【正文】 說，半導(dǎo)體的 Dember效應(yīng)不是很明顯。如器件的金屬接觸不是良好的歐姆接觸 (ohmic contact)， 則金屬－半導(dǎo)體形成的 Schottky接觸的光伏效應(yīng)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過純粹的半導(dǎo)體的 Dember效應(yīng)。 14 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 愛因斯坦的光電效應(yīng)理論 ? 愛因斯坦從普朗克的能量子假設(shè)出發(fā)，提出光子(photon)的概念。光子的能量 ε = hν （普朗克常數(shù) h= ，光子頻率 ν ）。當(dāng)光照射在金屬表面上，金屬表面的一個(gè)自由電子從入射光中吸收一個(gè)光子后，就會(huì)得到能量 hν ，如果 hν 大于電子從金屬表面逸出時(shí)所需的逸出功 A，這個(gè)電子就可從金屬表面逸出，逸出的電子可被稱為光電子。 ? 根據(jù)能量守恒定律，愛因斯坦提出 光電效應(yīng)方程 : hν =1/2(mvm2)+ A ? 189。(mvm2)是光電子的最大初動(dòng)能。 15 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 16 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 愛因斯坦的光電效應(yīng)理論 ? 光電效應(yīng)方程說明三個(gè)問題 : ? 第一，光電子的初動(dòng)能與入射光頻率之間的線性關(guān)系，即入射光的強(qiáng)度增加時(shí)，光子數(shù)也增多，因而單位時(shí)間內(nèi)光電子數(shù)目也隨之增加，這即可說明飽和電流或光電子數(shù)與光的強(qiáng)度之間的正比關(guān)系。 ? 第二，假定 1/2(mvm2)＝ 0，則 ν 0=A/h,這表明頻率為 ν 0的光子具有發(fā)射光電子的最小能量。如果光子頻率低于 ν 0（紅限），不管光子數(shù)目多大，單個(gè)光子沒有足夠的能量去發(fā)射光電子。紅限相當(dāng)于電子所吸收的能量全部消耗于電子的逸出功時(shí)入射光的頻率。 ? 第三，當(dāng)一個(gè)光子被吸收時(shí)，全部能量就立即被吸收，不需要積累能量的時(shí)間，這就說明了光電效應(yīng)的瞬時(shí)發(fā)生的問題。 ? 由于愛因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子思想，提出了光子假說，所提出的光電效應(yīng)方程成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，從而榮獲 1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。就對人類的貢獻(xiàn)而言，光電效應(yīng)大于相對論， 1921年授獎(jiǎng)只字不提相對論，看來諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)具有 “ 難得糊涂 ” 的先見之明。 17 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 光伏效應(yīng) ? 光伏效應(yīng) (photovoltaic effect)是指半導(dǎo)體表面在光的照射下，光子的能量被吸收，讓電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。 ? 一般的半導(dǎo)體的能隙寬度為 1－ 2 eV，其可吸收可見光到紅外線。另外，在半導(dǎo)體中可以傳導(dǎo)的除了帶負(fù)電的電子外，還有帶正電的空穴，這種雙極性的導(dǎo)電機(jī)制是金屬所不具有的。 ? 光電化學(xué)效應(yīng) (photoelectrochemical effect)也可通過光照產(chǎn)生電壓，一般會(huì)涉及到電介質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。染料敏化太陽電池 (dye –sensitized solar cell： DSC） 就是以此效應(yīng)為基礎(chǔ)的。 18 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 pn結(jié)的形成與特性 ? 半導(dǎo)體中的導(dǎo)電類型： n型硅晶體是指在硅晶體中加入 V族元素（如磷）作為施主 (donor)， 提供導(dǎo)帶電子。 p型硅晶體是指硅晶體中加入III族元素作為受體 (acceptor)， 提供價(jià)帶空穴。因此，半導(dǎo)體材料中具有四種帶電電荷：帶負(fù)電的電子，帶正電的空穴，帶負(fù)電的受主離子和帶正電的施主離子。前兩種是可動(dòng)的，而后兩種是不動(dòng)的。 ? pn結(jié)的形成和特性： 將 p型半導(dǎo)體與 n型半導(dǎo)體接觸，就形成 pn結(jié)(junction)。 