超高效率太阳电池从爱因斯坦的光电效应谈起文/蔡进译本文将介绍并讨论光电效应与光伏特效应的关系，和他们在太阳电池的应用。并将针对现在还在研发阶段的超高效率太阳电池，做一简单、深入且广泛的介绍。一、前言一般而言，只要提起爱因斯坦这位家喻户晓的伟大人物，一般人就会马上联想到相对论。至于其特殊相对论所提到的想法，譬如说，若物体跑的越快，则时间变的越慢，长度变的越短，和重量变的越重，更是令一般人深感迷惑。而爱因斯坦最有名的公式E=mc2和他个人与原子弹的发展之种种瓜葛，更足以说明他在二十世纪的历史地位。一般咸认，二十世纪物理发展有二个最重要的指标：量子力学和相对论。量子力学是一群物理学家的集体创作，而相对论却可以说大部分是爱因斯坦个人的智慧结晶。有趣且费解的是，在1921年诺贝尔物理奖颁给爱因斯坦的理由，主要是他在光电效应的贡献，却没有只字提到相对论。当然光电效应是跟量子力学有关，也就是说，当时诺贝尔物理奖单位认为爱因斯坦在量子力学的贡献是远大于他的相对论。这是因为在当时，有些人还是不能接受爱因斯坦相对论，甚至有人还写一本书【一百个反对爱因斯坦的理由】，当然爱因斯坦还是以他一贯充满智慧的言语予以响应说“假如我是错的，一个理由就够了”。同样的，直到现在，或许有人对于诺贝尔奖颁给爱因斯坦主要是他在光电效应的贡献，却没有只字提到相对论，仍觉不可思议。但是若从光电效应及其后续所衍生的相关应用太阳电池，其对目前人类的实质的贡献，还可能是远远大于相对论，我们可以说，诺贝尔奖单位还真是有难得胡涂的先见之明。本文将对太阳电池，尤其是现在还在研发阶段的超高效率太阳电池，做一简单、深入且广泛的介绍。二、光电效应与太阳电池光电(photoelectric)效应是在1887年由HeinrichHertz实验发现的。而在1905年，爱因斯坦使用光子(photon)的概念，在理论上予以成功的解释。光电效应一般而言是描述光子射到金属表面，金属内的电子吸收足够的光子能量，离开金属，成为真空中的自由电子。在实验设置上的，通常是用二个金属和一个电压电源连接起来，照光的金属当阴极放射器(cathodeemitter)，不照光的金属当阳极接收器(anodecollector)，外加电压让照光后逃离金属的束缚的电子从阴极跑到阳极，形成光电流(photocurrent)。光电效应最直接的应用就是用来侦测光的光倍增器(photomultiplier)。我们知道，金属的电子能带结构和半导体或绝缘体不一样，因为电子可以自由运动的导带和电子参与键结的价带是重迭的，也就是说，金属内参与键结的电子是可以自由运动的导电电子。而金属内的电子能带结构有二个重要的物理参数，费米能(Fermienergy)和真空能阶(vacuumlevel)，真空能阶和费米能的能量差就是所谓的功函数(workfunction)能量。简单的说，在温度0K时，费米能是指金属内的电子占据的最高能阶。也就是说，在温度0K时，费米能以下，填满电子，费米能以上，没有电子。功函数则是金属内的正电背景离子对电子的净束缚能，若电子脱离金属的束缚而跃升至真空能阶，自然是变成真空中的自由电子。通常有二种方式可以让电子获得额外的能量，脱离金属的束缚，而跃升至真空能阶。一是加热，电子吸收声子的能量，产生热离子放射(thermoionicemission)，或是照光，电子吸收光子的能量，产生光电效应。当然，理论上利用金属的光电效应也可以用来当太阳电池。有光照的金属，其电子吸收光子的能量，从费米能下的低能阶提升至费米能上的高能阶，当然如果光子能量大于功函数，电子就会提升至真空能阶，成为真空中的自由电子。而我们知道，电子的能量分布二个重要的物理参数：化学势(chemicalpotential)和温度。吸收光子至高能阶的电子，经由电子-电子碰撞，就会提高整个金属电子的化学势与温度。也就是说，有光照的金属其化学势会稍微大于没有光照的金属的化学势。因此，有光照的和无光照的二金属之间存在一个电压差，也就是太阳电池开路电压。当有光照的和无光照的二金属间用导线连接时，光照金属端真空能阶的自由电子，就会因这电压差的驱使，从阴极放射器传输至阳极接收器，形成光电流，也就是太阳电池的短路电流。然而，利用金...
