太阳能电池的效率和CCD1课件

1、 光电转换效率是表征太阳电池性能的最重要的参数。阐述入射太阳辐射功率计算的依据，再以硅pn结太阳电池为主，兼顾其它种类电池，讨论理想情况下最大理论效率的一种考虑计算方法。考虑在非理想情况下，影响效率的诸多因素及效应。 太阳电池的光电转换效率 太阳电池所利用的太阳能来源于太阳辐射。太阳中心发生的核聚变反应，连续不断地释放出巨大能量，主要以光辐射形式从太阳表面的发光层向太空辐射。 表面发光层温度约6000K，其辐射光谱与6000K绝对黑体的连续辐射光谱类似(见图)。 一、太阳辐射光谱AM0和AMl.5 太阳辐射经过日-地平均距离(约1.5108公里)，传播到地球大气层外面，其辐射能面密度已大大降低

2、。 在这个距离上，垂直于太阳辐射方向单位面积上的辐射功率基本上是个常数，称为太阳常数。其数值是1.353kWm2。 这是许多国家使用高空气球、高空飞机、人造卫星、宇宙飞船等对太阳辐射进行大量测试、综合而得到的公认数据。与此同时，还确定了满足太阳常数数值的太阳辐射度按波长分布表。根据此表可画出太阳光的光谱分布曲线。 目前世界上许多国家把太阳常数作为计算太空用太阳电池的入射光功率密度的依据，又称AMO光谱条件。 在此条件下测试太空用太阳电池效率时，光源应满足图AMO的光谱分布，总能量为135.3mWcm2，电池测试温度为25。 AMO光谱的太阳辐射经过大气层中臭氧、氧气、水汽、二氧化碳及悬浮固体微

3、粒(烟尘、粉等)的吸收、散射和反射，到达地面时，光谱分布上出现了许多吸收谷，而且总辐射能至少衰减掉30(如图7所示)。 在晴朗天气的理想条件下，决定投射于地面的太阳辐射功率的最重要参数是光穿过大气层通路的长度。当太阳位于天顶，该长度最短。任一实际光通路长度与此最短长度之比称为大气质量，符号记为AM(Air Mass的缩写)。 上图还给出AM 1.5的光谱分布，其积分能量为83.5mWcm2。作为地面太阳电池测试依据的AM 1.5光谱条件，其光源应满足上图中AM1.5光谱分布。太阳在天顶时，地面上太阳辐射叫大气质量为1的辐射，记为AMl。当太阳偏离天顶角时，大气质量由下式给出； 大气质量= 1/

4、cos 太阳电池的理论效率由上式决定。当入射太阳光谱AM0或AMl.5确定之后，其值取决于Isc、Voc和FF的最大值。Isc最大值的计算考虑：舍去太阳光谱中大于长波限max这部分的光谱。其中长波限满足：太阳电池的理论效率认为其余部分的光子，因其能量hv大于材料禁带宽度Eg，被材料吸收而激发电子空穴对。假设其量子产额为1，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之百地被收集起来。 在上述理想的假设下，最大短路电流值显然仅与材料带隙Eg有关。其计算结果如图所示。太阳电池Isc的上限值与材料Eg的关系式中Iph是光生电流，在理想情况下即为图中所对应的最大短路电流。Io是二极管饱和电流，用下式计

5、算：Voc最大值，在理想情况下由下式定：显然Io取决于Eg、Ln，Lp、NA、ND和绝对温度T之高低，也与光伏结构有关。综合上述结果，作为带隙Eg的函数所计算的最大光电转换效率画于图中。太阳电池光电转换效率与材料带隙Eg的关系通过分析看出，为提高Voc，常常采用Eg大，少子寿命长及低电阻率(例如对硅单晶片选用02-cm)的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的最大Voc值约700mV左右。Voc最大值确定之后，可计算得到FF的最大值。 太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低。 下面以pn结硅太阳电池为例, 来阐述各种能量损失之机理，作为改进

6、太阳电池的设计及工艺，提高其效率的基础。影响太阳电池效率的一些因素太阳电池效率损失中，有三种是属于“光学损失”，其主要影响是降低了光生电流值。（1）反射损失R()：从空气(或真空)垂直入射到媒质(如半导体材料)的单色光的反射率： 1光生电流的光学损失式中n为半导体材料复数折射率N之实部，即普通折射率，k是其虚部，称为消光系数。 每种材料的n和k都与入射光之波长有关。对硅来说，其关系曲线如图所示。把n、k的结果代入式中，发现在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露硅表面反射掉了。 硅折射率的实部n与虚部k与光子能量的关系电池厚度对Isc的影响(3)透射损失：如果电池厚度不足够大，某些能量合适

