染料敏化型太陽能電池專題系列(一) 007 光電效應

接下來的專題報導中還會高頻率的出現一個名詞，叫做「光電效應」。光電效應(Photovoltaic effect)是指物質吸收光子並激發出自由電子的行為。另一個常聽到的名詞是光生伏特效應是指暴露在光線下的半導體或半導體與金屬組合的部位間產生電勢差的現象 。在光電效應中，材料吸收了光子的能量產生了一些自由電子溢出表面。而在光生伏特效應中，由於材料內部的不均勻(例如當材料內部形成PN結時)在自建電場的作用下，受到激勵的電子和失去電子的空穴向相反方向移動，而形成了正負兩級。
光電效應詳細的說明如下，當金屬表面在特定的光輻照作用下，金屬會吸收光子並發射電子(electron)，發射出來的電子叫做光電子。光的波長(wavelength) 需小於某一臨界值，相等於光的頻率(frequency)高於某一臨界值時方能發射電子，其臨界值即極限頻率和極限波長。臨界值取決於金屬材料，而發射電子的能量取決於光的波長而非光的強度，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面。
事實是，只要光的頻率高於金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方。正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位(即光子photon或光量子light quantum) 所組成。這種解釋為愛因斯坦(Albert Einstein) 所提出，對發展量子理論(quantum mechanics) 貢獻非常大。嚴格的說，帶電物體當被紫外光照射時會很快失去它的電荷的光電效應，應歸由德國物理學家赫茲(Heinrich Rudolf Hertz) 於1887年發現，後來由愛因斯坦給予解釋。

外部光電(internal photoelectric effect)效應示意圖

內部光電效應(external photoelectric effect)示意圖



一般評價太陽能電池的指標有三大項目：光電轉換效率IPCE、短路電流Isc、開路電壓Voc等。太陽能電池之光電轉換效率(photoelectric conversion efficiency)公式如下：

光電轉換效率(η)
短路電流(Isc)
開路電壓(Voc)
提取因素(FF)
入射光功率(PL)(12.6mW/cm2)
最大電壓(Vmax)
最大電流(Imax)


目前效率最好的染料敏化型太陽能電池是Sharp在2005年公布 的產品，其研發之單片電池的效率10.4%，模組化後為6.32%。另外根據其2006年所發表的論文 顯示，該公司使用black dye的DSSC，光電轉換效率達11.1%，創下世界記錄。Sharp至今仍保有此記錄 。