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光伏效应与半导体太阳电池

发布日期:2017-11-17 14:35:06 【关闭】
摘要:

   假如仅仅是望文生义的话,任何器件只要能转换入射光子的能量直接产生输出电压,就可称为光生伏特效应(photovoltaic effect),当作太阳能电池来 用,这样的定义既不科学,也不精确。臂如说,半导体的Dember效应(或称为 photo-diffusion效应)也能转换入射光子的能量直接产生输出电压。但足, Dember效应足描述当光照到半导体表面,光子被吸收产生电了-空穴对,半导 体表面的载流子浓度增加,向半导体内部扩散,但电了和空穴的扩散系数不一 样,电子和空穴在空间的分布就不相等,因此会在分布不均的电子和空穴间产 生内建电场,这个内建电场产生的总和效应,就成为实验所测量到的Dember 电压。也就说,光照到半导体被吸收也会因Dember效应产生Dember电压。一般而言,半导体的Dember效应不是很显著,如果器件的金属接触不是良好的 欧姆接触(ohmic contact),则金属-半导体形成的Schottky接触之光生伏特效 应会远超过半导体的Dember效应。这样,测量到的输出电压会是金属-半导体二极管的光生伏特效应,而非半导体的Dember效应。除了 Dember效应外,还 有另一种物理化学机制一光电化学效应(photoelectron - chemical effect)也可以 经光照后产生电压,但这一效应,一般而言,因为须要用到电解质 (electrolyte),且涉及化学反应,因此本文除了针对近来相当热门的染料敏化电 池(dye-sensitized solar cell,DSSC)做一简单介绍外,其它利用光电化学效应 的太阳电池,就不在此做深入探讨。

gooxian-光伏效应


   光生伏特效应是指光子入射到半导体的P-n结后,从p-n结的二端电极产 生可输出功率的电压伏特值。这一过程包括光子入射到半导体内产生电子-空穴 对,电子和空穴因半导体结形成的内建电场作用而分离,电子和空穴往相 反的方向各自传输至二端电极来输出。所以,光生伏特效应一般是和p-n结的 特征有关。若以硅晶体为例,n-型硅是指加入V族元素(如磷)作为施主 (donor),提供导带电子。P-型硅则是指加入HI族元素(如硼)作为受主(donor), 提供价带空穴。如此半导体便可以有四种带电荷的粒子:带负电荷的电子,带 正电荷的空穴,带负电荷的受主离子,和带正电荷的施主离子。前二者是可动 的,而后二者是不可动的。未接触前,n-型和p-型半导体都是维持各自的电中 性(charge neutrality),也就是说,n-型半导体中,施主离子所带正电荷,约等于电子(n-型之多子)所带负电荷。P-型半导体中,受主离子所带负电荷,约等 于空穴(P-型之多子)所带正电荷。一旦n-型和p-型半导体接触,则形成p-n结区(junction)。在结区附近,电子会从浓度高的n-型区扩散至浓度低的p-型区, 相对地,空穴会从浓度高的p-型区扩散至浓度低n-型区。这样,在结附近的 区域,电中性便会被打破。n-型区在结附近会有施主正离子裸露而产生正电荷 区,而p-型区在结附近会有受主负离了裸露而产生负电荷区。而p-型产生产生的负电荷区就总称为空间电荷区(space charge region)。因为施 主正离子和受主负离子都固定于晶格中,因此n-型正电荷区和p-型负电荷区就 会形成一个内建(built-in)电场,这个空间电荷区的内建电场的方向是从n-型区 指向p-型区。如果入射光子在空间电荷区被吸收产生电子-空穴对,电子会因为内建电场的影响而向n-型区漂移(drift),相对地,空穴会因为内建电场的影响 而向p-型区漂移。也就是说,入射光子在空间电荷区被吸收产生电子和空穴, 因为内建电场的作用而产生从n-型区向p-型区的漂移电流,就是所谓的光电流 (photocurrent)。光生伏特效应中的光电流,是从n-型区流向p-型区,对p-n二极管而言,这刚好是反向偏压(reverse bias)的电流方向。

   在光生伏特效应中,p-n结的空间电荷区的内建电场的作用,就是使入射 光子被吸收产生电子-空穴对,在复合(recombination)前被分开,产生光电流。 光电流再经由二极管的金属接触(metal contact)传输至负载,这就是光生伏 特电池(photovoltaic cell或PV cell)的基本工作原理。如果将光照的p-n二极管二端的金属接触用金属线直接连接,就是所谓的短路(Short circuit),金属线的 短路电流(short-circuit current)就等于光电流。若光照的p-n二极管二端的金属不相连,就是所谓的幵路(open circuit),则光电流会在p-型区累积额外的空 穴,n-型区累积额外的电子,造成p-端金属接触较n-端金属接触有一较高的电 位势,也就是开路电压(open-circuit voltage),这个开路电压也被称为光电压 (photovoltage),也是光生伏特(photovoltaics)这一词的由来。
   当然,入射光并不只有在空间电荷区内被吸收才会产生光电流。光子在p- n二极管的其它区域中被吸收,就是所谓的淮电中性(quasi-neutral)区域,也能贡献光电流。只是准电中性区的光电流是扩散电流,而不是漂移电流,这种扩 散电流是由少数载流子决定的,多数载流子并不参与。也就是说,n-型准电中性区域的少数载流子一空穴,其在接近空间电荷区的地方会趋向到p-型区而浓 度降低,形成浓度梯度,因此n-型准电中性区域内的空穴就会形成往P-型区方 向的扩散电流。同理,P-型准电中性区域的少数载流子一电子,其在接近空间 电荷区的地方会趋向n-型区而浓度降低,因此p-型准电中性区域内的电子就会 形成往n-型区方向的扩散电流。所以,p-n二极管的光生伏特效应中的光电 流,主要来自于三个物理机制:空间电荷区内电子和空穴的漂移电流,n-型准 电中性区域少数载流子空穴的扩散电流,和P-型准电中性区域的少数载流子电子的扩散电流。
   通常,光生伏特电池所涉及的物理机制和过程是相当复杂的,随着电池的 材料和结构的不同而有所差异。但总的来说,任何光生伏特电池的工作需要有 三个必要条件:
1、 入射光子被吸收产生电子-空穴对。
2、 电子-空穴对在复合前被分开。
3、 分开的电子和和空穴传输至负载。
   对p-n半导体二极管而言,入射光子被吸收产生电子-空穴对取决于导带和 价带间的带间光吸收系数(interband absorption coefficient),而导带或价带自身 之内的吸收系数(intraband absorption coefficient)则是不会产生电子-空穴 对的。空间电荷区内施主正离子和受主负离了-形成的内述电场,是提供电子-空 穴对分开的物理条件。半导体的金属接触则将分开的电子和空穴传输至负载。必须强调的是,这三个条件也往往是决定设计光生伏特电池效率高低的重要因 素。
   太阳电池(solar cell)足指任何器件能吸收太阳光直接产生输出电功率 (electric power)。因为电功率足电压和电流的乘积,太阳电池吸收太阳光直接同 时输出电压和电流到负载,简单地说,就是太阳电池吸收太阳光能够产生一般 电池的功能,这里要强调的是直接。

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