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1、第七章 太陽電池和光電二極 管 7.1 半導體中的光吸收 7.1 半導體中的光吸收 假設半導體被一光子能量 大于禁帶寬度的光源 均勻 照射。光子通量為 。 圖 7-1 從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖 h 0 7.1 半導體中的光吸收 當光子在半導體中傳播時 ， 在距表面 x處單位時間 、 單位距離上被吸收的光子數應當正比 于該處的光子通量 即 在 時 ， 。 方程 （ 7-1） 的解為 在半導體的另一端 （ 圖 7-3b） 處 ， 光子通量為 式中比例系數 叫做吸收系數它是 的函數 。 光吸收在截止波長 處急劇下降 。 x x dx xd （ 7-2） 0 x 0 x xex 0 （ 7-3）

2、Wx weW 0 h c meVE gc 24.1 （ 7-4） 7.1 半導體中的光吸收 圖 7-4 幾種半導體的吸收系數 7.1 半導體中的光吸收 教學要求 作業(yè)： 7.1、 7.3 7.2 P-N結的光生伏特效應 7.2 P-N結的光生伏特效應 P-N結光生伏打效應就是半導體吸收光能后在 P-N結上產生光生電動勢的效應 。 光 生伏打效應涉及到以下三個主要的物理過程： 第一 、 半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子 空穴對； 第二 、 非平衡電子和空穴從產生處向非均勻勢場區(qū)運動 ， 這種運動可以是擴散運動 ， 也 可以是漂移運動； 第三 、 非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運

3、動而分離 。 這種非均勻勢場 可以是結的空間電荷區(qū) ， 也可以是金屬 半導體的肖特基勢壘或異質結勢壘等 。 7.2 P-N結的光生伏特效應 圖 7-5 P-N結能帶圖： （ a） 無光照平衡 P-N結 ， （ b） 光照 P-N結開路狀態(tài) ， （ c） 光照 P-N結有串聯電阻時的狀態(tài) 。 7.2 P-N結的光生伏特效應 對于在整個器件中均勻吸收的情形 ， 短路光電流可以用下式表示 式中 為光照電子 空穴對的產生率 為 P-N結面積 為光生載流子的體積 。 由式 （ 7-5） 可知短路光電流取決于光照強度和 P-N結的性質 。 PnLL LLq A GI （ 7-5） LG A )( pn L

4、LA 7.2 P-N結的光生伏特效應 小結 概念：光生伏打效應 、 暗電流 PN結光生伏特效應的基本過程： 第一 ， 半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子 空穴對； 第二 ， 非平衡電子和空穴從產生處向非均勻勢場區(qū)運動 ， 這種運動可以是擴散運動 ， 也可以是漂移運動； 第三 ， 非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離 。 分離的電子 和空穴在半導體中產生了光生電動勢 。 利用能帶圖分析了光生電動勢的產生：非平衡載流子的產生預示著熱平衡的統一費米 能級分開 ， 開路時電子和空穴的準費米能級之差等于光生電動勢 。 7.2 P-N結的光生伏特效應 小結 在半導體均勻吸收的情況下 ，

5、 短路光電流為 （ 7-5） 串聯電阻和負載電阻上的電壓降加在 PN結上 ， 對 PN結來說這是一個正偏壓 ,它 使 PN結產生正向電流 這個電流的方向與光生電流的方向正好相反 ， 稱為暗電流 ， 是太陽電池中的不利因素 。 PnLL LLq A GI 10 TVVD eII 7.2 P-N結的光生伏特效應 教學要求 掌握概念：光生伏打效應 、 暗電流 分析了 PN結光生伏特效應的基本過程 利用能帶圖分析光生電動勢的產生 解釋短路光電流公式 （ 7-5） 的含義 暗電流是怎么產生的 ？ 能否去除 ？ 7.3 太陽電池的 I-V特性 7.3 太陽電池的 I-V特性 圖 7-6 太陽電池理想等效電