7、能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。(2)栅指电极遮光损失c，定义为栅指电极遮光面积在太阳电池总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c约为4%15%。Pn结硅太阳电池的截面图间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。对于硅和砷化镓的计算结果示于图中。光生载流子的定向运动形成光生电流Iph最大光生电流值为：式中Nph(Eg)为每秒钟投射到电池上能量大于Eg的总光子数。考虑上述三种光学损失及材料吸收之后，光生电流可表示为： Iphmax=qNph（Eg）)式中()为投射在电池上、波长为，单位带宽的光子数；i为量子产额，即一个能量大于带隙Eg的光子产生一对光生电子空穴对

8、的几率，通常可令i=1；dx为距电池表面xt处厚度为dx的薄层；H为电池厚度；G（、x）表示由波长为、单位带宽的光子射进材料在x处的产生率。2光生少子的收集几率fc在太阳电池内，由于存在少子复合，所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之百地被收集起来。定义光激发少子中对太阳电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率fc。该参数决定于电池内各区域的复合机理，也与电池结构与空间位置有关。 太阳光的光强在=0.40.7m之间最强，极大值在0.48m(AM0)和0.53m(AM1.5)。 要提高太阳电池的能量转换效率和输出功率，就必须充分利用太阳能。这要求太阳电池的光谱响应与太阳光谱有一致的分布。 太阳电

9、池的光谱响应指短路电流与入射光波长的函数关系。就是指某一波长下，每一个射进电池的光子，对应所能收集到的平均载流子数。3太阳电池的光谱响应SR（） 决定Voc大小的主要物理过程是半导体的复合。 半导体复合率越高，少子扩散长度越短，Voc也就越低。4影响开路电压的实际因素5串联电阻Rs和旁路电阻Rsh引 起效率下降 在硅太阳是池中，由硅材料体电阻、溥层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻构成了总串联电阻Rs。 Rs值变大会影响电池伏安特性曲线偏离理想曲线，使FF变小，Isc下降，因而效率也下降； 而旁路电阻Rsh变小，说明无光照射pn结反向漏电流变大，造成Voc下降，FF变小,因而效率下降。

10、 由于地面及空间应用的太阳电池运用温度范围很宽，太阳电池用的半导体材料，其禁带宽度的温度系数一般都是负的。6温度效应7辐照效应应用在卫星上的太阳电池受到太空中高能粒子辐射，体内产生缺陷，使电池输出功率逐渐下降，可能影响其使用寿命。随着温度上升，带隙变窄，增强电池对光的吸收而使Isc略微上升；可是，带隙变窄会引起Io变大，而使Voc下降，影响FF也下降。综合这三个参数的变经，转换效率随温度上升而下降。 高效率和低成本是发展太阳电池的主要目标。 四十多年来进行的大量基本理论和实验的研究工作，把单晶硅太阳电池效率从6%提高到24%，对聚光硅太阳电池的光电转换效率，在100个太阳聚光度下，已达到27.

11、5%，使硅太阳电池在空间应用与地面应用上仍然占有较重的地位。 高效率太阳电池的发展 在化合物半导体中，砷化镓研究得比较多，工艺较成熟。由于砷化镓的Eg值比硅大，从光谱响应角度来说，更适合于做太阳电池。工作温度也可比硅的高，在聚光高温条件下工作，具有它独特优点。 其缺点是：砷化镓材料成本高。生产高质量的砷化镓单晶也较困难，加上电池制备工艺难以控制减小表面复合速度， 低成本太阳电池一、多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池是一种以多晶硅为基体材料的太阳电池。通常，选用太阳电池级纯度以上的硅料，经过熔铸及定向凝固后切片制得多晶硅片。电池制造工艺基本上与单晶硅太阳电池的类同。两者差别主要是多晶硅内存在不少晶粒边

12、界，这给多晶硅太阳电池带来三方面的严重影响：（1）晶粒边界处存在势垒，阻断载流子的通过：（2）晶粒边界这种晶体缺陷，起有效复合中心作用；（3）形成pn结的工艺处理中，掺杂剂沿着晶粒边界的影响，使多晶硅太阳电池具有较合适的电转换性能，对多晶硅片的要求：第一，绝大多数晶粒必须是柱状结构，以便光生载流子朝上、下方向输运与积累第二，晶粒横向尺寸越大，则晶粒边界的影响越小，至少应大于少子扩散长度。其微观原子排列是“短程有序”，而“长程无序”，包含有大量的悬挂键、空位等缺陷，因而有很高的带隙状态密度（大于1020cm）因此，纯a-Si在技术上并没有用途的。 二、非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池是非常有希望的一

