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光电效应与金属太阳电池

发布日期:2017-11-24 15:52:58 【关闭】
摘要:1887年,由Heinrich Hertz 在实验上发现了光电(photoelectric)效应。1905年,爱因斯坦采用了光量子(photon)的概念,从理论上成功地解释了这一现象。当时的光电效应是描述光子入射到金属表面,金属内的电子吸收足够的光子能量而离开金属,称为真空中自由电子。在实验设置上,是用二片金属和一个电源一个电源连接起来,受光照的金属当作阴极发射器(cathode emitter),没有光照的金属当作阳极接收器(anode collector),外加电场使光照后逃离金属的电子,从阴极跑到阳极吗,形成光电流(phtocurrert)。
   1887年,由Heinrich Hertz 在实验上发现了光电(photoelectric)效应。1905年,爱因斯坦采用了光量子(photon)的概念,从理论上成功地解释了这一现象。当时的光电效应是描述光子入射到金属表面,金属内的电子吸收足够的光子能量而离开金属,称为真空中自由电子。在实验设置上,是用二片金属和一个电源一个电源连接起来,受光照的金属当作阴极发射器(cathode emitter),没有光照的金属当作阳极接收器(anode collector),外加电场使光照后逃离金属的电子,从阴极跑到阳极吗,形成光电流(phtocurrert)。
   从固体物理学的角度,金属的电子能带结构和半导体、绝缘体是不一样的。在金属中,电子可以自由运动的导带与电子处于原子成键价带是重叠的,也就是说,金属内价带中的电子也可以成为自由运动的导电电子。而且,金属内的电子能带结构有二个重要的参数描述它的物理特征,飞米 能(Fermienergy)和真空能级(vacuum  level),真空能级和费米能的能量差就是所谓的功函数(work  function).简单的说,在温度ok时,费米能是指金属内的电子占据的最高能级。即:在温度OK时,费米能以下,填满电子,费米能以上,没有电子。功函数则是金属内荷正电离子对负电子的净束缚能。若电子脱离金属金属的束缚而跃升至真空能级,就变成真空中自由电子。通常有二种方式可以让电子获得额外的能量,脱离金属的束缚,跃升至真空能级。一是加热,电子吸收声子的能量,产生热电子发射,或是光照,电子吸收光子的能量,产生光电效应。
   理论上,利用金属的光电效应也可以制备太阳电池。有光照的金属,其电子吸收光子的能量。从费米能以下的低能级跃升至费米能以上的高能级,当然如果光子能量大于功函数,电子就会跃升至真空能级,称为真空中的自由电子。但是电子的能量分布函数中有二个重要的物理参数:化学势和温度。吸收光子至高能级的电子,经由电子-电子碰撞,就会提高整个金属电子的化学势与温度。也就说,有光照的金属其化学势会稍微大于没有光照的金属的化学势。因此,有光照的和无光照的两金属之间存在一个电压差,也就是太阳电池的开路电压。当有光照的和无光照的两金属间用导线连接时,光照金属端真空能级的自由电子,就会因这个电压差的驱使,从阴极传输至阳极接收器,形成光电流,也就是金属体太阳电池的短路电流。
   然而金属的光电效应来做太阳电池的最大物理限制,乃至于一般金属的功函数大部分在3至5ev之间,因此只有能量在紫外线以上的光子才能被吸收产生光电流,而太阳光紫外线以上的辐射只占很小部分。也就是说,金属光电效应的太阳电池其最大光-电转换效率可能不超过1% ,实验结果表明,只 有约0.001%。所以,利用金属的光电效应来做太阳电池,其输出电流甚小,而且输出电压也不很大,使得输出的电功率没法进行实际应用。就像是金属真空 二极管被半导体固态二极管取代一样,至今绝大部分的太阳电池是半导体材 料,而非金属材料。太阳电池是利用半导体的光生伏特效应,而不是金属的光 电效应,虽然二者在原理上是类似的。在金属的光电效应中,光子的能量被吸 收,让电了从费米能附近跃升至真空能级。而在半导体的光生伏特效应中,光 子的能量被吸收,使电子从价带跃过能隙至导带。一般的半导体能隙约为 1〜2eV, 可吸收的光是红外线或可见光,最大光-电转换效率自然远超过金属。 另外,半导体可以传导载流子,除了带负电荷的导带中电子,还有带正电荷的 价带中空穴(也就足价带中空缺态),这种双极性的导电,也是金属所不具备的特性。

  • kaikai 说:
    这款产品还不错 2017/11/17 11:17:19
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