高效率太陽能電池.pdf

光电效应与光伏效应高效率太阳能电池的发展探讨上海大学－光伏材料与器件R&D实验室（2008年8月25日）一、引言本文将介绍并讨论光电效应（photoemission）与光伏效应（photovoltaiceffect）的关系以及它们在太阳电池中的应用。并将针对现在还在研发阶段的超高效率太阳电池做一简单、深入的探讨。在科技界、甚至全社会只要提起爱因斯坦大家马上就会联想到他的相对论。至于狭义相对论所提到的基本概念譬如说若物体跑得越快则时间变得越慢长度变得越短和质量变得越重更是令一般人深感迷惑。而爱因斯坦最有名的质－能公式E=mc2和他个人与原子弹的发展之种种瓜葛更足以说明他在二十世纪的历史地位。一般认为二十世纪物理学的发展有二个最重要的方面即：量子力学和相对论。量子力学是众多物理学家的集体创作完善于上世纪二、三十年代但相对论却可以说大部分是爱因斯坦个人的智能结晶。有趣且费解的是1921年诺贝尔物理奖颁发给爱因斯坦的理由并不是相对论而是他在光电效应方面的贡献也没有只字提到相对论。当然光电效应是跟量子论有关也就是说当时诺贝尔物理奖励委员会认定爱因-1-斯坦在光量子论方面的贡献远大于他的相对论。这是因为在当时许多人还不能接受爱因斯坦的相对论甚至有人还写了一本书《一百个反对爱因斯坦的理由》当然爱因斯坦还是以他一贯充满智慧的语言予以回应说“假如我是错的一个理由就够了”。就是现在或许还有人对于诺贝尔奖颁给爱因斯坦在光电效应方面的贡献却没有提到相对论仍觉得不可思议。但是若从光电效应及其后续所衍生的相关应用光伏效应和太阳能电池对目前人类的实质贡献就可以理解这个决定了。所以我们说诺贝尔奖励委员会还真是有难得胡涂的先见之明。本文将对太阳电池尤其是现在还在研发阶段的超高效率太阳电池做一简单、深入且广泛的介绍。二、光电效应与金属太阳电池1887年由HeinrichHertz在实验上发现了光电(photoelectric)效应。1905年爱因斯坦采用了光量子(photon)的概念从理论上成功地解释了这一现象。当时的光电效应是描述光子入射到金属表面金属内的电子吸收足够的光子能量而离开金属成为真空中的自由电子。在实验设置上是用二片金属和一个电源连接起来受光照的金属当作阴极发射器(cathodeemitter)没有光照的金属当作阳极接收器(anodecollector)外加电场使光照后逃离金属的电子从阴极跑到阳极形成光电流(photocurrent)。-2-从固体物理学的角度金属的电子能带结构和半导体、绝缘体是不一样的。在金属中电子可以自由运动的导带与电子处于原子成键的价带是重叠的也就是说金属内价带中的电子也可以成为自由运动的导电电子。而且金属内的电子能带结构有二个重要的参数描述它的物理特征费米能(Fermienergy)和真空能级(vacuumlevel)真空能级和费米能的能量差就是所谓的功函数(workfunction)。简单的说在温度0K时费米能是指金属内的电子占据的最高能级。即：在温度0K时费米能以下填满电子费米能以上没有电子。功函数则是金属内荷正电的离子对负电子的净束缚能若电子脱离金属的束缚而跃升至真空能级就变成真空中的自由电子。通常有二种方式可以让电子获得额外的能量脱离金属的束缚跃升至真空能级。一是加热电子吸收声子的能量产生热电子发射(thermo-emission)或是光照电子吸收光子的能量产生光电效应。理论上利用金属的光电效应也可以制备太阳电池。有光照的金属其电子吸收光子的能量从费米能以下的低能级跃升至费米能以上的高能级当然如果光子能量大于功函数电子就会跃升至真空能级成为真空中的自由电子。但是电子的能量分布函数中有二个重要的物理参数：化学势(chemicalpotential)和温度。吸收光子至高能级的电子经由电子-电子碰撞就会提高整个金属电子的化学势与温度。也就是说有光照的金属其化学势会稍