光生伏特效應(yīng)與光伏電池

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1、光生伏特效應(yīng)及光電池的廣泛應(yīng)用我們知道，光生伏特效應(yīng)是指半導體在受到光照時，內(nèi)部產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。當然，這種光必須在一定的波長范圍內(nèi)，半導體一般為非均勻半導體例如P-N結(jié)。如果此時將P-N結(jié)短路，就會出現(xiàn)光生電流。那么，這種P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)其深層的原因是什么？現(xiàn)代半導體理論揭示了這一現(xiàn)象的原理：設(shè)入射光垂直P-N結(jié)面，結(jié)比較淺，光子講進入P-N結(jié)區(qū)，甚至深入到半導體內(nèi)部。能量大于禁帶寬度的光子，由本征吸收在結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子-空穴對。事實是，這種光激發(fā)對少數(shù)載流子濃度的影響很大。另一方面，由于P-N結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在較強的內(nèi)建電場（

2、由n區(qū)指向p區(qū)），少數(shù)載流子將受該場的作用，p區(qū)的電子穿過P-N結(jié)進入n區(qū)；n區(qū)的空穴進入p區(qū)，使p端電勢升高，n端電勢降低，于是在P-N結(jié)兩端形成了光生電動勢，由于光照產(chǎn)生的載流子各自向相反方向運動，從而在P-N結(jié)內(nèi)部形成自n區(qū)向p區(qū)的光生電流I。另外，需要說明的是，金屬-半導體形成的肖特基勢壘層也能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)（肖特基光電二極管）。其電子運動過程和P-N結(jié)相類似。光電池的原理又是怎樣？基于上述P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)原理，由于光照在P-N結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當于在P-N結(jié)兩端加正向電壓V，使勢壘降低，產(chǎn)生正向電流。在P-N

3、結(jié)開路情況下，光生電流和正向電流相等時，P-N結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢差，這就是光電池的開路電壓。如果將P-N結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會有源源不斷的電流通過電路，換言之，P-N結(jié)起了電源的作用。這便是光電池的基本原理。實際生產(chǎn)中的光電池實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當光照射到PN結(jié)的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。下面，我想詳細談?wù)勌柲茈姵氐膹V泛應(yīng)用及其前景。眾所周

4、知，地球的各種自然能源正在一步步走向衰竭。這些資源無非只有這些：淡水、森林、土地、生物種類、礦山、化石燃料（煤炭、石油和天然氣）。以中國為例，作為世界上人口最多的國家，其淡水資源十分缺乏，許多城市缺水，人均森林、土地面積更是少之又少。雖然化石燃料的總量豐富，但由于社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，其開發(fā)規(guī)模嚴重超標，“用完”的那天并非十分遙遠。另外，化石燃料這種舊能源，其環(huán)境污染的程度也不容忽略。于是，太陽能電池的優(yōu)越性此時展露無余：豐富性（幾乎取之不盡用之不竭）、清潔性（不存在任何形式的對于環(huán)境的污染）。正因為此，太陽能電池已成為幾十年來乃至未

5、來能源產(chǎn)業(yè)的重頭戲。世界上第一塊實用型半導體太陽能電池源自于美國貝爾實驗室（那是1954年）。經(jīng)過人們40多年來卓越的努力，太陽能電池的研究、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化已取得巨大進步。目前，太陽能電池已成為空間衛(wèi)星的基本電源和地面無電、少電地區(qū)及某些特殊領(lǐng)域（通信設(shè)備、氣象臺站、航標燈等）的重要電源。隨著太陽能電池制造成本的不斷降低，太陽能光伏發(fā)電將逐步地部分替代常規(guī)發(fā)電。有科學家預言，到21世紀中葉，太陽能光伏發(fā)電將占世界總發(fā)電量的15%~20%，成為人類的基礎(chǔ)能源之一，在世界能源構(gòu)成中占有重要的地位．相信終有一日，我們所用的能源大都能取自于太

6、陽能?？v觀太空飛行器的領(lǐng)域，迄今為止翱翔于太空的成千個人造飛行器中，大多數(shù)都配備了太陽能電池系統(tǒng)。第一顆人造衛(wèi)星上天，是光伏技術(shù)開發(fā)利用的起點，經(jīng)過近五十年的發(fā)展，它已形成一門新的光伏科學與光伏工程。無論是在宇宙飛行中的應(yīng)用，還是作為地面發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，從開發(fā)速度、技術(shù)成熟性和應(yīng)用領(lǐng)域來看，光伏技術(shù)都是新能源中的佼佼者。太陽電池作為有潛力的可再生能源，在地面上也逐漸得到推廣。太陽電池的成本及售價也在逐年下降，多年來太陽電池的產(chǎn)量一直以10-25％的增長率在增加。實際生產(chǎn)中的光伏發(fā)電具有許多優(yōu)點，比如：安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨

7、處可得、不受地域限制、無須消耗燃料、無機械轉(zhuǎn)動部件、故障率低、維護簡便、可以無人值守，建站周期短、規(guī)模大小隨意、無須架輸電線路和可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點都是其它發(fā)電方式所不及的。目前國際上大量使用的電池為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池三種，我國生產(chǎn)單晶硅太陽電池的效率在12-13％，多晶硅太陽電池在10％，非晶硅太陽電池在5-6％。晶體硅太陽電池在研究上是朝著高效率化、薄片化、大面積化的方向發(fā)展?？偟膩碚f，利用“光生伏特效應(yīng)”的應(yīng)用十分廣泛，并且發(fā)展迅速。不僅可以通過此效應(yīng)制作光電池，還可以制作光敏二極管

8、、光敏三極管，反轉(zhuǎn)光敏二極管（利用側(cè)向光生伏特效應(yīng)）。一門學問的誕生、發(fā)展，直到其完整的應(yīng)用，往大里說是為了全人類，往小一點說更是為了我們祖國。我們有必要說明光伏電池產(chǎn)業(yè)對于中國的應(yīng)用和前景。一組數(shù)據(jù)顯示：1990年世界太陽能電池組件