13、种低成本太阳电池。它所用的非晶硅半导体材料简称a-Si（Amorphous Silicon）。1975年Spear等人利用辉光放电技术分解硅烷，研制出a-SiH合金膜。该膜中氢原子填补了部分a-Si的悬挂键及其它缺陷，大大降低了带隙内的状态密度，使掺杂成为可能。这一重大技术突破，首先应用于a-Si太阳电池的研究与生产上。这是因为a-Si有以下优点： a-Si具有较高的光吸收系数。在0.3150.75m可见光波长范围内，a-Si光吸收系数约比硅的高出一个数量级。因此，很薄（约1m左右）的a-Si太阳电池就能吸收大部分的可见光a-Si的带隙（1.52.0eV）比硅的（1.12eV）大，制成a-Si

14、太阳电池的开路电压高。制备a-Si的工艺和设备简单，淀积温度低（250500），时间短，耗能少。适宜于大批量生产。 光电器件-CCD 二. CCD的结构和工作原理 一. 引言 CCD及其应用三. CCD在位移测量中的应用 1969年秋，美国贝尔实验室WSBoyle和GESmith受到磁泡即圆柱形磁畴器件的启示，提出了CCD的概念。CCD是英文ChargeCoupledDevice的缩写，中文译为“电荷耦合器件”。一. 引言CCD是在MOS晶体管电荷存储器的基础上发展起来的，所以有人说，CCD是“一个多栅MOS晶体管，即在源与漏之间密布着许多栅极、沟道极长的MOS晶体管”。 CCD自问世以来，以

15、它无比的优越性能和诱人的应用前景，引起了各国科学界的高度重视，日、美、英、德等发达国家不惜重金投资加速研制，加之微细加工技术的进展，使得CCD像素数剧增加，分辨率、灵敏度大幅度提高，发展速度惊人。 线阵CCD已由第一代大踏步跃人第二代CCPD(光电二极管阵列)。 目前国外5000像素的线阵CCD已商品化，并对4个5000像素CCD进行拼接，实现了两万像素超长线阵CCD，获得了相当大的动态范围，满足了星载、机载、空间监测等要求。 线阵彩色CCD已实现了10725像素，阵列的不均匀性小于1。面阵CCD主要用作图像传感器，已有40964096像素的商品出售，信噪比达80dB，暗电流小于25pAcm2

16、(27)，输出非均匀性小于1，像素尺寸为75um75m，探测信号电平为10个电子。 最近美国仙童公司已研制成功90009000像素的超大阵列CCD，为高清晰度、超高分辨率探测奠定了基础。 彩色摄像方面，市场上已有10241024像素高清晰度彩色CCD摄像机出售。 微光探测方面，市场上已推出了10-9lx，水平分辨率大于700TV线，动态范围4000：1的CCD像机。 对CCD来说，随着超大规模集成工艺的进展，CCD不仅研究水平不断提高，阵列元数不断增多，CCD摄像机的性能越来越好，而且更重要的是CCD芯片的成品率不断提高，摄像机的价格大幅度下降。 据Security Management杂志发

17、表的统计数据表明，CCD摄像机的价格较之管式摄像机的总价格平均要低2060。 俄罗斯机器人综合研究所推出一种CCD像机能在微光中拍摄并分辨出比人头发丝还细的物体，其售价只有同类管式摄像机的13。 1.CCD的物理基础MIS结构 众所周知，CCD是由按照一定规律紧密排列起来的金属-绝缘体-半导体(MIS)电容阵列组成的。 MIS电容结构是CCD的基本组成部分，CCD的工作原理是建立在MIS电容理论之上，依靠在MIS电容器上储存荷电载流子和转运荷电载流子。 因此，认真分析一下MIS电容结构特性，有利于理解CCD的工作机理。 CCD结构及其工作原理 MIS电容结构如图所示，它十分类似于金属一绝缘体一