在 pn結(jié)附近，電子會(huì)從濃度高的 n型區(qū)向濃度低的 p型區(qū)擴(kuò)散，與此同時(shí)，空穴會(huì)從濃度高的 p型區(qū)向濃度低的 n型區(qū)擴(kuò)散。結(jié)果在 pn結(jié)附近的區(qū)域電中性被打破，即靠近 n型區(qū)附近產(chǎn)生正電荷區(qū)，靠近 p型區(qū)附近產(chǎn)生負(fù)電荷區(qū)，兩者通稱為空間電荷區(qū) (space charge region)。 由于帶負(fù)電的受主離子和帶正電的施主離子都是固體在晶體中的，即形成從 n型區(qū)指向 p型區(qū)的內(nèi)建電場。 19 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本原理 ? 太陽能輻射可以等同于一個(gè)表面溫度為 5800 K的黑體輻射，輻射的能量的波長基本上分布在 250－ 2500 nm范圍，其中紫外線占約 6－ 7％，可見光占約 46％和紅外線占約 47％。 ? 一般來說，利用光電效應(yīng)也可以制作太陽電池。在金屬的光電效應(yīng)中，光子的能量被吸收，電子從費(fèi)米能級（ Fermi energy）附近躍遷到真空能級。但從理論上分析，金屬光電效應(yīng)的太陽電池的最大轉(zhuǎn)換效率不超過 1％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只有 ％。這主要是存在物理限制：即一般金屬的功函數(shù)大部分都在 3－ 5 eV之間，如此只有紫外線的光子才能產(chǎn)生光電流，但太陽光中紫外線僅占很少一部分，因此，利用金屬的光電效應(yīng)制作太陽電池?zé)o法進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。 ? 至今為止，實(shí)際使用的太陽電池主要是利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)制作的。一般的半導(dǎo)體帶隙多在 1－ 2 eV之間，其可吸收太陽光中的紫外線、可見光到紅外線（對晶體硅來說從紫外到部分紅外線 250－ 1100 nm）。 20 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本原理 ? 太陽電池作為光電轉(zhuǎn)換器件必須具備的條件： 1. 入射光子能夠被吸收產(chǎn)生電子－空穴對 2. 電子－空穴對在復(fù)合前被分離 3. 分開的電子與空穴能夠傳輸?shù)截?fù)載 21 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本原理 ? 目前占太陽電池的主流地位的是晶體 Si 太陽電池。實(shí)現(xiàn)太陽光到電流轉(zhuǎn)換的核心結(jié)構(gòu)是晶體 Si 的 pn 結(jié)。在光照下條件下，由于內(nèi)建（ builtin）電場的作用，在 pn 結(jié)附近產(chǎn)生的電子－空穴對被分離，電子向 nSi 區(qū)漂移，空穴向 pSi 區(qū)漂移，從而產(chǎn)生從 nSi 區(qū)到 pSi 區(qū)的漂移電流，即所謂的光電流。對于具有 n＋ / p 結(jié)構(gòu)的晶體硅太陽電池而言，產(chǎn)生的光電流方向是從 nSi 區(qū)到 pSi 區(qū)，這正好與一般pn結(jié)二極管的正向電流相反。 ? 在太陽電池中 pn 結(jié)的空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場的作用就是使入射光子產(chǎn)生的電子－空穴對在復(fù)合（ rebination）之前被分離，并形成光電流通過金屬電極（ metal contact）給負(fù)載供電。 ? 在光照條件下，如果將太陽電池正負(fù)級直接連接，即短路，即可都到短路電流（ shortcircuit current）即光電流；如將太陽電池兩端不連接任何負(fù)載，即開路，即可測得開路電壓（ opencircuit voltage）。開路電壓也被稱為光電壓（ photovoltage），這也是光伏（photovoltaics）一詞的由來。 22 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本原理 ? 太陽電池的最核心部分是 pn 結(jié)，主要有發(fā)射區(qū)、空間電荷區(qū)和基區(qū)組成組成。其中發(fā)射區(qū)為受光面，通常 pn 結(jié)是通過在一個(gè) pSi 或 nSi基片上通過熱擴(kuò)散形成的。 ? 當(dāng)入射光照上太陽電池上時(shí)，在發(fā)射區(qū)、空間電荷區(qū)和基區(qū)同時(shí)都將產(chǎn)生電子－空穴對。由于發(fā)射區(qū)和基區(qū)為準(zhǔn)電中性區(qū)域，所形成的光電流為擴(kuò)散電流，這由少數(shù)載流子決定，而多數(shù)載流子并不參與導(dǎo)電。在內(nèi)建電場的作用下，空間電荷區(qū)的電子和空穴對光電流都有貢獻(xiàn)，形成所謂的漂移電流。 ? 以晶體 Si 的 n＋ / p 型電池為例：在光照下， nSi 中的少子－空穴在空間電荷區(qū)的附近會(huì)向 pSi 區(qū)域擴(kuò)散形成電流； pSi 中的少子－電子在空間電荷區(qū)的附近會(huì)向 nSi 區(qū)域擴(kuò)散形成電流；而空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電子向 nSi 區(qū)域漂移和產(chǎn)生的空穴向 pSi 區(qū)域漂移。這樣在三個(gè)區(qū)域就形成了從 nSi 到 pSi 的一致方向的光電流。這就是太陽電池的工作原理。 23 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本原理 ? 除了空間電荷區(qū)的電子和空穴要受內(nèi)建電場的作用外，在發(fā)射區(qū)和基區(qū)的少子由于要穿過空間電荷區(qū)也將受到內(nèi)建電場的作用，在空間電荷區(qū)將被加速。 ? 由此可見，太陽電池的核心結(jié)構(gòu)是 pn 結(jié)，而 pn 結(jié)中的空間電荷區(qū)由施主正離子和受主負(fù)離子形成的內(nèi)建電場是實(shí)現(xiàn)電子－空穴分離的最重要的物理?xiàng)l件。 ? 綜上所述，在太陽光照射下， 以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的太陽電池的光電流主要來自以下三個(gè)部分： 1. 空間電荷區(qū)的電子和空穴在內(nèi)建電場作用下形成的漂移電流； 2. nSi 區(qū)的少數(shù)載流子－空穴所形成的擴(kuò)散電流； 3. pSi 區(qū)的少數(shù)載流子－電子所形成的擴(kuò)散電流。 ? 一般而論，太陽電池（ solar cell）是指任何能將太陽光直接轉(zhuǎn)換為電力（ electric power）的器件，這里要強(qiáng)調(diào)的直接轉(zhuǎn)換。 24 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的等效電路 ? 太陽電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積的 pn 結(jié)，它的基本特性可借助一個(gè)理想二極管的電流－電壓關(guān)系來分析。 ? 理想二結(jié)管的電流－電壓關(guān)系式為： I = Is ( e V/VT – 1 ) ? 這一方程確定一條電流－電壓關(guān)系曲線，如作以 x軸為電流， 以 y軸為電壓的一個(gè)坐標(biāo)系，則電流－電壓曲線主要分布在第一象限，從零點(diǎn)開始，電流隨電壓增加呈現(xiàn)單調(diào)指數(shù)增加。 其中： I－ 電流， V－ 電壓， Is－ 飽和電流（ saturation current）， VT = kB T/q0 ，其中 kB 為 Boltzmann常數(shù) , q0 – 電子電荷， T－ 絕對溫度， 在室溫下 VT = V。 ? 正常的二極管的 pSi 端 為正極， nSi 端 為負(fù)極，二極管內(nèi)電流從在 pSi 端 到 nSi 端 ，但太陽電池中的電流方向是從 nSi 端 到 pSi 端 ，這正好與二極管相反。 25 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的理想化等效電路模型 太陽電池的能量轉(zhuǎn)換可用理想化等效電路模型來說明。圖中 IL是入射光產(chǎn)生的恒流源的強(qiáng)度，恒流源來自太陽輻射所激發(fā)的過量載流子。 Is是二極管飽和電流， RL是負(fù)載電阻。 26 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的等效電路 ? 相對與二極管，太陽電池在光照情況下產(chǎn)生的光電流 IL 為負(fù)值，即 ? I = Is ( e V/VT – 1 ) – IL ? 如無光照 IL ＝ 0，太陽電池就是一個(gè)普通的二極管 ? 當(dāng)太陽電池短路，即 V = 0 ，則 I ＝ – IL = Isc ，即光電流就等于短路電流。 ? 當(dāng)太陽電池開路，即 I ＝ 0， 則開路電壓為： ? VOC = VT ln ( IL / Is ＝ 1 ) ? 相對于二極管的電流－電壓關(guān)系曲線，太陽電池的電流－電壓關(guān)系曲線向下移動(dòng) IL 距離，即從第一象限移動(dòng)到第四象限。但為了簡單起見和方便分析，一般將這電流－電壓曲線以 y 軸（電壓）為對稱軸旋轉(zhuǎn) 180度放到第一象限。 27 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的等效電路 太陽電池電流 電壓特性曲線 28 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池 IV特性曲線分析 ? 特征點(diǎn)分析： １－電路負(fù)載為０，即太陽電池短路，電壓為０，但電流達(dá)