光伏效应_太阳能发电基础原理

太阳电池从科学原理发现到目前的技术应用已经度过了 170多年发展历史。 从太阳电池技术所基于的科学原理光生伏打效应，即光伏效应的发现[28]，经过美国 贝尔实验室第一片实用性的晶体硅太阳电池的发明[M]以及技术的不断创新发展， 直到包括材料、器件、系统及各种技术应用的整个光伏产业链形成，光伏技术展现了 具有与化石能源发电技术竞争的强大发展潜力。为了准确、全面、系统地认识太阳 能光伏科学与技术相互促进所形成的革命性发电方式，有必要对光电效应、光伏效 应及太阳电池等一些重要概念进行说明。

光电效应（photoelectric effect)现象最早在1887年由德国科学家赫兹 (Heinrich Hertz)在从事电磁波实验时发现的，即金属表面在光的照射下发射电子 的现象。因为一般金属材料的功函数大多在3〜5 eV之间，所以在太阳能中只有紫 外光部分才能被吸收来产生光电子。而太阳光中紫外线以上的辐射只占很小的一 部分(10%以下），因此，利用金属的光电效应来产生电流的可能性是很小的。为了 科学解释光电效应，爱因斯坦从普朗克的能量子假设出发，提出光子（photon)的概 念[29]。即光子具有能量£=&(其中普朗克常数A = 6. 626X 10_34Js，v为频率）。当 光子照射在金属表面上，金属表面的一个自由电子从入射光中吸收一个光子后，就 会得到能量&，如果hv大于电子从金属表面逸出所需的逸出功，这个电子就可从金 属表面逸出，所逸出的电子可被称为光电子。

光伏效应(Photo Voltaic Effect: PVE)是表示半导体表面在太阳光的照射下， 光子的能量被吸收，使电子从价带跃迁到导带，从而产生电子-空穴对。一般的半导 体的能隙宽度多在1〜2 eV之间，而太阳辐射的光子能量分布在0. 5〜5 eV,即从紫 外线、可见光到直到近红外线范围。此外，在半导体中可以传导的除了带负电的电 子外，还有带正电的空穴，这两种不同导电类型的载流子的导电机制是金属中所没有的,这也是造成半导体成为太阳电池主导材料的原因所在。

光电化学效应（photoelectrochemical effect)也可通过光照产生电压，一般会涉 及电介质和化学反应。染料敏化太阳电池就是以此效应为基础的。

光电效应与光伏效应在本质上是相同的，而就所产生的电子的位置而言，也可 以将这两者区分为外光电效应和内光电效应。但不管是光电效应、光伏效应还是光 化学效应都可以产生光电子，这也是形成光电流（photocurrent)的一个必要条件。 目前人们普遍认为，光伏效应是太阳电池发展的基础，而作为光能到电能的转换器 件的太阳电池必须具备以下三个基本条件:
(1)人射光子能够被吸收并产生电子-空穴对。
(2)所产生的电子-空穴对在可能的复合之前就能够被分离开来。
(3)分开的电子与空穴能够被传输到外电路及电负载上。

按照以上条件，最适合的材料就是半导体。像所有半导体器件一样，实现太阳 电池的核心结构也是P-n结，而p-n结中的空间电荷区由施主正离子和受主负离子 形成的内建电场是实现电子-空穴分离的最重要的物理条件。就以P-n结为基础的 晶体硅太阳电池而言，在太阳光照射下，太阳电池的光电流主要来自以下三个 部分：
(1)空间电荷区的电子和空穴在内建电场作用下形成的漂移电流。
(2) n-Si区的少数载流子一空穴所形成的扩散电流。
(3) p-Si区的少数载流子一电子所形成的扩散电流。

更新时间：2015-3-1 22:19:04
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