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光伏效应

1839-01-01

Alexandre-Edmond Becquerel

（图片仅供参考）

光伏效应是指材料在光照下产生电压和电流。它是一种物理和化学现象。太阳能电池就是一个常见的应用，它利用光伏效应将阳光直接转化为电能。光伏效应的原理是光子激发电子进入更高的能量状态。

光伏效应最早由法国物理学家亚历山大-埃德蒙·贝克勒尔于 1839 年观察到。他发现，当酸性溶液中的氯化银电极受到光照时，会产生电压。几十年来，这种效应一直是科学界的好奇心。现代理解植根于半导体物理学。当具有足够能量的光子撞击半导体材料时，它会激发电子，使其从价带移动到导带。这会产生电子-空穴对。在光伏器件中，通常由 pn 结产生的内部电场会将这些电荷载流子分离。电子被扫到 n 侧，空穴被扫到 p 侧。这种电荷分离会在结两端产生电压。如果连接外部电路，自由电子将流过电路，产生直流电 (DC)。要发生此过程，光子的能量必须大于半导体材料的带隙。能量小于带隙的光子会穿过材料而不被吸收，而能量远大于带隙的光子会将其多余的能量转化为热量，从而降低电池的整体效率。

第一块固态光伏电池是由查尔斯·弗里茨于1883年发明的，他将一层薄薄的金覆盖在硒上。然而，它的效率不到1%。1954年，贝尔实验室取得了突破性进展，达里尔·查平、卡尔文·富勒和杰拉尔德· 培生集团他研制出了第一块实用的硅太阳能电池，效率约为6%。这项发明标志着现代太阳能电池时代的开始。太阳能该技术最初用于小众应用领域，例如为太空中的卫星供电。.

电子, 光电, 可再生能源, 硅, 太阳能, 太阳能电池板

UNESCO Nomenclature: 2211

- 固体物理学

类型

物理现象

中断

基础

用法

广泛使用

前体

后来，JJ Thomson (1897) 发现电子，证实了这一点
爱因斯坦后来对光电效应的解释（1905年）
半导体物理学和pn结理论的发展（20世纪40年代）
威洛比·史密斯发现硒的光导性（1873年）

应用程序

用于住宅和公用事业规模发电的太阳能电池板
光伏发电站
太阳能计算器和手表
航天器电力系统
遥感和电信

专利：

潜在创新理念

集成到窗户中的透明太阳能电池
适用于便携式电子产品和服装的柔性、轻质太阳能薄膜
钙钛矿串联太阳能电池效率超过30%
agrivoltaics: co-locating solar panels and agricultural crops
为发展中地区提供太阳能净水系统
光伏道路和步道
建筑一体化光伏（bipv）作为结构元素
太阳能无人机可实现长航时飞行
自修复太阳能电池材料
太空太阳能卫星向地球发射能量

相关主题：光电效应、太阳能电池、半导体、pn结、电子-空穴对、光子、直流电、能带隙、贝克勒尔、可再生能源。.

历史背景

哈密顿力学

一种使用广义坐标及其共轭矩的经典力学重述。它基于代表系统总能量的汉密尔顿函数 [latex]H(q,p,t)[/latex]。动力学由汉密尔顿方程描述：[latex]\dot{q}_i = \frac\partial H}{\partial p_i}[/latex] 和 [latex]\dot{p}_i = -\frac\partial H}{\partial q_i}[/latex].这个框架是量子力学和统计力学的核心。

珀尔帖效应

珀尔帖效应是指两种不同导体的通电交界处出现加热或冷却现象。当直流电流流经两种不同材料之间的交界处时，交界处会根据电流方向放出或吸收热量。热传递速率与电流成正比（[latex]Q = \Pi \cdot I[/latex]）。.