6、路 h L I V L R L R D I I 7.3 太陽電池的 I-V特性 首先考慮串聯電阻 =0 的理想情況 。 在這種情況下 ， 太陽電池的等效電路如圖 7-6所 示 。 圖中電流源為短路光電流 。 V-I特性可以簡單地由圖 7-6所示的等效電路寫出 。 式中 為 P-N 結正向電流 為 P-N 結飽和電流 P-N 結的結電壓即為負載 R上的電壓降 。 SR LI TVVeIIIII LDL 10 10 TVVD eII 0I （ 7-6） 7.3 太陽電池的 I-V特性 P-N結上的電壓為 在開路情況下 ， I=0， 得到開路電壓 （ 這是太陽電池能提供的最大電壓 ） 在短路情況下

7、（ V=0） ， 這是太陽電池能提供的最大電流 。 太陽電池向負載提供的功率為 1ln 0I IIVV L T 0 1 IIlVV LnTOC LII 10 TVVL eVIVIIVP （ 7-9） （ 7-7） （ 7-8） （ 7-10） 7.3 太陽電池的 I-V特性 圖 7-7 一個典型的太陽電池在一級氣團（ AM1） 光照下的 I-V特性， AM1即 太陽在天頂時及測試器件在晴朗天空下海平面上的太陽能 7.3 太陽電池的 I-V特性 實際的太陽電池存在著串聯電阻和分流電阻 。 考慮到串聯電阻和分流電阻作用的特性 公式 圖 7-8 包括串聯電阻和分流電阻的太陽電池等效電路 0 1 S

8、T V I R V S L Sh V I RI I I e R 7.3 太陽電池的 I-V特性 結論 根據等效電路寫出了太陽電池的 I V特性方程 。 給出了一個典型太陽電池的 I-V特性曲線 （ 圖 7.7） ， 根據太陽電池的 I V特性方程解 釋了該曲線所包含的物理意義 。 實際的太陽電池存在著串聯電阻 和分流電阻 。 考慮到串聯電阻和分流電阻作用 的 V-I特性公式為 理想太陽電池向負載提供的功率為 TVVeIIIII LDL 10 0 1 S T V I R V S L Sh V I RI I I e R 10 TVVL eVIVIIVP SR ShR （ 7-6） （ 7-11）

9、（ 7-10） 7.3 太陽電池的 I-V特性 教學要求 畫出理想太陽電池等效電路圖 根據電池等效電路圖寫出了太陽電池的 I V特性方程 （ 7-6） 了解太陽電池的 I-V特性曲線 （ 圖 7.7） ， 根據太陽電池的 I V特性方程解釋該曲線所 包含的物理意義 。 畫出實際太陽電池等效電路圖根據等效電路圖寫出 I V特性方程 （ 7-11） 5.作業(yè)： 7.4 太陽電池的效率 7.4 太陽電池的效率 太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉換效率 。 它是太陽電池的最大輸出電功率與 入光功率的百分比： 式中 為輸入光功率 ， 為陽電池的最大輸出功率： 對于理想太陽電池根據 （ 7.10） 式

10、， 時得最大功率條件 %1 0 0 in m P P mPmPm IVP 0 11 IIeVV LV V T mP TmP （ 7-12） （ 7-13） （ 7-14） inP 7.4 太陽電池的效率 從式 （ 7.14） 中解出 ， 再將其代入式 （ 7-6） 得 于是太陽電池最大輸出功率 引進占空因數這一概念 ， 太陽電池的效率可寫作 （ 7-17） （ 7-18） （ 7-19） T mP T mPV V Lmp V VeI V VeIII TmP 00 1 LTmP LmP mPmPm I I VV IVIVP 02 1 %100 in Loc P IFFV 7.4 太陽電池的效率

11、小結 太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉換效率 。 它是太陽電池的最大輸出 功率與輸入光功率的百分比： 太陽電池的最大輸出功率 引進占空因數這一概念 ， 給出了太陽電池的效率公式 （ 7-12） （ 7-18） （ 7-19） %1 0 0 in m P P LTmP LmP mPmPm I I VV IVIVP 02 1 %100 in Loc P IFFV inP 7.4 太陽電池的效率 教學要求 了解概念：轉換效率 、 占空因數 導出太陽電池的最大輸出功率公式 （ 7-18） 。 作業(yè)： 7.6、 7.10 7.5 光產生電流和收集效率 7.5 光產生電流和收集效率 考慮通量 為的光子

