基本介紹
- 中文名：光伏效應
- 外文名：Photovoltaic effect
- 別稱：光生伏特效應
- 方法：光照使不均勻半導體
基本概況,光伏效應,P－N結的形成,光電效應,發電方式,電流方程,開路電壓Uoc,短路電流Isc,參數關係,能帶,光伏材料,鐵電體條件,鐵電光伏效應的機制,（1） 體光伏效應,（2） 疇壁理論,（3）肖特基結效應,（4） 退極化場效應,套用範圍,光伏發電,
基本概況
早在1839年，法國科學家貝克雷爾(Becqurel)就發現，光照能夠使得半導體材料的不同部位之間產生電位差。這種現象後來被稱為“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”。1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次製成了實用的單晶矽太陽電池，誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術。太陽電池工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏特效應，就是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。即當太陽光或其他光照射半導體的PN結時，就會在PN結的兩邊出現電壓，叫做光生電壓，使PN結短路，就會產生電流。
光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經過串聯後進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。光伏發電的優點是較少受地域限制，因為陽光普照大地;光伏系統還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電供電及建設同期短的優點。光生伏特效應簡稱為光伏效應，指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產生電位差的現象。
光伏效應
太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路後就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。
P－N結的形成
同質結可用一塊半導體經摻雜形成P區和N區。由於雜質的激活能量很小，在室溫下雜質差不多都電離成受主離子NA－和施主離子ND+。在PN區交界面處因存在載流子的濃度差，故彼此要向對方擴散。構想在結形成的一瞬間，在N區的電子為多子，在P區的電子為少子，使電子由N區流入P區，電子與空穴相遇又要發生複合，這樣在原來是N區的結面附近電子變得很少，剩下未經中和的離子ND+形成正的空間電荷。同樣，空穴由P區擴散到N區後，由不能運動的受主離子NA－形成負的空間電荷。在P區與N區界面兩側產生不能移動的離子區（也稱耗盡區、空間電荷區、阻擋層），於是出現空間電偶層，形成內電場（稱內建電場）此電場對兩區多子的擴散有抵製作用，而對少子的漂移有幫助作用，直到擴散流等於漂移流時達到平衡，在界面兩側建立起穩定的內建電場。
光電效應
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。
當P-N結受光照時，樣品對光子的本徵吸收和非本徵吸收都將產生光生載流子（電子-空穴對）。但能引起光伏效應的只能是本徵吸收所激發的少數載流子。因P區產生的光生空穴，N區產生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結。只有P區的光生電子和N區的光生空穴和結區的電子空穴對（少子）擴散到結電場附近時能在內建電場作用下漂移過結。光生電子被拉向N區，光生空穴被拉向P區，即電子空穴對被內建電場分離。這導致在N區邊界附近有光生電子積累，在P區邊界附近有光生空穴積累。它們產生一個與熱平衡P-N結的內建電場方向相反的光生電場，其方向由P區指向N區。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負，此時費米能級分離，因而產生壓降，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。
