样的趋势：要么再找四个电子凑四对，要么把四个电子都扔了。