12、入射到 “ P在 N上 ”的結構的表面 。 忽略表面反射 ， 則吸收率正比于 光通量： 假設吸收每個光子產生一個電子 空穴對 ， 則電子 空穴對的產生率為 （ 7-20） 產生率是表面深度的函數 。 穩(wěn)定條件下 PN結 N側的空穴擴散方程為 x dx xd 0 xe xL eG 0 002 2 x p nonn p e PP dx PdD （ 7-21a） 7.5 光產生電流和收集效率 與此類似 ， 描述結的 P側電子的擴散方程為 在 P-N結處每單位面積電子和空穴電流分量分別為 光子吸收效率定義為 （ 7-23） 0002 2 x n ppp n e nn dx ndD （ 7-21b） j

13、xx npp dx dPqDJ jxx n np dx dPqDJ （ 7-22a） （ 7-22b） 0 q JJ np co l 7.5 光產生電流和收集效率 例題： 推導出 P在上 N長 P+N電池的 N側內光生少數載流子密度和電流的表達式 ， 假設在背面接觸處的表面復合速度為 S， 入射光是單色的 。 P+層內的吸收可 以忽略不計 。 解： 方程 （ 7-21a） 的邊界條件為 方程 （ 7-21a） 的解為： 00 0 nn P,Px Wx , nn n o p x WdPS P P D dx 7.5 光產生電流和收集效率 p pn p p W pp p px pp p non L

14、x L W L D L W S eSD L W L D L W S e L x L PP s i n h c os hs i n h s i n hc os h c os h 1 22 0 p pp p p W p pp p p p p p L L W L D L W S esD L W L D L W S L Lq J c os hs i n h s i n hc os h 1 22 0 （ 7-24） 從 P+側流到 N側的電子電流用同樣方法可以求得。 （ 7-25） 7.5 光產生電流和收集效率 p 圖 7-9 入射光為 和 的歸一化少數載流子分布 。 器件參數為 xj=2.8m,W=2

15、0mils, =4.2s, =10ns,以及 S =100cm/s m 55.0 0.90 m n 7.5 光產生電流和收集效率 根據少子空穴濃度表達式可以看到 ， 在短波 （ 550nm） 時 ， 由于吸收系數比較大 ， 大多數 光子在接近表面的一個薄層內被吸收而產生電子 空穴對 。 在較長時 （ 900nm） ， 較小 ， 吸收多發(fā)生在 P-N結的 N側 。 所形成的少數載流子分布繪于圖 7-9中 。 收集效率： 入射光為單色光且光子數已知 ， 把 （ 7-25） 式代入 （ 7-23） 式 ， 可以得到在 N側每一 波長的收集效率 。 收集效率受到少數載流子擴散長度和吸收系數的影響 ，

16、擴散長度應盡可能地長以收集所 有光生載流子 。 在有些太陽電池中 ， 通過雜質梯度建立自建場以改進載流子的收集 。 就 吸收系數的影響來說 ， 大的 值導致接近表面處的大量吸收 ， 造成在表面層內的強烈 收集 。 小的 值使光子能向深處穿透 ， 以致太陽電池的基底在載流子的收集當中更為重 要 。 一般的 GaAs電池屬于前者 ， 硅太陽電池屬于后一種類型 。 7.5 光產生電流和收集效率 圖 7-10 圖 7-9中太陽電池的收集效率與波長的對應關系 c o l ( m ) 100 80 60 40 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 20 總的收集 N 型層收集 P 型

17、層收集 7.5 光產生電流和收集效率 小結 考慮半導體吸收 ， 電子 空穴對的產生率為 產生率是表面深度的函數 。 定義了光子收集效率： 舉例分析了電子空穴對的產生率與光子頻率和透入深度的關系： 在短波 （ 500nm） 時 ， 由于吸收系數比較大大多數光子在接近表面的一個薄層內被吸 收而產生電子 空穴對 。 在較長時長時 （ 900nm） ， 較小 ， 吸收多發(fā)生在 PN結的 N 側 xL eG 0 0 q JJ np co l （ 7-20） （ 7-23） 7.5 光產生電流和收集效率 小結 給出了在不同波長上收集效率的理論值 （ 圖 7-10） 。 收集效率與少數載流子擴散長度和吸收系

