光電轉(zhuǎn)化效率是什么_光電轉(zhuǎn)化效率概念

　　什么是光電轉(zhuǎn)換

　　光電轉(zhuǎn)換是通過光伏效應(yīng)把太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的過程。這一過程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運(yùn)動(dòng)從而形成電流。這一過程有兩種解決途徑，最常見的一種是使用以硅為主要材料的固體裝置，另一種則是使用光敏染料分子來捕獲光子的能量。染料分子吸收光子能量后將使半導(dǎo)體中的帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴分離。

　　在眾多太陽光電池中較普遍且較實(shí)用的有單晶硅太陽光電池、多晶硅太陽光電池及非晶硅太陽光電池等三種太陽光電池主要功能在將光能轉(zhuǎn)換成電能，這個(gè)現(xiàn)象稱之為光伏效應(yīng)（photovoltaiceffect）。光伏效應(yīng)在19世紀(jì)即被發(fā)現(xiàn)，早期用來制造硒光電池，直到晶體管發(fā)明后半導(dǎo)體特性及相關(guān)技術(shù)才逐漸成熟，使太陽光電池的制造變?yōu)榭赡堋?/p>

　　光電轉(zhuǎn)換原理

　　概述：

　　被攝景物通過攝像機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)在光電靶上成像，由于光像各點(diǎn)亮度不同，因而使靶面各單元受光照的強(qiáng)度不同，導(dǎo)致靶面各單元的電阻值不同。與較亮像素對(duì)應(yīng)的靶單元阻值較小，與較暗像素對(duì)應(yīng)的靶單元阻值較大，這樣一幅圖像上各像素的不同亮度就表現(xiàn)為靶面上各單元的不同電阻值，原來按照明暗分布的“光像”就變成了相應(yīng)的“電像

　　從電子槍陰極發(fā)出的電子，在電子槍電場(chǎng)作用下高速射向靶面，并在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下按照掃描規(guī)律掃過靶面上的各個(gè)單元。當(dāng)電子束接觸到靶面某個(gè)單元時(shí)，使陰極、光電靶、負(fù)載電阻RL及電源E構(gòu)成一個(gè)回路。在負(fù)載RL中有電流流過，其電流大小取決于光電靶在該單元的電阻值大小。光照強(qiáng)處對(duì)應(yīng)阻值較小，流過負(fù)載RL的電流就較大，因而RL兩端產(chǎn)生的壓降也就較大。負(fù)載電阻RL上形成電壓就是攝像管輸出的圖像信號(hào)。

　　光電轉(zhuǎn)換過程（圖像的攝取過程）：被攝景物通過攝像機(jī)的光學(xué)鏡頭在光電靶上成像，被電子束將這幅圖像分解為像素，同時(shí)把各個(gè)像素的亮度轉(zhuǎn)變?yōu)樵谪?fù)載電阻RL上大小不同的電壓降，從而形成攝像管輸出信號(hào)。

　　光電效應(yīng)：

　　當(dāng)電子從外界獲得能量時(shí)將會(huì)跳到較高的能階，獲得的能量越多跳的能階也越高，電子處在較高的能階時(shí)并不穩(wěn)定，很快就會(huì)把獲得的能量釋放回到原來的能階。如果電子獲得的能量夠高就擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子空出來的位置則稱為空穴。自由電子可能會(huì)因?yàn)槟Σ粱蚺鲎驳纫蛩負(fù)p失能量，最后受到空穴的吸引而復(fù)合。例如，硅的最外層電子要成為自由電子需要吸收1.1ev的能量，當(dāng)硅最外層電子吸收到的光能量超過1.1ev時(shí)將會(huì)產(chǎn)生自由電子及空穴，稱之為光生電子空穴對(duì)（light-generatedelectron-holepairs）。電子空穴對(duì)的數(shù)目越多導(dǎo)電的效果也越好，因?yàn)楣馐沟脤?dǎo)電效果變好的現(xiàn)象稱之為光導(dǎo)效應(yīng)（photoconductiveeffect）。

　　自由電子與空穴的多寡對(duì)電氣特性有很大的影響，越多的自由電子與空穴可以使導(dǎo)電性增加，同時(shí)也可以使輸出電流增加，因此可以推測(cè)陽光越強(qiáng)時(shí)生成的自由電子與空穴越多，則輸出電流也越大。然而如果只是單純的產(chǎn)生自由電子與空穴，將會(huì)因?yàn)槟Σ良芭鲎驳纫蛩厥ツ芰?，最后自由電子?huì)與空穴復(fù)合而無法利用。為更有效的利用由電子與空穴來產(chǎn)生電流，因此必須加入電場(chǎng)使自由電子與空穴分離進(jìn)而產(chǎn)生電流。產(chǎn)生電場(chǎng)的方式很多如PN接面、金屬半導(dǎo)體接面等，其中最常用的方式為PN接面。

