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  • 光伏效应

    “光生伏特效应”,简称“光伏效应”,英文名称:Photovoltaic effect。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子(光波)转化为电子、光能量转化为电能量的过程;其次,是形成电压过程。有了电压,就像筑高了大坝,如果两者之间连通,就会形成电流的回路。

    编辑摘要

    目录

    基本概况/光伏效应 编辑

    早在1839年,法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现,光照能够使得半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”,简称“光伏效应”。1954年,美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池,诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应,就是当物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。即当太阳光或其他光照射半导体的PN结时,就会在PN结的两边出现电压,叫做光生电压,使PN结短路,就会产生电流。

    光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制,因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。光生伏特效应简称为光伏效应,指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

    光伏效应/光伏效应 编辑

    太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

    P-N结的形成

    同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量很小,在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA-和施主离子ND+。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差,故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间,在N区的电子为多子,在P区的电子为少子,使电子由N区流入P区,电子与空穴相遇又要发生复合,这样在原来是N区的结面附近电子变得很少,剩下未经中和的离子ND+形成正的空间电荷。同样,空穴由P区扩散到N区后,由不能运动的受主离子NA-形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区(也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层),于是出现空间电偶层,形成内电场(称内建电场)此电场对两区多子的扩散有抵制作用,而对少子的漂移有帮助作用,直到扩散流等于漂移流时达到平衡,在界面两侧建立起稳定的内建电场。  

    光电效应

    光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子(光波)转化为电子、光能量转化为电能量的过程;其次,是形成电压过程。有了电压,就像筑高了大坝,如果两者之间连通,就会形成电流的回路。

    当P-N结受光照时,样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子(电子-空穴对)。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴,N区产生的光生电子属多子,都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对(少子)扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区,光生空穴被拉向P区,即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累,在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场,其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低,其减小量即光生电势差,P端正,N端负,此时费米能级分离,因而产生压降,在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说,开路电压的典型数值为0.5~0.6V。通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多,电流越大。界面层吸收的光能越多,界面层即电池面积越大,在太阳能电池中形成的电流也越大。

    实际上,并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp,P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对,在扩散过程中将全部复合掉,对P-N结光电效应无贡献。

    发电方式/光伏效应 编辑

    太阳能发电方式太阳能发电有两种方式,一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。

    (1) 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程,与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。

    (2) 光—电直接转换方式该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染。  

    电流方程/光伏效应 编辑

    与热平衡时比较,有光照时,P-N结内将产生一个附加电流(光电流)Ip,其方向与P-N结反向饱和电流I0相同,一般Ip≥I0。此时

    I=I0eqU/KT - (I0+Ip)

    令Ip=SE,则

    I=I0eqU/KT - (I0+SE)

    开路电压Uoc

    光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压,即上述电流方程中I=0时的U值:

    0=I0eqU/KT - (I0+SE)

    Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)

    短路电流Isc

    光照下的P-N结,外电路短路,从P端流出,经过外电路,从N端流入的电流称为短路电流Isc。即上述电流方程中U=0时的I值,得Isc=SE。

    参数关系

    Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数,一定温度下,Uoc与光照度E成对数关系,但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下,Isc与E有线性关系。

    a)无光照时热平衡态,NP型半导体有统一的费米能级,势垒高度为qUD=EFN-EFP。

    b)稳定光照下P-N结外电路开路,由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc不再有统一费米能级,势垒高度为q(UD-Uoc)。

    c)稳定光照下P-N结外电路短路,P-N结两端无光生电压,势垒高度为qUD,光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。

    d)有光照有负载,一部分光电流在负载上建立起电压Uf,另一部分光电流被P-N结因正向偏压引起的正向电流抵消,势垒高度为q(UD-Uf)。  

    能带/光伏效应 编辑

    在热平衡条件下,结区有统一的EF;在远离结区的部位,EC、EF、Eν之间的关系与结形成前状态相同。

    从能带图看,N型、P型半导体单独存在时,EFN与EFP有一定差值。当N型与P型两者紧密接触时,电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动,空穴流动的方向相反。同时产生内建电场,内建电场方向为从N区指向P区。在内建电场作用下,EFN将连同整个N区能带一起下移,EFP将连同整个P区能带一起上移,直至将费米能级拉平为EFN=EFP,载流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲,形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差:

    qUD=EFN-EFP

    UD=(EFN-EFP)/q

    q:电子电量

    UD:接触电势差或内建电势

    对于在耗尽区以外的状态:

    UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)

    NA、ND、ni:受主、施主、本征载流子浓度。

    可见UD与掺杂浓度有关。在一定温度下,P-N结两边掺杂浓度越高,UD越大。

    禁带宽的材料,ni较小,故UD也大。  

    光伏材料/光伏效应 编辑

    铁电体条件

    在众多的光伏材料中,铁电体材料由于具有反常的光伏效应(光伏电压不受晶体禁带宽度(Eg)的限制,甚至可比 Eg 高 2 ~ 4 个数量级,达 103~ 105V/cm)而备受关注[3]。

    半个世纪以前,人们在具有非中心对称的各种铁电材料中已经发现了铁电光伏材料,沿着极化的方向能产生稳定的光伏效应。一般认为,铁电材料的光伏效应起源于其自发极化[5],铁电光伏的显著特点之一就是当极化方向在电场作用下转变的时候,光生电流也随之发生转变,而且在铁电材料内部光生电流的方向始终与极化方向相反。铁电光伏效应与传统的 p-n 结所不同的是 :在传统的 p-n 结中,光激发的电子空穴对被 p-n 结中的内建场迅速分离,向相反的方向作漂移运动,最后到达电极,然后被电极收集起来 。

    因此,理论上,p-n 结太阳能电池所产生的光生电压受到半导体带隙宽度的限制,一般不到 1V。对于铁电光伏效应而言 ,实验上得到的光生电压正比于极化强度以及电极之间的距离,而不受带隙宽度的限制,可以达到 104V。太阳能电池的光生电压越高,就意味着产生的电能越多,效率越高。

    铁电光伏效应的机制/光伏效应 编辑

    虽然有关铁电光伏效应的研究已有几十年,但直到现在,也没有人能够确切指出这种材料光伏过程的原理,关于铁电材料反常光伏效应的起源也一直存在争议。一般来说,影响铁电材料光生电压的因素有多种,例如两个电极之间的距离、光的强度、材料的导电性、剩余极化强度、晶体取向、晶粒尺寸、氧空位、畴壁以及界面等。但从本质上来说,铁电光伏效应   的机制主要有以下几种 :

    (1) 体光伏效应

    这种机制认为,光生电压产生于铁电材料的内部,因此称为“体光伏效应”,铁电材料则作为“电流源”。光照下产生的稳定电流 ( 光生电流 :Js) 与具有非中心对称铁电材料的性质有关。在具有非中心对称晶体中,电子从动量为 k 的状态向动量为 k 状态所跃迁的概率与其从动量为 k 的状态向动量为 k 状态跃迁的概率不同,导致了光生载流子的动量分布不对称,从而在光照下能形成稳定的电流。

    通过铁电材料总的电流密度 (J) 可以表示为 J=JS+(σd+σph)E

    式中,σd和 σph分别表示铁电材料在暗场及明场下的电导,即暗电导和光电导 ;E=V/d 为光照下铁电材料内部的电场,取决于外加电压 (V) 和两电极之间的距离 (d)。由于电极之间的距离通常都比较大,并且大多数铁电材料的暗电导和光电导都非常低,因此由铁电材料构成的太阳能光伏器件可以视为电流源。在铁电材料中,光照下的开路电压 Voc可以表示为 :V EJdd phocs=d=+σ σ从上式可以看出,如果总的电导率(σd+σph)不明显依赖于光强度的话,开路电压 Voc随 Ioc(或者 Js)线性增加。

