从无机到有机的许多半导体都可以作为太阳电池中的吸收体。然而，不同的半导体其吸收机制有所不同。在无机半导体中，带间激发是光吸收的主要机制，如图3.2a所示。当能量hν大于禁带宽度E_g的光子进入半导体内，有可能被吸收并从价带中激发一个电子至导带。激发电子导致在价带中留下一个电子空位，即空穴。电子和空穴都会对太阳电池的电流输出产生贡献。

如果一个光子的能量比禁带宽度稍大，其被吸收的概率则取决于无机半导体的带隙结构，即带隙为直接的还是间接的。半导体的带隙被定义为导带的最小能量E_c，与价带最大能量E_v之间的能量差，如图3.3所示。对于间接带隙半导体，例如硅，导带最小值和价带最大值在动量空间中不是同一点（见图3.3a）。由于光子不会改变激发电子的动量，在间接带隙半导体中动量守恒的吸收过程中需要声子的辅助。如图3.3a所示，当能量比带隙稍大的光子被处于价带顶端的电子吸收时，为使激发电子跃迁到导带最低点，通常伴随着动量的改变，这需要一个声子。声子的辅助降低了能量稍大于禁带宽度的光子的吸收概率。对于直接带隙半导体，例如碲化镉，导带最小值与价带最大值（见图3.3b）在动量空间中位置一致。因此，光子被吸收时，其动量是守恒的。这导致光子吸收的概率比间接带隙的更高。

图3.2 无机半导体（图a）和有机分子（图b）中的吸收机理。图a中的无机半导体可以吸收能量hν大于禁带宽度E_g的光子。图b中的有机分子可以吸收能量等于未占有分子轨道和已占有分子轨道之间能量差E_UMO^-EOMO的光子

图3.3 间接带隙半导体（图a）和直接带隙半导体（图b）的吸收机制。在图a中，能量等于禁带宽度的光子在激发电子的过程中，需要借助于声子来改变激发电子的动能；图b中能量与禁带宽度相等的光子被吸收时动能总是守恒的

光子吸收概率的差异导致的结果是，对于间接带隙的半导体，若需要吸收大部分的入射光，吸收层的厚度需要达到几百微米。若需要达到同样的效果，对直接带隙半导体来说，则只需几微米即可。薄膜太阳电池主要基于直接带隙半导体，其中的半导体吸收层一般是1～5μm厚。目前的晶体硅太阳电池中硅片的厚度为180～200μm。薄膜太阳电池主要包括碲化镉、铜铟镓硒和薄膜硅几类。值得注意的是，晶体硅具有1.12eV的间接带隙，非晶硅则具有直接带隙。其禁带宽度为1.75eV，可以做成薄膜太阳电池。而在多结叠层太阳电池中使用的三-五族化合物多是直接带隙半导体，如砷化镓。

有机半导体对光子的吸收机理是激发电子从低能量占有态向高能量未占有态跃迁，如图3.2b所示。当一个能量等于未占有态和已占有态之间能量差的光子照射有机半导体材料，则有可能被吸收，激发电子从已占有态跃迁到非占有态，并在低能量态处产生一个空位。最低未占有态通常被称为最低未占有分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital，LUMO），最高已占有态通常被称为最高已占有分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital，HOMO）。有机半导体中的LUMO和HOMO对应于无机半导体中的导带最低点和价带最高点。(www.daowen.com)

图3.2中不同的吸收原理揭示了有机太阳电池效率低的一个根本原因。图3.4示意性地说明了直接带隙无机半导体和有机分子的吸收光谱。直接带隙无机半导体对所有能量比带隙大的光子均显示很大的吸收系数，而有机分子只能吸收由未占有态E_UMO和已占有态E_OMO之间的能量差确定的某些能量的光子。换句话说，无机半导体比有机分子利用的太阳光谱更宽。对于有机半导体，许多有机分子的集合拓宽了单个分子的吸收峰。尽管如此，有机半导体对太阳能的利用效率仍然低于无机半导体。

图3.4 无机半导体和有机分子的吸收光谱。能量比带隙大的光子能被直接带隙半导体吸收，而有机分子只能吸收能量等于未占有态和已占有态之间能量差的光子

吸收的阈值，或通常被称为吸收边，在无机半导体中是由它的带隙来确定的，如图3.4a所示。在有机半导体中，吸收边是由LUMO和HOMO的能量差，即E_LUMO-EHOMO来确定的。典型的陆地上太阳光谱的光子通量为4.4×10¹⁷光子/（cm²·s）（见图1.4）。假定每个光子产生一个电子-空穴对，每一个光生电荷载流子都能到达外部负载，太阳电池的最大可能的电流则是电子电荷乘以光子通量：

J_max＝1.6×10^-19×4.4×10¹⁷ mA/cm²＝70mA/cm²

吸收边阻止了无机半导体对能量比带隙更小的光子的吸收。对于禁带宽度为1.12eV的晶体硅太阳电池来说，最大可能电流约为44mA/cm²。目前最好的晶体硅太阳电池的输出电流可以超过40mA/cm²，已足够接近最大可能电流了。显然，半导体的带隙越小，电池可能达到的最大电流则越大。