實際上，並非所產生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。設N區中空穴在壽命τp的時間內擴散距離為Lp，P區中電子在壽命τn的時間內擴散距離為Ln。Ln+Lp=L遠大於P-N結本身的寬度。故可以認為在結附近平均擴散距離L內所產生的光生載流子都對光電流有貢獻。而產生的位置距離結區超過L的電子空穴對，在擴散過程中將全部複合掉，對P-N結?>光電效應無貢獻。
發電方式
太陽能發電方式太陽能發電有兩種方式，一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。
（1） 光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣，再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程；後一個過程是熱—電轉換過程，與普通的火力發電一樣。太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍。
（2） 光—電直接轉換方式該方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，光—電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由於光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極體，當太陽光照到光電二極體上時，光電二極體就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯或並聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發電、核能發電相比，太陽能電池不會引起環境污染。
電流方程
與熱平衡時比較，有光照時，P-N結內將產生一個附加電流（光電流）Ip，其方向與P-N結反向飽和電流I0相同，一般Ip≥I0。此時
I=I0eqU/KT - (I0+Ip)
令Ip=SE，則
I=I0eqU/KT - (I0+SE)
開路電壓Uoc
光照下的P-N結外電路開路時P端對N端的電壓，即上述電流方程中I=0時的U值：
0=I0eqU/KT - (I0+SE)
Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)
短路電流Isc
光照下的P-N結，外電路短路，從P端流出，經過外電路，從N端流入的電流稱為短路電流Isc。即上述電流方程中U=0時的I值，得Isc=SE。
參數關係
Uoc與Isc是光照下P-N結的兩個重要參數，一定溫度下，Uoc與光照度E成對數關係，但最大值不超過接觸電勢差UD。弱光照下，Isc與E有線性關係。
a)無光照時熱平衡態，NP型半導體有統一的費米能級，勢壘高度為qUD=EFN-EFP。
b)穩定光照下P-N結外電路開路，由於光生載流子積累而出現光生電壓Uoc不再有統一費米能級，勢壘高度為q(UD-Uoc)。
c)穩定光照下P-N結外電路短路，P-N結兩端無光生電壓，勢壘高度為qUD，光生電子空穴對被內建電場分離後流入外電路形成短路電流。
d)有光照有負載，一部分光電流在負載上建立起電壓Uf，另一部分光電流被P-N結因正向偏壓引起的正向電流抵消，勢壘高度為q(UD-Uf)。
能帶
在熱平衡條件下，結區有統一的EF；在遠離結區的部位，EC、EF、Eν之間的關係與結形成前狀態相同。
從能帶圖看，N型、P型半導體單獨存在時，EFN與EFP有一定差值。當N型與P型兩者緊密接觸時，電子要從費米能級高的一方向費米能級低的一方流動，空穴流動的方向相反。同時產生內建電場，內建電場方向為從N區指向P區。在內建電場作用下，EFN將連同整個N區能帶一起下移，EFP將連同整個P區能帶一起上移，直至將費米能級拉平為EFN=EFP，載流子停止流動為止。在結區這時導帶與價帶則發生相應的彎曲，形成勢壘。勢壘高度等於N型、P型半導體單獨存在時費米能級之差：
