光电效应与光伏效应.doc

光电效应与光伏效应.doc光电效应与光伏效应
•高效率太阳能电池的发展探讨
上海大学一光伏材料与器件R&D实验室
(2008 年 8 月 25 口)
一、引言
本文将介绍并讨论光电效应(photoemission )与光伏效应 (photovoltaic effect )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A阳电池，做•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•般人深感迷惑。而爱因 斯坦最有名的质一能公式E = me2和他个人与原了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。般认为，二十世纪物理学的发展，有二个 最重要的方面，即：量了力学和相对论。量了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年诺贝尔枷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， 光电效应是跟量了论有关，也就是说，当时诺贝尔物理奖励委员会认定，爱因
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斯坦在光量了论方血的贡献远大于他的相对论。这是因为在为时，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《•百个反对爱因斯坦的理 由》，当然爱因斯坦还是以他•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” O就是现在，或许还有人对于诺贝尔奖颁给爱因斯坦在 光电效应方而的贡献，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一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A阳电池，尤其是现在还在研发阶段的超高效率太 阳电池，做•简单、深入且广泛的介绍。
光电效应与金属太阳电池
1887 年，由 Heinrich Hertz 在实验上发现了光电(photoelectiic)效应。1905 年，爱冈斯坦采用了光量子(photon)的概念，从理论卜-成功地解释了这•现 象。当时的光电效应是描述光了入射到金属农而，金属内的电了吸收足够的光 了能量而离开金属，成为真空中的自由电了。在实验设置上，是用二片金属和 •个电源连接起來，受光照的金属当作阴极发射器(cathode enutter),没有光照 的金属为作阳极接收器(anode collector),外加电场使光照后逃离金属的电了， 从阴极跑到阳极，形成光电流(photocurrent)o
从固体物理学的角度，金属的电r•能带结构和半导体、绝缘体是不•样 的。在金属中，电了可以自由运动的导带与电了处于原了成键的价带是重叠 的，也就是说，金属内价带中的电了也可以成为自由运动的导电电了。而且，
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金属内的电了能带结构有二个重要的参数描述它的物理特征，费米能(Fenm energy)和真空能级(vacinnn level),真空能级和费米能的能量差就是所谓的功 函数(work fiuiction) o简单的说，在温度0K时，费米能是指金属内的电了占 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 有电了。功函数则是金属内荷正电的离了对负电了的净束缚能，若电了脱离金 属的束缚而跃升至真空能级，就变成真空中的自由电了。通常有二种方式可以 让电了获得额外的能量，脱离金属的束缚，跃升至真空能级。•是加热，电了 吸收声了的能量，产生热电了发ifj(thermo-enussion),或是光照，电了吸收光了 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人阳电池。有光照的金属，其电 了吸收光了的能量，从费米能以下的低能级跃升至费米能以上的高能级，当然 如果光了能量人于功函数，电了就会跃升至真空能级，成为真空中的自由电 To但是，电了的能量分布函数中有二个重要的物理参数：化学势(clienucal potential)和温度。吸收光了至高能级的电了，经由电了■电了碰撞，就会提高整 个金属电了的化学势与温度。也就是说，有光照的金属其化学势会稍微人于没 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-个电压
差，也就是太阳电池的开路电压（V^oc） O兰有光照的和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了，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
（代）。
然而，利用金属的光电效应来做太阳电池的最大