光電效應與光伏效應的區別與聯系

張 麗

(保定天威薄膜光伏有限公司 河北 保定 071000)

在光學學習過程中，光電效應與光伏效應是非常重要的兩個概念，理解兩者之間的聯系與區別對光學的學習至關重要.

1887年H·赫茲研究電火花的紫外光照射在火花隙縫的負電極上時,會有助于放電的現象，一年之后，德雷斯登的W·霍爾瓦克斯發現在光的影響下，物體會釋放出負電[1].后來，就把光照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現象，稱為光電效應.所逸出的電子叫光電子[2].

對于光電效應的定義并不僅這一種，上述的表述只是其中之一.在《科學發現者 物理 原理與問題》表述為：電磁輻射照射到物體上并使其發射電子的現象叫做光電效應[3].然而，就在這本書的第743頁卻寫道，太陽能電池板，就是利用光電效應把太陽能轉化為電能的，而我們卻知道，通常意義上的太陽能板，是沒有電子逸出與收集的.

為什么會出現這樣的情況呢？因為光電效應的定義是來自實驗，而實驗的本身，就有很多的局限性，比如,光的頻率，實驗物體的選定，電子是否逸出等等，并沒有嚴謹的定義.不過目前，對光照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現象，大家更習慣稱之為外光電效應.

一般來說，對于光電效應，大家可以理解為兩個過程.

(1)電子對光的吸收過程.在這過程中，大家有這樣的共同理解：一是對于一定的金屬材料做成的電極，有一個確定的臨界頻率，低于此頻率，光電子不會逸出；二是逸出電子的末動能大小取決于物體的材料特性以及光子的頻率，與光的強度無關；三是入射光頻率高于臨界頻率，立刻就可以觀測到光電子(時間約為10-9s).

(2)電子獲得光的能量之后的反應.電子逸出物體表面，而成為自由粒子，就是外光電效應，電子脫離原來原子核的束縛，成為在材料中的自由電子，就是內光電效應，這與電子在原子的各束縛能級間的躍遷是有區別的.所以，太陽能電池利用光電效應發電，是一種籠統的說法.

對于光伏效應，下面結合晶硅太陽能電池的結構，闡述它的內涵.如圖1.

(a)晶體硅太陽能電池 (b)晶硅電池結構

圖1

晶體硅太陽能電池制備時，先在晶硅內摻雜硼形成p型硅片，然后，在其一個表面重摻磷形成一層薄的n型硅，這樣做的結果就是在硅片的內部形成了p-n結.

沒有光照時，硅片中的自由電子從n型區向p型區擴散，形成擴散電流；n型區失去電子后呈現出正電荷特征，p型區由于得到電子呈現出負電荷特征，從而形成內建電場.內建電場的形成與不斷壯大會阻礙電子的擴散運動，直至達到動態平衡狀態為止.

當受到光照射時，束縛電子吸收光的能量，脫離原來原子核的束縛，成為光電子在硅片中運動，受p-n結內建電場的作用，p型區中的光電子穿過p-n結，向n區漂移，電荷的積累導致p區電勢高于n區電勢，從而，在背電極與前電極之間產生電壓，即光生伏特.

通過以上敘述，我們可以知道，光生伏特效應是用適當的光照射非均勻半導體(p-n結等)時，由于內建電場的作用，半導體內部產生電動勢的現象.由上述可知，光生伏特是內光電效應的一種特定表現形式.

參考文獻

1 (美)弗洛里安·卡約里著.戴念祖譯.物理學史.南寧:廣西師范大學出版社,1982.315

2 姚啟鈞.光學教程.北京：人民教育出版社，1981.403

3 (美)齊澤維茨(Zitzewitz, P. W.)，等著.錢振華，等譯.科學發現者 物理原理與問題下冊.杭州:浙江教育出版社，2008.740,743

4 劉恩科，朱秉升，羅晉生,等.半導體物理學.北京:國防工業出版社，1997.271