第8章 太阳电池和光电二极管.ppt

1、第八章 太阳电池和光电二极管,有人统计,全球已探明的石油储量只能用到2020年左右，天然气能用到2040年左右，煤炭只能维持200-300年。如不尽快解决化石能源的替代能源，人类迟早会面临化石能源枯竭的危机局面。因此，人们很早就开始重视太阳能的开发和利用。 太阳能具有储量无限性（40亿年）、存在普遍性、清洁性、经济性。到目前为止，使用太阳能还没有收税，一次性投入不再花钱。,第八章 太阳电池和光电二极管,半导体太阳电池,直接把太阳能转换成电能器件。利用各种势垒的光生伏打效应，也称光生伏打电池，简称光电池。 1839年，光生伏打效应首先是贝克勒尔（Becquerel）在电解槽中发现。 1883年，

2、弗里茨（Fritts）首次用硒制造光生伏打电池。 1941年，奥勒（Ohl）制作出了单晶硅光电池。 1954年，贝尔实验室制作出第一个实用的硅太阳能电池。,第八章 太阳电池和光电二极管,太阳电池直接把太阳能转换成电能。 太阳电池具有寿命长、效率高、性能可靠、成本低、无污染等优点。 单晶硅太阳电池效率已达到近24%，非晶硅电池达13.2%，InGaPAs/GaAs叠层电池已达到30.28%。 光电二极管和太阳电池基本工作原理相同，用于检测各种光辐射信号，一种重要的光探测器。,8.1 半导体中的光吸收,第八章 太阳电池和光电二极管,P250图8-2，半导体受到光照射，光子可能被吸收。 若光子的能量

3、等于禁带宽带，则价带电子吸收光子跃迁到导带； 若光子的能量大于禁带宽带，除产生电子空穴对外，多余能量将以热的形式耗散掉； 若光子的能量小于禁带宽带，只有当禁带内存在合适杂质或物理缺陷引起的能态时，光子才会被吸收。,8.1 半导体中的光吸收,图7-1 从紫外区到红外区的电磁波谱图,人眼检测光波长 范围0.4-0.7um,8.1 半导体中的光吸收,假设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 。（P252图8-3) 光子在半导体中传播，距表面x处,单位时间单位距离上被吸收的光子数应正比于该处的光子通量 吸收系数 光子能量的函数。 光吸收在截止波长处急降。,（7-1）,（7-2）,

4、（7-4）,8.1 半导体中的光吸收,图7-4 几种半导体的吸收系数,吸收系数 光吸收在截止波长处急降,能带间光吸收可略,8.1 半导体中的光吸收,教学要求 作业：8.1、8.3,8.2 P-N结的光生伏打效应,第八章 太阳电池和光电二极管,P251图8-5 太阳电池的结构 背面接触一般采用大面积蒸镀金属形成欧姆接触，以减小串联电阻； 正面电极，既要减小接触电阻，又要尽量减少对阳光的遮挡，故常做成栅格形状。 为了减少光反射，光照面上蒸镀一层薄介质膜，称增透膜或减反射膜。,8.2 P-N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

5、三个主要物理过程 第一、半导体材料吸收光能产生非平衡电子-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； 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。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。,8.2 P-N结的光生伏打效应,光生伏打效应涉及物理过程 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，在N侧积累了电子，建立了电势差。 如果PN结开路，该电势差（开路电压）即电动势，称光生电动势。 如果PN结两端接负载，就会有电流通过，该电流称光电流。

6、PN结短路时的电流称短路光电流。 光照PN结实现了光能向电能转换。,8.2 P-N结的光生伏打效应,图 7-5 PN结能带图： （a）无光照平衡P-N结， （b）光照PN结开路状态，（c）光照PN结有串联电阻时的状态 。,P-N结光生伏打效应(小结2 3 4),8.2 P-N结的光生伏打效应,整个器件中均匀吸收情形，短路光电流 光照电子空穴对的产生率 PN结面积 光生载流子体积 短路光电流取决于光照强度和PN结的性质。,（7-5）,P-N结光生伏打效应(小结5),8.2 P-N结的光生伏打效应 小结,半导体吸收光能后在PN结上产生光生电动势的效应称为PN结的光生伏打效应。 从能带图上看，如果P

