[科普中国]-半导体玻璃

半导体玻璃，即非晶硅，制造工艺比较简单，也可制造出很大尺寸的薄膜材料。

概述玻璃半导体是最近在半导体领域内出现的新材料。它的性能和晶体半导体材料迥然不同，有许多后者所不具备的优点，实用可能性日益增长，而且应用面很广，引起了人们极大的兴趣。

半导体材料通常是指电阻率介于绝缘体与导体之间，即电阻率的数值在10-3~109欧姆·厘米范围内的材料。如果按照化学成分来分类，有元素半导体(如锗、硅等)和化合物半导体(如砷化镓、磷化镓等)。如果从原子排列的状态来看，可分晶态半导体(如单晶体、多晶体)和非晶态半导体(如玻璃半导体)。在单晶体中，所有的原子是按一定的规则作周期性的排列，在任何一个原子的周围与任何一个同种原子的周围有着完全相同的情况。无数小单晶体不规则组合成一体则构成多晶体。在非晶态半导体中，原子的排列是不规则的，无定形的，所以非晶态半导体又称无定形半导体。事实上，无定形半导体也并不是完全杂乱无章的，而是短程有序、长程无序的川，就是说，在非晶态半导体中，最近邻的原子还是有规则的排列着，但次近邻的原子就可能杂乱地分布着。我们可以这样认为，在无定形材料中，最邻近的第十个原子很可能开始完全无序地排列。1

半导体玻璃应用非晶硅太阳能电池。

太阳电池太阳的能量人们常说，万物生长靠太阳。这话一点不假。如果没有太阳提供的光和热，地球上几乎所有的生物都将面临灭顶之灾，人类也不例外。

太阳是离地球最近的一颗恒星，直径比地球大100多倍。太阳是一个巨大炽热的大火球，其表面温度高达6000℃，而其中心的温度更是高达2000万℃，在如此之高的温度下，还有什么物质能不被熔化呢？！

太阳的巨大能量是从哪里来的呢？研究表明，太阳本身就是一个大原子核聚变反应堆。这种反应是氢聚变为氦的热核反应。

热核反应使太阳向空间辐射出惊人的巨大能量。据推算，太阳总辐射功率约为3.75×l025瓦，这是一个多么令人不可思议的天文数字！

大家知道，地球的平均半径为6371公里，其总表面积约为5.1亿平方公里。太阳投射到地球所在范围内的辐射功率约为1.8×1017瓦，这仅占太阳辐射总功率的1/22亿左右。

据粗略估计，辐射到地球所在范围内的太阳能约有1/3被地球大气层反射回宇宙空间去了，还约有1/3被大气层吸收，剩下1/3多一点的太阳能才能到达地球表面。这样看来，辐射到地球表面的太阳能的功率约为6×1016瓦。别小看这个数字，它大约为目前世界上各种能源产生的总功率的20000倍！1

太阳能电池利用太阳能的方法有很多，其中最具吸引力的是太阳能电池。只要你稍加留意，在一些比较高档的电子手表的表面上以及某些电子计算器的面板上，都有几块在阳光下闪闪发光的亮片，这就是半导体太阳能电池。只要安装上这种小片片，电子表和计算器就不再需要安装电池了，使用起来十分方便。

半导体材料有一种效应叫做光生伏打效应。这种效应是指，当半导体材料受到光照时，半导体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的效应。此时，不需要任何外加电源，只要有光照射，半导体的两端就会产生电势差，接上负载后就会产生电流。我们把这类半导体元件称为光电池或太阳能电池。这是一种把太阳能直接转变为电能的装置。据报道，目前太阳能电他的能量转换效率已可达到20%左右。

目前，研究比较多的太阳能电池材料有硅、砷化镓、硫化镉等，其中硅太阳能电池效果最好。大家知道，硅是一种半导体材料，要做成硅太阳能电池，必须在硅片上外延一层掺有不同杂质的薄膜以形成p-n结。由于硅单晶的尺寸受到制造设备等因素的制约，所以目前最有吸引力的是非晶硅太阳能电池。半导体玻璃，即非晶硅，制造工艺比较简单，也可制造出很大尺寸的薄膜材料，适合于工业化大规模生产，因而显示出巨大的应用前景。2

半导体玻璃的应用前景太阳能电池的用途可大了！例如，人造卫星安装上太阳能电池后，可以长期为卫星提供能源。现在已研制成功适合于小型轿车和飞机用的太阳能电池。安装了这种新能源的汽车和飞机不再需要其他任何燃料，无任何环境污染，可以长期使用。人造卫星、宇宙飞船更是离不开太阳能电池。将来，每幢楼房都可以安装一个小型太阳能“电站”：在楼顶铺一层半导体玻璃薄膜材料，有阳光照射时就会产生电力，把多余的电力存到蓄电池中，到了夜间或阴雨天，再由蓄电池向每个家庭供电。这样，我们做饭、取暖、洗衣、看电视，就不再需要消耗别的能源了。据测算，按现在一般水平计算，每10米2的太阳能电池每天可提供约5度电能，这些电能足够一个家庭使用一天。

值得指出的是，目前太阳能电池的造价还偏高，效率也还偏低，要大规模使用仍有困难。但是，随着科学技术的进步，许多家庭和工厂用上太阳能电池的日子已经为期不远了。

半导体玻璃的应用已十分广泛，非晶态硅太阳能电池是人们最为关注的非晶材料的应用之一。该项研究开始于20世纪70年代，到80年代硅太阳能电池的转换效率已达到10%~20%。硅太阳能电池从1984年起已不再局限于计算器、手表、干电池充电器等小型电器供电，而是开始向农田灌溉、住宅用电等电力装置发展。因而，硅太阳能电池已成为发展最快、市场潜力最大的非晶半导体器件之一。

光电复印机的心脏部件是一个圆柱形金属鼓，其上用真空蒸发法沉积的一层非晶态硒是一种半导体薄膜，它是一种光导体，通过曝光，其电子电导率大大加强。静电复印技术就是利用了非晶态硒的这种奇特的光电特性。

除此之外，半导体玻璃还广泛地应用于其他光敏器件、发光器件、场效应器件、热敏器件、电子开关与光盘等方面。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所