[科普中国]-反常光生伏特效应

反常光生伏特效应（英语：Anomalous photovaltaic effect）指从热力学观点，半导体器件所能产生的最大光生伏特电压应等于它的能带隙的宽度电压。但有些半导体和绝缘体，如ZnS,当用紫外光照射时，能产生开路电压比它的能带隙宽高的光生伏特电压.这种现象称为反常光生伏特效应。

介绍这种效应所产生的都是指开路电压较高，有些情况下，能产生高达上千伏；但在闭路有电流时，则能产生很小的功率。因此，能产生反常光生伏特效应的材料，还都不能实用1。

什么材料才能发生反常光生伏特效应？根据大量数据总结，梅兹提出假设；只有材料内含有一些简单的单元，每单元产生的光生伏特电压经串联，使总电压升高的材料，才能成为具有反常光生伏特效应的材料。根据梅兹的假设可知，下列三种材料能产生反常光生伏特效应：

多晶材料，每一微晶可视为一光伏特电池；整个多晶的微晶电压串联起来的电压就可具有比它的能带隙宽高的电压。

某些铁电材料能发展成铁电条状畴；每个畴也可视为一个光伏特电池，它们串起来也可获得较高的光生伏特电压。

具有非中心对称结构的单晶可产生巨大的光生伏特电压。这种情况特别称为体光生伏特效应。

多晶中晶粒的串联和历史Starkiewicz等人发现了这种效应。 1946年开始研究PbS薄膜，后来在其他半导体多晶薄膜上观察到，包括CdTe，硅，锗，ZnTe和InP，以及非晶硅薄膜和纳米晶硅系统。观察到的光电压达到数百，有时甚至达到数千伏。观察到这种效果的薄膜通常是薄的半导体薄膜，它通过真空蒸发沉积在加热的绝缘基底上，相对于入射蒸汽的方向保持一定角度。然而，发现光电压对制备样品的条件和程序非常敏感。这使得难以获得可重复的结果，这可能是迄今为止尚未接受令人满意的模型的原因。但是，有人建议使用几种模型来解释这种特殊现象，下面简要概述它们。

倾斜沉积可导致膜中的若干结构不对称。在解释APE的第一次尝试中，很少有人将薄膜视为单一实体2，例如考虑样品厚度沿其长度的变化或电子陷阱的不均匀分布。然而，随后的研究通常支持模型，这些模型解释了由一系列微量元素对净光电压产生附加作用所产生的影响。下面回顾了用于解释光电压的更流行的模型。

Dember效果当光生电子和空穴具有不同的迁移率时，可以在半导体平板的发光面和非发光面之间产生电位差。通常，这种电位是通过板坯的深度产生的，无论是块状半导体还是多晶膜。这些情况之间的区别在于，在后者中，可以在每个微晶中产生光电压。如上所述，在倾斜沉积过程中，形成倾斜的微晶，其中一个面可以比另一个面吸收更多的光。这可能导致沿着薄膜以及通过其深度产生光电压。假设存在一些具有不同性质的未指定层，阻碍了微晶表面上载流子的转移，从而防止了连续的琥珀色电压的消除。为了解释与照射方向无关的PV的极性，必须假设在微晶的相对面处的复合速率存在很大差异，这是该模型的弱点。

结构转换模型该模型表明，当材料在立方结构和六边形结构中均结晶时，可以通过两个结构之间的界面处的残余偶极层形成不对称屏障。由于带隙差和界面处产生的电场的组合形成势垒。应该记住，可以调用该模型来解释异常的PV效应，仅在可以证明两种类型的晶体结构的材料中3。

p-n结模型Starkiewicz 提出异常PV是由于正和负杂质离子通过微晶的分布梯度而产生的，其取向使得总的光电压非零。这相当于一组p-n结。然而，没有解释可以形成这种p-n结的机制。

表面光电压模型微晶之间的界面可能包含电荷载流子的陷阱。这可能导致微晶中的表面电荷和相反的空间电荷区，在微晶足够小的情况下。在倾斜微晶的照射下，产生电子 - 空穴对并引起表面和微晶内电荷的补偿。如果假设光学吸收深度远小于微晶中的空间电荷区域，则由于它们的倾斜形状，在一侧吸收的光比在另一侧吸收的光更多。因此，在两侧之间产生了电荷减少的差异。这样，在每个微晶中形成平行于表面的光电压。

非中心对称单晶中的体光伏效应具有非中心对称结构的完美单晶可以产生巨大的光电压。 这被称为体光伏效应，并且由于非中心对称而发生。电子过程如光激发，散射和弛豫可能发生在电子向一个方向移动而不是相反方向的不同概率。

这种效应最早是在20世纪60年代发现的。已经在铌酸锂（LiNbO3），钛酸钡（BaTiO3）和许多其他材料中观察到。

使用密度泛函理论或其他方法的理论计算可以预测材料将表现出体光伏效应的程度。

本词条内容贡献者为:

刘宝成 - 副教授 - 内蒙古民族大学