qUD=EFN-EFP
得
UD=(EFN-EFP)/q
q：電子電量
UD：接觸電勢差或內建電勢
對於在耗盡區以外的狀態：
UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)
NA、ND、ni：受主、施主、本徵載流子濃度。
可見UD與摻雜濃度有關。在一定溫度下，P-N結兩邊摻雜濃度越高，UD越大。
禁頻寬的材料，ni較小，故UD也大。
光伏材料
鐵電體條件
在眾多的光伏材料中，鐵電體材料由於具有反常的光伏效應（光伏電壓不受晶體禁頻寬度（Eg）的限制，甚至可比 Eg 高 2 ～ 4 個數量級，達 103～ 105V/cm）而備受關注[3]。
半個世紀以前，人們在具有非中心對稱的各種鐵電材料中已經發現了鐵電光伏材料，沿著極化的方向能產生穩定的光伏效應。一般認為，鐵電材料的光伏效應起源於其自發極化[5]，鐵電光伏的顯著特點之一就是當極化方向在電場作用下轉變的時候，光生電流也隨之發生轉變，而且在鐵電材料內部光生電流的方向始終與極化方向相反。鐵電光伏效應與傳統的 p-n 結所不同的是 ：在傳統的 p-n 結中，光激發的電子空穴對被 p-n 結中的內建場迅速分離，向相反的方向作漂移運動，最後到達電極，然後被電極收集起來 。
因此，理論上，p-n 結太陽能電池所產生的光生電壓受到半導體帶隙寬度的限制，一般不到 1V。對於鐵電光伏效應而言 ，實驗上得到的光生電壓正比於極化強度以及電極之間的距離，而不受帶隙寬度的限制，可以達到 104V。太陽能電池的光生電壓越高，就意味著產生的電能越多，效率越高。
鐵電光伏效應的機制
雖然有關鐵電光伏效應的研究已有幾十年，但直到現在，也沒有人能夠確切指出這種材料光伏過程的原理，關於鐵電材料反常光伏效應的起源也一直存在爭議。一般來說，影響鐵電材料光生電壓的因素有多種，例如兩個電極之間的距離、光的強度、材料的導電性、剩餘極化強度、晶體取向、晶粒尺寸、氧空位、疇壁以及界面等。但從本質上來說，鐵電光伏效應的機制主要有以下幾種 ：
（1） 體光伏效應
這種機制認為，光生電壓產生於鐵電材料的內部，因此稱為“體光伏效應”，鐵電材料則作為“電流源”。光照下產生的穩定電流 ( 光生電流 ：Js) 與具有非中心對稱鐵電材料的性質有關。在具有非中心對稱晶體中，電子從動量為 k 的狀態向動量為 k 狀態所躍遷的機率與其從動量為 k 的狀態向動量為 k 狀態躍遷的機率不同，導致了光生載流子的動量分布不對稱，從而在光照下能形成穩定的電流。
通過鐵電材料總的電流密度 (J) 可以表示為 J=JS+(σd+σph)E
式中，σd和 σph分別表示鐵電材料在暗場及明場下的電導，即暗電導和光電導 ；E=V/d 為光照下鐵電材料內部的電場，取決於外加電壓 (V) 和兩電極之間的距離 (d)。由於電極之間的距離通常都比較大，並且大多數鐵電材料的暗電導和光電導都非常低，因此由鐵電材料構成的太陽能光伏器件可以視為電流源。在鐵電材料中，光照下的開路電壓 Voc可以表示為 ：V EJdd phocs=d=+σ σ從上式可以看出，如果總的電導率（σd+σph）不明顯依賴於光強度的話，開路電壓 Voc隨 Ioc（或者 Js）線性增加。
（2） 疇壁理論
Yang 等人在研究鐵酸鉍 (BFO) 薄膜光伏效應時發現，BFO 中光生電壓隨著極化方向上疇壁數量的增加線性增加，垂直於極化方向上則沒有觀察到明顯的光伏效應 ( 圖 2b 和2d)。疇壁理論認為，由於極化強度在垂直於疇壁處會產生一個分量，其在疇壁處產生的電壓為～ 10m V，疇壁寬度約為 2nm，因此極化在疇壁處產生的電場高達5×106V/m，此值遠大於 p-n 結中的內電場，被認為鐵電材料產生反常光伏效應的起源，也是分離光生載流子的主要驅動力。由於鐵電材料中有很多電疇，被極化之後疇與疇之間首尾相連，而疇壁就像串聯起來的納米級光伏發電機，光生電壓沿著極化方向逐漸累加起來。這一機制與串聯的太陽能電池的概念類似，其輸出電壓為每一個單元之和。
