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1.4、光生伏打效應(yīng)

1839年貝克勒爾利用一些材料受光照而產(chǎn)生了電流。這就是眾所周知的光生伏特效應(yīng)。

1.4.1、發(fā)電原理

太陽(yáng)能電池是由半導(dǎo)體材料制作而成，內(nèi)部是由多個(gè)P-N結(jié)并聯(lián)而成。在沒(méi)有光照的情況下，太陽(yáng)能電池可以看作是一個(gè)二極管，其內(nèi)部載流子處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，不存在電流。

設(shè)入射光垂直P(pán)-N結(jié)面。如果結(jié)較淺，光子將進(jìn)入P-N結(jié)區(qū)，甚至更深入到半導(dǎo)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(duì)。在光激發(fā)下多數(shù)載流子濃度一般改變較小，而少數(shù)載流子濃度卻變化很大，因此應(yīng)主要研究光生少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)。


由于pn結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)存在較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)（自n區(qū)指向p區(qū)），結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受該場(chǎng)的作用，各自向相反方向運(yùn)動(dòng)：p區(qū)的電子穿過(guò)p-n結(jié)進(jìn)入n區(qū)；n區(qū)的空穴進(jìn)入p區(qū)，使p端電勢(shì)升高，n端電勢(shì)降低，于是在p-n結(jié)兩端形成了光生電動(dòng)勢(shì)，這就是p-n結(jié)的光生伏打效應(yīng)。由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于在p-n結(jié)兩端加正向電壓V，使勢(shì)壘降低為qVD-qV，產(chǎn)生正向電流IF。

在p-n結(jié)開(kāi)路的情況下，光生電流和正向電流相等時(shí)，p-n結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢(shì)差Voc，（p區(qū)相對(duì)于n區(qū)是正的），這就是光電池的開(kāi)路電壓。如將pn結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)有源源不斷的電流通過(guò)電路，p-n結(jié)起了電源的作用。這就是光電池的基本原理。

1.4.2、光伏效應(yīng)的條件

1、半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)α，即要求入射光子的能量hν大于或等于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg，使該入射光子能被半導(dǎo)體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對(duì)。

2、具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)。勢(shì)壘區(qū)的重要作用是分離了兩種不同電荷的光生非平衡載流子，在p區(qū)內(nèi)積累了非平衡空穴，而在n區(qū)內(nèi)積累起非平衡電子。產(chǎn)生了一個(gè)與平衡pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)，于是在p區(qū)和n區(qū)間建立了光生電動(dòng)勢(shì)（或稱光生電壓）。（作者微信公眾賬號(hào)：光伏經(jīng)驗(yàn)網(wǎng)）

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