7、N结处于开路状态，光生载流子只能积累于PN结两侧。非平衡载流子的出现意味着N区电子的费米能级升高，P区空穴的费米能级降低。P区和N区费米能级分开的距离就等于 。PN结势垒高度将由 降低为 。,8.2 P-N结的光生伏打效应 小结,3.如果把PN结从外部短路，这时非平衡载流子不再积累在PN结两侧，光生电动势为零。P区和N区费米能级相等，能带图恢复为图7-6a. 4.一般情况下，PN结材料和引线总有一定电阻，这时有电流通过时，光生载流子只有一部分积累于PN结上，使势垒降低qV，V是电流流过 时,在 上产生的电压降。,8.2 P-N结的光生伏打效应 小结,5. 半导体均匀吸收情况，短路光电流 串联电

8、阻和负载电阻上的电压降加在PN结，这是一个正偏压, 使PN结产生正向电流 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。,8.2 P-N结的光生伏打效应,教学要求 掌握概念：光生伏打效应、暗电流 分析了PN结光生伏特效应的基本过程 利用能带图分析光生电动势的产生 解释短路光电流公式（7-5）的含义 暗电流是怎么产生的？能否去除？,8.3 太阳电池的I-V特性,第八章 太阳电池和光电二极管,8.3 太阳电池的I-V特性,太阳电池的等效电路 串联电阻 Rs=0 理想情况，电流源为短路光电流。,图7-6 太阳电池理想等效电路,8.3 太阳电池的I-V特性,太阳电池I-V

9、特性(图7-6所示等效电路) PN 结正向电流 PN结饱和电流 PN结的结电压(负载上的电压降),（7-6）,（7-9）,8.3 太阳电池的I-V特性,开路电压（太阳电池能提供最大电压 ）,I=0， 短路电流（太阳电池能提供最大电流），V=0 太阳电池向负载提供功率,（7-7）,（7-8）,（7-10）,太阳电池I-V特性,8.3 太阳电池的I-V特性,图7-7 一个典型太阳电池在一级气团（AM1）光照下的I-V特性 AM1，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。AM1条件下到达太阳电池的能量略高于100mW/cm2. 把器件放在大气层外（如卫星上），称AM0条件，太阳能量约13

10、5mW/cm2.,太阳电池I-V特性,8.3 太阳电池的I-V特性,实际太阳电池存在串联电阻和分流电阻,图 7-8 包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路,8.3 太阳电池的I-V特性 小结,太阳电池短路电流作为恒流源，负载上的电压降作为正偏压加在PN结上，构建了太阳电池的等效电路。由等效电路写太阳电池的IV特性方程。 开路电压是太阳电池能提供的最大电压，短路电流是太阳电池能提供的最大电流。,8.3 太阳电池的I-V特性 小结,3.实际太阳电池I-V特性 4.理想太阳电池向负载提供的功率,8.3 太阳电池的I-V特性,教学要求 画出理想太阳电池等效电路图 根据电池等效电路图写出太阳电池的IV

11、特性方程 了解太阳电池I-V特性曲，根据太阳电池IV特性方程解释该曲线所包含的物理意义。 画实际太阳电池等效电路图,写IV特性方程 5.作业：,8.4 太阳电池的效率,第八章 太阳电池和光电二极管,8.4 太阳电池的效率,太阳电池的效率 指太阳电池的功率转换效率, 是太阳电池的最大输出电功率与输入光功率的百分比 输入光功率 太阳电池的最大输出功率 最大功率条件（理想太阳电池,dP/dV =0),（7-12）,（7-13）,（7-14）,8.4 太阳电池的效率,占空因数，太阳电池的效率,（7-17）,（7-18）,（7-19）,太阳电池的效率,VmpImp对应于P254图8-8中矩形面积。太阳电

12、池可能达到的最大电流和电压分别为IL和Voc.因而，FF可用于从I-V曲线对可实现的功率进行估量。 做得好的电池，FF=0.70.8,8.4 太阳电池的效率 小结,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功率与输入光功率的百分比 2. 太阳电池的最大输出功率 3. 引进占空因数概念，太阳电池的效率公式,8.4 太阳电池的效率,教学要求 了解概念：转换效率、占空因数 导出太阳电池的最大输出功率公式（7-18）。 作业：7.6、7.10,8.5 光产生电流和收集效率,第八章 太阳电池和光电二极管,前面介绍太阳电池简单理论，光电流公式通过假设在整个器件中均匀吸收求得。 本节

