妈咪说知识就是力量大家好我是妈咪叔,之前我们说有机会就和大家介绍一下诺奖的热门领域,那接下来两期咱们就来介绍其中一个也是一种电池,就是生活当中常见的太阳能电池,准确的说有机会获得诺奖的这项技术叫做钙钛矿太阳能电池,但是别着急这期视频咱们得先做点铺垫,这期主要先来介绍一下半导体,人们为什么要想办法利用太阳能呢？
其实还是那个老问题因为能源危机啊,现在人类主要依赖的能源都是不可再生资源,像石油、天然气包括核能,这些东西采没了就没有了,而且使用过程中还会污染环境,如果不加以控制或者再加把劲挥霍一下,很有可能我们这一辈儿,有生之年是能够看到某个能源彻底消失的,那怎么办呢？
所以就得想办法开发其他的替代能源,于是就有了可再生资源,其实所谓可再生是指在可预见的未来可再生,比如说太阳能、风能、地热能等等,只要地球、太阳不毁灭,这些能源每天就都和新的一样,这要是能利用起来那自然是极好的,所以太阳能其实很早之前就被人们盯上了,但是如何把太阳光转化成电能呢？
最笨的办法,太阳光可以提供热啊,那我就烧开水然后用来发电行不行呢？
行,不过每一次能量的转换都会伴随着损耗,所以这个办法的转化率自然就不会很高,我们想要的是如何把太阳能直接变成电能呢？
最早发现这个原理的人我一说各位肯定也能想起来,他叫做贝克勒尔,有同学说哎呀这不是发现天然放射性的贝克勒尔吗？
不是那个叫亨利·贝克勒尔,不过咱们在介绍亨利·贝克勒尔的时候说,他家祖传三代都是研究磷光的还记得吧？
所以这位是亨利·贝克勒尔的父亲,叫做爱德蒙·贝克勒尔,研究磷光物质咋研究啊？
就是拿不同的东西放到太阳下晒啊,结果1839年有一天,爱德蒙·贝克勒尔就发现,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,两个铂电极之间就会产生电压,这是什么情况呢？
当时原理还不太清楚,所以后来人们就只给起了个名,说光照可以生成伏特就是电势的单位,那就叫光生伏特效应吧简称光伏,我们现在的太阳能技术都是利用到了光伏效应,所以太阳能电池也叫做太阳能光伏电池,可是光伏效应具体是什么原理呢？
咱们来简单说一下,还记得光电效应吗？
说紫外线照射金属板可以把电子打出来,咱们先换个思路来理解一下光电效应,为啥金属导体的电子能被打出来绝缘体的就不行呢？
我们现在脑补把物质的原子给拆分开,原子是由原子核和电子组成的,现在假设底下这一层都是原子核,原子核带正电所以它肯定要吸引电子,而且离原子核越近的电子被束缚的就越强,这个很好理解吧,那我们在原子核上面划分出一个层来,这个区域内的电子理想情况下就是被原子核紧紧抱住的,任凭风吹雨打电子就是不离不弃,我们把这个区域叫做价电带简称价带,但是并不是所有电子都能在价带呆着,对于电子来说有一个泡利不相容原理还记得吧,说两个全同的费米子是不能处在同一个量子态的,啥意思呢就是说电子很傲娇,这个价带其实也是细分为若干个能级的,每个能级最多就只能呆两个电子并且还得自旋相反,这就像是有一栋楼一到五层是价带电子都可以入住,但是电子要求我只能和异性住在一起,而且一层最多就住我们俩人别人进不来了,这样就导致一个结果,那就是价带可以容纳的电子数量是有限的,比如说刚才的例子那就是10个电子住满为止,可是如果还有其他的电子怎么办呢？
那就只能再往高层住了,一般来说还有一个规定,价带往上有一个区域是不允许电子居住的,像这样的能量带叫做禁带比如说是6-10层,这样多余的电子就只能住在10层以上,禁带上方的这个区域就叫做导带,什么意思呢？
