目前大多数商业太阳电池仍采用p-n结进行电荷分离。如图3.5a所示，同质p-n结中的电势梯度驱使光生电子向n侧，空穴向p侧移动。当电池外部连接一个负载时，电势差驱动电流通过负载，即提供电力到负载。在太阳电池中若使用常规掺杂浓度，p-n结中的电势梯度的宽度大约为微米级。在薄膜太阳电池中，电势梯度常常延伸至整个半导体吸收层。这导致光生电子和空穴对一旦产生，便能即时分离。在晶体硅太阳电池中，硅片则厚得多，为p-n结的结深的100倍左右。因此，大部分的光生载流子都是在结区外产生的。它们受到库仑引力作用而成对地在硅片内部移动，直到到达p-n结处被分离。在到达p-n结之前，电子空穴对有可能会复合，从而导致电功率输出的降低。为了减少复合损耗，采用具有良好质量、缺陷少的晶体硅材料是关键。换言之，晶体硅太阳电池比薄膜太阳电池对材料的质量要求更高。

薄膜硫族化合物太阳电池中采用的是由两种不同的半导体组成的异质p-n结。其中，n型硫化镉和p型碲化镉或铜铟镓硒形成异质p-n结。硫化镉的禁带宽度为2.42eV，比碲化镉或铜铟镓硒更大。图3.5b中，两个半导体具有不同的带隙。具有较小带隙的半导体为光吸收层。较大带隙的半导体负责提供电势梯度，并用作窗口层。若需达到有效的电荷分离，两个半导体之间需要适当的带隙补偿及掺杂。图3.5b中，较小带隙半导体是p型，较大带隙半导体是n型。导带差值ΔE_c小可减少电子从较小带隙半导体向较大带隙半导体移动的能量势垒。异质p-n结从较小带隙的半导体提取光生电子，并驱动光生空穴进入较小带隙的半导体。

尽管还没有被产业化应用，金属和无机半导体之间的肖特基结也可以在半导体内产生电势差。图3.5c为肖特基结的能带图，其提取光生空穴并将光生电子注入半导体中。使用时，金属层最好放置在半导体的背面，以不遮挡半导体对入射光的吸收。

有机太阳电池并不依赖于p-n结进行电荷分离。它们采用的是有机/无机界面或有机/有机界面，即两个不同的有机半导体之间的界面来进行电荷分离，如图3.6所示。有机太阳电池中之所以不采用p-n结的原因之一是因为对有机半导体进行电学掺杂仍是个难题^[1]。另一原因是，有机半导体内光子吸收产生束缚电子-空穴对，称为激子。激子的分离需要十分之几电子伏特的能量。在有机太阳电池异质结界面处进行能级对准便能提供有效激子分离的驱动力。图3.6a中，有机半导体吸收光子，从HOMO激发电子至LUMO。无机半导体的导带最小值需要比有机半导体的LUMO低十分之几电子伏特，以提取激发电子到无机半导体进行电荷分离。而有机半导体的HOMO需要高于无机半导体的价带最大值，以防止无机半导体中价带电子落入空的HOMO。染料敏化太阳电池使用有机/无机界面进行电荷分离。

图3.5 无机太阳电池中同质p-n结（图a）、异质p-n结（图b）、肖特基结（图c）的电荷分离。硅太阳电池，包括晶体硅和薄膜硅，采用的是同质p-n结。薄膜硫族化合物太阳电池，包括碲化镉和铜铟镓硒，采用的是异质p-n结

图3.6b中，有机半导体1是光吸收层。当有机半导体1的LUMO位于有机半导体2的LUMO以上十分之几电子伏特的位置时，光激发的电子可以从半导体1被注入半导体2，从而产生电荷分离。而有机半导体1的HOMO位置也需要位于有机半导体2HOMO的上方，从而阻止HOMO的电子从半导体2流入半导体1。各种有机太阳电池均采用有机/有机界面来进行电荷分离。(www.daowen.com)

有机太阳电池中的激子具有很短的扩散长度（扩散长度即它们在复合之前迁移的距离），约为纳米级别。这限制了有机吸收层的厚度也为纳米级别。尽管有机半导体的吸收系数大，有限的吸收层厚度为有效吸收太阳光提出了一个挑战。为达到更高的效率，有机太阳电池中的两种半导体最好制成三维纳米结构，用于同时、有效地吸收太阳光和电荷分离。在染料敏化太阳电池中，三维纳米结构是通过二氧化钛（TiO₂）的纳米多孔薄膜实现的。在TiO₂薄膜的纳米孔中填充作为吸收层的染料分子。三维纳米结构在保证纳米孔的每个染料分子层的厚度为几纳米的前提下，增加了染料分子的光吸收的总有效厚度。多孔TiO₂膜形成了用于电荷传输的连续网络。

在无机太阳电池中，p-n结产生用于电荷分离的电势差。无机太阳电池的最大可能电压由内建电势V_bi决定，这是跨越p-n结的总电势差，如图3.5a所示。通过增加在p侧和n侧的掺杂量，该内建电势增大。然而，无机半导体的掺杂量不能无限增加，因为它们受掺杂剂在半导体中的固溶度限制。在实际的固溶下，能达到的最大内建电势由半导体的带隙决定：

V_max≤V_bi≤Eg/q式中，V_max是一个p-n结太阳电池的理论电压；q是电子电荷。显然，带隙越大，电池的理论电压也越大。

图3.6 有机太阳电池中有机/无机界面（图a）和有机/有机界面（图b）的电荷分离。染料敏化太阳电池采用有机/无机界面，而有机太阳电池采用有机/有机界面。在有机吸收层中激发的电子被另一半导体中的低能空态所提取

本节和3.2.1节中的讨论涉及了合适的能带对于无机太阳电池效率最大化的重要性。最大效率意味着最大的输出电功率，它是电流与电压的乘积。为了实现较大的电流输出，意味着电池的禁带宽度要小。而要获得较大的电压，更大的禁带宽度是必要的。可想而知，当我们最大化功率，存在一个与太阳光谱最匹配的最佳的禁带宽度来获得最大效率，这在许多研究中已被验证^[2，3]。最佳禁带宽度的精确值在不同的研究报道中略有变化，因为各自使用的太阳光谱有所不同，但通常约为1.4eV。图3.7为在AM1.5的太阳光谱（见图1.4）下，一个单结太阳电池的理论效率随带隙的变化曲线。在禁带宽度为1.35eV左右时，理论效率超过33%。值得注意的是，禁带宽度在1.1～1.5eV的范围内时，理论效率均在32%以上。这给我们开发出低成本、高效率的太瓦级容量的太阳电池技术提供了一些余地。