13、考虑光子能量对吸收的影响，以前对太阳能电池设计提供参考,8.5 光产生电流和收集效率,考虑通量 的光子入射到“P在N上”结构表面。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-空穴对产生率 稳定条件下PN结N侧的空穴扩散方程,（7-21a）,（7-20）,8.5 光产生电流和收集效率,PN结P侧电子的扩散方程 P-N结处每单位面积电子和空穴电流分量 光子收集效率,（7-23）,（7-21b）,（7-22a）,（7-22b）,7.5 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

14、S，入射光是单色的。 P+层内的吸收可以忽略不计。 解：,7.5 光产生电流和收集效率,（7-24）,从P+侧流到N侧的电子电流用同样方法可以求得。,（7-25）,8.5 光产生电流和收集效率,图7-9 入射光为 和 的归一化少数载流子分布 器件参数 xj=2.8m,W=20mils, =4.2s, =10ns,以及 S =100cm/s,根据少子空穴浓度表达式 短波（550nm）时，由于吸收系数比较大，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。 较长时（900nm），吸收系数较小，吸收多发生在PN结的N侧。,7.5 光产生电流和收集效率,图7-10 图7-9中太阳电池的收集效率

15、与波长的对应关系,入射光为单色光且光子数已知，（7-25）式代入（7-23）式，可得到在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。,收集效率,8.5 光产生电流和收集效率,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。 在有些太阳电池中，通过杂质梯度建立自建场以改进载流子的收集。 吸收系数影响，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

16、小结,考虑半导体吸收，电子空穴对的产生率为 产生率是表面深度和吸收系数的函数。电子空穴对的产生率与光子频率和透入深度有关，在短波时，由于吸收系数比较大，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。对于较长的波长，吸收系数较小，因而电子-空穴对的产生多发生在较深处。,8.5 光产生电流和收集效率 小结,3.影响收集效率的主要因素是少数载流子扩散长度和吸收系数。扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。有些太阳电池中，通过杂质梯度建立自建场以改进载流子的收集。吸收系数的影响是：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

17、子的收集当中更为重要。一般的 电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。太阳电池设计提供参考。,8.6 提高太阳电池效率考虑,第八章 太阳电池和光电二极管,8.6 提高太阳电池效率的考虑,图7-11 在AM0和AM1条件下下的太阳光谱及其在GaAs和中Si的能量截止点,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。 光谱考虑,8.6 提高太阳电池效率的考虑,只有大于 的那部分能量可以被吸收 越小 越大从而 越大。可被吸收的最大光子数 硅中为： GaAs中为： 最大功率考虑 太阳电池的最大输出功率由开路电压和短路电流决定。 光谱考虑， 随 增加而减小,

18、开路电压 乘积 会出现一极大值。,（7-5）,光谱考虑,8.6 提高太阳电池效率的考虑,图7-12 最大转换效率的理论值与禁带能量之间的对应关系,最大功率考虑,8.6 提高太阳电池效率的考虑,串联电阻考虑,图7-13串联电阻和分流电阻对I-V曲线的影响,8.6 提高太阳电池效率的考虑,最佳设计，需要对掺杂浓度和结深采取折衷。 实际接触是采用栅格形式。这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电阻保持合理的数值。,图7-14 P上扩散N硅电池简单结构,8.6 提高太阳电池效率的考虑,表面反射采用抗反射层 理想的抗反射层材料折射率 聚光 聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电池的面积，从而降低太阳能电

19、池造价。它的另一个优点是增加效率。因此一个电池在1000个太阳强度的聚光度下工作产生输出功率相当于1300个电池在一个太阳强度下工作的输出功率。 （阅读：第7.7、7.8节）,光电二极管工作原理 光照反偏PN结，产生的光生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光信号转换成了电信号。 反向的光电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。,8.9 光电二极管,PN结光电二极管工作原理,PN结光电二极管工作原理,8.9 光电二极管,P-I-N光电二极管(小结1 2 3),图7-20 P-I-N光电二极管的工作原理 （a）光电二极管的剖面图； (b）反向偏置时的能带图；

