光生伏特效应（光照下半导体产生电动势的现象）

概述

光生伏特效应

1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)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。

光伏机理

1）P-N结

太阳能电池发电的原理是基于半导体的光伏效应将太阳辐射直接转换为电能。在晶体中电子的数目与核电荷数相一致，所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性的。如果将P型硅或N型硅放在阳光下照射，仅是加热，外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子-空穴对，但在很短的时间内（在μs范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就在一个特殊的薄层两侧形成电势差，这就是P-N结。

目前，多数太阳能电池厂家都是通过扩散工艺，在P型硅片上形成N型区，在两个区交界就形成了一个P-N结（即

2）光伏效应

如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可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

效应应用

1）光生伏特效应

可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件的传感器。

2）侧向光生伏特效应（殿巴效应）

可制作反转光敏二极管等半导体位置敏感器件的传感器。

3）

可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器。

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。

光子-内部结构模型图

以下为光电池的基本特性：

1）对不同波长光的灵敏度不同

光电池光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响应波长范围为

2）光照特性

不同光照度下，光电池的光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。

3）温度特性

光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。

温度特性是光电池的重要特性之一，它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度。随温度升高，开路电压下降速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。

光生伏特效应