提高光生伏打電池光電轉換效率

戴慧鳳

【摘要】 科學技術在不斷發展和進步，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定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高，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行了分析，最后提出電池分層來提高光生伏打電池光電轉換效率的辦法。

【關鍵詞】 光生伏打電池 光譜特性 轉換效率

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，進行光生伏打電池的改進，從而提高其光電轉換效率。

一、外光電效應

外光電效應是指光照使物體吸收光子并激發出自由電子的現象。當物體表面在特定的光幅照作用下，物體會吸收光子，并發射自由電子，微觀上表現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。當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，形成電子發射，從而產生電動勢，這就是光生伏打電池的基本工作原理。

根據力做功的定義，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，f為光譜頻率。

只有當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，產生光電子發射。因為一個光子的能量只能結合一個電子，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，即N型半導體和P型半導體結合在一起構成一塊晶體。當光照射到PN結時，如果光子的頻率達到紅限頻率，由于光電效應，就在PN結處激發出了自由電子，產生電子——空穴對。在PN結電場的作用下，N區的光生空穴被拉向P區，P區的光生電子被拉向N區。結果，在N區就聚集了負電荷，P區就聚集了正電荷，于是在N區和P區之間就出現了電位差，產生了光生電動勢。

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，同時也結意味著有可能會產生最高的光電轉換效率。

物質的波長與構成物質的粒子的沖量有關，即與粒子的質量和熱運動的速度有關。不同的物質在不同的環境下，因為有不同的粒子質量和不同的熱運動速度而有不同的物質波長。根據物質的諧振現象，當光源的波長與物質的波長越接近，他們的諧振幅度就越大，就可以產生越大的電流，從而這種物質就會對與其相近波長的光源有很高的敏感度，這意味著這種物質對與其相近波長的光源有可能產生很高的光電轉換效率。

根據光敏材料的光譜特性，不同的物質確實會對不同頻率的光有不同的敏感度，也會產生不同強度的光電效應。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換。硅光電池應用的范圍在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換。在實際應用中，我們通常選擇根據光源的性質來選擇光電池，但是光電池的轉換效率依然僅僅維持在20%以下，難以達到我們的預期。

三、電池分層結構提高光電轉換效率假設

由于光敏材料的光譜特性，本文提出電池分層結構來提高光電轉換效率的假設。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有一層是可以產生一個較高的光子能量吸收率。

當一個光源產生一束混合光時，照射在分層的電池接收層上，每一層都可以在相對應的頻率范圍內有一個較高的轉換效率，未被上一層吸收的能量就可以繼續在下一層進行能量轉換，從而盡可能多的利用每一種光的能量，達到較高的能量轉換效率。

四、結束語

光電池作為一種可再生能源的能量轉換，必將會在未來有很大的發展。電池分層結構僅僅作為一種可行的辦法來提高光電池的光電轉換效率。

參 考 文 獻

[1]《太陽能電池與太陽能電子線路》 霍爾斯特羅姆 I.R.

[2]《傳感器原理及應用》 王化詳 張淑英