LED与光伏材料复习.doc

LED与光伏材料 1半导体光吸收当入射光波长大于截止波长时，半导体不吸收，当小于截止波长时，吸收；且吸收按指数衰减I=Io*e(-a)x,a的量纲是1/L,a越大，吸收月靠近表面；吸收是温度、波长的函数，波长越小，吸收越大，吸收还与能带结构有关，直接带隙的吸收大于间接带隙的，而且陡。2光发射：在一个PN结的半导体里面注入电子空穴，电子和空穴就会在有源区进行复合，复合分成两种形式：辐射复合（发光）和非辐射复合（发热，导致晶格振动）。在这个过程，直接带隙半导体的辐射复合几率很大，所以很大一部分用于发光，只有少部分用于发热。3太阳能电池的问题：1） 增加光入射，考虑表面的抗反射；2） 光吸收，led和光伏器件都是浅结器件，因为光吸收总是在表面最强；3） 光生载流子的分离；4） 欧姆接触，后续电路的输出能力。4光注入、电注入led考虑的问题：1） 提高注入效率，跟欧姆接触等有关；2） 提高复合效率，在pn结中心尽量减少非辐射复合中心；3） 提高光提取（外量子效率）：减少光在半导体的吸收，减小界面反射等。5半导体材料：分为元素半导体（没有极性）化合物半导体（两种以上元素构成）：极性和化学配比，化学配比很难控制。极性半导体：就是化合物半导体，构成半导体的材料对外层价电子的控制能力不同，及电负性不同，导致成键时，在不同方向，键的强弱、键角等不同；离子键成分越多，极性越强，由此组成的半导体就是极性半导体。极性半导体的光电性质都与其极性有关。6电活性掺杂：掺入杂质会向材料提供可移动的电子和空穴，会改变材料的导电性能，例如Si掺P。等电子掺杂：掺入杂质后，不会给材料提供可移动的电子和空穴，叫电中性掺杂。此时的电中性就跟原来不同。例如GaP掺N，形成NN对的等电子，N的电负性比P强很多，改变了晶格势，产生等电子陷阱，及等电子复合中心，有很强的辐射复合几率，因此就改变了GaP间接带隙不发光的性能，有非常好的发光效果。7能带工程：1）掺杂：会引入缺陷；2）应变：（临界厚度，位错弛豫）3）量子阱：产生条件:器件的应用控制在电子的德布罗意波长左右，这时就会有能量的不连续分布，从能带变成能级。8量子阱与体材料的吸收系数比较：1） 带边的移动 2） 有台阶状的态密度分布3） 激子吸收很强4） 吸收与体材料相比相当的时候厚度仅约为体材料的一半，及整个的吸收比体材料强很多。非晶材料：w 能带模型，采用Mott-CFO模型： 1、基本能带；2、定域态带尾； 3、迁移率边Ec和Ev；4、隙态Ex和Ey。非晶半导体中载流子输运是一种弥散输运w 非晶半导体中，能带的扩展态、带隙中缺陷定域态和带尾定域态中电子对电导都有贡献。w 非晶半导体的光学性质与结晶半导体的一个显著差别：非晶半导体中电子跨越禁带时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别，即电子跃迁时不再遵守准动量守恒的选择定则；这是由于结构上的无序使非晶半导体中的电子没有确定的波矢。9有机半导体材料特点：1、可在空气中进行加工；2、加工工艺较简单；3、易于制备大面积、柔性材料；4、材料的电学光学性质可以调整；5、较易制作有机/有机材料、有机/无机材料异质结以及超晶格、量子阱结构应用1）、OLED 2）、太阳电池 3）、OFET 4）、有机半导体激光器5）、电光调制器、光开关、二极管等10半导体微结构材料的主要性能及应用w 量子尺寸效应：由于量子约束，量子结构中的产生分裂的能级，能级之间的差距越大，对电子的约束越强。注入载流子的复合再不是带边复合，而是子能级之间的复合此结构作为激光器的有源区，可以使激光器的阈值电流密度降低，调制速率提高，改善激光器的温度和偏振特性，通过改变量子结构，可改变发射波长w 共振隧穿效应：在量子阱中的载流子，当其能量小于势垒高度时，仍有可能穿过势垒，其隧穿几率与势垒高度、厚度、载流子的有效质量、势阱宽度等都有关w 库伦阻塞效应：当一个物理体系的尺寸达到纳米量级时，这个体系的充电和放电过程是不连续的（即量子化）。在纳米结构中，由结电容所确定的静电能量在低温下与热能KT为同一量级。当电子通过隧道结时，会使隧道势垒两端端电位差发生变化。