18、數有關： 擴散長度應盡可能地長以收集所有光生載流子 。 在有些太陽電池中 ， 通過雜質梯度建 立自建場以改進載流子的收集 。 吸收系數的影響是：大的 值導致接近表面處的大量吸收 ， 造成在表面層內的強烈收 集 。 小的 值使光子能向深處穿透 ， 以至太陽電池的基底在載流子的收集當中更為重要 。 一般地 GaAs電池屬于前者 ， 硅太陽電池屬于后一種類型 。 以上分析為太陽電池的設計提供了重要參考 。 7.6 提高太陽電池效率的考慮 7.6 提高太陽電池效率的考慮 在實際的太陽電池中 ， 多種因素限制著器件的性能 ， 因而在太陽電池的設計中必須考慮 這些限制因素 。 圖 7-11 在 AM0和

19、AM1條件下下的太陽光譜及其在 GaAs和中 Si的能量截止點 7.6 提高太陽電池效率的考慮 只有大于 的那部分能量可以被吸收 。 可見 ， 越小 越大從而 越大 。 可被吸收的最大光子數在硅中為： ,在 GaAs中為： 最大功率考慮 太陽電池的最大輸出功率由開路電壓和短路電流所決定 。 由光譜考慮 ， 發(fā)現 隨著的 增加而減小 。 開路電壓 乘積會出現一極大值 。 gE PnLL LLq A GI 由 （ 7-5） gE LG LI 1217103.7 scm 1217102.5 scm LI gE gC EV 0 （ 7-27） LocIV 7.6 提高太陽電池效率的考慮 圖 7-12

20、最大轉換效率的理論值與禁帶能量之間的對應關系 7.6 提高太陽電池效率的考慮 串聯電阻考慮 圖 7-13串聯電阻和分流電阻對 I-V曲線的影響 7.6 提高太陽電池效率的考慮 達到最佳設計，需要對摻雜濃度和結深采取折衷。 實際的接觸是采用示于圖 7-14中的柵格形式。這種結構能夠有大的曝光面積，而同 時又使串聯電阻保持合理的數值。 圖 7-14 P上擴散 N的硅電池的簡單結構 7.6 提高太陽電池效率的考慮 表面反射采用 抗反射層 理想的抗反射層材料折射率應為 。 聚光 聚光是用聚光器面積代替許多太陽能電池的面積 ， 從而降低太陽能電池造價 。 它的 另一個優(yōu)點是增加效率 。 因此一個電池在

21、1000個太陽強度的聚光度下工作產生的輸出功率相當于 1300個電池 在一個太陽強度下工作的輸出功率。 閱讀：第 7.7、 7.8節(jié) 21nn 7-9 光電二極管 光電二極管工作原理：光照反偏 PN結，產生的光生載流子 被空間電荷區(qū)電場漂移形成反向電流。光電二極管把光信 號轉換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強度 和波長有關。光電二極管用于探測光信號。 7-9 光電二極管 P-I-N光電二極管 N p I h 抗反射涂層 金屬接觸 2S iO LR RV + h h R qV h 漂移空間 空穴擴散 電子擴散 c E v E Fn E Fp E 吸 收 PW WW P x 0 xe 1

22、 圖 7-20 P-I-N光電二極管的工作原理 ， （ a） 光電二極管的剖面圖； (b） 反向偏置時的能帶圖； （ c） 光吸收特性 7-9 光電二極管 在長距離的光纖通信系統中多采用 的雙異質 結 P-I-N光電二極管中， P-InP的禁帶寬度為 1.35eV， 對波長大于 的光不吸收。 的禁帶寬度為 0.75eV（ 對應截止時波長 ），在 波段 上表現出較強的吸收。這樣，對于光通信的低損耗波段，光吸收只發(fā)生在 I層，完全消 了擴散電流的影響，幾微米厚的 I層，就可就可以獲得很高的響應度。具有良好的頻 率響應。 閱讀： 7.9.2、 7.9.3 In PNIn G a A sIIn PP

