光电效应与光伏效应

《光电效应与光伏效应》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、光电效应与光伏效应高效率太阳能电池的发展探讨上海大学－光伏材料与器件R&D实验室（2008年8月25日）一、引言本文将介绍并讨论光电效应（photoemission）与光伏效应（photovoltaiceffect）的关系，以及它们在太阳电池中的应用。并将针对现在还在研发阶段的超高效率太阳电池，做一简单、深入的探讨。在科技界、甚至全社会，只要提起爱因斯坦，大家马上就会联想到他的相对论。至于狭义相对论所提到的基本概念，譬如说，若物体跑得越快，则时间变得越慢，长度变得越短，和质量变得越重，更是令一般人

2、深感迷惑。而爱因2斯坦最有名的质－能公式E=mc和他个人与原子弹的发展之种种瓜葛，更足以说明他在二十世纪的历史地位。一般认为，二十世纪物理学的发展，有二个最重要的方面，即：量子力学和相对论。量子力学是众多物理学家的集体创作，完善于上世纪二、三十年代，但相对论却可以说大部分是爱因斯坦个人的智能结晶。有趣且费解的是，1921年诺贝尔物理奖颁发给爱因斯坦的理由，并不是相对论，而是他在光电效应方面的贡献，也没有只字提到相对论。当然，光电效应是跟量子论有关，也就是说，当时诺贝尔物理奖励委员会认定，爱因-1-斯

3、坦在光量子论方面的贡献远大于他的相对论。这是因为在当时，许多人还不能接受爱因斯坦的相对论，甚至有人还写了一本书《一百个反对爱因斯坦的理由》，当然爱因斯坦还是以他一贯充满智慧的语言予以回应说“假如我是错的，一个理由就够了”。就是现在，或许还有人对于诺贝尔奖颁给爱因斯坦在光电效应方面的贡献，却没有提到相对论，仍觉得不可思议。但是，若从光电效应及其后续所衍生的相关应用光伏效应和太阳能电池，对目前人类的实质贡献，就可以理解这个决定了。所以我们说，诺贝尔奖励委员会还真是有难得胡涂的先见之明。本文将对太阳电池

4、，尤其是现在还在研发阶段的超高效率太阳电池，做一简单、深入且广泛的介绍。二、光电效应与金属太阳电池1887年，由HeinrichHertz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，成为真空中的自由电子。在实验设置上，是用二片金属和一个电源连接起来，受光照的金属当作阴极发射器(cathodeemitter)，没有光照的金属当

5、作阳极接收器(anodecollector)，外加电场使光照后逃离金属的电子，从阴极跑到阳极，形成光电流(photocurrent)。-2-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的价带是重叠的，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，费米能(Fermienergy)和真空能级(vacuumlevel)，真空能级和费米能的能量差就是所谓的功函数(w

6、orkfunction)。简单的说，在温度0K时，费米能是指金属内的电子占据的最高能级。即：在温度0K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的离子对负电子的净束缚能，若电子脱离金属的束缚而跃升至真空能级，就变成真空中的自由电子。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(thermo-emission)，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

7、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，成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(chemicalpotential)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。也就是说，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-3-m差，也就是太阳电池的开路电压（Voc）。当有光照的和

8、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m（Isc）。然而，利用金属的光电效应来做太阳电池的最大物理限制，乃在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