如果结面积很小，由一个电子隧穿所引起的电位差可达数毫伏，如果此时静电能量的变化比热能KT大，则由一个电子隧穿引起的电位变化会对下一个电子的隧穿产生阻碍作用w 迁移率增强效应；w 室温激子的非线性光学效应；w 量子限制斯塔克效应；w 电场作用下，电子、空穴的离化率比值增大现象；w 量子阱中电子子带间跃迁和发射现象等应用：高速电子器件：HEMT和HBT；半导体量子阱激光器；量子级联红外激光器；量子阱红外探测器；半导体光学双稳态器件等。11光学带隙：半导体非晶材料借用能带概念，当半导体非晶材料开始吸收光时的能量即光学带隙。12Si的特点：1）来源多，材料丰富； 2）无毒，化学性质稳定； 3）晶体质量高，易掺杂； 4）可用于做硅氧化物 5）机械强度、禁带宽度适中。缺点是：间接带隙半导体，不适合做发光器件； 带隙小，不适合做大功率器件13Si的提纯：吹气冶炼（吹入惰性气体和氧化气体，出去杂质），助溶除渣（除Al,Ca），定向凝固（除铁），破碎去杂、浸酸水洗。 ：助溶除渣原理：可降低熔渣的熔点、密度，改善粘度和表面张力。14区溶提纯技术分凝现象： 将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中的浓度是不同的，称为分凝现象（偏析）分凝系数：在一定温度下，固液两相平衡时，固相A中杂质B（溶质）的浓度Cs和液相中的杂质浓度CL之比K0 Ko=Cs/CLKo称为杂质B在材料A中的平衡分凝系数将一材料锭条全部熔化后，使其从一端向另一端逐渐凝固，这样的凝固过程称为正常凝固（定向凝固）由于分凝现象，正常凝固后的锭条杂质分布不再是均匀锭，出现以下3种情况w K1的杂质，其浓度越接近头部越大，向头部集中w K1的杂质，基本保持原有的均匀分布区溶指只是将材料锭的一部分熔化形成溶区，并使溶区从锭条的一端缓慢向另一端移动正常凝固比一次区溶效果要好，但是耗能很大14硅的老化 效应：在a -Si：H中存在S-W效应，也称为光致退化效应：样品经一段时间光照后，其光电导和暗电导都显著下降，将这样的样品经过热处理后，样品又可恢复到原来的状态。15西门子法 SiHCl3氢还原法1） 将工业硅打碎，获得硅粉；2） 再让硅粉和盐酸反应，获得SiHCl3（温度控制，控制副反应）3） SiHCl3提纯，用分流法4） H2还原16三五族化合物相对于硅的特点：如GaN1）相对硅材料，其带隙较大2）大部分为直接跃迁型能带（另类GaP为间接带隙半导体） 3）电子迁移率高4）吸收系数比较大5）大部分都是闪锌矿结构6）是极性半导体17GaAs有比硅更高的效率的原因：最大吸收与太阳光谱吻合得很好，也就是GaAs吸收速度很高的部分正好对应于太阳光谱最强部分，所以吸收效果很好一般材料随着电场强度的增加电子迁移率会增加，一定程度不增加（饱和电子迁移率）。但是GaAs反而减小（耿氏效应），原因是：电子在加速时，电场越来越大，等效曲率半径大，质量减小，导致迁移速率不但没有增加，反而下降。18与Si相比，GaAs的优缺点：做太阳能电池可以有很高的效率有很高的迁移率，可做高迁移率器件还可以做LED缺点是：由于是二元化合物，精确的化学配比不易控制自然资源不丰富As元素有挥发性及毒性，加工过程更应注意安全和环境保护力学强度较差，热导率不高不易生长出无位错单晶（简洁版稳定性不如硅，强度不如硅，尺寸，器件的称底、芯片不如硅，还有工艺上的）19GaN的优缺点：带隙大，稳定性好，是非常好的蓝光LED缺点：1没有衬底2P型浓度很难提高3热导率不高4稳定好，导致不易化学腐蚀，工艺困难。目前蓝光LED存在的问题：1正向工作电压偏高、2发热（理想的LED是不发热的）、3光电转换效率低原因就在于材料的缺陷比较高、P型浓度很难改善、是宽带隙半导体，欧姆接触做不好GaN用途：高频，发光 高频器件、大功率器件、蓝绿发光（全色显示）、激光器、白光照明电学参数与器件应用：w 载流子达到饱和速度时器件得到最大频率w 临界击穿电场和热导率决定器件的最大功率输出能力w 低介电常数和宽带隙是理想的材料特性w 少子寿命影响器件的工作速度20为什么用蓝宝石做衬底Si比较便宜，但是晶格失配大，SiC晶格失配低，但是价格高，综合以上因素蓝宝石有较低的晶格失配，价格也合适。