太阳能 - 光伏效应

在学习光伏效应的概念之前，掌握PN结的基本知识至关重要。

PN结

PN结是由美国贝尔实验室的罗素发明的。它指的是两种半导体之间的连接，即P型和N型。罗素发现这两种半导体在连接处表现出有趣的行为，导致电流只能单向导通。

P型半导体以空穴（电子缺失）作为多数载流子。N型半导体以电子作为多数载流子。

在上图中，在连接处 -

• 多余的电荷扩散到相反的结，使得P侧的正电荷获得负电荷并将其中和。

• 类似地，N侧的负电荷获得正电荷并将其中和。

• 这在两侧形成一个边缘（m），其中多余的电荷被耗尽以使该区域呈中性并处于平衡状态。该区域被称为**耗尽层**，并且任何一侧的电荷都不会穿过。

• 耗尽层提供了一个势垒，因此需要外部电压来克服它。这个过程称为**偏置**。

• 为了导通，在**正向偏置**中，施加的电压应该将电子（负电荷）从N型结推向结的P侧。电流的持续流动保证了电子不断地填充空穴，从而在耗尽层上导通。

• 反转施加的电压，在一个称为**反向偏置**的过程中，会导致空穴和电子漂移分开，从而增加耗尽层。

• 外部负载连接到太阳能电池，正极连接到N侧晶片，负极连接到P侧晶片。**光伏**效应产生电势差。

由光子位移电子获得的电流不足以产生明显的电势差。因此，电流被限制以导致进一步的碰撞并释放更多电子。

光伏效应

太阳能电池利用PN结的概念来捕获太阳能。下图显示了半导体的费米能级。

为了使半导体导电，电子必须越过能隙从价带跃迁到导带。这些电子需要一些能量才能脱离并越过价带隙。在太阳能电池中，太阳发出的光子提供了克服能隙所需的能量。

入射到表面的光子可能会被吸收、反射或透射。如果它被反射或透射，它就不会有助于使电子脱离，因此会被浪费。因此，必须吸收光子才能提供使电子脱离并越过价带隙所需的能量。

如果E_ph是光子的能量，而E_G是越过能隙的阈值能量，那么当光子撞击半导体表面时，可能的结果是：

• E_ph < E_G - 在这种情况下，光子达不到阈值，只会穿过。

• E_ph = E_G - 光子具有恰好使电子脱离并产生电子-空穴对的阈值能量。

• E_ph > E_G - 光子能量超过阈值。这会产生电子-空穴对，但这是一种浪费，因为电子会回到能隙的低能级。

太阳辐射的吸收

在大多数情况下，半导体的吸收系数用于确定从太阳吸收能量的效率。系数越低，吸收越差。因此，光子传播的距离是吸收系数（α）和辐射波长（λ）的函数。

$$α = \frac{4πk}{λ}$$

其中，k是消光系数。