提高光生伏打电池光电转换效率

戴慧凤

【摘要】 科学技术在不断发展和进步，不仅对于电池的需求越来越多，对电池的要求也越来越高。光生伏打电池由于其性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高，能耐高温辐射等特性，在电池中有重要地位，但是其光电转换效率还是有待提高。本文介绍了光生伏打电池的工作方法，并针对光敏材料的光谱特性进行了分析，最后提出电池分层来提高光生伏打电池光电转换效率的办法。

【关键词】 光生伏打电池 光谱特性 转换效率

前言

本文主要简述了光生伏打电池的工作原理，并通过对光谱特性的分析，进行光生伏打电池的改进，从而提高其光电转换效率。

一、外光电效应

外光电效应是指光照使物体吸收光子并激发出自由电子的现象。当物体表面在特定的光幅照作用下，物体会吸收光子，并发射自由电子，微观上表现为单个光子把他的全部能量传递给一个自由电子，使得自由电子的能量增加一个普朗克常数。当电子获得的能量大于物体的逸出功时，自由电子克服物体表面的束缚而逸出，形成电子发射，从而产生电动势，这就是光生伏打电池的基本工作原理。

根据力做功的定义，对于单个光子的能量，得到光子的能量公式：

其中p为单个光子的冲量，λ为波长，h为普朗克常数，f为光谱频率。

只有当物体中的电子吸收的入射光子能量足以克服物体表面的逸出功时，电子才可以逸出物体表面，产生光电子发射。因为一个光子的能量只能结合一个电子，因此要使一个电子逸出，光子能量必须超过逸出功。

其中A为物体的逸出功，m为电子质量，v为电子逸出物体后的初速度。

光生伏打电池的基本工作元器件就是PN结，即N型半导体和P型半导体结合在一起构成一块晶体。当光照射到PN结时，如果光子的频率达到红限频率，由于光电效应，就在PN结处激发出了自由电子，产生电子——空穴对。在PN结电场的作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区。结果，在N区就聚集了负电荷，P区就聚集了正电荷，于是在N区和P区之间就出现了电位差，产生了光生电动势。

二、光敏材料的光谱特性

不同的光敏材料对于不同频率的光有不同的敏感度，而对于光生伏打电池，不同的制作材料则会对不同频率的光有不同的光电转换效率。

每一种材料都会在自身的红限频率以上对其中某一段频率的光最敏感，同时也结意味着有可能会产生最高的光电转换效率。

物质的波长与构成物质的粒子的冲量有关，即与粒子的质量和热运动的速度有关。不同的物质在不同的环境下，因为有不同的粒子质量和不同的热运动速度而有不同的物质波长。根据物质的谐振现象，当光源的波长与物质的波长越接近，他们的谐振幅度就越大，就可以产生越大的电流，从而这种物质就会对与其相近波长的光源有很高的敏感度，这意味着这种物质对与其相近波长的光源有可能产生很高的光电转换效率。

根据光敏材料的光谱特性，不同的物质确实会对不同频率的光有不同的敏感度，也会产生不同强度的光电效应。每一种光敏材料都会在光谱上有一个敏感度的峰值，会对其中某一频率段的光最为敏感。

如上图所示，为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可以看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在0.54μm附近，适宜可见光的光电转换。硅光电池应用的范围在0.4μm～1.1μm，峰值波长在0.85μm附近，因此硅光电池适宜波长较长的光的光电转换。在实际应用中，我们通常选择根据光源的性质来选择光电池，但是光电池的转换效率依然仅仅维持在20%以下，难以达到我们的预期。

三、电池分层结构提高光电转换效率假设

由于光敏材料的光谱特性，本文提出电池分层结构来提高光电转换效率的假设。即在接收光源时，电池分层，每一层都采用不同的材料，从而对不同频率的光都相对应有一层是可以产生一个较高的光子能量吸收率。

当一个光源产生一束混合光时，照射在分层的电池接收层上，每一层都可以在相对应的频率范围内有一个较高的转换效率，未被上一层吸收的能量就可以继续在下一层进行能量转换，从而尽可能多的利用每一种光的能量，达到较高的能量转换效率。

四、结束语

光电池作为一种可再生能源的能量转换，必将会在未来有很大的发展。电池分层结构仅仅作为一种可行的办法来提高光电池的光电转换效率。

参 考 文 献

[1]《太阳能电池与太阳能电子线路》 霍尔斯特罗姆 I.R.

[2]《传感器原理及应用》 王化详 张淑英