半导体太阳电池和光电二极管课件

半导体太阳电池和光电二极管

目录8.1半导体中的光吸收8.2PN结的光生伏打效应8.3太阳电池的I-V特性

8.4太阳电池的效率8.5光产生电流和收集效率8.6提高太阳电池效率的考虑8.1半导体中的光吸收

图8-1从紫外区到红外区的电磁波谱图

8.1半导体中的光吸收光子的波长和能量存在转换关系：8.1半导体中的光吸收若半导体被一光子能量大于禁带宽度的光源均匀照射，光子通量为（即以单位时间垂直通过单位面积的光子数为单位）光子在半导体中传播时，一部分被吸收，被吸收的光子数正比于光子通量。8.1半导体中的光吸收边界条件在x=0时，解方程可得，在半导体的另一端x=W处，光子通量为8.1半导体中的光吸收其中吸收系数是光子能量的函数，下图为吸收系数与波长之间的关系曲线，

图8-2几种半导体的吸收系数8.1半导体中的光吸收实验表明，吸收系数在波长处急剧下降，称为截至波长，因为当,即时，能带间的光吸收忽略不计。

8.2PN结的光生伏打效应P-N结光生伏打效应就是半导体吸收光能后在P-N结上产生光生电动势的效应。光生伏打效应涉及到以下三个主要的物理过程：第一、半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对；第二、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也可以是漂移运动；这种非均匀势场可以是PN结的空间电荷区，也可以是金属—半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。第三、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。在P侧积累了空穴，N侧积累了电子，建立起电势差。8.2PN结的光生伏打效应

图8-3P-N结能带图：（a）无光照平衡P-N结，（b）光照P-N结开路状态，（c）光照P-N结有串联电阻时的状态。8.2PN结的光生伏打效应

对于在整个器件中均匀吸收的情形，短路光电流可以用下式表示

式中为光照电子空穴对的产生率，A为P-N结面积，为光生载流子的体积。可知短路光电流取决于光照强度和P-N结的性质。8.2PN结的光生伏打效应

光生电动势加在PN结上，对PN结来说这是一个正偏压，它使PN结产生正向电流，而光生电流相当于反向电流，故这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流，是太阳电池中的不利因素。8.3太阳电池的I-V特性

首先考虑串联电阻=0的理想情况。在这种情况下，太阳电池的等效电路如图所示。图中电流源为短路光电流

图8-4太阳电池理想等效电路8.3太阳电池的I-V特性其中，为P-N结正向电流，即PN结暗电流。为P-N结饱和电流P-N结的结电压即为负载上的电压降V。8.3太阳电池的I-V特性

P-N结上的电压为

在开路情况下，I=0，得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压）在短路情况下（V=0），

这是太阳电池能提供的最大电流。太阳电池向负载提供的功率为8.3太阳电池的I-V特性

图8-5一个典型的太阳电池在一级气团（AM1）光照下的I-V特性，AM1即太阳在天顶时及测试器件在晴朗天空下海平面上的太阳能8.3太阳电池的I-V特性实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻。

图8-6

包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路8.4太阳电池的效率

太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出电功率与入光功率的百分比：

式中为输入光功率，为太阳电池的最大输出功率：

对于理想太阳电池，时得最大功率条件，

8.4太阳电池的效率可得到也可有当V=时，对应的电流为8.4太阳电池的效率

于是太阳电池最大输出功率

引进占空因数这一概念，太阳电池的效率可为

8.5光产生电流和收集效率

考虑通量为的光子入射到“P在N上”的结构的表面。忽略表面反射，则吸收率正比于光通量：假设吸收每个光子产生一个电子—空穴对，则电子—空穴的产生率为稳定条件下PN结N侧的空穴扩散方程为

8.5光产生电流和收集效率与此类似，描述结的P侧电子的扩散方程为

在P-N结处每单位面积电子和空穴电流分量分别为

光子吸收效率定义为8.5光产生电流和收集效率例题：推导出P在上N长P+N电池的N侧内光生少数载流子密度和电流的表达式，假设在背面接触处的表面复合速度为S，入射光是单色的。P+层内的吸收可以忽略不计。解：根据边界条件为

代入边界条件得，

8.5光产生电流和收集效率

从P+侧流到N侧的电子电流用同样方法可以求得。8.5光产生电流和收集效率

由于在短波（550nm）时，吸收系数比较大，大多数光子在接近表面的一个薄层内被吸收而产生电子—空穴对。在较长波长时（900nm），较小，吸收多发生在P-N结的N侧。8.5光产生电流和收集效率图8-7入射光为和的归一化少数载流子分布。器件参数为=2.8m,W=20mils,=4.2s,=10ns,以及=100cm/s8.5光产生电流和收集效率

收集效率：入射光为单色光且光子数已知，可以得到在N侧每一波长的收集效率。收集效率受到少数载流子扩散长度和吸收系数的影响，扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。就吸收系数的影响来说，大的值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的强烈收集。小的值使光子能向深处穿透，以致太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。一般的GaAs电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。

8.5光产生电流和收集效率图8-8图8-7中太阳电池的收集效率与波长的对应关系

8.6提高太阳电池效率的考虑在实际的太阳电池中，多种因素限制着器件的性能，因而在太阳电池的设计中必须考虑这些限制因素。光谱因素

图8-9在AM0和AM1条件下的太阳光谱及其在GaAs和中Si的能量截止点8.6提高太阳电池效率的考虑最大功率考虑最大功率可由开路电压和短路电流来表示，可见，越小越大从而越大。

而开路电压

乘积会出现一极大值。

8.6提高太阳电池效率的考虑

图8-10最大转换效率的理论值与禁带能量之间的对应关系8.6提高太阳电池效率的考虑串联电阻考虑

图8-11串联电阻和分流电阻对I-V曲线的影响

8.