20、（c）光吸收特性,8.9 光电二极管,长距离光纤通信系统中多采用 双异质结P-I-N光电二极管，P-InP禁带宽度为1.35eV，对波长大于 光不吸收。 禁带宽度0.75eV（对应截止时波长 ），在 波段上表现出较强的吸收。 这样，对于光通信的低损耗波段，光吸收只发生在I层，完全消除了扩散电流的影响，几微米厚的I层，就可就可以获得很高的响应度。具有良好的频率响应。 阅读：7.9.2、7.9.3,8.9 光电二极 小结,光电二极管接受光照之后，产生与入射光强度成正比的光生电流，所以能把光信号变成电信号达到探测光信号的目的。 PIN光电二极管的I层也叫耗尽层起到增加耗尽层宽度的作用。在足够高的反偏

21、压下，I层完全变成耗尽层，其中产生的电子-空穴对立刻被电场分离而形成光电流。,8.9-10 光电二极 小结,3.光电二极管中有两种电流： a.耗尽层中产生的电子空穴对立刻被电场分离而形成的电流，称为漂移电流。漂移电流是快电流。 b.在I层之外扩散区产生的电子-空穴对以扩散方式向耗尽层边缘扩散然后被耗尽层收集，称为扩散电流。扩散电流是慢电流，影响光电二极管的频率响应。,8-9 光电二极管,教学要求 了解光电二极管的工作原理。 了解P-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。 P-I-N光电二极管中。I层的作用是什么？ 光电二极管中有哪两种电流？它们的形成机制和特点是什么？ 的双异

22、质结光电二极管中为什么不出现扩散电流？,8.10 光电二极管的特性参数,第八章 太阳电池和光电二极管,8.10 光电二极管的特性参数,量子效率和响应度 1.量子效率 单位入射光子所产生的电子空穴对数 产生明显光电流的波长是有限制 长波限 由禁带宽度决定,光响应也有短波极限。,（7-29）,（7-30）,8.10 光电二极管的特性参数,图7-25,高速光电二极管量子效率和波长关系曲线。 紫外和可见光区，金属半导体光电二极管有很高的量子效率； 近红外区,硅光电二极管在 到 附近，量子效率可达100%（有抗反射涂层)；在 到 的区域，锗光电二极管和IIIV族光电二极管（如CaLnAS）有很高的量子效

23、率。 更长的波长，为了获得高的量子效率，光电二极管需进行冷却（例如用液氮冷却到77K）。,量子效率,8.10 光电二极管的特性参数,图7-25不同光电二极管量子效率和波长关系,量子效率,8.10 光电二极管的特性参数,响应度 表征光电二极管的转换效率，定义为短路光电流与输入光功率之比： 高的响应度要求有厚的I层 响应速度（带宽） 当交流光电流下降到低频时 时的调制频率,也称3dB带宽或3dB频率。,（7-31）,8.10 光电二极管的特性参数,响应速度（带宽）主要受三个因素控制 （1）载流子的扩散。在耗尽层外边产生的载流子必须扩散到P-N结，这将引起可观的时间延迟。为了将扩散效应减到最小，P-

24、N结尽可能接近表面。 （2）在耗尽层内的漂移时间。这是影响带宽的主要因素。减少耗尽层渡越时间要求耗尽层要尽可能地窄。但耗尽层太窄会使器件吸收光子减小而影响响应度。 （3）耗尽层电容。耗尽层太窄，会使耗尽层电容过大，从而使时间常数RC过大（R是负载电阻），因此耗尽层宽度要有一个最佳选择.,8.10 光电二极管的特性参数,响应速度（带宽） 3dB频率或3dB带宽 耗尽层宽度 饱和漂移速度 耗尽层渡越时间,（7-32）,（7-33）,8.10 光电二极管的特性参数,噪声特性 噪声是信号上附加的无规则起伏。它可使信号变得模糊甚至被淹没。 散粒噪声：是由一个个入射光子产生的不均匀的或杂乱的电子空穴对引起的。也就是说是由通过器件的粒子（电子或空穴）数无规则起伏引起的。分析表明，探测器散粒噪声电流即均方根噪声电流由下式估算。 电流强度 测量频率范围即带宽,（7-35）,8.10 光电二极管的特性参数,热噪声 来自电阻值为R的电阻体发出的电磁辐射部