丹尼尔细胞操作

丹尼尔电池是对伏打电堆的改进，它由浸在硫酸铜(II)溶液中的铜电极和浸在硫酸锌溶液中的锌电极组成，中间由多孔屏障隔开。这种双流体设计可防止氢气在铜电极上积聚（极化），从而产生更稳定、更可靠的电压源，并能持续更长时间。

光伏效应

迈尔关系（热力学）

梅耶关系将完全气体的比热与气体比常数（[latex]R_s[/latex]）联系起来。关系式为 [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]。对于摩尔比热（[latex]C_p[/latex] 和 [latex]C_v[/latex]），关系式为 [latex]C_p - C_v = R[/latex]，其中 [latex]R[/latex] 为通用气体常数。这表明 [latex]c_p[/latex] 始终大于 [latex]c_v[/latex]。.

能量守恒

一个基本原理，说明一个孤立系统的总能量随着时间的推移保持不变。能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式，例如从势能转化为动能。在经典力学中，对于只有保守力的系统，总机械能 [latex]E = T + V[/latex] 是守恒的。

粘度的温度依赖性

对于牛顿流体，粘度是温度和压力的函数，而非剪切速率的函数。在液体中，粘度会随着温度升高而显著降低，因为更高的热能使分子更容易克服分子间的内聚力。相反，在气体中，粘度会随着温度升高而增加，因为分子碰撞频率越高，速度越高，动量传递也越大。

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自感

自感是电路的一种特性，流经电路的电流发生变化时，电路本身会产生一种电动势（EMF）。根据伦兹定律，这种 '反向 EMF '与电流变化相反。这种关系由公式 [latex]mathcal{E}_L = -L frac{dI}{dt}[/latex] 得出，其中 L 是自电感，单位为亨里数（H）。.

伦茨定律

楞次定律规定了电磁感应产生的感应电动势 (EMF) 和电流的方向。该定律指出，感应电流的流动方向与产生磁场的方向相反，磁场的方向与产生磁场的磁通量变化方向相反。这一原理是能量守恒的结果，在法拉第定律中用负号表示。

催化

催化作用是通过添加一种称为催化剂的物质来提高化学反应速率的过程。催化剂在反应中不被消耗，保持不变。催化剂的作用是提供活化能（[latex]E_a[/latex]）较低的替代反应途径，从而在不改变整体热力学（[latex]\Delta H[/latex]）的情况下加速正向和逆向反应。.

燃料电池

燃料电池是一种电化学装置，它能直接将燃料（通常是氢气）和氧化剂（通常是氧气）的化学能转化为电能。与电池不同，燃料电池需要持续的外部燃料和氧化剂供应才能工作。其核心部件包括阳极、阴极和电解质，电解质将阳极和阴极分隔开来，促进离子传输。

焦耳热和电力

焦耳加热或欧姆加热是电流通过导体产生热量的现象。焦耳第一定律给出了发热速率或耗散功率（[latex]P[/latex]），即 [latex]P = VI[/latex]。结合欧姆定律，功率可表示为 [latex]P = I^2 R[/latex] 或 [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex]。.

理想气体的内能和焓

对于完全气体，内能（[latex]U[/latex]）和焓（[latex]H[/latex]）仅是温度的函数。它们的变化由 [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] 和 [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex] 给出，其中 [latex]c_v[/latex] 和 [latex]c_p[/latex] 分别是恒容和恒压下的比热，并假定为常数。.

粘弹性

粘弹性是指材料在变形时同时表现出粘性和弹性的特性。粘性材料（例如蜂蜜）在施加应力时，能够抵抗剪切流，并且应变随时间呈线性变化。弹性材料（例如橡皮筋）在拉伸时会变形，一旦应力消除就会迅速恢复到原始状态。粘弹性材料兼具这两种特性。

升华焓

升华焓（[latex]/Delta H_{/text{sub}}[/latex]）是在给定温度和压力下将一摩尔物质从固体转化为气体所需的热量。根据赫斯定律，由于焓是一种状态函数，因此这种能量变化是熔化焓（[latex]/Delta H_{/text{fus}}[/latex]）和汽化焓（[latex]/Delta H_{/text{vap}}[/latex]）之和。.

（如果日期未知或不相关，例如“流体力学”，则提供其显著出现的近似估计）