光生伏特效應

光生伏特效應，英文名稱：Photovoltaic effect。光生伏特效應是指半導體在受到光照射時產生電動勢的現象。

光生伏特效應--(可製作光電池、光敏二極體、光敏三極體和半導體位置敏感器件感測器）；側向光生伏特效應（殿巴效應）--(可製作半導體位置敏感器件（反轉光敏二極體）感測器）；PN結光生伏特效應--(可製作光電池、光敏二極體和光敏三極體感測器）。

基本介紹

• 中文名：光生伏特效應
• 外文名：Photovoltaic effect
• 產業鏈：矽料、矽片、電池片
• 解釋：半導體受光照射產生電動勢的現象

介紹

利用太陽能的最佳方式是光伏轉換，就是利用光伏效應，使太陽光射到矽材料上產生電流直接發電。

光生伏特效套用

“光生伏特效應”（ Photovoltaic effect），簡稱“光伏效應”。光伏效應指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產生電位差的現象。它首先是由光子（光波）轉化為電子、光能量轉化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像築高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的迴路。

光伏材料能將太陽能直接轉換成電能的材料。光伏材料又稱太陽能電池材料，只有半導體材料具有這種功能。可做太陽電池材料的材料有單晶矽、多晶矽、非晶矽、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用於空間的有單晶矽、GaAs、InP。用於地面已批量生產的有單晶矽、多晶矽、非晶矽。其他尚處於開發階段。目前致力於降低材料成本和提高轉換效率，使太陽能電池的電力價格與火力發電的電力價格競爭，從而為更廣泛更大規模套用創造條件。

以矽材料的套用開發形成的產業鏈條稱之為光伏產業，包括高純多晶矽原材料生產、太陽能電池生產、太陽能電池組件生產、相關生產設備的製造等。

太陽能電池組件

我國76%的國土光照充沛，光能資源分布較為均勻；與水電、風電、核電等相比，太陽能發電沒有任何排放和噪聲，套用技術成熟，安全可靠；除大規模併網發電和離網套用外，太陽能還可以通過抽水、超導、蓄電池、制氫等多種方式儲存， 太陽能+蓄能，幾乎可以滿足中國未來穩定的能源需求。

太陽能是未來最清潔、安全和可靠的能源，已開發國家正在把太陽能的開發利用作為能源革命主要內容長期規劃，光伏產業正日益成為國際上繼IT、微電子產業之後又一爆炸式發展的行業。

光伏產業鏈包括矽料、矽片、電池片、電池組件、套用系統5個環節。上游為矽料、矽片環節；中游為電池片、電池組件環節；下游為套用系統環節。從全球範圍來看，產業鏈5個環節所涉及企業數量依次大幅增加，光伏市場產業鏈呈金字塔形結構。

P-N結

太陽能電池發電的原理是基於半導體的光生伏特效應將太陽輻射直接轉換為電能。在晶體中電子的數目總是與核電荷數相一致，所以P型矽和N型矽對外部來說是電中性的。如將P型矽或N型矽放在陽光下照射，僅是被加熱，外部看不出變化。儘管通過光的能量電子從化學鍵中被釋放，由此產生電子－空穴對，但在很短的時間內（在μS範圍內）電子又被捕獲，即電子和空穴“複合”。

當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區域裡會形成一個特殊的薄層，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由於P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現了濃度差。N區的電子會擴散到P區，P區的空穴會擴散到N區，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡後，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是P－N結。

至今為止，大多數太陽能電池廠家都是通過擴散工藝，在P型矽片上形成N型區，在兩個區交界就形成了一個P－N結（即N+/P）。太陽能電池的基本結構就是一個大面積平面P－N結。

太陽能電池

如果光線照射在太陽能電池上並且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在P型矽和N型矽中將電子從共價鍵中激發，以致產生電子－空穴對。界面層附近的電子和空穴在複合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的N區和空穴向帶負電的P區運動。通過界面層的電荷分離，將在P區和N區之間產生一個向外的可測試的電壓。此時可在矽片的兩邊加上電極並接入電壓表。對晶體矽太陽能電池來說，開路電壓的典型數值為0.5～0.6V。通過光照在界面層產生的電子－空穴對越多，電流越大。界面層吸收的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。

發現歷史

1839年，法國物理學家A.E.貝克勒爾意外地發現，用兩片金屬浸入溶液構成的伏打電池，受到陽光照射時會產生額外的伏打電勢，他把這種現象稱為光生伏打效應。1883年，有人在半導體硒和金屬接觸處發現了固體光伏效應。後來就把能夠產生光生伏打效應的器件稱為光伏器件。

光電池

光電池

光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時實質就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。

光電池（又稱為光敏二極體），如硒光電池，矽光電池等都是利用光生伏特效應製成的半導體器件。光電池的優點是結構簡單、使用方便、不需要外加電源就可以工作。它主要套用於光譜儀器的光接收器，光電轉換、紅外探測、光電開關等方面。

光電池的工作原理

光電池的工作原理是基於“光生伏特效應”。它實質上是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面，例如P型面時，若光子能量大於半導體材料的禁頻寬度，那么P型區每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內迅速擴散，在結電場的作用下，最後建立一個與光照強度有關的電動勢。

光伏發電

光電池基本特性

有以下幾種：

(1)光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。光譜回響峰值所對應的入射光波長是不同的，矽光電池波長在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。矽光電池的光譜回響波長範圍為0.4~1.2μm，而硒光電池只能為0.38~0.75μm。可見，矽光電池可以在很寬的波長範圍內得到套用。

(2)光照特性：光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關係就是光照特性。短路電流在很大範圍內與光照強度呈線性關係，開路電壓（即負載電阻RL無限大時）與光照度的關係是非線性的，並且當照度在2000lx時就趨於飽和了。因此用光電池作為測量元件時，應把它當作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。

(3)溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由於它關係到套用光電池的儀器或設備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由於溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量元件使用時，最好能保證溫度恆定或採取溫度補償措施。