光生伏特效应与光伏电池

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1、光生伏特效应及光电池的广泛应用我们知道，光生伏特效应是指半导体在受到光照时，内部产生电动势的现象。当然，这种光必须在一定的波长范围内，半导体一般为非均匀半导体例如P-N结。如果此时将P-N结短路，就会出现光生电流。那么，这种P-N结的光生伏特效应其深层的原因是什么？现代半导体理论揭示了这一现象的原理：设入射光垂直P-N结面，结比较浅，光子讲进入P-N结区，甚至深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。事实是，这种光激发对少数载流子浓度的影响很大。另一方面，由于P-N结势垒区内存在较强的内建电场（

2、由n区指向p区），少数载流子将受该场的作用，p区的电子穿过P-N结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在P-N结两端形成了光生电动势，由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在P-N结内部形成自n区向p区的光生电流I。另外，需要说明的是，金属-半导体形成的肖特基势垒层也能产生光生伏特效应（肖特基光电二极管）。其电子运动过程和P-N结相类似。光电池的原理又是怎样？基于上述P-N结的光生伏特效应原理，由于光照在P-N结两端产生光生电动势，相当于在P-N结两端加正向电压V，使势垒降低，产生正向电流。在P-N

3、结开路情况下，光生电流和正向电流相等时，P-N结两端建立起稳定的电势差，这就是光电池的开路电压。如果将P-N结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，换言之，P-N结起了电源的作用。这便是光电池的基本原理。实际生产中的光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。下面，我想详细谈谈太阳能电池的广泛应用及其前景。众所周

4、知，地球的各种自然能源正在一步步走向衰竭。这些资源无非只有这些：淡水、森林、土地、生物种类、矿山、化石燃料（煤炭、石油和天然气）。以中国为例，作为世界上人口最多的国家，其淡水资源十分缺乏，许多城市缺水，人均森林、土地面积更是少之又少。虽然化石燃料的总量丰富，但由于社会经济发展的需求，其开发规模严重超标，“用完”的那天并非十分遥远。另外，化石燃料这种旧能源，其环境污染的程度也不容忽略。于是，太阳能电池的优越性此时展露无余：丰富性（几乎取之不尽用之不竭）、清洁性（不存在任何形式的对于环境的污染）。正因为此，太阳能电池已成为几十年来乃至未

5、来能源产业的重头戏。世界上第一块实用型半导体太阳能电池源自于美国贝尔实验室（那是1954年）。经过人们40多年来卓越的努力，太阳能电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。目前，太阳能电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源。随着太阳能电池制造成本的不断降低，太阳能光伏发电将逐步地部分替代常规发电。有科学家预言，到21世纪中叶，太阳能光伏发电将占世界总发电量的15%~20%，成为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有重要的地位．相信终有一日，我们所用的能源大都能取自于太

6、阳能。纵观太空飞行器的领域，迄今为止翱翔于太空的成千个人造飞行器中，大多数都配备了太阳能电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上也逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10-25％的增长率在增加。实际生产中的光伏发电具有许多优点，比如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随

7、处可得、不受地域限制、无须消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值守，建站周期短、规模大小随意、无须架输电线路和可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，我国生产单晶硅太阳电池的效率在12-13％，多晶硅太阳电池在10％，非晶硅太阳电池在5-6％。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。总的来说，利用“光生伏特效应”的应用十分广泛，并且发展迅速。不仅可以通过此效应制作光电池，还可以制作光敏二极管

8、、光敏三极管，反转光敏二极管（利用侧向光生伏特效应）。一门学问的诞生、发展，直到其完整的应用，往大里说是为了全人类，往小一点说更是为了我们祖国。我们有必要说明光伏电池产业对于中国的应用和前景。一组数据显示：1990年世界太阳能电池组件