光转电的原理是什么？

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光转电的原理是什么？
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众所周知，光伏发电是太阳能最常见的利用方法之一，通过太阳能电池吸收太阳光然后将其转化为电能。而这其中的光电转化是如何进行的呢？
大家都知道原子核外存在不同数量的电子，分布在不同的能级上，具有其特殊的能量。而当大量的原子聚集在一起时，因为相互作用，原子的能级会发生变化，成为一系列与原来能级很接近的包含N个能级的新能级，这些新能级称为能带。



图1. 原子能级与能带

可以说能带是由能级组成的，因此能带与能级一样，相互之间也存在间隔，这个间隔被称为禁带（band gap），电子无法取得禁带中的能量。价带是电子填满的能带中能量最高的一条，导带是在价带之上能量更高、几乎不存在电子的一个能带。[1]
大家应该都知道电流的产生是来自于载流子的运动，而在价带中，电子已经占据了能够占据的所有可能的能级，大多数电子的相邻带也都被占据，基本无法移动。在导带中，由于此能带基本是空的，所以如果由电子能够到达导带，便可犹如脱缰野马般自由奔跑。在这时如果施加外加电压，那野马便被套上了缰绳，作为载流子听从指挥流动了。



图2. 导体、半导体、绝缘体的能带分布图

如图2所示，导体的价带与导带十分接近甚至重叠；半导体的禁带较小，一般低于3eV，因此在外界环境影响下，电子有可能越过禁带到达导带从而导电；绝缘体的禁带较大，电子很难跨越禁带。对于金属来说，费米能级（Fermi level）是绝对零度以下，电子能够占据的最高能级，是湖面上能被微风吹动泛起涟漪的那一层。费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的概率是1/2。在半导体和绝缘体中，如图2 所示，费米能级位于其禁带中部，价带中的电子有百分之五十的概率达到此处。
可以这样想，将电子当作在马路上熙熙攘攘的人群，那价带就是马路，马路拥挤寸步难行。对于导体（conductor）而言，导带就是人行天桥，行人可以随时通过人行天桥来穿过拥堵的人群；对于半导体（semiconductor），导带就是大气平流层，花点钱乘个飞机电子也能上去溜一圈；而对于绝缘体（insulator），导带就是天空之城，是外星球，是被悟空掀了的凌霄殿，不是不能去，只是代价巨大，一般电子去不起。



图3. 硅基太阳能板

目前商用的光伏系统使用的都是以硅为基底的硅太阳能电池，根据光生伏特效应原理发电。纯净的硅需要比较苛刻的条件才能让足够多的载流子跃迁到导带，可以理解为纯硅中的电子一定要坐最贵的商务舱才肯干活。因此，一般都会在硅中掺杂其它元素，生成载流子和新能级。
让我们放出祖传的元素周期表：



图4. 元素周期表

硅位于哪里？第四主族，最外层电子数为4。大家都知道最稳定的最外层电子数是八，当然不能让硅去找另一个四咯，不然直接凑成八，还有啥自由电子来载流呢。
把目光投向硅的前方：铝？不合适不合适，金属来凑什么热闹；再朝上看：硼？可以可以，自然界含量高还便宜。向硅的后边看：磷？也是随处可见的元素，分布广泛，可以一用。



图5. p型半导体掺杂示意图

如图5所示，硅和硼掺杂后，缺少一个电子满足共价键配位从而形成了空穴，空穴相当于一个带正电的载流子，这种类型的半导体被称为p型半导体（positive semiconductor）。



图6. n型半导体掺杂示意图

当和磷掺杂时，则是满足配位以外多出一个电子作为载流子，这类半导体被称为n型半导体（negative semiconductor）。
掺杂同样会导致费米能级的变化。如下图所示，p型半导体费米能级靠近价带边，掺杂浓度越高，空穴浓度越高，导电性越强，过高掺杂会进入价带；n型半导体费米能级靠近导带边，掺杂浓度越高，电子浓度越高，导电性能越强，过高掺杂会进入导带。



图7. p型& n型半导体掺杂后的费米能级

当两种类型的半导体结合时，载流子不同，会有电子从n区到p区的扩散运动，并在结合处与空穴大量结合，n型半导体失去了电子，p型半导体获得了电子。因此p区一侧会带负电荷，n区一侧带正电荷。p-n结附近的载流子全部结合后，会形成一个势垒区，也称作内建电场，阻止更多载流子进一步扩散。相当于先结合的部分电子把空穴形成的路都给堵住了，后边的电子跑也跑不过去了。



图8. p-n结内建电场的形成

在电子扩散的同时，半导体的能带会发生弯曲，费米能级也跟着不断变化。n型半导体费米能级不断下移，p型半导体费米能级不断上移，直至相等。因此p-n结中的费米能级是统一的，处于平衡状态。如图9，能带的弯曲量，也就是p-n结的内建电势差等于原n型p型半导体费米能级之差。



图9. p-n结处费米能级的变化

太阳能电池中的光电转换的基本原理为光生伏特效应（photovoltaic effect），是光电效应的一种。
当p-n结受到光照时，若吸收光子能量大于禁带能量，价带中的电子就会跃迁到导带，产生电子-空穴对。诶，我们刚刚说了，p-n结的内建电场阻止了p区的空穴以及n区电子的继续扩散。同样，受到光照时，p区产生的光生空穴，n区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有p区的光生电子和n区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。
因此，在内建电场的作用下，n区空穴会趋向p区迁移聚集、p区电子会趋向n区迁移聚集，进而产生一个与p-n结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p区指向n区。即对外接电路来说，p区为正极，n区为负极。该电场使势垒（内建电场）降低，此时费米能级分离，因而产生压降，减少量即为光生电势差。
光生电势差即为太阳能电池的开路电压，用导线连接两侧并外接负载，就可以对外输出电能。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。



图10. 太阳能电池工作示意图

参考链接：
[1] https://www.zhihu.com/question/31683770
[2] 费米能级与PN结的光生伏特效应 - 努力努力再努力的文章 - 知乎
https://zhuanlan.zhihu.com/p/439141532
[3] https://zhuanlan.zhihu.com/p/62638615