光电效应与光伏效应的区别与联系

张 丽

(保定天威薄膜光伏有限公司 河北 保定 071000)

在光学学习过程中，光电效应与光伏效应是非常重要的两个概念，理解两者之间的联系与区别对光学的学习至关重要.

1887年H·赫兹研究电火花的紫外光照射在火花隙缝的负电极上时,会有助于放电的现象，一年之后，德雷斯登的W·霍尔瓦克斯发现在光的影响下，物体会释放出负电[1].后来，就把光照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应.所逸出的电子叫光电子[2].

对于光电效应的定义并不仅这一种，上述的表述只是其中之一.在《科学发现者 物理 原理与问题》表述为：电磁辐射照射到物体上并使其发射电子的现象叫做光电效应[3].然而，就在这本书的第743页却写道，太阳能电池板，就是利用光电效应把太阳能转化为电能的，而我们却知道，通常意义上的太阳能板，是没有电子逸出与收集的.

为什么会出现这样的情况呢？因为光电效应的定义是来自实验，而实验的本身，就有很多的局限性，比如,光的频率，实验物体的选定，电子是否逸出等等，并没有严谨的定义.不过目前，对光照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，大家更习惯称之为外光电效应.

一般来说，对于光电效应，大家可以理解为两个过程.

(1)电子对光的吸收过程.在这过程中，大家有这样的共同理解：一是对于一定的金属材料做成的电极，有一个确定的临界频率，低于此频率，光电子不会逸出；二是逸出电子的末动能大小取决于物体的材料特性以及光子的频率，与光的强度无关；三是入射光频率高于临界频率，立刻就可以观测到光电子(时间约为10-9s).

(2)电子获得光的能量之后的反应.电子逸出物体表面，而成为自由粒子，就是外光电效应，电子脱离原来原子核的束缚，成为在材料中的自由电子，就是内光电效应，这与电子在原子的各束缚能级间的跃迁是有区别的.所以，太阳能电池利用光电效应发电，是一种笼统的说法.

对于光伏效应，下面结合晶硅太阳能电池的结构，阐述它的内涵.如图1.

(a)晶体硅太阳能电池 (b)晶硅电池结构

图1

晶体硅太阳能电池制备时，先在晶硅内掺杂硼形成p型硅片，然后，在其一个表面重掺磷形成一层薄的n型硅，这样做的结果就是在硅片的内部形成了p-n结.

没有光照时，硅片中的自由电子从n型区向p型区扩散，形成扩散电流；n型区失去电子后呈现出正电荷特征，p型区由于得到电子呈现出负电荷特征，从而形成内建电场.内建电场的形成与不断壮大会阻碍电子的扩散运动，直至达到动态平衡状态为止.

当受到光照射时，束缚电子吸收光的能量，脱离原来原子核的束缚，成为光电子在硅片中运动，受p-n结内建电场的作用，p型区中的光电子穿过p-n结，向n区漂移，电荷的积累导致p区电势高于n区电势，从而，在背电极与前电极之间产生电压，即光生伏特.

通过以上叙述，我们可以知道，光生伏特效应是用适当的光照射非均匀半导体(p-n结等)时，由于内建电场的作用，半导体内部产生电动势的现象.由上述可知，光生伏特是内光电效应的一种特定表现形式.

参考文献

1 (美)弗洛里安·卡约里著.戴念祖译.物理学史.南宁:广西师范大学出版社,1982.315

2 姚启钧.光学教程.北京：人民教育出版社，1981.403

3 (美)齐泽维茨(Zitzewitz, P. W.)，等著.钱振华，等译.科学发现者 物理原理与问题下册.杭州:浙江教育出版社，2008.740,743

4 刘恩科，朱秉升，罗晋生,等.半导体物理学.北京:国防工业出版社，1997.271