提高光生伏打電池光電轉(zhuǎn)換效率

戴慧鳳

【摘要】 科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展和進(jìn)步，不僅對于電池的需求越來越多，對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

本文主要簡述了光生伏打電池的工作原理，并通過對光譜特性的分析，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，物體會吸收光子，并發(fā)射自由電子，微觀上表現(xiàn)為單個光子把他的全部能量傳遞給一個自由電子，使得自由電子的能量增加一個普朗克常數(shù)。當(dāng)電子獲得的能量大于物體的逸出功時，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)生電動勢，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，對于單個光子的能量，得到光子的能量公式：

其中p為單個光子的沖量，λ為波長，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，電子才可以逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。因為一個光子的能量只能結(jié)合一個電子，因此要使一個電子逸出，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，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。在PN結(jié)電場的作用下，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)生了光生電動勢。

二、光敏材料的光譜特性

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

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

物質(zhì)的波長與構(gòu)成物質(zhì)的粒子的沖量有關(guān)，即與粒子的質(zhì)量和熱運動的速度有關(guān)。不同的物質(zhì)在不同的環(huán)境下，因為有不同的粒子質(zhì)量和不同的熱運動速度而有不同的物質(zhì)波長。根據(jù)物質(zhì)的諧振現(xiàn)象，當(dāng)光源的波長與物質(zhì)的波長越接近，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)就會對與其相近波長的光源有很高的敏感度，這意味著這種物質(zhì)對與其相近波長的光源有可能產(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)確實會對不同頻率的光有不同的敏感度，也會產(chǎn)生不同強度的光電效應(yīng)。每一種光敏材料都會在光譜上有一個敏感度的峰值，會對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，峰值波長在0.85μm附近，因此硅光電池適宜波長較長的光的光電轉(zhuǎn)換。在實際應(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，電池分層，每一層都采用不同的材料，從而對不同頻率的光都相對應(yīng)有一層是可以產(chǎn)生一個較高的光子能量吸收率。

當(dāng)一個光源產(chǎn)生一束混合光時，照射在分層的電池接收層上，每一層都可以在相對應(yīng)的頻率范圍內(nèi)有一個較高的轉(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]《太陽能電池與太陽能電子線路》 霍爾斯特羅姆 I.R.

[2]《傳感器原理及應(yīng)用》 王化詳 張淑英