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第一个光伏设备

(摘自 Green[Green1990] ，其使用了 Benjamin[Benjamin1983], Shive[Shive1959] 和 Wolf[Wolf1976]的文献)

埃德蒙·贝克勒尔 (Edmond Becquerel) 似乎是第一个证明光伏效应的人[Becquerel1839] [Becquerel1841]。十九岁时，他在父亲的实验室工作，通过用不同类型的光（包括阳光）照射电极来发电（见下图）。使用蓝光或紫外光以及电极涂有 AgCl 或 AgBr 等光敏材料时可获得最佳结果。尽管他通常使用铂电极，但他也观察到银电极的一些反应。随后，他通过开发“光动记录仪”发现了光伏效应的用途，该光动记录仪用于通过测量发射的光强度来记录加热物体的温度。

贝克勒尔描述的装置图 (1839)

光伏发电的下一个重大发展源于对硒光电导效应的关注。在研究这种效应时，Adams 和 Day (1877)[Adams1877] 注意到一种异常现象，他们认为可以用内部电压的产生来解释。他们使用如下所示的样本更仔细地研究了这种异常现象。将加热的铂触点推入玻璃硒小圆柱体的相对两端。亚当斯和戴对这些样本进行的一项实验的目的是看看“是否有可能仅通过光的作用在硒中启动电流”。

Adams 和 Day (1876)研究硒的光电效应的简单结构。

结果是积极的！这是全固态系统中光伏效应的首次演示。 亚当斯和戴将光生电流归因于光诱导硒棒外层的结晶。几十年后，物理学的发展才让人们对这一过程有更多的了解。

七年后，Fritts (1883) [Fritts1883]的工作取得了下一个重大进展。通过在两种不同金属制成的板之间压缩熔融硒，Fritts 能够制备出粘附在其中一块板上的硒薄膜，但不粘附在另一个板上。通过将金箔压在暴露的硒表面上，他制备了第一个“薄膜”光伏器件。这些第一批薄膜器件的面积高达 30 平方厘米。

Fritts于 1883 年展示的薄膜硒。

他也是第一个认识到光伏设备巨大潜力的人。他看到这些设备可以以非常低的成本制造，并指出“如果不需要立即使用电流，可以将其“存储”在生产的地方，在蓄电池中......或者传输......到远处，然后使用或存储'。

然而，直到近五十年后，这一领域才再次爆发出重大的进展。

在研究铜上生长的氧化亚铜层的光电导效应时，发现了铜-氧化亚铜结的整流作用。这导致了大面积整流器的发展，随后不久又出现了大面积光电管。 Grondahl [Grondahl1933] 描述了铜-氧化亚铜整流器和光伏电池的开发。

下图显示了早期电池所使用的基于铜-氧化亚铜结的非常简单的结构。铅线线圈用于为电池的照明表面提供网格接触。随后通过在外表面上溅射金属并去除其中一部分来改进这种方法，以便“形成任何所需细度的网格”。这些发展刺激了该领域的大量活动。Grondahl [Grondahl1933] 记录了 1930-32 年期间涉及铜-氧化亚铜光伏电池的 38 篇出版物。 [Nix1939]

早期的 Grondahl-Geiger 铜-氧化亚铜光伏电池（约 1927 年）。

这一研究似乎也重新唤起了人们对硒作为光伏材料的兴趣。特别是，Bergmann [Bergmann1931] 于 1931 年报道了改进的硒器件。这些器件被证明优于铜基器件，并成为商业上的主导产品。 1939年，Nix [Nix1939]也报道了具有类似性能的亚铊硫化物电池。该装置以及最高效的硒和铜-氧化亚铜装置的结构如下图所示。

1930 年代开发的最高效光伏器件的结构。

References

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  1. M. Green, “Photovoltaics: coming of age,” IEEE, pp. 1-8, 1990. https://doi.org/10.1109/PVSC.1990.111582
  2. P. Benjamin, “Voltaic Cell, Chapter XIV,” Wiley, 1983.
  3. J.N. Shive, “Semiconductor Devices, Chapter 8,” Van Nostrand, 1959.
  4. M. Wolf, “Historical Development of Solar Cells,” IEEE Press, 1976.
  5. A.E. Becquerel, “Recherches sur les effets de la radiation chimique de la lumiere solaire au moyen des courants electriques,” Comptes Rendus de L´Academie des Sciences, vol. 9, pp. 145-149, 1839.
  6. A.E. Becquerel, “Memoire sur les effects d´electriques produits sous l´influence des rayons solaires,” Annalen der Physick und Chemie, vol. 54, pp. 35-42, 1841.
  7. W.G. Adams and R.E. Day, “The Action of Light on Selenium,” Proceedings of the Royal Society, London, vol. A25, pp. 113, 1877.
  8. C.E. Fritts, “On a New Form of Selenium Photocell,” American J. of Science, vol. 26, pp. 465, 1883.
  9. L.O. Grondahl, “The Copper-Cuprous-Oxide Rectifier and Photoelectric Cell,” Review of Modern Physics, vol. 5, pp. 141, 1933.
  10. F.C. Nix and A.W. Treptwo, “A Thallous Sulphide Photo EMF Cell,” Journal Opt. Society of America, vol. 29, pp. 457, 1939.
  11. L. Bergmann, “Uber eine neue Selen- Sperrschicht Photozelle,” Physikalische Zeitschrift, vol. 32, pp. 286, 1931.