什么是光伏效应

光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以P-N结为例说明。

热平衡态下的P-N结同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量ΔE很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA-和施主离子ND+。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子ND+形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到 N区后，由不能运动的受主离子NA-形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。

P-N结能带与接触电势差：

在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、Eν之间的关系与结形成前状态相同。

从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差：

qUD=EFN-EFP

得

UD=(EFN-EFP)/q

q：电子电量

UD：接触电势差或内建电势

对于在耗尽区以外的状态：

UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)

NA、ND、ni：受主、施主、本征载流子浓度。

可见UD与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，UD越大。

禁带宽的材料，ni较小，故UD也大。

光照下的P-N结

P-N结光电效应：

当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因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。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡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。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。

实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。 Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。

光照下的P-N结电流方程：

与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与P-N结反向饱和电流I0相同，一般Ip≥I0。此时I=I0eqU/KT - (I0+Ip)

令Ip=SE，则

I=I0eqU/KT - (I0+SE)

开路电压Uoc：

光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值：

0=I0eqU/KT - (I0+SE)

Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)

短路电流Isc：

光照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流Isc。即上述电流方程中U=0时的I值，得Isc=SE。

Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，Uoc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下，Isc与E有线性关系。

a)无光照时热平衡态，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD=EFN-EFP。

b)稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc不再有统一费米能级，势垒高度为q(UD-Uoc)。

c)稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。

d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Uf，另一部分光电流被P-N结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q(UD-Uf)。

当光照射到一个洁净的金属或半导体材料表面上时，入射光的频率v超过某一值时，就有明显的电子发射出。逸出的电子称为光电子。每个光量子具有能量hv其中h是普朗克常数，v是光的频率。在光辐照下，光子进入物体后与电子作用，如果电子是自由的，则吸收光子能量的电子，克服物体表面垒势阻挡而逸出物体表面进而产生光电子。 2光电效应和光伏效应的区别 光电效应是指光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能的这类光致电变的现象。光电效应分为外光电效应和内光电效应。 外光电效应是指在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。又叫光电发射效应。 内光电效应指光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应(即光伏效应)。光电导效应是在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料...”

“光生伏特效应”，简称“光伏效应”，英文名称：Photovoltaic effect。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程

太阳能电池是一种具有光电转换特性的半导体器件，它直接将太阳辐射能转换成直流电，是光伏发电的最基本单元。太阳电池特有的电特性是借助在晶体硅中掺入某些元素（例如 磷或硼等）。从而在材料的分子电荷里造成永久的不平衡，形成具有特殊电性能的半导体材料。在阳光照射下，具有特殊电性能的半导体内可以产生自由电荷，这些自由电荷定向移动并积累，从而在其两端形成电动势，当用导体将其两端闭合时便产生电流。这种现象被称为光生伏打效应，简称光伏效应。

目前应用最广的属单晶硅太阳能电池，它由两层半导体材料组成，其厚度大约0.25MM,形成两个区域：一个正电荷区，一个负电荷区。负区位于电池的上层，在这一层强迫渗透磷、硼等元素并与硅粘在一起。正区置于电池表层的下面，正负界面区域称为P-N结。制造电池时P-N结被赋予了恒定的物理特性。当阳光投射到电池内保持松散状态的电子时，这些靠近P-N结的电子将朝电池的表层流动，用金属线将太阳能电池的正伏级与伏载相连时，在外电路就形成了电流。每个太阳能电池基本单元P-N结处的电动势大约为0.5V,此电压值大小与电池片的尺寸无关。太阳能电池的输出电流受自身面积和日照强度的影响，面积较大的电池能够产生较强的电流。

光伏发电的基本原理就是光生伏特效应，简称光伏效应。它是指光罩让不均匀半导体或半导体与金属结合。不之间产生电位差的现象，光伏效应首先是由光子。转换为电子光能量转化为电能量的过程，其次是形成电压的过程，有了电压就像筑高了大坝。如果两者兼有连通就会形成电流回路。

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楼主的问题是：

金属固体有光伏效应么？

答：内部没有，界面有。

一、先从光电效应 photoelecric effect 说起

1、光电效应是指光照到金属表面，打出 valence electron，价电子；

2、光电子逸出后，由于金属的导电性极强，这些电子成为 free electron，

自由电子，可以轻易collect，收集。

二、再说光伏特效应 photovoltaic effect

1、光伏效应，就是光压效应，这个压是电压的压。

由于很容易同光产生的压强的光压混淆，汉语中，只说光伏效应。

2、由于光伏效应的最大特点，是产生junction，极。而这个极，在

金属内部是不可能形成的。但是在半导体跟半导体，半导体跟金

属的交界面上，还是会形成junction的。

三、两个效应的关系

1、光伏效应产生的photoconductivity，光的电导性，被翻译内光

电效应。它是半导体内部的光电效应，能产生局部的光电流，更

能产生 emf = 电动势，photovoltaic = 光伏 的伏的意义就在这

里。有了 junction，就有了极，就有了 emf。

2、在光电效应中，被打出的电子，有可能直接飞入空中，而由电极

蒐集。电伏效应不存在这样的情况。

3、光电效应的理论，都是一对一的理论，不可以同时吸收两个光子。

而光伏效应，则能处理这种情况，two-photon photovoltaic effect。

4、光电效应是单纯的光电流效应，没有涉及热效应；

光伏效应，一定涉及热效应。

5、在半导体内部，同时有光电流效应，也有光伏特效应。

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太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。

当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子（电子-空穴对）。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因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。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡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。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负，此时费米能级分离，因而产生压降，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0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。