说明：本文华算科技介绍了光电效应的定义、量子本质、四大分类（外/内光电效应、光生电压效应、光电导效应）及其功能作用。文中详细阐述了电子激发、电荷分离与界面调控等机制，总结了其在光电器件、能源转换及光催化等领域的关键应用，帮助读者系统掌握光–物质相互作用原理，为设计高效光电材料与器件提供理论基础。
什么是光电效应？
光电效应是指材料在受到光照射时，发生电子从低能态向高能态跃迁，并可能逃逸出材料或参与电流形成的现象。该过程源于光子与物质中电子之间的相互作用，是光能向电子能转换的核心机制之一。
DOI: 10.1038/s41467-021-20954-6
从量子力学角度分析，光电效应体现了光的粒子性。光子携带的能量 E=hν（其中 h 为普朗克常数，ν 为光的频率）被材料中的电子吸收，当其超过材料的逸出功或带隙时，电子将被激发进入导带或真空能级，从而引发电荷分离、电流传输或表面化学过程。
这一过程不仅是描述光响应过程的基本图景，也是推动半导体材料设计的理论基础。
DOI: 10.1038/s41467-021-20954-6
光电效应的分类
外光电效应
外光电效应是指当光子照射到金属或某些低逸出功的半导体表面时，电子吸收光子的能量后获得足够的动能，克服材料的逸出功而逸出材料表面，形成可被收集的光电子流。
该效应首先由赫兹和霍尔瓦克观察到，后来由爱因斯坦在量子理论框架下成功解释，成为支持光量子假设的重要证据之一，体现了光的粒子性。
外光电效应只在入射光频率高于材料逸出功对应的临界频率时才能发生，因此与入射光的频率关系密切。该现象广泛用于紫外光探测、光电倍增管、真空光电二极管等器件中，是实现高能光子感测与量子效率分析的关键技术手段。
DOI: 10.1038/ncomms5651
内光电效应
内光电效应是指光子在半导体材料内部被吸收，能量被传递给价带中的电子，使其跃迁至导带，形成电子–空穴对。不同于外光电效应，这些电子并不逸出材料，而是在材料内部形成可用的电流或化学反应中间体。
该效应是太阳能电池、光催化、光电导器件等应用的核心物理机制。其效率取决于材料的带隙、吸收系数、载流子的扩散长度与寿命等因素，因此材料工程（如掺杂、异质结设计、能带调控）在实际应用中至关重要。
内光电效应是实现光能–电能或光能–化学能转换的重要路径，在能源、环境与信息处理等领域中具有深远影响。
DOI: 10.1038/s41566-023-01346-2
光生电压效应
光生电压效应描述的是，在半导体器件中，光生电子–空穴对在内建电场、pn结或异质结界面处因空间电势差而被分离，从而在外部电路中形成电压或电流输出的过程。
该效应是太阳能电池等光伏器件的工作基础，其效率受载流子分离效率、复合速率、电极界面态等影响。优化器件结构（如多结太阳电池、钙钛矿/硅叠层结构、量子点异质结）可以提高光生电压与输出功率。
同时，设计具有梯度能带结构或构建非对称接触，可以增强电荷定向传输，提升器件响应速度和光谱选择性。光生电压效应不仅用于能源应用，也为新型光电子器件开发提供理论基础。
DOI: 10.1038/s41560-022-01154-y
光电导效应
光电导效应是指在光照下，半导体材料内部自由载流子（电子与空穴）的数量因光生电子–空穴对的生成而显著增加，导致材料整体电导率提升的现象。这种效应在可调光响应器件中具有重要价值，如光电探测器、光敏开关、图像传感器等。
该效应的效率依赖于材料对光的吸收能力、载流子寿命及复合行为。通过带隙工程、表面钝化、陷阱态调控等手段，可以有效延长光生载流子的寿命，从而增强响应速度与信噪比。
光电导效应在红外、可见、紫外甚至X射线波段均有广泛应用，是开发高灵敏探测技术的物理基础之一。
DOI: 10.1038/s43246-022-00292-w
光电效应有什么作用？
电子结构调控与激发
光电效应通过光子激发价带电子跃迁至导带，引发材料内部电荷重构与能级分布变化。该过程调节局域态密度、电子填充状态及费米能级位置，改变材料的电学与光学性能。
能带结构的调控对载流子行为、态密度分布具有深远影响，是实现半导体能带工程、优化界面电荷行为和调节电子态填充的重要物理基础，为后续光电应用提供电子结构层面的调控路径。
DOI: 10.1038/srep10848
电荷分离与转移驱动
光照诱导的电子–空穴对可在材料内部或异质结界面实现有效分离。在内建电场、势垒差或能级梯度的引导下，光生电子与空穴迁移至不同的区域或反应位点，减少复合概率，增强电荷利用效率。
该过程对提高光催化与光电转换体系的量子效率具有关键意义，也是设计高效光电器件与催化界面时需优先考虑的载流子动力学问题。
DOI: 10.1038/s41467-024-49004-7
反应活性中心调控
在光电效应作用下，激发态电子可参与材料表面或界面处的催化反应，调节吸附构型与反应势垒。光生载流子的能量状态决定其与反应物的电子交换能力，从而影响反应路径与中间体稳定性。
通过调控光照条件与载流子密度，可有效构建瞬态活性中心，实现反应选择性的提升与动力学过程的精准控制，特别适用于多电子转移或限速步骤复杂的催化反应体系。
DOI: 10.1038/s41467-023-41943-x
电场与势垒调节
光电效应在异质结构或金属–半导体界面引发光生电荷积累，形成或增强局域内建电场，从而改变能带弯曲、肖特基势垒高度及界面偶极分布。
这一过程显著影响电荷注入、分离效率及载流子动力学行为，对光电器件的开路电压、响应速率与稳定性具有重要作用。通过光照调控界面电场，可实现器件性能的实时调节与光响应催化体系中电势行为的精细控制。
DOI: 10.1038/s41377-021-00551-4
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