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第六章 电子材料的光学性质 第二节 半导体的光生伏特效应25 11 10 光生伏特效应 光照在半导体p n结或金属 半导体接触面上时 会在p n结或金属 半导体接触的两侧产生光生电动势 p n结的光生伏特效应 当用适当波长的光照射p n结时 由于内建场的作用 不加外电场 光生电子拉向n区 光生空穴拉向p区 相当于p n结上加一个正电压 半导体内部产生电动势 光生电压 如将p n结短路 则会出现电流 光生电流 6 2半导体的光生伏特效应 P n 太阳光 在光激发下多数载流子浓度一般改变很小 而少数载流子浓度却变化很大 因此应主要研究光生少数载流子的运动 6 2 1p n结的光生伏特效应 浅结 1 p n结的内建电场 无光照 P型 N型 P型 N型 能级弯曲的原因 在热平衡条件下 同一体系具有相同的费米能级 2 p n结的能带图 光照时n区产生少子空穴 p区产生少子电子 在内建电场的作用下 n区的空穴向p区运动 而p区的电子向n区运动 使p端电势升高 n端电势降低 所以 光生电场由p端指向n端 使势垒降低 产生正向电流IF 由于空穴向p区运动 所以在p n结内部形成自n区向p区的光生电流IL 有光照 6 2 2光电池的电流电压特性 光电池 利用半导体的光生伏特效应 而将光能转换成电能的装置 即将p n结与外电路接通 只要光照不停止 就会有源源不断的电流流过电路 p n结起到了电源的作用 这类装置叫光电池 1 p n结电流方程 6 18 I 负载电流 IL 光生电流 Is p n结反向饱和电流 V p n结两端电压 2 开路电压 负载电流I 0 即IL IF 6 20 3 短路电流 将p n短路V 0 则IF 0 所得电流为短路电流ISC 6 21 4 特性曲线 5 光电池的实际结构 栅指形状 减少接触电阻 尽量少挡住阳光 哈勃望远镜上两侧的光电池板将太阳能转变为电能为望远镜提供能源 6 光电池的应用 硅太阳能电池 硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 非晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近25 而规模生产的单晶硅太阳能电池 其效率为17 多晶硅半导体材料的价格比较低廉 但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点 多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18 工业规模生产的转换效率为16 非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺 具有较多的优点 例如 沉积温度低 衬底材料价格较低廉 能够实现大面积沉积 非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大 是单晶硅的40倍 1微米厚的非晶硅薄膜 可以吸引大约90 有用的太阳光能 非晶硅太阳能电池的稳定性较差 从而影响了它的迅速发展 非晶硅太阳能电池 化合物太阳能电池 三五族化合物电池和二六族化合物电池 三五族化合物电池主要有GaAs电池 InP电池 GaSb电池等 二六族化合物电池主要有CaS CuInSe电池 CaS CdTe电池等 在三五族化合物太阳能电池中 GaAs电池的转换效率最高 可达28 GaAs化合物太阳能电池 Ga是其它产品的副产品 非常稀少珍贵 As不是稀有元素 有毒 GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池 这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率 GaAs化合物太阳能电池虽然具有诸多优点 但是GaAs材料的价格不菲 因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及 太阳能 太阳能特点 无枯竭危险 绝对干净 不受资源分布地域的限制 可在用电处就近发电 能源质量高 使用者从感情上容易接受 获取能源花费的时间短 要使太阳能发电真正