谁发现了光伏效应?
所谓光生伏特效应,就是当物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生改变,产生电动势和电流的现象。当太阳光或其他光线照射到半导体的PN结上时,PN结的两侧就会出现电压,这个电压就叫光生伏特电压,这种现象就是著名的光生伏特效应。如果把PN结短路,就会产生电流。
1839年,法国物理学家A.E.贝克勒尔偶然发现,由两片金属浸入溶液中构成的伏打电池,在受到太阳光照射时,会产生附加的伏打电势,他把这种现象称为光生伏打效应。1883年,有人在半导体硒与金属接触处发现了固体光电效应。后来,能产生光电效应的器件就被称为光电器件。由于半导体PN结器件在太阳光照射下光电转换效率最高,所以通常把这类光电器件称为太阳能电池,又称光电池或太阳能电池。
光生伏特效应原理
“光生伏特效应”又称“光伏效应”,是指光照使不均匀的半导体或半导体与金属的不同部分之间产生电位差的现象。它首先是一个光子(光波)转换成电子、光能转换成电能的过程;其次是一个形成电压的过程。有了电压就好比修建了一座高坝,如果将二者连接起来,就会形成电流回路。
当太阳光照射到半导体pn结上时,就形成新的空穴电子对网校头条,在pn结电场作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路就形成电流。这就是光生伏特效应太阳能电池的工作原理。
PN结的形成
同质结是通过对一块半导体进行掺杂,形成P区和N区。由于杂质的活化能很小,杂质在室温下几乎被电离成受主离子NA-和施主离子ND+。在PN区界面处,由于载流子的浓度差,它们相互扩散。试想,在结形成的瞬间,N区的电子为多数载流子,P区的电子为少数载流子,这样电子就从N区流向P区,电子与空穴又相遇复合,这样原来是N区的结面附近电子就变得很少,剩余的未中和离子ND+就形成正空间电荷。同样,空穴从P区扩散到N区后,不能移动的受主离子NA-就形成负空间电荷。 P区与N区界面两侧产生了不能移动的离子区(也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层),出现了空间电双层,形成了内部电场(称内建电场)。这个电场在两个区域内阻碍多数载流子的扩散,却有助于少数载流子的漂移,直到扩散流等于漂移流而达到平衡,在界面两侧建立起稳定的内建电场。
光电效应
光伏效应是指光照使不均匀的半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是一个光子(光波)转换成电子、光能转换成电能的过程;其次是一个形成电压的过程。有了电压就好比修建了一座高坝,如果两者连接起来,就会形成电流回路。
当PN结受到光照时,样品对光子的本征吸收和非本征吸收都会产生光生载流子(电子空穴对)。但只有本征吸收激发的少数载流子才能引起光电效应。由于P区产生的光生空穴和N区产生的光生电子都是多数载流子物理学家意外发现,受到势垒的阻挡,不能穿过结。只有当P区光生电子、N区光生空穴和结区电子空穴对(少数载流子)扩散到结电场附近时,才能在内建电场的作用下漂移穿过结。光生电子被拉向N区,光生空穴被拉向P区,即电子空穴对被内建电场分开。这就导致光生电子聚集在N区边界附近,光生空穴聚集在P区边界附近。 它们产生一个与热平衡PN结内建电场相反的光生电场,其方向是从P区到N区。此电场使势垒降低,降低的量就是光电势差。P端为正,N端为负,此时费米能级分离,产生电压降。在硅片的两面加电极,并接上电压表。对晶体硅太阳能电池来说,开路电压的典型值为0.5~0.6V。光照在界面层产生的电子空穴对越多,电流就越大。界面层吸收的光能越多,界面层即电池面积就越大物理学家意外发现,太阳能电池内形成的电流就越大。
实际上,并不是所有产生的光生载流子都对光生电流有贡献。设Lp为寿命τp内空穴在N区的扩散距离,Ln为寿命τn内电子在P区的扩散距离。Ln+Lp=L远大于PN结本身的宽度。因此,可以认为在结附近平均扩散距离L内产生的光生载流子都对光电流有贡献。但在距离结L以上距离处产生的电子-空穴对,在扩散过程中都会发生复合,对PN结的光电效应没有贡献。