基本原理

太阳电池可以把光能直接转换为电能，其物理基础是 “光生伏打效 应”。 早在 1839 年， 法国科学家亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔就发现， 光照能使电解液中镀银的白金电极之间产生光生电压。 这种现象后来被称为 “光生伏打效应”， 简称 “光伏效应” 。 简单来说， 就 是当物体受到光照时， 其体内的电荷分布状态发生变化， 在不同的端面之间产生电 动势差的一种效应。

结合量子力学， 便可以更加科学地解释这个 问题。 量子力学认为， 光具有波粒二象性。 光以光子的形式传播， 每个光子的能量只依赖于其频率， 即光的颜色。 当光与物质相互作用时， 光子 的能量被物质吸收并能激发物质中的电子跃迁到 更高的能级， 成为受激电子； 这种现象的极端情 况便是阿尔伯特·爱因斯坦发现的光电效应， 即在高频光子照射下， 金属内部的电子会吸收光子 的能量， 彻底地从表面溢出。 1921 年， 爱因斯坦因成功解释了光电效应而获得诺贝尔物理学奖。

然而， 在大多数情况下， 物质中的电子吸收光子的能量成为受激电子后， 会很快地弛豫回基态， 但是太阳电池具有 pn 结结构， 使得受激电子在弛豫回基态前， 被输运到外部电路。 如果持续地接收光照， 便可源源不断产生电流， 驱动外电路中的负载。

以半导体太阳电池为例， 太阳电池将光能转换为电能的基本物理过程可以简述为： 当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时， 其中能量大于电池吸收材料禁带宽度 Eg的光子把价带中电子激发到导带上去， 形成导带电子， 价带中留下带正电的空 穴， 即电子 - 空穴对， 通常称它们为光生载流子。 导带电子和价带空穴在不停的运 动中扩散到 pn 结的空间电荷区， 被该区的内建电场分离， 电子被扫到电池的 n 型 一侧， 空穴被扫到电池的 p 型一侧， 从而在电池上下两面 （两极） 分别形成了正 负电荷积累， 产生 “光生电压”。 如果在电池的两端接上负载， 在持续的太阳光照 下， 就会不断有电流经过负载。 这就是太阳电池的基本工作原理。

太阳电池将光能转换为电能可概括为四个过程：①太阳电池吸收一定能量的光子； ②光生载流子———电子 - 空穴对的产生； ③电子 - 空穴对在复合前被内 建电场分离； ④电子、 空穴分别被 n 型和 p 型的电极输送至外电路。

光的波粒二象性的应用主要涉及两类器件， 一 类是波动性的应用， 即用于传递信息；另一类是传递能量，也即光的粒 子性的应用。从传递信息角度来看， 可利用光发射、 放大、 调制、加工处理、 存储、 测量、 显示等技术和元 件， 构成具有特定功能的光电子学系 统。 例如，利用光纤通信可以实现迅 速和大容量信息传送的目的。 从传递 能量的角度来看， 可将光能转换成电 能， 或将电能转换成光能。 前者主要应用便是太阳能电池， 其作用小到可作为电子表和电子计算器的电源， 大到可制成 地面或空间光伏电站； 后者则包含以电驱动的发光光源， 如发光二极管 （LED） 照 明等。 由此可见， 太阳电池作为一种传递能量的光电器件， 主要是建立在光的粒子 性基础上。