18、金属(MIM)平行板电容器，但有许多不同之处。例如在MIM电容器的两个金属极板上施加电压时，充电电荷分布在紧靠绝缘体的金属极板的原子层厚度内，其电压全部降落在绝缘体内。而对 MIS电容器施加电压时，因半导体中的电荷密度远小于金属的电荷密度，所以在半导体一侧，其电荷分布在半导体表面一定厚度的层内，所加的电压一部分降落在绝缘层内，另一部分则将降落在半导体表面的空间电荷层中。图MIS电容结构 同时在半导体中有两种极性不同的载流子电子和空穴，而且其浓度相差很大(如在硅中，多子和少子浓度往往相差 1010倍)， 因此，在MIS电容器上施加极性相反的电压时，半导体表面电荷层各处的电荷极性、分布和厚度大不相

19、同。 若给MIS电容器上施加一正向电压(VG)，则金属极板上带正电荷，半导体上带负电荷，在它们之间的绝缘层(氧化层)上将建立起电场(EI)，但是因为半导体中的自由载流子密度远远小于金属的自由电子密度，所以半导体中的面电荷就要扩展到相当厚度的一层，即垂直电场的存在使半导体表面内形成具有相当厚度的空间电荷区，对可见光CCD是以硅为基体材料的，绝缘体就是硅的氧化物，所以常为MOS电容结构。MIS电容器(a)及电场(电势)随深度变化图(b)它起着对电场的屏蔽作用，使电场由界面至内逐渐减小，直到空间电荷区边界，电场基本上被全部屏蔽，见上图。一、MOS电容的热平衡态特性 图示出了p型半导体表面处能带结构的

20、变化。图中EC为导带低，EV为价带顶，EF为费米能级，Ei为半导体在本征导电情况的EF，它位于禁带中央附近。p型半导体表面处能带结构的变化 (a)体内能带；(b)表面耗尽层； (c)表面积累层；(d)表面反型层。如果表面的存在对电子运动没有任何影响的话，如图(a)所示，水平能量线将一直延伸到表面，并与表面垂直。但事实上表面的存在不可能不影响到表面附近的电子运动和表面附近的能带结构，表面附近的电子能量也不可能与体内的能量完全一样。 所有这些电荷总的效果等于是半导体表面施加了一个电场，使得体内接近界面处的电子能带发生变化，从而使表面层内的电荷重新分布。 如果界面上以及氧化层内总的有效电荷为负电荷，

21、那么它的电场将排斥电子而吸引空穴，这样接近表面的电子能量增大（如图） ，表面处能带向上弯曲，近表面处空穴浓度增大。 也就是表面层内积累了相当数量的空穴来中和表面上的负电荷，所以表面层称做“积累层”。 实际上表面常常不可避免的有电荷吸附，在MOS结构中，半导体与绝缘体的交界面上也由于晶格结构不连续而出现局域化电子能级，因而带有一定电荷。在绝缘体内甚至其外表面也可能有电荷存在。 能带弯曲的结果是使表面层剩下的负的受主离子及少量电子来中和表面上的正电荷。 在这一表面层内，载流子都被电场驱开，通常称为“耗尽层”或“空间电荷层”，能带弯曲部分的深度就是耗尽层厚度(W)。 反之，如果界面上以及氧化层内总的

22、有效电荷为正电荷，则近表面的电子能量降低，能带将向下弯曲。如图 (b)所示，空穴被电场驱向体内，在表面层内留下带负电的受主离子浓度(NA)。 通常以体内的Ei为电势的零点，在表面上Eis相对于Ei的位置称为表面势(Vb)。能带向上弯曲表面势为负，能带向下弯曲表面势为正。从表面到Ei与EF相交点的一薄层内变成N型导电，在这n型层与体内p型导电区之间仍是耗尽层，两层总厚为W。如果表面及氧化层内的正电荷密度更大(外加电压情况)，则能带在表面处的向下弯曲将更为严重，以致在表面形成一层反型层，如图 (d)所示。二、MOS电容的非平衡态特性 仍以p型半导体为例，若以外加电压(Vp)的正极接到栅极，负极接到

23、半导体的底板(Vp的值足够大)使半导体近界面处的能带下弯到进入反型层， 当Vp刚加到MOS电容器上的瞬间，在介电弛豫时间(约10-12S)内，金属电极上即感应生成负电荷。 半导体中，只有多子(空穴)能够跟得上这个变化，少子(电子)在介电弛豫时间内没有变化。 在近界面层内留下了同样数目的NA，这时的能带结构如图 (a)所示，外加电压(Vs)大部分降落在半导体的空间电荷层内，只有一小部分(V0)降落在绝缘层上，这时近界面虽是强反型层，但电子尚没有产生，实质上是空的电子势阱。这是一个非平衡状态， 图MOS电容在外加电压下， 表面附近的能带结构 (a)电压刚加上去的一瞬间； (b)到达热平衡后。在此之