这些电子由于离原子核比较远,所以它们就比较自由,比如说定向移动导个电啥的,这个价带、禁带、导带就是物质的能带结构,其中价带和导带可以居住电子,中间这个能隙是禁带不可以居住电子,咱们刚才说的只是一个大致的结构层次,而且咱们说价带的电子理论上比较忠诚对原子核不离不弃,但是真实情况是,第一一般情况下电子并没有那么多,价带的楼层足够住了,第二价带的电子也并不是都老实呆着的,有一些也想出个轨啥的,那咱们设想一下,什么样的条件下电子更容易出轨呢？
首先这些电子最好得在价带的最外边,就是尽量得离原子核远一点,其次得有外部诱惑也就是得有能量的刺激,不吸收能量电子是不会跃迁的,再次这个诱惑还得足够大,别忘了价带上面还有一层禁带呢,只有电子吸收的能量大于禁带的能量才有可能跑到导带上去,从此就算是摆脱原子核的束缚了,能听明白吧？
那你说如果禁带的区域特别窄,或者干脆就没有禁带了,那价带最外层的电子会不会更容易出轨呢？
就是更容易跑到导带上去呢？
是的而且这种材料真的存在,其实就是我们通常说的导体,对于固体导体来说,它们几乎不存在能隙也就是没有这层禁带了,价带上面直接就是导带,所以导体即便在室温情况下,价带外层的电子就可以轻而易举的跑到导带上去,这就是导体可以导电的原因,那如果此时我加大能量的诱惑,比如说使用紫外线照射,那么处于导带的电子就还想继续往上跑,就有可能脱离材料本身被打出来了这就是光电效应,那什么是绝缘体呢？
就是价带和导带之间的能隙巨宽无比,一般就是大于3eV以上,这样在室温下由于没有足够的能量电子就都在价带呆着,导带上没有电子也就不可以导电了,即便我们使用紫外线照射,这个能量也不够使电子跃迁到导带上来,就是因为这个禁带很宽,所以一般我们说光电效应就是指金属板导体,那你说如果我们不断的提高电磁波的频率,加大光子的能量,有没有可能让绝缘体产生光电效应呢？
就是把电子打出来呢？
有可能但是那就不叫光电效应了,叫什么啊？
叫电离辐射啊,比如说伽马射线X射线能量很高,几乎可以电离任何原子或者是分子,其实这就是电子吸收了足够多的能量,穿破了禁带的束缚甚至导带都不愿意呆了,直接就电离了明白了吧,好现在我们就可以重新定义导体和绝缘体了,导体就是价带和导带之间没有能隙的物质,绝缘体就是能隙比较宽大于3eV的物质,那有没有价带和导带之间的能隙小于3eV的物质呢？
有这种物质就叫做半导体,通俗的说就是导电能力介于,导体和绝缘体之间的物质就叫做半导体,但是半导体有一些特殊的性质,所以半导体的应用很广,比如说半导体的能隙比较容易受到外界因素的影响而改变,具体什么因素呢？
比如说温度,温度升高的时候能隙就会减小,能隙减小什么意思啊？
就是电阻率会变小,而且这种变化还是线性的,所以半导体可以干啥呢？
可以当温度传感器,理论上我设计一个电路,只要可以检测到电阻率的变化就可以知道温度的变化了,还有其他影响,再比如说光照也可以改变半导体的电阻率,那这个特点又可以干啥呢？
比如说楼道里面都有声控灯,咱们先不管声音是如何让灯泡亮的,声控灯有一个特点,那就是只要白天不管你怎么大吵大闹灯就是不亮,只有晚上的时候才会亮而且不需要人为控制,这是为啥呢？
