張 麗

(保定天威薄膜光伏有限公司 河北 保定 071000)

在光學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，光電效應(yīng)與光伏效應(yīng)是非常重要的兩個(gè)概念，理解兩者之間的聯(lián)系與區(qū)別對(duì)光學(xué)的學(xué)習(xí)至關(guān)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(fù)電極上時(shí),會(huì)有助于放電的現(xiàn)象，一年之后，德雷斯登的W·霍爾瓦克斯發(fā)現(xiàn)在光的影響下，物體會(huì)釋放出負(fù)電[1].后來(lái)，就把光照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng).所逸出的電子叫光電子[2].

對(duì)于光電效應(yīng)的定義并不僅這一種，上述的表述只是其中之一.在《科學(xué)發(fā)現(xiàn)者 物理 原理與問(wèn)題》表述為：電磁輻射照射到物體上并使其發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)[3].然而，就在這本書的第743頁(yè)卻寫道，太陽(yáng)能電池板，就是利用光電效應(yīng)把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的，而我們卻知道，通常意義上的太陽(yáng)能板，是沒有電子逸出與收集的.

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢？因?yàn)楣怆娦?yīng)的定義是來(lái)自實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)的本身，就有很多的局限性，比如,光的頻率，實(shí)驗(yàn)物體的選定，電子是否逸出等等，并沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x.不過(guò)目前，對(duì)光照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，大家更習(xí)慣稱之為外光電效應(yīng).

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于光電效應(yīng)，大家可以理解為兩個(gè)過(guò)程.

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

(2)電子獲得光的能量之后的反應(yīng).電子逸出物體表面，而成為自由粒子，就是外光電效應(yīng)，電子脫離原來(lái)原子核的束縛，成為在材料中的自由電子，就是內(nèi)光電效應(yīng)，這與電子在原子的各束縛能級(jí)間的躍遷是有區(qū)別的.所以，太陽(yáng)能電池利用光電效應(yīng)發(fā)電，是一種籠統(tǒng)的說(shuō)法.

對(duì)于光伏效應(yīng)，下面結(jié)合晶硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)，闡述它的內(nèi)涵.如圖1.

(a)晶體硅太陽(yáng)能電池 (b)晶硅電池結(jié)構(gòu)

圖1

晶體硅太陽(yáng)能電池制備時(shí)，先在晶硅內(nèi)摻雜硼形成p型硅片，然后，在其一個(gè)表面重?fù)搅仔纬梢粚颖〉膎型硅，這樣做的結(jié)果就是在硅片的內(nèi)部形成了p-n結(jié).

沒有光照時(shí)，硅片中的自由電子從n型區(qū)向p型區(qū)擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流；n型區(qū)失去電子后呈現(xiàn)出正電荷特征，p型區(qū)由于得到電子呈現(xiàn)出負(fù)電荷特征，從而形成內(nèi)建電場(chǎng).內(nèi)建電場(chǎng)的形成與不斷壯大會(huì)阻礙電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)為止.

當(dāng)受到光照射時(shí)，束縛電子吸收光的能量，脫離原來(lái)原子核的束縛，成為光電子在硅片中運(yùn)動(dòng)，受p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用，p型區(qū)中的光電子穿過(guò)p-n結(jié)，向n區(qū)漂移，電荷的積累導(dǎo)致p區(qū)電勢(shì)高于n區(qū)電勢(shì)，從而，在背電極與前電極之間產(chǎn)生電壓，即光生伏特.

通過(guò)以上敘述，我們可以知道，光生伏特效應(yīng)是用適當(dāng)?shù)墓庹丈浞蔷鶆虬雽?dǎo)體(p-n結(jié)等)時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象.由上述可知，光生伏特是內(nèi)光電效應(yīng)的一種特定表現(xiàn)形式.

參考文獻(xiàn)

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

2 姚啟鈞.光學(xué)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(xué)發(fā)現(xiàn)者 物理原理與問(wèn)題下冊(cè).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(dǎo)體物理學(xué).北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1997.271