太陽電池光電轉換基本原理

單從望文生義的角度來看的話，任何器件只要能轉換入射光子的能量，而直 接產生輸出電壓，就可稱為光伏特效應 (Photovoltaic Effect) 。當然這樣的定義 不是很精確。譬如說，半導體的 Dember 效應 (或稱為 Photo Diffusion 效應)，

也能轉換入射光子的能量，而直接產生輸出電壓。Dember 效應是描述當光照到 半導體表面，光子被吸收產生電子-電洞對，半導體表面的載子濃度增加，因而 向半導體內擴散。但因電子和電洞的擴散係數不一樣，電子和電洞在空間的分佈 就不相等，也因此會在分佈不均的電子和電洞間，產生內建電場，這內建電場產 生的總和效應，就成為實驗所量測到的 Dember 電壓。也就是說，光照到半導 體被吸收，也會因 Dember 效應，產生 Dember 電壓。但一般而言，半導體的 Dember 效應不是很顯著，如果器件的金屬接觸，不是良好的歐姆接觸(Ohmic Contact)，則金屬-半導體形成的 Schottky 接觸，其光伏特效應會遠超過純粹半 導體的 Dember 效應。也就是說，量測到的輸出電壓，會是金屬-半導體二極體 的光伏特效應，而非純粹半導體的 Dember 效應。而除了 Dember 效應外，還 有另一種物理化學機制⎯光電化學效應(Photoelectrochemical Effect)，也可以 經照光後產生電壓，但此效應一般而言，因為須要用到電解質(Electrolyte)，且 涉及化學反應，此即為近年來另一熱門的染料敏化感光電池 Dye-Sensitized

光伏特效應一般而言是指光子射到半導體 p-n 二極體後，p-n 二極體的二端 電極，產生可輸出功率的電壓伏特值。這詳細的過程包括：光子射到半導體內產 生電子-電洞對，電子和電洞因半導體 p-n 接面，形成的內建電場作用而分離，

電子和電洞往相反的方向，各自傳輸至二端電極來輸出。所以光伏特效應一般是 跟 p-n 二極體有關的。若以矽晶體為例，n-型矽是指加入 V 族的元素(如磷)做為 施體(Donor)，提供導帶電子。p-型矽則是指加入 III 族的元素(如硼)做為受體 (Acceptor)，提供價帶電洞。如此半導體便可以有四種帶電荷的粒子：帶負電荷 的電子，帶正電荷的電洞，帶負電荷的受體離子，和帶正電荷的施體。前二者是 可動的，而後二者是不可動的。尚未接觸前，n-型或是 p-型半導體，都是維持各 自的電中性 (Charge Neutrality)，也就是說，n-型半導體中，施體離子所帶正電 荷，約等於電子(n-型之多數載子) 所帶負電荷。p-型半導體中，受體離子所帶負 電荷，約等於電洞(p-型之多數載子) 所帶正電荷。n-型和 p-型半導體接觸，形成 p-n 接面 (Junction)。在接面附近，電子會從濃度高的 n-型區，擴散至濃度低的 p-型區，而相對地，電洞會從濃度高的 p-型區，擴散至濃度低的 n-型區。如此一 來，在接面附近的區域，其電中性便會被打破。n-型區在接面附近，會有施體正 離子裸露，而產生正電荷區，而 p-型區在接面附近，會有受體負離子裸露，而產 生負電荷區。n-型區正電荷區和 p-型區負電荷區，就總稱為空間電荷區 (Space

收產生電子-電洞對，電子會因為內建電場的影響，而向 n-型區漂移 (Drift)。而 相對地，電洞會因為內建電場的影響，而向 p-型區漂移。也就是說，入射光子在 空間電荷區被吸收產生電子和電洞，因為內建電場的影響，而產生從 n-型區向 p-型區的漂移電流，就是所謂的光電流 (Photocurrent)。光伏特效應中的光電 流，其流向是從 n-型區向 p-型區，這對 p-n 二極體而言，這剛好是反向偏壓 (Reverse Bias)的電流方向。

光伏特效應中，p-n 接面區的空間電荷區的內建電場功用，就是使入射光子 被吸收，產生電子-電洞對在複合 (Recombination) 前被分開，而產生光電流。

光電流再經由 p-n 二極體的金屬接觸 (Metal Contact) 傳輸至負載，這也就是光 伏特電池(Photovoltaic Cell 或 PV Cell) 的基本工作原理。如果將照光的 p-n 二 極體二端的金屬接觸，用金屬線直接連接，就是所謂的短路 (Short Circuit)，金 屬線的短路電流 (Short-Circuit Current)，就是等於光電流。若照光的 p-n 二極 體兩端金屬不相連，就是所謂的開路 (Open Circuit)，則光電流會在 p-型區，累 積額外的電洞，n-型區累積額外的電子，造成 p-端金屬接觸，較 n-端金屬接觸，

有一較高的電位勢，也就是開路電壓 (Open-Circuit Voltage)，這開路電壓也被 稱為光電壓 (Photo Voltage)，這也是光伏特 (Photo Voltaics) 這一詞的由來。

當然，入射光並不只有在空間電荷區內，被吸收才會產生光電流。光子在 p-n 二極體的其他區域中被吸收，就是所謂的準電中性(Quasi-Neutral)區域，也 能貢獻光電流。只是準電中性區的光電流是擴散電流，而不是漂移電流，而這擴

的少數載子⎯電洞，其在接近空間電荷區的地方，會移動到 p-型區因而濃度降 低，因此 n-型準電中性區域的內電洞，就會形成往 p-型區方向的擴散電流。同 理，p-型準電中性區域的少數載子⎯電子，其在接近空間電荷區的地方，會跑向

n-型區因而濃度降低，因此 p-型準電中性區域的內電子，就會形成往 n-型區方向 的擴散電流。總結而言，p-n 二極體的光伏特效應中的光電流，主要是來自於三 個物理機制：空間電荷區內電子，和電洞的漂移電流，n-型準電中性區域少數載 子電洞的擴散電流，和 p-型準電中性區域的少數載子電子的擴散電流。[6~10]

一般而言，光伏特電池元件的所涉及的物理機制和過程是相當複雜，而且隨 著元件的材料和結構的不同而有所差異。但總的來說，任何光伏特電池元件的運 作，須要有三個必要條件：

一、入射光子被吸收，產生電子-電洞對。

二、電子-電洞對在複合前，被分開。

三、分開的電子合電洞，傳輸至負載。