23、/ m92.0 InG aAsI m65.1 m6.13.1 7-9 光電二極管 小結 光電二極管的工作原理：光電二極管和太陽電池一樣 ， 都是利用光生伏特效應工作 的器件 。 與太陽電池不同之處在于 ， 光電二極管工作時要加上反向偏壓 。 光電二極 管接受光照之后 ， 產生與入射光強度成正比的光生電流 ， 所以能把光信號變成電信 號達到探測光信號的目的 。 介紹了 P-I-N光電二極管的工作原理的基本結構、能帶圖和工作原理。 I層也叫耗盡 層起到增加耗盡層寬度的作用。在足夠高的反偏壓下， I層完全變成耗盡層，其中產 生的電子 空穴對立刻被電場分離而形成光電流。 7-9 光電二極管 教學要求

24、了解光電二極管的工作原理 。 了解 P-I-N光電二極管的工作原理的基本結構 、 能帶圖和工作原理 。 P-I-N光電二極管中 。 I層的作用是什么 ？ 光電二極管中有哪兩種電流 ？ 它們的形成機制和特點是什么 ？ 的雙異質結光電二極管中為什么不出現擴散電流 ？ In PNIn G a A sIIn PP / 7.10 光電二極管的特性參數 7.10 光電二極管的特性參數 量子效率和響應度 1.量子效率 即單位入射光子所產生的電子空穴對數 。 產生明顯光電流的波長是有限制的： 長波限 由禁帶寬度決 定 。 光響應也有短波極限 。 圖 7-25示出了一些高速光電二極管量子效率和波長關系的典型曲線

25、 。 可以看到 ， 在紫外和可見光區(qū) ， 金屬 半導體光電二極管有很高的量子效率；在近紅外 區(qū) ， 硅光電二極管 （ 有抗反射涂層 ） 在 到 附近 ， 量子效率 可達 100%；在 到 的區(qū)域 ， 鍺光電二極管和 IIIV族光電二極 管 （ 如 CaLnAS） 有很高的量子效率 。 對于更長的波長 ， 為了獲得高的量子 效率 ， 光電二極管需進行冷卻 （ 例如用液氮冷卻到 77K） 。 hP qI in L hRAP in 01 （ 7-29） （ 7-30） c m8.0 m9.0 m0.1 m6.1 7.10 光電二極管的特性參數 圖 7-25不同光電二極管量子效率和波長的關系 7.10

26、 光電二極管的特性參數 響應度 表征光電二極管的轉換效率 ， 定義為短路光電流與輸入光功率之比：高的響應 度要求有厚的 I 層 （ 7-31） 1.2 4 qq A W h in L P IR 7.10 光電二極管的特性參數 響應速度 （ 帶寬 ） 定義為當交流光電流下降到低頻的時的 調制頻率 。 它也稱 為 3dB頻率或 3dB帶寬 。 響應速度 （ 帶寬 ） 主要受下列三個因素的控 制： （ 1） 載流子 的擴散 。 在耗盡層外邊產生的載流子必須擴散到 P-N結 ， 這將引起可觀的時 間延遲 。 為了將擴散效應減到最小 ， P-N結盡可能接近表面 。 （ 2） 在耗盡層內的漂移時間 。 這

27、是影響帶寬的主要因素 。 減少耗盡層渡越時間要求耗 盡層要盡可能地窄 。 但耗盡層太窄會使器件吸收光子減小而影響響應度 。 21 7.10 光電二極管的特性參數 （ 3） 耗盡層電容 。 耗盡層太窄 ， 會使耗盡層電容過大 ， 從而使時間常數 RC過大 （ 這 里 R是負載電阻 ） ， 因此耗盡層寬度要有一個最佳選擇： 它是當交流光電流下降到低頻的 時的調制頻率 。 是耗盡層寬度 ， 是飽 和漂移速度 ， 為耗盡層渡越時間 。 Wf sdB 44.03 （ 7-32） 式中 稱為 3dB頻率或 3dB帶寬。由下式確定 4.22 3 rdB tf （ 7-33） dBf3 21 W sv rt

