半導(dǎo)體太陽(yáng)電池和光電二極管

1、 半導(dǎo)體太陽(yáng)電池和光電二極管半導(dǎo)體太陽(yáng)電池和光電二極管目錄目錄 8.1半導(dǎo)體中的光吸收 8.2 PN結(jié)的光生伏打效應(yīng) 8.3 8.3 太陽(yáng)電池的太陽(yáng)電池的I-VI-V特性特性 8.4 8.4 太陽(yáng)電池的效率太陽(yáng)電池的效率 8.5 8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)生電流和收集效率 8.6 8.6 提高太陽(yáng)電池效率的考慮提高太陽(yáng)電池效率的考慮8.1 8.1 半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收 圖圖8-1 8-1 從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖 8.1 8.1 半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收 光子的波長(zhǎng)和能量存在轉(zhuǎn)換關(guān)系：)()(24.1meVhhhcc8.1 8.1 半導(dǎo)

2、體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收 若半導(dǎo)體被一光子能量大于禁帶寬度的光源均勻照射，光子通量為 （即以單位時(shí)間垂直通過(guò)單位面積的光子數(shù)為單位） 光子在半導(dǎo)體中傳播時(shí)，一部分被吸收，被吸收的光子數(shù)正比于光子通量。08.1 8.1 半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收 邊界條件在x=0時(shí)， 解方程可得， 在半導(dǎo)體的另一端x=W處，光子通量為xxxdxxdxxx)()()()(xdxxd 0 x xex0weW08.1 8.1 半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收 其中吸收系數(shù) 是光子能量的函數(shù)，下圖為吸收系數(shù)與波長(zhǎng) 之間的關(guān)系曲線， 圖8-2 幾種半導(dǎo)體的吸收系數(shù)8.1 8.1 半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收

3、 實(shí)驗(yàn)表明，吸收系數(shù)在波長(zhǎng) 處急劇下降，稱(chēng)為截至波長(zhǎng)， 因?yàn)楫?dāng) ,即 時(shí)，能帶間的光吸收忽略不計(jì)。 cgcE24.1gEh c8.2 PN8.2 PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)結(jié)的光生伏打效應(yīng) P-N P-N結(jié)光生伏打效應(yīng)就是半導(dǎo)體吸收光能后在結(jié)光生伏打效應(yīng)就是半導(dǎo)體吸收光能后在P-NP-N結(jié)上產(chǎn)生光生電動(dòng)結(jié)上產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。勢(shì)的效應(yīng)。 光生伏打效應(yīng)涉及到以下三個(gè)主要的物理過(guò)程：光生伏打效應(yīng)涉及到以下三個(gè)主要的物理過(guò)程： 第一、半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子第一、半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子空穴對(duì)；空穴對(duì)； 第二、非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢(shì)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)第二、非平衡電子和

4、空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢(shì)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也可以是漂移運(yùn)動(dòng)；這種非均勻勢(shì)場(chǎng)可以是可以是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也可以是漂移運(yùn)動(dòng)；這種非均勻勢(shì)場(chǎng)可以是PNPN結(jié)的結(jié)的空間電荷區(qū)，也可以是金屬空間電荷區(qū)，也可以是金屬半導(dǎo)體的肖特基勢(shì)壘或異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘等。半導(dǎo)體的肖特基勢(shì)壘或異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘等。 第三、非平衡電子和空穴在非均勻勢(shì)場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)而分第三、非平衡電子和空穴在非均勻勢(shì)場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)而分離。在離。在P P側(cè)積累了空穴，側(cè)積累了空穴，N N側(cè)積累了電子，建立起電勢(shì)差。側(cè)積累了電子，建立起電勢(shì)差。8.2 PN8.2 PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)結(jié)的光生伏打效應(yīng) 圖圖 8-3 8-3 P-NP-N結(jié)