如果兩個電極之間的距離越大，則電疇就越多，光照下兩電極之間產生的光生電壓也就越高，這一模型可以很好地解釋反常光伏效應。此外，由於光照下產生連續的光電流，在一些文獻中則把疇壁當成電流源，總的光生電壓 Voc由光照下鐵電材料的電流密度、電導率和電極之間的距離Jsc決定。與體光伏效應不同的是，疇壁理論將反常光伏效應歸因於疇壁處載流子的激發，認為在疇壁外光激發的載流子複合速度很快，可以將體光伏效應忽略。
而 Alexe 等人認為，在 BFO 中電疇內部載流子的複合並沒有預想的快。作者用光電 - 原子力顯微鏡和壓電力原子顯微鏡研究了 BFO 單晶中的光伏效應，發現在疇壁內部和外部都能觀察到比較大的光生電流，表明在電疇內部載流子的複合是比較弱的。進一步研究發現，在 BFO 內光生載流子的壽命達 ～ 75μs，與在疇壁處所得到的結果相當。雖然用疇壁理論可以很好地說明反常光伏效應，即光生電壓可以遠大于禁頻寬度，然而，有一些實驗現象僅僅用磁疇壁理論是根本無法解釋的，必須考慮到體光伏效應理論。例如，根據疇壁模型，由於在疇壁處電勢的降落是極化電荷引起的，因此光電流不依賴於光的偏振方向。然而，研究者們在 BFO 等鐵電材料中觀察到光電流隨著入射光偏振方向的變化而變化的現象，表明鐵電材料反常光伏效應的起源比大家預想的更加複雜。
在鐵電光伏效應中，由於電疇和體效應對光生電流皆有貢獻，因此，如果兩者相長，則光生電流較大，反之，光生電流比較小，這可以解釋為什麼在 yang 等人的實驗中平行於疇壁方向沒有觀察到光電流。
（3）肖特基結效應
當鐵電材料與電極接觸形成肖特基勢壘時，界面處能帶將會彎曲，光照下產生的電子空穴對將被電極附近局部電場驅動，產生的光電流很大程度是由肖特基勢壘和耗盡層的深度決定。根據這一模型，在肖特基勢壘內部所產生光生電壓的大小依然局限於鐵電材料的帶隙，在研究鐵電光伏效應的早期階段肖特基效應所引起的電壓常被忽略，是因為它遠遠低於大部分鐵電晶體中的反常光生電壓。但肖特基效應在鐵電薄膜光伏器件中變得越來越重要，因為這些器件中的光伏電壓輸出通常比較小。
一般來說，由相同電極與鐵電材料構成的具有三明治結構的鐵電光伏器件中，肖特基勢壘產生光電流的貢獻是不存在的，因為由上下兩個相同的電極與鐵電材料所構成的兩個肖特基結是背靠背的，相互遏制，因此所產生的光生電壓和電流相抵消。然而，若採用不同類型的電極，可以實現具有垂直結構的鐵電光伏器件中光伏效應的增強。由於肖特基結效應與鐵電材料的極化方向無關，根據這一特點就可以區分肖特基結和體光伏效應對光電流的貢獻。然而一些研究者認為，肖特基勢壘的高度可以通過對鐵電材料施加電場改變其極化方向來進行調控。並且，當肖特基勢壘和鐵電材料的極化方向發生轉變的時候，光生電壓的符號也隨之發生轉變。
例如，由 Au/BFO/Au 構成的具有垂直結構的鐵電二極體中，光生電流及光生電壓都隨著極化方向的轉變而轉變。最初將 BFO 薄膜體光伏效應認為是產生這一現象的主要原因，但隨後的研究表明，BFO 薄膜在極化過程中的肖特基勢壘的改變主要是由於氧空位的遷移造成的，而當氧空位遷移在低溫下被凍結時，光伏效應隨著極化方向的轉變不再發生轉變。
（4） 退極化場效應
對於處於極化狀態的鐵電薄膜而言，薄膜表面具有高濃度的極化電荷，如果不考慮禁止效應，這些高密度的極化電荷將會在鐵電層內產生一個巨大的電場。以 BFO薄膜為例，其剩餘極化強度約為 100μC·cm-2，未被禁止的極化電荷所產生的電場可達 3×1010V/m。
當鐵電薄膜與金屬或半導體接觸時，剩餘極化引起的表面電荷將會被金屬或半導體中的自由電荷部分禁止。通常，表面電荷之所以不完全被禁止因為極化電荷和自由補償電荷重心不重合，在整個鐵電薄膜內部就產生電場，即退極化場。
退極化場可能很大，例如對於厚度為 10 ～ 30nm 的 BTO 薄膜而言，由 BTO 與 Sr Ru O3電極構成的三明治結構中的退極化場約為 45×106V/m。如此高的退極化場被認為是分離光生載流子的主要驅動力，同時也表明反常光伏效應與極化電荷的禁止程度密切相關。
禁止電荷的分布取決於鐵電材料和金屬 ( 或半導體 ) 的性質，例如剩餘極化強度、自由電荷密度及介電常數等。另一方面未被禁止的極化電荷對退極化場的影響主要取決於鐵電層的厚度：厚度小的鐵電層結果退極化場大。
一般來說，半導體與鐵電材料接觸產生的退極化場比金屬與鐵電材料接觸所產生的退極化場大，這是由於半導體材料具有較小的自由電荷密度和較大的介電常數，從而產生較弱的禁止效應。