24、后，快态(即半导体与绝缘层之间的界面态)可能产生电子一空穴对，体内热激发而产生的电子-空穴对，其中电子在电场作用下进入势阱，空穴则被赶入体内，势阱中电子的填入，使此处能带抬高，最后恢复到热平衡状态，如图 (b)所示。这时降落在绝缘层的电压增加，而降落在半导体空间电荷层的电压则降低。 从非平衡态的建立到达热平衡所需要的时间(也可以说是热激发所产生的电子填满势阱所需的时间)称为存储时间即T=20NA/ni 式中，0为耗尽区少子寿命；ni为本征载流子浓度。T的大小主要取决于硅晶体的完整性。完美硅单晶的T达几秒到几十秒。CCD工作主要的基础是非平衡状态，在这个状态下，势阱可用来储留信号电荷，也可以用来

25、使信号电荷从一个势阱转移到相邻的另一个势阱。CCD的组成及其工作原理 CCD主要由3个部分组成，即信号输入部分、信号电荷转移部分和信号输出部分。 一、输入部分 输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式取决于应用。在滤波、延迟线和存储器应用情况下是用电注入的方法将电荷提供给CCD，在摄像应用中是依靠光注入的方式引入。 电注入机构是由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，它可以将信号电压(电流)转换为势阱中等效的电荷包，即给输入栅施加适当的电压，在其下半导体表面形成一个耗尽层。如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这

26、时输入栅下的耗尽层就相当于一个“通道”，受输入信号调制的电荷信号电荷包就会从输入二极管经过“通道”流人第一个转移栅下所形成的耗尽层(势阱)中，于是输入栅电压消失，输入过程完成。也可将信号加在栅上，通过信号调制，控制栅下通道进行注入。 CCD的输入方式有场效应管(MOSFET)输入、注入二极管输入、电势平衡法输入等。图给出了MOSFET注入方式的结构和时钟波形。 我们以此为基础，简述一下注入过程：注入部分是一个高掺杂的n+区，构成n+P二极管。输入栅(in)相当于MOSFET的控制栅，1、2、分别为转移栅。第一个转移栅(1)即相当于MOSFET的漏。 当1处于高电位时，其下的表面势(Vs)大，所

27、对应的势阱深(图 (b)，如果这时注入二极管n+p结处于正偏，并在输入栅(in)上施加大于开启电压的正栅压，则电子将通过输入栅下的沟道注入到1下的势阱中(图 (c)。 当输入取样结束(图 (d)，in恢复到低电位，场效应输入管夹断，取样中止。 以后每当1处于高电位和in也打开的一段时间内，电荷就相应的注入到1下的势阱中。这种输入方式是非线性的，而且引起的噪声较大。 这属于CCD发展初期所采用的注入方式，只作原理性的试验分析用，在实际器件中很少采用这种注入方式。目前最多的是电势平衡法的改进形式，它线性好、噪声低。 光注入，这是摄像器件所必须采取的唯一的注入方法。 这时输入二极管由光敏元代替。固体

28、图像器件的光敏元主要有：光电导体、MOS电容器(MOS二极管)、pn结光电二极管和肖特基势垒光电二极管。 摄像时光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收，产生电子一空穴对，多数载流子进入耗尽区以外的衬底，然后通过接地消失，少数载流子便被收集到势阱中成为信号电荷。 当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。二、信号转移部分 信号转移部分的作用是存储和转移信号电荷。转移部分是由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。 转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。

29、 通常是将重复频率相同、波形相同并且彼此之间有固定相位关系的多相时钟脉冲(数字脉冲)分组依次加在CCD转移部分的电极上，使电极上的电压按一定规律变化，从而在半导体表面形成一系列分布不对称的势阱。 图示出了三相时钟驱动的CCD结构和时钟脉冲。由图可见，在信号电荷包运动的前方总是有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿着势阱的移动方向向前定向作连续运动。 此外，还有一种(如两相时钟驱动)是利用电极不对称方法来实现势阱分布不对称，促使电荷包向前运动。 势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定，电荷在势阱中存储的时间，受限于势阱的热弛豫时间，它必须远小于热弛豫时间，所以CCD是在非平衡状态工作的一种功能器件。 三、