5、能帶圖：結(jié)能帶圖：（a a）無(wú)光照平衡）無(wú)光照平衡P-NP-N結(jié)，（結(jié)，（b b）光照）光照P-NP-N結(jié)開(kāi)路狀態(tài)，（結(jié)開(kāi)路狀態(tài)，（c c）光照）光照P-NP-N結(jié)有串聯(lián)電結(jié)有串聯(lián)電阻時(shí)的狀態(tài)阻時(shí)的狀態(tài) 。8.2 PN8.2 PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)結(jié)的光生伏打效應(yīng) 對(duì)于在整個(gè)器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示 式中 為光照電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率，A為P-N結(jié)面積， 為光生載流子的體積。可知短路光電流取決于光照強(qiáng)度和P-N結(jié)的性質(zhì)。 PnLLLLqAGILG)(pnLLA8.2 PN8.2 PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)結(jié)的光生伏打效應(yīng) 光生電動(dòng)勢(shì)加在PN結(jié)上，對(duì)PN結(jié)來(lái)說(shuō)這是一個(gè)正偏壓，它使PN結(jié)

6、產(chǎn)生正向電流， 而光生電流相當(dāng)于反向電流，故這個(gè)電流的方向與光生電流的方向正好相反，稱(chēng)為暗電流，是太陽(yáng)電池中的不利因素。10TVVDeII8.3 太陽(yáng)電池的I-V特性 首先考慮串聯(lián)電阻 =0 的理想情況。在這種情況下，太陽(yáng)電池的等效電路如圖所示。圖中電流源為短路光電流 圖8-4 太陽(yáng)電池理想等效電路h LI V LR LR DI I SRLI8.3 太陽(yáng)電池的I-V特性 其中， 為P-N 結(jié)正向電流，即PN結(jié)暗電流。 為P-N 結(jié)飽和電流 P-N 結(jié)的結(jié)電壓即為負(fù)載 上的電壓降V。TVVeIIIIILDL1010TVVDeII0ILR8.3 太陽(yáng)電池的I-V特性 P-N結(jié)上的電壓為 在開(kāi)路情況

7、下，I=0，得到開(kāi)路電壓（這是太陽(yáng)電池能提供的最大電壓 ）在短路情況下（V=0）， 這是太陽(yáng)電池能提供的最大電流。太陽(yáng)電池向負(fù)載提供的功率為 1ln0IIIVVLT01IIlVVLnTOCLII 10TVVLeVIVIIVP8.3 太陽(yáng)電池的I-V特性 圖8-5 一個(gè)典型的太陽(yáng)電池在一級(jí)氣團(tuán)（AM1）光照下的I-V特性，AM1即 太陽(yáng)在天頂時(shí)及測(cè)試器件在晴朗天空下海平面上的太陽(yáng)能8.3 太陽(yáng)電池的I-V特性 實(shí)際的太陽(yáng)電池存在著串聯(lián)電阻和分流電阻。 圖 8-6 包括串聯(lián)電阻和分流電阻的太陽(yáng)電池等效電路01STVIRVSLShVIRIIIeR8.4 太陽(yáng)電池的效率 太陽(yáng)電池的效率指的是太陽(yáng)電池的

8、功率轉(zhuǎn)換效率。它是太陽(yáng)電池的最大輸出電功率與入光功率的百分比： 式中 為輸入光功率， 為太陽(yáng)電池的最大輸出功率： 對(duì)于理想太陽(yáng)電池， 時(shí)得最大功率條件， %100inmPPinPmPmPmIVP 011IIeVVLVVTmPTmPmP0dVdP8.4 太陽(yáng)電池的效率 可得到也可有當(dāng)V= 時(shí)，對(duì)應(yīng)的電流為)11ln(V0mpTmpLTVVIIV)1ln(VTmpTocmpVVVVmpVmpI8.4 太陽(yáng)電池的效率 于是太陽(yáng)電池最大輸出功率 引進(jìn)占空因數(shù)這一概念，太陽(yáng)電池的效率可為 TmPTmPVVLmpVVeIVVeIIITmP001LTmPLmPmPmPmIIVVIVIVP021%100inL

