戴慧鳳

【摘要】 科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展和進(jìn)步，不僅對(duì)于電池的需求越來越多，對(duì)電池的要求也越來越高。光生伏打電池由于其性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高，能耐高溫輻射等特性，在電池中有重要地位，但是其光電轉(zhuǎn)換效率還是有待提高。本文介紹了光生伏打電池的工作方法，并針對(duì)光敏材料的光譜特性進(jìn)行了分析，最后提出電池分層來提高光生伏打電池光電轉(zhuǎn)換效率的辦法。

【關(guān)鍵詞】 光生伏打電池 光譜特性 轉(zhuǎn)換效率

前言

本文主要簡(jiǎn)述了光生伏打電池的工作原理，并通過對(duì)光譜特性的分析，進(jìn)行光生伏打電池的改進(jìn)，從而提高其光電轉(zhuǎn)換效率。

一、外光電效應(yīng)

外光電效應(yīng)是指光照使物體吸收光子并激發(fā)出自由電子的現(xiàn)象。當(dāng)物體表面在特定的光幅照作用下，物體會(huì)吸收光子，并發(fā)射自由電子，微觀上表現(xiàn)為單個(gè)光子把他的全部能量傳遞給一個(gè)自由電子，使得自由電子的能量增加一個(gè)普朗克常數(shù)。當(dāng)電子獲得的能量大于物體的逸出功時(shí)，自由電子克服物體表面的束縛而逸出，形成電子發(fā)射，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏打電池的基本工作原理。

根據(jù)力做功的定義，對(duì)于單個(gè)光子的能量，得到光子的能量公式：

其中p為單個(gè)光子的沖量，λ為波長(zhǎng)，h為普朗克常數(shù)，f為光譜頻率。

只有當(dāng)物體中的電子吸收的入射光子能量足以克服物體表面的逸出功時(shí)，電子才可以逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。因?yàn)橐粋€(gè)光子的能量只能結(jié)合一個(gè)電子，因此要使一個(gè)電子逸出，光子能量必須超過逸出功。

其中A為物體的逸出功，m為電子質(zhì)量，v為電子逸出物體后的初速度。

光生伏打電池的基本工作元器件就是PN結(jié)，即N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起構(gòu)成一塊晶體。當(dāng)光照射到PN結(jié)時(shí)，如果光子的頻率達(dá)到紅限頻率，由于光電效應(yīng)，就在PN結(jié)處激發(fā)出了自由電子，產(chǎn)生電子——空穴對(duì)。在PN結(jié)電場(chǎng)的作用下，N區(qū)的光生空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)。結(jié)果，在N區(qū)就聚集了負(fù)電荷，P區(qū)就聚集了正電荷，于是在N區(qū)和P區(qū)之間就出現(xiàn)了電位差，產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。

二、光敏材料的光譜特性

不同的光敏材料對(duì)于不同頻率的光有不同的敏感度，而對(duì)于光生伏打電池，不同的制作材料則會(huì)對(duì)不同頻率的光有不同的光電轉(zhuǎn)換效率。

每一種材料都會(huì)在自身的紅限頻率以上對(duì)其中某一段頻率的光最敏感，同時(shí)也結(jié)意味著有可能會(huì)產(chǎn)生最高的光電轉(zhuǎn)換效率。

物質(zhì)的波長(zhǎng)與構(gòu)成物質(zhì)的粒子的沖量有關(guān)，即與粒子的質(zhì)量和熱運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)。不同的物質(zhì)在不同的環(huán)境下，因?yàn)橛胁煌牧Ｗ淤|(zhì)量和不同的熱運(yùn)動(dòng)速度而有不同的物質(zhì)波長(zhǎng)。根據(jù)物質(zhì)的諧振現(xiàn)象，當(dāng)光源的波長(zhǎng)與物質(zhì)的波長(zhǎng)越接近，他們的諧振幅度就越大，就可以產(chǎn)生越大的電流，從而這種物質(zhì)就會(huì)對(duì)與其相近波長(zhǎng)的光源有很高的敏感度，這意味著這種物質(zhì)對(duì)與其相近波長(zhǎng)的光源有可能產(chǎn)生很高的光電轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)光敏材料的光譜特性，不同的物質(zhì)確實(shí)會(huì)對(duì)不同頻率的光有不同的敏感度，也會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的光電效應(yīng)。每一種光敏材料都會(huì)在光譜上有一個(gè)敏感度的峰值，會(huì)對(duì)其中某一頻率段的光最為敏感。

如上圖所示，為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可以看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在0.54μm附近，適宜可見光的光電轉(zhuǎn)換。硅光電池應(yīng)用的范圍在0.4μm～1.1μm，峰值波長(zhǎng)在0.85μm附近，因此硅光電池適宜波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光的光電轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常選擇根據(jù)光源的性質(zhì)來選擇光電池，但是光電池的轉(zhuǎn)換效率依然僅僅維持在20%以下，難以達(dá)到我們的預(yù)期。

三、電池分層結(jié)構(gòu)提高光電轉(zhuǎn)換效率假設(shè)

由于光敏材料的光譜特性，本文提出電池分層結(jié)構(gòu)來提高光電轉(zhuǎn)換效率的假設(shè)。即在接收光源時(shí)，電池分層，每一層都采用不同的材料，從而對(duì)不同頻率的光都相對(duì)應(yīng)有一層是可以產(chǎn)生一個(gè)較高的光子能量吸收率。

當(dāng)一個(gè)光源產(chǎn)生一束混合光時(shí)，照射在分層的電池接收層上，每一層都可以在相對(duì)應(yīng)的頻率范圍內(nèi)有一個(gè)較高的轉(zhuǎn)換效率，未被上一層吸收的能量就可以繼續(xù)在下一層進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，從而盡可能多的利用每一種光的能量，達(dá)到較高的能量轉(zhuǎn)換效率。

四、結(jié)束語

光電池作為一種可再生能源的能量轉(zhuǎn)換，必將會(huì)在未來有很大的發(fā)展。電池分層結(jié)構(gòu)僅僅作為一種可行的辦法來提高光電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]《太陽(yáng)能電池與太陽(yáng)能電子線路》 霍爾斯特羅姆 I.R.

[2]《傳感器原理及應(yīng)用》 王化詳 張淑英