超高效率太阳能电池原理讲述.pdf

超高效率太陽電池  從愛因斯坦的光電效應談起 文/蔡進譯 本文將介紹並討論光電效應與光伏特效應的關係，和他們在太陽電池的應用。並將針對現在還在研發階段的超高效率太陽 電池，做一簡單、深入且廣泛的介紹。 一、前言 二、光電效應與太陽電池 一般而言，只要提起愛因斯坦這位家喻戶曉的偉 光電(photoelectric)效應是在 1887 年由 Heinrich 大人物，一般人就會馬上聯想到相對論。至於其特殊 Hertz 實驗發現的。而在 1905 年，愛因斯坦使用光子 相對論所提到的想法，譬如說，若物體跑的越快，則 (photon)的概念，在理論上予以成功的解釋。光電效 時間變的越慢，長度變的越短，和重量變的越重，更 應一般而言是描述光子射到金屬表面，金屬內的電子 是令一般人深感迷惑。而愛因斯坦最有名的公式 E = 吸收足夠的光子能量，離開金屬，成為真空中的自由 mc2 和他個人與原子彈的發展之種種瓜葛，更足以說 電子。在實驗設置上的，通常是用二個金屬和一個電 明他在二十世紀的歷史地位。一般咸認，二十世紀物 壓電源連接起來，照光的金屬當陰極放射器(cathode 理發展有二個最重要的指標：量子力學和相對論。量 emitter) ， 不 照 光 的 金 屬 當 陽 極 接 收 器 (anode 子力學是一群物理學家的集體創作，而相對論卻可以 collector) ，外加電壓讓照光後逃離金屬的束縛的電子 說大部分是愛因斯坦個人的智慧結晶。有趣且費解的 從陰極跑到陽極，形成光電流 (photocurrent) 。光電效 是，在 1921 年諾貝爾物理獎頒給愛因斯坦的理由， 應 最 直 接 的 應 用 就 是 用 來 偵 測 光 的 光 倍 增 器 主要是他在光電效應的貢獻，卻沒有隻字提到相對 (photomultiplier) 。 論。當然光電效應是跟量子力學有關，也就是說，當 我們知道，金屬的電子能帶結構和半導體或絕緣 時諾貝爾物理獎單位認為愛因斯坦在量子力學的貢獻 體不一樣，因為電子可以自由運動的導帶和電子參與 是遠大於他的相對論。這是因為在當時，有些人還是 鍵結的價帶是重疊的，也就是說，金屬內參與鍵結的 不能接受愛因斯坦相對論，甚至有人還寫一本書【一 電子是可以自由運動的導電電子。而金屬內的電子能 百個反對愛因斯坦的理由】，當然愛因斯坦還是以他 帶結構有二個重要的物理參數，費米能 (Fermi energy) 一貫充滿智慧的言語予以回應說“假如我是錯的，一 和真空能階 (vacuum level) ，真空能階和費米能的能 個理由就夠了”。同樣的，直到現在，或許有人對於 量差就是所謂的功函數 (work function) 能量。簡單的 諾貝爾獎頒給愛因斯坦主要是他在光電效應的貢獻， 說，在溫度 0K 時，費米能是指金屬內的電子佔據的 卻沒有隻字提到相對論，仍覺不可思議。但是若從光 最高能階。也就是說，在溫度 0K 時，費米能以下， 電效應及其後續所衍生的相關應