    (2) 畴壁理论

    Yang 等人在研究铁酸铋 (BFO) 薄膜光伏效应时发现,BFO 中光生电压随着极化方向上畴壁数量的增加线性增加,垂直于极化方向上则没有观察到明显的光伏效应 ( 图 2b 和2d)。畴壁理论认为,由于极化强度在垂直于畴壁处会产生一个分量,其在畴壁处产生的电压为~ 10m V,畴壁宽度约为 2nm,因此极化在畴壁处产生的电场高达5×106V/m,此值远大于 p-n 结中的内电场,被认为铁电材料产生反常光伏效应的起源,也是分离光生载流子的主要驱动力。由于铁电材料中有很多电畴,被极化之后畴与畴之间首尾相连,而畴壁就像串联起来的纳米级光伏发电机,光生电压沿着极化方向逐渐累加起来。这一机制与串联的太阳能电池的概念类似,其输出电压为每一个单元之和。

    如果两个电极之间的距离越大,则电畴就越多,光照下两电极之间产生的光生电压也就越高,这一模型可以很好地解释反常光伏效应。此外,由于光照下产生连续的光电流,在一些文献中则把畴壁当成电流源,总的光生电压 Voc由光照下铁电材料的电流密度、电导率和电极之间的距离Jsc决定。与体光伏效应不同的是,畴壁理论将反常光伏效应归因于畴壁处载流子的激发,认为在畴壁外光激发的载流子复合速度很快,可以将体光伏效应忽略。

    而 Alexe 等人认为,在 BFO 中电畴内部载流子的复合并没有预想的快。作者用光电 - 原子力显微镜和压电力原子显微镜研究了 BFO 单晶中的光伏效应,发现在畴壁内部和外部都能观察到比较大的光生电流,表明在电畴内部载流子的复合是比较弱的。进一步研究发现,在 BFO 内光生载流子的寿命达 ~ 75μs,与在畴壁处所得到的结果相当。虽然用畴壁理论可以很好地说明反常光伏效应,即光生电压可以远大于禁带宽度,然而,有一些实验现象仅仅用磁畴壁理论是根本无法解释的,必须考虑到体光伏效应理论。例如,根据畴壁模型,由于在畴壁处电势的降落是极化电荷引起的,因此光电流不依赖于光的偏振方向。然而,研究者们在 BFO 等铁电材料中观察到光电流随着入射光偏振方向的变化而变化的现象,表明铁电材料反常光伏效应的起源比大家预想的更加复杂。

    在铁电光伏效应中,由于电畴和体效应对光生电流皆有贡献,因此,如果两者相长,则光生电流较大,反之,光生电流比较小,这可以解释为什么在 yang 等人的实验中平行于畴壁方向没有观察到光电流。

    (3)肖特基结效应

    当铁电材料与电极接触形成肖特基势垒时,界面处能带将会弯曲,光照下产生的电子空穴对将被电极附近局部电场驱动,产生的光电流很大程度是由肖特基势垒和耗尽层的深度决定。根据这一模型,在肖特基势垒内部所产生光生电压的大小依然局限于铁电材料的带隙,在研究铁电光伏效应的早期阶段肖特基效应所引起的电压常被忽略,是因为它远远低于大部分铁电晶体中的反常光生电压。但肖特基效应在铁电薄膜光伏器件中变得越来越重要,因为这些器件中的光伏电压输出通常比较小。

    一般来说,由相同电极与铁电材料构成的具有三明治结构的铁电光伏器件中,肖特基势垒产生光电流的贡献是不存在的,因为由上下两个相同的电极与铁电材料所构成的两个肖特基结是背靠背的,相互遏制,因此所产生的光生电压和电流相抵消。然而,若采用不同类型的电极,可以实现具有垂直结构的铁电光伏器件中光伏效应的增强。由于肖特基结效应与铁电材料的极化方向无关,根据这一特点就可以区分肖特基结和体光伏效应对光电流的贡献。然而一些研究者认为,肖特基势垒的高度可以通过对铁电材料施加电场改变其极化方向来进行调控。并且,当肖特基势垒和铁电材料的极化方向发生转变的时候,光生电压的符号也随之发生转变。

