编者按：为有效推动科学普及与科技创新两翼齐飞，营造尊重科学、崇尚创新的浓厚氛围，我们再次推出“科学家讲科学”系列科普讲座，在上一期邀请我省自然科学基金创新研究群体基础上，此次燕赵青年科学家项目负责人带来了他们各自研究领域基础科学知识，带你用好奇更新已知边界，用科学连接未来生活。让我们与省自然科学基金背后的专家面对面，与科学零距离，继续有料有趣的奇妙科普旅程！

　　今天我们一起走进河北师范大学赵晋津教授团队，解密光电转换基本原理，共同揭开光电神秘面纱。

　　揭开光电神秘面纱

　　“电”已经成为我们生活中不可或缺的一部分，特别是智能化时代的来临，它为我们的工作、生活带来了前所未有的美好体验。然而，通过传统化石能源发电，产生大量二氧化碳等温室气体，导致厄尔尼诺现象等异常气候和极端天气频发。因此，发展可再生清洁能源迫在眉睫。随着我国发布“碳达峰”和“碳中和”目标，全球科学家的关注点都聚焦到新一代太阳能发电，光伏产业在全球得到飞速发展。

　　1954年，世界上第一个实用的太阳能电池问世，1958年第一块太阳能电池随先锋1号人造卫星进入太空，人类进入信息时代。我们生活中的手机导航所利用的通讯卫星都是靠太阳能电池供电。那么太阳光是如何转换为电的呢？太阳能电池的发展又经历了多少代？让我们带着以上问题共同揭开光电转换的神秘面纱。

　　

　　河北师范大学“科学家讲科学”科普讲座现场

　　太阳能电池已走过三代：第一代是以晶硅为主的太阳能电池；第二代为薄膜太阳能电池，以铜铟镓硒、碲化镉、砷化镓等为主；第三代为新型薄膜太阳能电池，以钙钛矿薄膜太阳能电池为主。目前我们常见的太阳能电池为晶硅太阳能电池，比如街道上的光伏路灯等。那么太阳光如何转换成电呢？首先我们要认识电子和空穴。电子是原子中带负电的粒子；空穴又称电洞，是电子离开原有位置后留下的带正电的空缺。晶硅太阳能电池的主要成分是硅，纯硅不产生电流。但是，如果掺入最外层五个电子的磷会多出一个带负电的，可以用于导电的自由电子，称为N型半导体。如果换成最外层三个电子的硼即少一个电子，同样可以导电，称为P型半导体。太阳能电池最主要的部分是P型和N型半导体组成的PN结，PN结交界处形成内建电场，是太阳能电池的心脏。一束光击中PN结，可从原先半导体中敲出一个电子，留下一个空穴，在内建电场作用下移动。用导线把两端连接起来，就会产生电流。第一代和第二代太阳能电池主要靠PN结完成光电转换。

　　既然前两代太阳能电池已经很成熟，为什么还要发展第三代太阳能电池？随着智能化时代的来临，人们需要便携可穿戴、低成本低能耗，可以在室内弱光发电的新型薄膜太阳能电池。基于此背景，以钙钛矿太阳能电池为代表的第三代太阳能电池应运而生，它不需要PN结，在太阳光照射下直接产生自由电子和空穴，其分别沿电子和空穴传输层传输，被负极和正极收集起来形成电流，这是钙钛矿太阳能电池的发电原理。

　　当前，以钙钛矿薄膜太阳能电池为代表的第三代太阳能电池，已成为全球最具潜力的新一代光伏技术。河北师范大学赵晋津团队，成功制备出大面积钙钛矿薄膜太阳能电池，钙钛矿薄膜厚度约为头发丝直径的1/200至1/400，在可见光照射下，可实现为手机充电，带动风扇转动。未来，凭借优异的光电转换性能，钙钛矿太阳能电池有望实现为汽车、船舶以及飞船等多种交通工具提供动力；为信息存储、智能芯片、医疗诊断检测、抗癌药物等应用场景提供解决方案。

　　

　　河北省广平县第一中学“科学家讲科学”科普讲座现场

　　光电转换的奥秘是光生电子和光生空穴，这仅仅是光伏故事的开始。下一步，赵晋津团队将从光电转换材料的多学科交叉创新研究出发，以解决实际问题为导向，立足柔性钙钛矿太阳能电池、光电神经突触晶体管，以及光电催化生物医药领域开展研究，逐步建立光电材料—智能器件—耦合性能—试验产品的创新研究系统。

原文链接：https://kjt.hebei.gov.cn/www/xwzx15/hbkjdt64/309734/index.html
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