套用範圍
1.用戶太陽能電源：（1）小型電源10-100W不等，用於邊遠無電地區如高原、海島、牧區、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；（2）3-5KW家庭屋頂併網發電系統；（3）光伏水泵：解決無電地區的深水井飲用、灌溉。
2. 交通領域：如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標誌燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。
3. 通訊/通信領域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統；農村載波電話光伏系統、小型通信機、士兵GPS供電等。
4. 石油、海洋、氣象領域：石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統、石油鑽井平台生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。
6.光伏電站：10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。
7.太陽能建築：將太陽能發電與建築材料相結合，使得未來的大型建築實現電力自給，是未來一大發展方向。
8.其他領域包括：（1）與汽車配套：太陽能汽車/電動車、電池充電設備、汽車空調、換氣扇、冷飲箱等；（2）太陽能制氫加燃料電池的再生髮電系統；（3）海水淡化設備供電；（4）衛星、太空飛行器、空間太陽能電站等。
光伏發電
太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質能、風能、海洋能、水能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。太陽能作為可再生能源的一種，則是指太陽能的直接轉化和利用。通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能利用的屬於太陽能熱利用技術，再利用熱能進行發電的稱為太陽能熱發電，也屬於這一技術領域；通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成電能利用的屬於太陽能光發電技術，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應原理進行光電轉換的，因此又稱太陽能光伏技術。研究太陽能光伏技術，可以有效增加能源利用水平，提高清潔能源使用率，從而降低環境污染，提高能源承載，有利於環境友好型社會的實現。在光伏發電領域，人類已經進行了大量的探索，獲得了許多寶貴經驗。
二十世紀50年代，太陽能利用領域出現了兩項重大技術突破：一是1954年美國貝爾實驗室研製出6%的實用型單晶矽電池，二是1955年以色列Tabor提出選擇性吸收表面概念和理論並研製成功選擇性太陽吸收塗層。這兩項技術突破為太陽能利用進入現代發展時期奠定了技術基礎。
70年代以來，鑒於常規能源供給的有限性和環保壓力的增加，世界上許多國家掀起了開發利用太陽能和可再生能源的熱潮。1973年，美國制定了政府級的陽光發電計畫，1980年又正式將光伏發電列入公共電力規劃，累計投入達8億多美元。1992年，美國政府頒布了新的光伏發電計畫，制定了宏偉的發展目標。日本在70年代制定了“陽光計畫”，1993年將“月光計畫”（節能計畫）、“環境計畫”、“陽光計畫”合併成“新陽光計畫”。德國等歐共體國家及一些開發中國家也紛紛制定了相應的發展計畫。90年代以來聯合國召開了一系列有各國領導人參加的高峰會議，討論和制定世界太陽能戰略規劃、國際太陽能公約，設立國際太陽能基金等，推動全球太陽能和可再生能源的開發利用。開發利用太陽能和可再生能源成為國際社會的一大主題和共同行動，成為各國制定可持續發展戰略的重要內容。
自“六五”以來我國政府一直把研究開發太陽能和可再生能源技術列入國家科技攻關計畫，大大推動了我國太陽能和可再生能源技術和產業的發展。