　　提高自由電子濃度常用的方法是在硅中加入少量的五價(jià)原子，五價(jià)原子的四個(gè)價(jià)電子與硅鍵結(jié)后剩下一個(gè)價(jià)電子，使剩下的價(jià)電子游離只需要0.05ev，比原來的1.1ev小很多，在室溫超過200度k時(shí)即可使所有雜質(zhì)產(chǎn)生自由電子，同樣在硅中加入少量的三價(jià)原子可以提高空穴濃度。在硅中加入五價(jià)原子后稱之為N型半導(dǎo)體，加入三價(jià)原子后稱之為P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體雖然帶有自由電子或空穴但本身仍然保持電中性，如果N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃度均勻分布則內(nèi)部沒有電場(chǎng)存在。若將N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體接和在一起，會(huì)因?yàn)閮蛇呑杂呻娮优c空穴的濃度不同產(chǎn)生擴(kuò)散。N型半導(dǎo)體中自由電子濃度較高，因此自由電子由N型半體向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散，同樣的空穴會(huì)由P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果使得接面附近的N型半導(dǎo)體失去電子得到空穴而帶正電，P型半導(dǎo)體失去空穴得到電子而帶負(fù)電。因?yàn)殡姾擅芏炔痪虼嗽诮用娓浇a(chǎn)生電場(chǎng)，如果有自由電子或空穴在電場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生，則會(huì)因?yàn)槭艿诫妶?chǎng)的作用而移動(dòng)，自由電子向N型半導(dǎo)體移動(dòng)，而電洞向P型半導(dǎo)體移動(dòng)，因此這個(gè)區(qū)域缺乏自由電子或空穴而稱之為空乏區(qū)。當(dāng)光照射在空乏區(qū)內(nèi)將硅原子的電子激發(fā)產(chǎn)生光生電子與空穴對(duì)，電子與空穴對(duì)會(huì)因?yàn)殡妶?chǎng)作用而使電池內(nèi)的電荷往兩端集中，此時(shí)只要外加電路將兩端連接即可利用電池內(nèi)的電力，這即是所謂的光電效應(yīng)，也是太陽光電池的轉(zhuǎn)換原理。

　　光電轉(zhuǎn)換材料

　　是通過光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的材料。主要用于制作太陽能電池。太陽是一個(gè)巨大的能源庫，地球上一年中接收到的太陽能高達(dá)1.8×10（18次方）千瓦時(shí)。研究和發(fā)展光電轉(zhuǎn)換材料的目的是為了利用太陽能。光電轉(zhuǎn)換材料的工作原理是：將相同的材料或兩種不同的半導(dǎo)體材料做成PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)，當(dāng)太陽光照射到PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)材料表面時(shí)，通過PN結(jié)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能電池對(duì)光電轉(zhuǎn)換材料的要求是轉(zhuǎn)換效率高、能制成大面積的器件，以便更好地吸收太陽光。已使用的光電轉(zhuǎn)換材料以單晶硅、多晶硅和非晶硅為主。用單晶硅制作的太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20%，但其成本高，主要用于空間技術(shù)。多晶硅薄片制成的太陽能電池，雖然光電轉(zhuǎn)換效率不高（約10%），但價(jià)格低廉，已獲得大量應(yīng)用。此外，化合物半導(dǎo)體材料、非晶硅薄膜作為光電轉(zhuǎn)換材料，也得到研究和應(yīng)用。

　　半導(dǎo)體光電器件是把光和電這兩種物理量聯(lián)系起來，使光和電互相轉(zhuǎn)化的新型半導(dǎo)體器件。光電器件主要有：利用半導(dǎo)體光敏特性工作的光電導(dǎo)器件、利用半導(dǎo)體光伏打效應(yīng)工作的光電池和半導(dǎo)體發(fā)光器件等。

　　光電轉(zhuǎn)化效率的概念

　　單色光電轉(zhuǎn)化效率，即入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率（monochromaticincidentphoton-to-electronconversionefficiency，用縮寫IPCE表示），定義為單位時(shí)間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù)Ne與單位時(shí)間內(nèi)的入射單色光子數(shù)Np之比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式見公式：

　　IPCE=1240Isc/（lPin）

　　其中Isc、l和Pin所使用的單位分別為μAcm-2、nm和Wm-2。

　　光電轉(zhuǎn)化效率的電流產(chǎn)生的過程

　　IPCE與光捕獲效率（lightharvestingefficiency）LHE（l）、電子注入量子效率finj及注入電子在納米晶膜與導(dǎo)電玻璃的后接觸面（backcontact）上的收集效率fc三部分相關(guān)。見公式：

　　IPCE（l）=LHE（l）*finj*fc=LHE（l）*f（l）

　　其中finj′fc可以看作量子效率f（l）。由于0￡LHE（l）￡1，所以對(duì)于同一體系，IPCE（l）￡f（l）。兩者相比，IPCE（l）能更好地表示電池對(duì)太陽光的利用程度，因?yàn)閒（l）只考慮了被吸收光的光電轉(zhuǎn)化，而IPCE（l）既考慮了被吸收光的光電轉(zhuǎn)化又考慮了光的吸收程度。譬如，若某電極的光捕獲效率為1%，而實(shí)驗(yàn)測(cè)得量子效率f（l）為90%，但其IPCE（l）只有0.9%。作為太陽能電池，必須考慮所有入射光的利用，所以用IPCE（l）表示其光電轉(zhuǎn)化效率更合理；作為L(zhǎng)B膜或自組裝膜敏化平板電極的研究主要用來篩選染料而不太注重光捕獲效率，所以常用f（l）表示光電轉(zhuǎn)化效果。在染料敏化太陽能電池中，IPCE（l）與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線為光電流工作譜。