太陽能電池的發(fā)明，依賴于法國物理學(xué)家亞歷山大·埃德蒙·貝克勒(1820-1891年)發(fā)現(xiàn)的一種稱為光伏效應(yīng)的現(xiàn)象。它與光電效應(yīng)有關(guān)，光電效應(yīng)是當(dāng)光線照射到導(dǎo)電材料上時(shí)，電子會(huì)從導(dǎo)電材料中彈出。阿爾伯特·愛因斯坦(1879-1955年)因成功運(yùn)用當(dāng)時(shí)新的量子原理，來解釋這一現(xiàn)象而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

與光電效應(yīng)不同，光伏效應(yīng)發(fā)生在兩個(gè)半導(dǎo)體板的邊界處，而不是單個(gè)導(dǎo)電板。當(dāng)光線照射時(shí)，沒有電子被實(shí)際彈出。相反，它們沿邊界累積以創(chuàng)建電壓。當(dāng)您用導(dǎo)電線連接兩個(gè)板時(shí)，電流將流入導(dǎo)線中。

愛因斯坦的偉大成就，以及他獲得諾貝爾獎(jiǎng)的原因，是認(rèn)識(shí)到從光電板塊中噴出的電子的能量取決于頻率，其大小為波長的倒數(shù)，而不是像波理論所預(yù)測的那樣，取決于光強(qiáng)度(振幅)。入射光的波長越短，光的頻率越高，射出的電子擁有的能量就越多。同樣，光伏電池對(duì)波長敏感，在光譜的某些部分對(duì)陽光的反應(yīng)比其他部分更好。

光電效應(yīng)原來圖

太陽能波長對(duì)電子能源的影響

愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋有助于建立光的量子模型。每個(gè)光束，稱為光子，都是由振動(dòng)頻率決定的特性能量。光子的能量(E)由普朗克定律計(jì)算出：

E = hf，

其中 f 是頻率，h 是普朗克的常數(shù)(6.626 × 10^(–34) 焦耳?秒)。盡管光子具有粒子性質(zhì)，但它也具有波的特性，對(duì)于任何波，其頻率是其波長的倒數(shù)(此處用w表示)。如果光速為 c，則 f = c/w，可以修改普朗克定律：

E = hc/w

當(dāng)光子在導(dǎo)電材料上碰撞時(shí)，它們與單個(gè)原子中的電子碰撞。如果光子有足夠的能量，它們就會(huì)驅(qū)逐原子最外層中的電子。然后，這些電子可以自由通過材料循環(huán)。根據(jù)入射光子的能量，它們可能從材料中完全彈出。

根據(jù)普朗克定律，入射光子的能量與其波長成反比。短波長輻射占據(jù)光譜的紫色端，包括紫外線輻射和伽馬射線。另一方面，長波長輻射占據(jù)紅端，包括紅外輻射、微波和無線電波。

陽光包含整個(gè)光譜的輻射，但只有波長足夠短的光才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)或光伏效應(yīng)。這意味著一部分太陽光譜的光子可用于發(fā)電。可見，光伏發(fā)電與陽光的明暗程度無關(guān)，只要有足夠短的波長光就能滿足發(fā)電要求。眾所周知，高能紫外線輻射可以穿透云層，在多云天，意味著太陽能電池應(yīng)也能發(fā)揮作用，事實(shí)上也是如此。

功函數(shù)和帶隙

光子必須具有最小能量值，以激發(fā)足夠的電子，使其脫離軌道，并允許它們自由移動(dòng)。在導(dǎo)電材料中，這種最小能量稱為功函數(shù)，并且每種導(dǎo)電材料都不同。與光子碰撞釋放的電子的動(dòng)能等于光子的能量減去功函數(shù)。

在光伏電池中，采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體(通常是硅或鍺)基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在實(shí)踐中，通常使用單晶體材料(如硅)，并使用不同的化學(xué)物質(zhì)摻雜來制造這種結(jié)。例如，用硅晶體摻雜少量銻元素形成N型半導(dǎo)體，用硅晶體摻雜少量硼形成了P型半導(dǎo)體。被撞擊出軌道的電子聚集在PN結(jié)附近，并增加了穿過PN的電壓。將電子撞擊出軌道并進(jìn)入傳導(dǎo)帶的閾值(臨界值)能量稱為帶隙，它類似于功函數(shù)。

最小波長和最長

要想在太陽能電池的PN結(jié)中產(chǎn)生電壓，入射輻射必須超過帶隙能量。對(duì)于不同的材料，這是不同的。對(duì)于硅來說是1.11電子伏特，它是太陽能電池最常用的材料。一電子伏特 = 1.6 × 10^(-19 )焦耳，因此帶隙能量為 1.78 × 10^(-19) 焦耳。重新整理普朗克( Plank) 方程，求解波長，就可告訴您對(duì)應(yīng)于此能量的光的波長:

w = hc/E = 1110 納米(1.11 × 10^(-6) 米)

可見光的波長在400至700納米之間，因此硅太陽能電池的帶寬波長在接近紅外波段。任何波長較長的輻射，如微波和無線電波，都缺乏從太陽能電池發(fā)電的能量。

太陽能發(fā)電原理簡圖

任何能量大于1.11 eV 的光子都可以將電子從硅原子中驅(qū)逐出，并將其送入傳導(dǎo)帶。然而，在實(shí)踐中，極短波長的光子(能量超過3 eV)將電子從傳導(dǎo)帶中釋放出來，使它們無法正常形成可控的電流。太陽能電池板的光電效應(yīng)能否獲得有用的波長閾值，取決于太陽能電池的結(jié)構(gòu)、其構(gòu)造中使用的材料和電路特性。

太陽能波長和電池效率

簡而言之，只要波長高于用于制造光伏電池的材料的帶隙，光伏電池對(duì)整個(gè)光譜的光很敏感，但波長極短的光被浪費(fèi)掉，這是影響太陽能電池效率的因素之一。另一個(gè)是半導(dǎo)體材料的厚度，如果光子必須在材料中長距離傳播，它們會(huì)因與其他粒子的碰撞而失去能量，并且可能沒有足夠的能量來驅(qū)逐電子。

影響效率的第三個(gè)因素是太陽能電池的反射率。一定比例的入射光從光伏電池表面反射，從而不會(huì)與光伏電池材料內(nèi)的電子相接觸，喪失了撞擊電子機(jī)會(huì)。為了減少反射率的損失并提高效率，太陽能電池制造商通常為電池涂上非反射、吸收光的材料。這就是為什么太陽能電池通常是黑色的原因。

(關(guān)鍵字：太陽能)