9、太阳能电池材料的原子结构与半导体特性解析

太阳能电池材料的原子结构与半导体特性解析

1. 原子键合

原子之间存在着将元素中的原子结合在一起的相互作用力。当两个孤立的原子从无限远的距离靠近时，随着原子核之间距离的减小，它们会相互施加力。这些力分为吸引力和排斥力两种类型，每种力的大小是原子间距的函数。原子间的净力是吸引力和排斥力的总和。当这两种力相等时，净力为零，原子达到平衡状态。

原子力与势能相关，力对距离的积分就是势能。最小距离 $r_0$ 处是平衡位置，此时净力为零。最小势能 $E_0$ 是键合能，即把两个原子分开到无限远所需的最小能量。

在固体材料中，由于涉及多个原子，原子间的力和能量相互作用更为复杂。键合能的大小和能量 - 原子间距曲线的形状会因材料类型和原子键合类型的不同而变化。材料的性质，如高熔点对应较大的键合能，固态通常也与较大的键合能相关，而液态或气态则与较小的 $E_0$ 值、能量 - 原子间距曲线的形状以及键合类型有关。

固体中有三种不同类型的主要化学键：离子键、共价键和金属键。每种键都涉及价电子，键的性质取决于电子结构。
- 离子键 ：存在于由金属和非金属元素组成的化合物中。金属原子容易将其价电子转移给非金属原子，从而达到稳定状态。离子键是电子从电正性（价电子过剩）原子转移到电负性（价电子不足）原子的过程。离子键是非定向的，在离子周围各个方向上的大小相等。键合能较高，约为每个原子 3 - 8 eV，具有较高的熔点。离子材料坚硬、易碎，并且是电和热的绝缘体。
- 共价键 ：是两个原子之间共享电子以形成稳定电子构型的键。每个原子为键贡献一个电子，共享的电子属于两个原子。共价键在共享电子的两个