9、ocPIFFV)()(FFocLmpmpVIIV8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率 考慮通量為 的光子入射到“P在N上”的結(jié)構(gòu)的表面。忽略表面反射，則吸收率正比于光通量：假設(shè)吸收每個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，則電子空穴的產(chǎn)生率為穩(wěn)定條件下PN結(jié)N側(cè)的空穴擴(kuò)散方程為 xdxxdxLeG00022 xpnonnpePPdxPdD8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率與此類(lèi)似，描述結(jié)的P側(cè)電子的擴(kuò)散方程為 在P-N結(jié)處每單位面積電子和空穴電流分量分別為 光子吸收效率定義為00022 xnpppnenndxndDjxxnppdxdPqDJjxxnnndxdPqDJ0qJJnpcol8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率例題： 推

10、導(dǎo)出P在上N長(zhǎng)P+N電池的N側(cè)內(nèi)光生少數(shù)載流子密度和電流的表達(dá)式，假設(shè)在背面接觸處的表面復(fù)合速度為S，入射光是單色的。 P+層內(nèi)的吸收可以忽略不計(jì)。解：根據(jù)邊界條件為 代入邊界條件得， 000nnP,PxWx ,nnnopx WdPS PPDdx 8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率 從P+側(cè)流到N側(cè)的電子電流用同樣方法可以求得。ppnppWppppxpppnonLxLWLDLWSeSDLWLDLWSeLxLPPsinhcoshsinhsinhcoshcosh1220pppppWppppppppLLWLDLWSesDLWLDLWSLLqJcoshsinhsinhcosh12208.5 光產(chǎn)生電流和收集

11、效率 由于在短波（550nm）時(shí)，吸收系數(shù)比較大，大多數(shù)光子在接近表面的一個(gè)薄層內(nèi)被吸收而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在較長(zhǎng)波長(zhǎng)時(shí)（900nm）， 較小，吸收多發(fā)生在P-N結(jié)的N側(cè)。8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率圖圖8-7 8-7 入射光為入射光為 和和 的歸一化少數(shù)載流子分布。器件參的歸一化少數(shù)載流子分布。器件參數(shù)為數(shù)為 =2.8=2.8 m,W=20mils, =4.2m,W=20mils, =4.2 s, =10ns,s, =10ns,以及以及 =100cm/s=100cm/sm55. 00.90 mjxpnnS8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率 收集效率： 入射光為單色光且光子數(shù)已知，可以得到在N側(cè)每一波

12、長(zhǎng)的收集效率。收集效率受到少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和吸收系數(shù)的影響，擴(kuò)散長(zhǎng)度應(yīng)盡可能地長(zhǎng)以收集所有光生載流子。 就吸收系數(shù)的影響來(lái)說(shuō)，大的 值導(dǎo)致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內(nèi)的強(qiáng)烈收集。小的 值使光子能向深處穿透，以致太陽(yáng)電池的基底在載流子的收集當(dāng)中更為重要。一般的GaAs電池屬于前者，硅太陽(yáng)電池屬于后一種類(lèi)型。 8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率 圖8-8 圖8-7中太陽(yáng)電池的收集效率與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 col ( m) 100 80 60 40 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 20 總的收集 N 型層收集 P 型層收集 8.6 8.6 提高太陽(yáng)電池效率的考慮提高太陽(yáng)電池效率的考慮 在實(shí)際的太陽(yáng)電池中，多種因素限制著器件的性能，因而在太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)中必須考慮這些限制因素。 光譜因素 圖8-9 在AM0和AM1條件下的太陽(yáng)光譜及其在GaAs和中Si的能量截止點(diǎn) 8.6 提高太陽(yáng)電池效率的考慮最大功率考慮最大功率可由開(kāi)路電壓和短路電流來(lái)表示，可見(jiàn)， 越小 越大從而 越大。 而開(kāi)路電壓 乘積會(huì)出現(xiàn)一極大值。 PnLLLLqAGIgELGLIgCEV0LocIV8.6 提高太陽(yáng)電池效率的考慮 圖圖8-10 8-10 最大轉(zhuǎn)換效率的理論值與禁帶能量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系最大轉(zhuǎn)換效率的理論值與禁帶能量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 8.6 提高太陽(yáng)電池效率的