28、7.10 光電二極管的特性參數 噪聲特性 噪聲是信號上附加的無規(guī)則起伏 。 它可使信號變得模糊甚至被淹沒 。 散粒 噪聲：是由一個個入射光子產生的不均勻的或雜亂的電子 空穴對引起的 。 也就是說是由通過器件的粒子 （ 電子或空穴 ） 數無規(guī)則起伏引起的 。 分析表 明 ， 探測器散粒噪聲電流即均方根噪聲電流由下式估算 。 式中 為電流強度 ， 為測量的頻率范圍即帶寬 。 （ 7-35） fqIins 22 I f 7.10 光電二極管的特性參數 熱噪聲 ：來自電阻值為 R的電阻體發(fā)出的電磁輻射部分 ， 由載流子無規(guī)則散射引起 。 熱 噪聲的電流 （ 均方值 ） 為 接有輸入電阻為 R的放大器時

29、的總噪聲電流 （ 均方值 ） 為 入射光在光吸收層中產生的光電流 ， 即信號電流 。 暗電流 。 放大器的噪聲系數和絕對溫度之積 ， 稱為有效溫度 。 （ 7-36） R fKTi nt 42 R fKTfIIqi DLn 422 LI DI T （ 7-37） 7.10 光電二極管的特性參數 其它的幾個概念 信噪比 光電二極管的信噪比為 其中 為 光電二極管的信號 電流 （ 令 ） 為在負載 R兩端產生的信號功率 在忽略暗電流和熱噪聲的情況下 ， 光電二極管的信噪比為 （ 7-40） 2 4 /s i ni n i n D i q P hS N P q q P h I f K T f R L

30、s Ii si h Pqi ins sP RiP ss 2 （ 7-39） （ 7-38） fh P N S in 2 （ 7-41） 7.10 光電二極管的特性參數 噪聲等效功率 （ NEP） NEP定義為產生與探測器噪聲輸出大小相等的信號所需要的入射光功 率 。 N EP標志探測器可探測的最小功率 。 在式 （ 7-41） 中令 ， 就得 到 （ 7-42） 1NS 2( / 1 ) in h v fNE P P S N 7.10 光電二極管的特性參數 比探測率 （ D） 探測率定義為 D依賴于探測器的面積和帶寬 。 為了排除這些影響 ， 引入比探測率 。 探測率 （ ） 是探測器的常用優(yōu)

31、值 。 選探測器時 ， 一旦帶寬條件選定 ， 就應當選用 高的器件 。 （ 7-43） （ 7-44） D NEPD 1 f D N E P fAD 21 D D 7.10 光電二極管的特性參數 小結 量子效率 即單位入射光子所產生的電子空穴對數 。 產生明顯光電流的波長是有限制的 。 長波限 由禁帶寬度決定 。 短波限制是由于波長 短的光被表面強烈吸收 。 響應度：定義為短路光電流與輸入光功率之比： （ 7-29） hP qI in L c in L P IR 1.2 4 qq A W h （ 7-31） 7.10 光電二極管的特性參數 小結 由于量子效率和響應度都與光電流成正比 ， 示意要

32、求 P I N光電二極管的 I層要盡可 能地寬 。 響應速度 （ 帶寬 ） 定義為當交流光電流下降到低頻的時的調制頻率 。 它也稱為頻率或 帶寬 。 響應速度 （ 帶寬 ） 主要受下列三個因素的控制：在耗盡層外邊產生的載流子擴散到 P -N結空間電荷區(qū)所 需的時間 、 載流子 在耗盡層內的漂移時間和耗盡層電容時間常數 RC。 因此耗盡層寬度要的最佳選擇： 或 其它需要了解的參數 。 （ 7-32） （ 7-33） Wf s dB 44.0 3 4.22 3 rdB tf 7.10 光電二極管的特性參數 教學要求 掌握概念：量子效率 、 響應度 、 響應速度 。 了解本節(jié)介紹的其它概念 。 列出光電二極管與太陽電池的三個主要不同之處 。