光怎么轉(zhuǎn)換成電

【專家解說(shuō)】：光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運(yùn)動(dòng)從而形成電流。這一過(guò)程有兩種解決途徑，最常見(jiàn)的一種是使用以硅為主要材料的固體裝置，另一種則是使用光敏染料分子來(lái)捕獲光子的能量。染料分子吸收光子能量后將使半導(dǎo)體中的帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴分離。 光照射在物質(zhì)上時(shí)，部份的光會(huì)被物質(zhì)吸收，部份的光則經(jīng)由反射或穿透等方式離開(kāi)物質(zhì)，選取太陽(yáng)光電池材料的第一考量就是吸光效果要很好，如此才能使輸出功率增加。選取太陽(yáng)光電池材料的第二考量是光導(dǎo)效果，欲選取光導(dǎo)效果佳的材料首先必須了解太陽(yáng)光的成分及其能量分布狀況，進(jìn)而找出適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)作為太陽(yáng)光電池的材料。 當(dāng)電子從外界獲得能量時(shí)將會(huì)跳到較高的能階，獲得的能量越多跳的能階也越高，電子處在較高的能階時(shí)并不穩(wěn)定，很快就會(huì)把獲得的能量釋放回到原來(lái)的能階。如果電子獲得的能量夠高就擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子空出來(lái)的位置則稱為電洞。自由電子可能會(huì)因?yàn)槟Σ粱蚺鲎驳纫蛩負(fù)p失能量，最后受到電洞的吸引而復(fù)合。例如，硅的最外層電子要成為自由電子需要吸收1.1ev的能量，當(dāng)硅最外層子吸收到的光能量超過(guò)1.1ev時(shí)將會(huì)產(chǎn)生自由電子及電洞，稱之為光生電子電洞對(duì)(light-generatedelectron-holepairs)。電子電洞對(duì)的數(shù)目越多導(dǎo)電的效果也越好，因?yàn)楣馐沟脤?dǎo)電效果變好的現(xiàn)象稱之為光導(dǎo)效應(yīng)(photoconductiveeffect)。 自由電子與電洞的多寡對(duì)電氣特性有很大的影響，越多的自由電子與電洞可以使導(dǎo)電性增加，同時(shí)也可以使輸出電流增加，因此可以推測(cè)陽(yáng)光越強(qiáng)時(shí)生成的自由電子與電洞越多，則輸出電流也越大。然而如果只是單純的產(chǎn)生自由電子與電洞，將會(huì)因?yàn)槟Σ良芭鲎驳纫蛩厥ツ芰?，最后自由電子?huì)與電洞復(fù)合而無(wú)法利用。為更有效的利用由電子與電洞來(lái)產(chǎn)生電流，因此必須加入電場(chǎng)使自由電子與電洞分離進(jìn)而產(chǎn)生電流。產(chǎn)生電場(chǎng)的方式很多如PN接面、金屬半導(dǎo)體接面等，其中最常用的方式為PN接面。 提高自由電子濃度常用的方法是在硅中加入少量的五價(jià)原子，五價(jià)原子的四個(gè)價(jià)電子與硅鍵結(jié)后剩下一個(gè)價(jià)電子，使剩下的價(jià)電子游離只需要0.05ev，比原來(lái)的1.1ev小很多，在室溫超過(guò)200度k時(shí)即可使所有雜質(zhì)產(chǎn)生自由電子，同樣在硅中加入少量的三價(jià)原子可以提高電洞濃度。在硅中加入五價(jià)原子后稱之為N型半導(dǎo)體，加入三價(jià)原子后稱之為P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體雖然帶有自由電子或電洞但本身仍然保持電中性，如果N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃度均勻分布則內(nèi)部沒(méi)有電場(chǎng)存在。若將N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體接和在一起，會(huì)因?yàn)閮蛇呑杂呻娮优c電洞的濃度不同產(chǎn)生擴(kuò)散。N型半導(dǎo)體中自由電子濃度較高，因此自由電子由N型半體向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散，同樣的電洞會(huì)由P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果使得接面附近的N型半導(dǎo)體失去電子得到電洞而帶正電，P型半導(dǎo)體失去洞得到電子而帶負(fù)電。因?yàn)殡姾擅芏炔痪虼嗽诮用娓浇a(chǎn)生電場(chǎng)，如果有自由電子或電洞在電場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生，則會(huì)因?yàn)槭艿诫妶?chǎng)的作用而移動(dòng)，自由電子向N型半導(dǎo)體移動(dòng)，而電洞向P型半導(dǎo)體移動(dòng)，因此這個(gè)區(qū)域缺乏自由電子或電洞而稱之為空乏區(qū)。當(dāng)光照射在空乏區(qū)內(nèi)將硅原子的電子激發(fā)產(chǎn)生光生電子與電洞對(duì)，電子與電洞對(duì)會(huì)因?yàn)殡妶?chǎng)作用而使電池內(nèi)的電荷往兩端集中，此時(shí)只要外加電路將兩端連接即可利用電池內(nèi)的電力，這即是所謂的光電效應(yīng)，也是太陽(yáng)光電池的轉(zhuǎn)換原理。