太陽能 - 光伏效應

在學習光伏效應的概念之前，掌握PN接面的基本知識至關重要。

PN接面

PN接面是由美國貝爾實驗室的羅素髮明的。它指的是兩種半導體之間的連線，即P型和N型。羅素髮現這兩種半導體在連線處表現出有趣的行為，導致電流只能單向導通。

P型半導體以空穴（電子缺失）作為多數載流子。N型半導體以電子作為多數載流子。

在上圖中，在連線處 -

• 多餘的電荷擴散到相反的結，使得P側的正電荷獲得負電荷並將其中和。

• 類似地，N側的負電荷獲得正電荷並將其中和。

• 這在兩側形成一個邊緣（m），其中多餘的電荷被耗盡以使該區域呈中性並處於平衡狀態。該區域被稱為**耗盡層**，並且任何一側的電荷都不會穿過。

• 耗盡層提供了一個勢壘，因此需要外部電壓來克服它。這個過程稱為**偏置**。

• 為了導通，在**正向偏置**中，施加的電壓應該將電子（負電荷）從N型結推向結的P側。電流的持續流動保證了電子不斷地填充空穴，從而在耗盡層上導通。

• 反轉施加的電壓，在一個稱為**反向偏置**的過程中，會導致空穴和電子漂移分開，從而增加耗盡層。

• 外部負載連線到太陽能電池，正極連線到N側晶片，負極連線到P側晶片。**光伏**效應產生電勢差。

由光子位移電子獲得的電流不足以產生明顯的電勢差。因此，電流被限制以導致進一步的碰撞並釋放更多電子。

光伏效應

太陽能電池利用PN接面的概念來捕獲太陽能。下圖顯示了半導體的費米能級。

為了使半導體導電，電子必須越過能隙從價帶躍遷到導帶。這些電子需要一些能量才能脫離並越過價帶隙。在太陽能電池中，太陽發出的光子提供了克服能隙所需的能量。

入射到表面的光子可能會被吸收、反射或透射。如果它被反射或透射，它就不會有助於使電子脫離，因此會被浪費。因此，必須吸收光子才能提供使電子脫離並越過價帶隙所需的能量。

如果E_ph是光子的能量，而E_G是越過能隙的閾值能量，那麼當光子撞擊半導體表面時，可能的結果是：

• E_ph < E_G - 在這種情況下，光子達不到閾值，只會穿過。

• E_ph = E_G - 光子具有恰好使電子脫離併產生電子-空穴對的閾值能量。

• E_ph > E_G - 光子能量超過閾值。這會產生電子-空穴對，但這是一種浪費，因為電子會回到能隙的低能級。

太陽輻射的吸收

在大多數情況下，半導體的吸收係數用於確定從太陽吸收能量的效率。係數越低，吸收越差。因此，光子傳播的距離是吸收係數（α）和輻射波長（λ）的函式。

$$α = \frac{4πk}{λ}$$

其中，k是消光係數。