就是因为声控灯当中含有半导体材料,当白天有光照的时候电阻就会很高,相当于绝缘状态,电路断开灯自然也就不会亮了,但是到了晚上没有光照的时候,电阻率就会变得很小就可导电了,你看半导体好玩吧,再比如说半导体的导电性还很容易受到杂质的影响,啥意思呢,比如说纯硅就是一种半导体,它的导电性能就是介于导体和绝缘体之间的,但是只要在纯硅当中掺杂一些微量的其他元素,它的电阻率就会显著的下降,这个特点就比较有意思了,咱们先来说两个概念,像纯硅、纯锗这类不添加杂质的半导体,我们叫做本征半导体或者叫无杂质半导体,如果是添加杂质的半导体就叫做杂质半导体,当然这只是其中一种分法就是按照杂质来划分的,如果按照化学成分来划分,像硅、锗这种单一元素的半导体也叫做元素半导体,像砷化镓GaAs、氮化镓GaN这种由化合物构成的半导体,就叫做化合物半导体,只是划分的标准不同,那咱们来看纯硅的本征半导体,硅原子有几个电子啊？
硅-14有14个电子对吧,电子的排布呢就是2-8-4最外层有4个电子,我们说元素的化学性质是由最外层电子决定的,所以硅最外层这4个电子就会有这样一种倾向,就是要么就再给我4个电子我凑8个整,要么我就想把这4个电子扔了,那假如一堆硅原子在一起构成硅晶体的时候会产生什么效果呢？
比如说这是一排一排的硅原子,你会发现每一个硅原子上下左右都会相邻一个硅原子,于是就会出现一种奇妙的组合,就是每个硅原子把自己的最外层电子上下左右各放置一个,然后去和相邻的硅原子共用这些电子,结果就相当于是每个硅原子凑齐了8个电子,能想象出来不？
这种组合一切都很美好,但是直到我们在这里面掺杂一些杂质的时候,情况就变得不一样了,比如说我把其中一个硅原子换成磷原子,磷有多少个电子呢？
磷15有15个电子,排布是2-8-5最外层有5个电子了,那就会出现这种情况,就是最外层的5个电子只有4个是和相邻的硅共用,多余出一个无处安放的电子,那这个电子是不是就会比较自由啊,只要掺杂一个磷原子就会出现一个这样无处安放的电子,但是注意整体还是电中性的,因为我们掺杂的也是原子,只不过多余出来的电子比较自由而已能明白吧,那如果说我不掺杂磷了,比如说我掺杂硼5号元素,一共5个电子最外层有3个电子,假设我们把其中一个硅换成硼,那硼就只能拿出3个电子和周围的硅共用,这就相当于这个硼原子和相邻的某一个硅原子,最外层只凑足的7个电子,总感觉不舒服是吧凑8个多好啊,因此我们说在这个位置就相当于出现一个空穴,这个空穴就是相当渴望有电子的补充就是要给它填满,细心的同学肯定发现了,掺杂磷的硅半导体是有多余的电子,掺杂硼的硅半导体是渴望电子的补充,这是啥啊？
冥冥之中好像是出现电势差了啊,有点意思了吧别着急,我们刚才说了掺入杂质的硅半导体电阻率会显著降低,现在明白为啥了吧,如果是掺入磷,那就相当于是半导体表面有多余的自由电子,这些电子就可以用来导电了,我们把这类杂质半导体称作N型半导体,n就表示电子的电性negative,那可是掺入了硼的硅半导体主要靠什么导电呢？
因为有空穴,为了方便讨论我们就可以把这个空穴当做是正电子,这样就像是说可以自由移动的空穴一样,但是注意空穴并不是真正的正电子,只是等效明白吧,那我们就把这类半导体称作是P型半导体,p就是positive带正电的意思,这样我们就知道了,杂质半导体又细分为n型半导体和p型半导体,那当我们把n型和p型合在一起的时候会发生什么呢？
就会形成所谓的pn结,最广泛的应用就是二极管,好时间关系,这期内容可能也不怎么好理解,咱们就说这么多,下期再继续介绍什么是pn结,以及如何利用pn结来太阳能发电呢？
我是妈咪叔一个较真儿的理工男,下期见拜拜。