超高效率太阳电池.doc

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1、超高效率太陽電池¾從愛因斯坦的光電效應談起文/蔡進譯本文將介紹並討論光電效應與光伏特效應的關係，和他們在太陽電池的應用。並將針對現在還在研發階段的超高效率太陽電池，做一簡單、深入且廣泛的介紹。一、前言一般而言，只要提起愛因斯坦這位家喻戶曉的偉大人物，一般人就會馬上聯想到相對論。至於其特殊相對論所提到的想法，譬如說，若物體跑的越快，則時間變的越慢，長度變的越短，和重量變的越重，更是令一般人深感迷惑。而愛因斯坦最有名的公式E=mc2和他個人與原子彈的發展之種種瓜葛，更足以說明他在二十世紀的歷史地位。一般咸認，二十世紀物理發展有二個最重要的指標：量子力

2、學和相對論。量子力學是一群物理學家的集體創作，而相對論卻可以說大部分是愛因斯坦個人的智慧結晶。有趣且費解的是，在1921年諾貝爾物理獎頒給愛因斯坦的理由，主要是他在光電效應的貢獻，卻沒有隻字提到相對論。當然光電效應是跟量子力學有關，也就是說，當時諾貝爾物理獎單位認為愛因斯坦在量子力學的貢獻是遠大於他的相對論。這是因為在當時，有些人還是不能接受愛因斯坦相對論，甚至有人還寫一本書【一百個反對愛因斯坦的理由】，當然愛因斯坦還是以他一貫充滿智慧的言語予以回應說“假如我是錯的，一個理由就夠了”。同樣的，直到現在，或許有人對於諾貝爾獎頒給愛因斯坦主要是他在光

3、電效應的貢獻，卻沒有隻字提到相對論，仍覺不可思議。但是若從光電效應及其後續所衍生的相關應用¾太陽電池，其對目前人類的實質的貢獻，還可能是遠遠大於相對論，我們可以說，諾貝爾獎單位還真是有難得糊塗的先見之明。本文將對太陽電池，尤其是現在還在研發階段的超高效率太陽電池，做一簡單、深入且廣泛的介紹。二、光電效應與太陽電池光電(photoelectric)效應是在1887年由HeinrichHertz實驗發現的。而在1905年，愛因斯坦使用光子(photon)的概念，在理論上予以成功的解釋。光電效應一般而言是描述光子射到金屬表面，金屬內的電子吸收足夠的光子

4、能量，離開金屬，成為真空中的自由電子。在實驗設置上的，通常是用二個金屬和一個電壓電源連接起來，照光的金屬當陰極放射器(cathodeemitter)，不照光的金屬當陽極接收器(anodecollector)，外加電壓讓照光後逃離金屬的束縛的電子從陰極跑到陽極，形成光電流(photocurrent)。光電效應最直接的應用就是用來偵測光的光倍增器(photomultiplier)。我們知道，金屬的電子能帶結構和半導體或絕緣體不一樣，因為電子可以自由運動的導帶和電子參與鍵結的價帶是重疊的，也就是說，金屬內參與鍵結的電子是可以自由運動的導電電子。而金屬內

5、的電子能帶結構有二個重要的物理參數，費米能(Fermienergy)和真空能階(vacuumlevel)，真空能階和費米能的能量差就是所謂的功函數(workfunction)能量。簡單的說，在溫度0K時，費米能是指金屬內的電子佔據的最高能階。也就是說，在溫度0K時，費米能以下，填滿電子，費米能以上，沒有電子。功函數則是金屬內的正電背景離子對電子的淨束縛能，若電子脫離金屬的束縛而躍升至真空能階，自然是變成真空中的自由電子。通常有二種方式可以讓電子獲得額外的能量，脫離金屬的束縛，而躍升至真空能階。一是加熱，電子吸收聲子的能量，產生熱離子放射(ther

6、moionicemission)，或是照光，電子吸收光子的能量，產生光電效應。當然，理論上利用金屬的光電效應也可以用來當太陽電池。有光照的金屬，其電子吸收光子的能量，從費米能下的低能階提昇至費米能上的高能階，當然如果光子能量大於功函數，電子就會提昇至真空能階，成為真空中的自由電子。而我們知道，電子的能量分佈二個重要的物理參數：化學勢(chemicalpotential)和溫度。吸收光子至高能階的電子，經由電子-電子碰撞，就會提高整個金屬電子的化學勢與溫度。也就是說，有光照的金屬其化學勢會稍微大於沒有光照的金屬的化學勢。因此，有光照的和無光照的二金

7、屬之間存在一個電壓差，也就是太陽電池開路電壓。當有光照的和無光照的二金屬間用導線連接時，光照金屬端真空能階的自由電子，就會因這電壓差的驅使，從陰極放射器傳輸至陽極接收器，形成光電流，也就是太陽電池的短路電流。然而，利用金屬的光電效應來做太陽電池的最大物理限制，乃在於一般金屬的功函數大部分在3至5eV之間，因此只有能量是紫外線以上的光子才能被吸收來產生光電流，而太陽光紫外線以上的輻射只占整體的很小部分。也就是說，金屬光電效應的太陽電池其最大光-電轉換效率可能不超過1%，而實際實驗的結果，更只有約0.001%。我們可以結論地說，利用金屬的光電效應來做

8、太陽電池，其輸出電流甚微小，而輸出電壓也不很大，因此輸出的電功率是沒辦法作實際應用的。就像是金屬真空管二極體被半導體固態二極體取代一樣，