    例如,由 Au/BFO/Au 构成的具有垂直结构的铁电二极管中,光生电流及光生电压都随着极化方向的转变而转变。最初将 BFO 薄膜体光伏效应认为是产生这一现象的主要原因,但随后的研究表明,BFO 薄膜在极化过程中的肖特基势垒的改变主要是由于氧空位的迁移造成的,而当氧空位迁移在低温下被冻结时,光伏效应随着极化方向的转变不再发生转变。

    (4) 退极化场效应

    对于处于极化状态的铁电薄膜而言,薄膜表面具有高浓度的极化电荷,如果不考虑屏蔽效应,这些高密度的极化电荷将会在铁电层内产生一个巨大的电场。以 BFO薄膜为例,其剩余极化强度约为 100μC·cm-2,未被屏蔽的极化电荷所产生的电场可达 3×1010V/m。

    当铁电薄膜与金属或半导体接触时,剩余极化引起的表面电荷将会被金属或半导体中的自由电荷部分屏蔽。通常,表面电荷之所以不完全被屏蔽因为极化电荷和自由补偿电荷重心不重合,在整个铁电薄膜内部就产生电场,即退极化场。

    退极化场可能很大,例如对于厚度为 10 ~ 30nm 的 BTO 薄膜而言,由 BTO 与 Sr Ru O3电极构成的三明治结构中的退极化场约为 45×106V/m。如此高的退极化场被认为是分离光生载流子的主要驱动力,同时也表明反常光伏效应与极化电荷的屏蔽程度密切相关。

    屏蔽电荷的分布取决于铁电材料和金属 ( 或半导体 ) 的性质,例如剩余极化强度、自由电荷密度及介电常数等。另一方面未被屏蔽的极化电荷对退极化场的影响主要取决于铁电层的厚度:厚度小的铁电层结果退极化场大。

    一般来说,半导体与铁电材料接触产生的退极化场比金属与铁电材料接触所产生的退极化场大,这是由于半导体材料具有较小的自由电荷密度和较大的介电常数,从而产生较弱的屏蔽效应。  

    应用范围/光伏效应 编辑

    1.用户太阳能电源:(1)小型电源10-100W不等,用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电,如照明、电视、收录机等;(2)3-5KW家庭屋顶并网发电系统;(3)光伏水泵:解决无电地区的深水井饮用、灌溉。

    2. 交通领域:如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。

    3. 通讯/通信领域:太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

    4. 石油、海洋、气象领域:石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

    5.家庭灯具电源:如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。

    6.光伏电站:10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。

    7.太阳能建筑:将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑实现电力自给,是未来一大发展方向。

    8.其他领域包括:(1)与汽车配套:太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等;(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;(3)海水淡化设备供电;(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等。  

    光伏发电/光伏效应 编辑

    太阳能 太阳能

    太阳能发电,其基本原理就是“光伏效应”。太阳能专家的任务就是要完成制造电压的工作。因为要制造电压,所以完成光电转化的太阳能电池是阳光发电的关键。

    太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源,生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能,广义地说,太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种,则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术,再利用热能进行发电的称为太阳能热发电,也属于这一技术领域;通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术,光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的,因此又称太阳能光伏技术。研究太阳能光伏技术,可以有效增加能源利用水平,提高清洁能源使用率,从而降低环境污染,提高能源承载,有利于环境友好型社会的实现。在光伏发电领域,人类已经进行了大量的探索,获得了许多宝贵经验。

    二十世纪50年代,太阳能利用领域出现了两项重大技术突破:一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池,二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。

    70年代以来,鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加,世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年,美国制定了政府级的阳光发电计划,1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划,累计投入达8亿多美元。1992年,美国政府颁布了新的光伏发电计划,制定了宏伟的发展目标。日本在70年代制定了“阳光计划”,1993年将“月光计划”(节能计划)、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议,讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约,设立国际太阳能基金等,推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动,成为各国制定可持续发展战略的重要内容。

    自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划,大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。  

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