21高AL组分AlGaN基材料的技术问题：1） 高Al组分的激活能高，不容易激发2） 高Al组分，电阻率越高，电子注入效果差3） 极化场强高，电子和空穴的波函数交叠降低，发光效率低4） 发光性能对缺陷的强烈依赖性22OLED 三层结构：电子输运层、有机光层、空穴输运层23铸造多晶硅的方法：烧铸法（不详）和直熔法（在坩锅内直接将多晶硅熔化，然后通过坩锅底部的热交换方式使熔体冷却，采用定向凝固技术制备多晶硅）w 两方法的技术原理没有差别w 直熔法可以控制垂直方向的温度梯度，使固液界面尽量平直，有利于生长去向性较好的柱状多晶硅晶锭。w 该技术所需人工少、晶体生长过程易控制、晶体生长后一直保持在高温，相当于对多晶硅晶锭进行了“原位”的热处理，可以降低体内的热应力，使晶体内的位错密度降低。w 二者的冷却方式略有不同w 直熔法中，石英坩锅是逐渐向下移动，缓慢脱离加热区，或采用隔热装置上升，使得石英坩锅与周围环境进行热交换，同时，冷却板通水，使熔体的温度自底部开始降低，使固液界面始终保持在同一水平面上，晶体的结晶速度约1cm/h，约10kg/hw 浇铸法通过控制加热区的温度，形成直上部向底部的温度梯度，底部实现低于硅熔点的温度，开始结晶，上部始终保持在熔点以上的温度，直到结晶完成，在整个制备过程中坩锅是不动的，它的结晶速度可以稍快些，但是不容易控制固液界面的温度梯度，在晶锭的四周和石英坩锅接触部位的温度往往低于晶锭中心的温度-了解铸造多晶硅的缺点：1、晶界的存在，导致其长程无序2、位错密度高3、微缺陷和相对高的杂质浓度 制备的电池光电转换效率降低24：薄膜生长技术及比较：w 真空蒸发w 直流/射频溅射w 离子束增强淀积w 分子束外延w 脉冲激光淀积w 化学气相淀积w 金属有机化学气相淀积w 液相外延w MBE生长速率慢，不适宜工业化生产优点：（1）生长速率低，理论上可以在原子尺度改变组分与掺杂。（2）生长温度低，这样就可以忽略生长层中的相互扩散作用。（3）可以通过掩模的方法对材料进行三维的控制生长。（4）由于生长工艺在超高真空中进行，因此可以在生长室中安装各种分析设备，这样就可以在生长的整个前后过程对外延层进行在位测量和分析。（5）在现代MBE生长系统中，生长过程可以用计算机进行自动化控制。Mocvd w (l)适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体; w (2)非常适合于生长各种异质结构材料; w (3)可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡; w (4)生长易于控制; w (5)可以生长纯度很高的材料; w (6)外延层大面积均匀性良好; w (7)可以进行大规模生产。 生长出的材料质量非常好(高生长速率，良好的掺杂的均匀性、重复性好)w 适合大规模生产，不需要高真空(和MBE相比), 成本更低w 配备不同的源就可以在同一个系统生长不同材料，更具灵活性w 适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体w PECVD 实验机理： 在辉光放电等离子体中电子密度高 (1091012/cm3)；电子温度比普通气体分子温度高出10-100倍，虽环境温度(100-300)较低，但反应气体在辉光放电等离子体中能气受激分解，离解和离化，从而大大地提高了参与反应物的活性。因此，这些具有高反应活性的中性物质很容易被吸附到较低温度的基片表面上，发生非平衡的化学反应沉积生成薄膜。 优点： 基本温度低；沉积速率快；成膜质量好，针孔较少，不易龟裂。 缺点如下： 1.设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高； 2.涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害； 3.对小孔孔径内表面难以涂层等。 25光生伏特效应：当入射太阳光的能量大于硅半导体的禁带能量时，太阳光子照射入半导体内，把电子从价电带激发到导电带，从而在半导体内部产生了许多“电子-空穴”对，在内建电场的作用下，