光伏電池PN結(jié)科普

pn結(jié)電流電壓特性1，pn結(jié)的單向?qū)щ娦裕╝）正向偏壓下，pn結(jié)勢(shì)壘的變化和載流子的運(yùn)動(dòng)處于熱平衡狀態(tài)的pn結(jié)，空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度很低，電阻很大；p型和n型電中性區(qū)的載流子濃度很高，電阻很小。因此，當(dāng)給pn結(jié)施加正向電壓（即電源正極接p區(qū)，負(fù)極接n區(qū)）時(shí)，外加偏壓基本施加在勢(shì)壘區(qū)。正向偏壓在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生了與內(nèi)建電場(chǎng)的方向相反的電場(chǎng)，所以削弱了勢(shì)壘區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)。因而，勢(shì)壘區(qū)空間電荷相應(yīng)減少，勢(shì)壘區(qū)的寬度相應(yīng)減小，同時(shí)勢(shì)壘高度也從qVbi降低至q（Vbi-V）。處于熱平衡狀態(tài)的pn結(jié)，載流子的擴(kuò)散電流Jdiff與漂移電流Jdrift完全相等，因而無(wú)凈電流通過(guò)pn結(jié)。對(duì)pn結(jié)施加正向偏壓后，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，漂移運(yùn)動(dòng)被削弱。此時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于漂移運(yùn)動(dòng)（Jdiff>Jdrift），即產(chǎn)生了由電子從n區(qū)指向p區(qū)，空穴從p區(qū)指向n區(qū)的凈擴(kuò)散電流。由于此時(shí)是多子的注入，當(dāng)pn結(jié)被施加正向偏壓時(shí)，可以產(chǎn)生很大的正向電流JF。（b）

反向偏壓下，pn結(jié)勢(shì)壘的變化和載流子的運(yùn)動(dòng)當(dāng)pn結(jié)被施加反向電壓時(shí)，即電源正極接n區(qū)，負(fù)極接p區(qū)時(shí)，反偏電壓施加在勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)被增強(qiáng)，空間電荷區(qū)寬度增大，勢(shì)壘高度由qVbi增高至q（Vbi+V）。當(dāng)pn結(jié)被施加反向電壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)被增強(qiáng)，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)得到加強(qiáng)，使得漂移流大于擴(kuò)散流（Jdiff<Jdrift），產(chǎn)生了空穴從n區(qū)向p區(qū)以及電子從p區(qū)向n區(qū)的凈漂移流。這時(shí)，少子不斷地被抽取出來(lái)，因而其濃度比平衡情況下的少子濃度還要低。由于此時(shí)為少子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，勢(shì)壘區(qū)少子濃度已經(jīng)很低，所以通過(guò)pn結(jié)的反向電流JR很小。綜上，當(dāng)pn結(jié)被施加正向偏壓時(shí)，形成很大的正向擴(kuò)散電流，pn結(jié)呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，pn結(jié)導(dǎo)通；當(dāng)pn結(jié)被施加反向偏壓時(shí)，形成很小的少子反向擴(kuò)散電流，pn結(jié)呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，pn結(jié)截止

。因此，pn結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

（c）

外加電壓下，pn結(jié)中的費(fèi)米能級(jí)在外加電壓的情況下，pn結(jié)的n區(qū)和p區(qū)都有非平衡載流子注入。由于耗盡層幾乎耗盡，電阻很大，而耗盡層之外的區(qū)域載流子濃度較高，電阻很小。當(dāng)對(duì)pn結(jié)外加正向電壓時(shí)，正向偏壓基本全部作用在耗盡層（空間電荷區(qū)）。這時(shí)空間電荷區(qū)本身的平衡條件被打破。由于正向偏壓削弱了空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)，使擴(kuò)散電流大于漂移電流，產(chǎn)生了從n區(qū)向p區(qū)的電子凈電流和從p區(qū)向n區(qū)的空穴凈電流。這些非平衡電子和空穴分別在空間電荷區(qū)兩側(cè)邊界聚集，并以擴(kuò)散的方式分別向p區(qū)和n區(qū)運(yùn)動(dòng)。在它們擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，逐漸復(fù)合，直至完全消失。這個(gè)擴(kuò)散過(guò)程發(fā)生在幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)外加偏壓持續(xù)作用時(shí)，這個(gè)擴(kuò)散過(guò)程也將穩(wěn)定地持續(xù)下去。由于非平衡電子和空穴的出現(xiàn)，在這些擴(kuò)散區(qū)域必須分別采用電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EnF和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EpF來(lái)描述它們。正向偏壓情況下，在空穴擴(kuò)散區(qū)（n區(qū)），電子濃度高，且濃度的相對(duì)變化量很小。因此，該區(qū)域電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EnF可以看成不變。同時(shí)雖然該區(qū)域的空穴濃度很低，但是其相對(duì)濃度變化很大（準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)，少子濃度變化很大），因而空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EpF也變化很大。此時(shí)，對(duì)于空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EpF可以直觀地描述為：從p區(qū)到耗盡層與n區(qū)邊界，EpF不變，為直線，從耗盡層與n區(qū)邊界到n區(qū)的這段擴(kuò)散區(qū)，EpF逐漸向電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EnF靠近，最終相交，為斜線。在電子擴(kuò)散區(qū)p區(qū)），空穴濃度高，且濃度的相對(duì)變化量很小。因此，該區(qū)域電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EpF可以看成不變。同時(shí)，該區(qū)域電子濃度很低，但是其相對(duì)變化很大，因而電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EnF也變化很大。此時(shí)，對(duì)于電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EnF可以直觀地描述為：從n區(qū)到耗盡層與p區(qū)邊界，EnF不變，為直線；從耗盡層與p區(qū)邊界到p區(qū)的這段電子擴(kuò)散區(qū)，EnF逐漸向空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EpF靠近，最終相交，為斜線

。當(dāng)正向偏壓為Vf時(shí)，n區(qū)的EnF比p區(qū)的EpF高qVf，完整pn結(jié)的EnF和EpF分布曲線如圖所示。對(duì)于反向偏壓情況，

反向偏壓也基本全部作用在耗盡層。這時(shí)耗盡層本身的平衡條件被打破。由于反向偏壓增強(qiáng)了空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)，使漂移電流大于擴(kuò)散電流。這時(shí)，耗盡區(qū)兩邊界處的少數(shù)載流子被強(qiáng)電場(chǎng)掃入兩邊。具體而言，耗盡區(qū)與n區(qū)邊界的空穴被掃入p區(qū)，同時(shí)n區(qū)內(nèi)部的空穴又?jǐn)U散到耗盡層邊界，接著這些空穴又被掃入p區(qū)，最終這個(gè)過(guò)程到達(dá)穩(wěn)定。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，從耗盡層邊界到n區(qū)附近的一段區(qū)域也形成了擴(kuò)散區(qū)。在n區(qū)附近，空穴為少子，濃度很低，因而擴(kuò)散電流很小。同樣，耗盡區(qū)與p區(qū)邊界的電子被掃入n區(qū)，同時(shí)p區(qū)內(nèi)部的電子又?jǐn)U散到耗盡層邊界，接著這些電子又被掃入n區(qū)，最終此過(guò)程到達(dá)穩(wěn)定。在p區(qū)附近，電子為少子，濃度也很低，因而擴(kuò)散電流很小。在反向偏壓情況下，少子不斷被抽出，當(dāng)反偏電壓較大時(shí)，耗盡層邊界處的少子濃度接近零。這時(shí)，如果再增加反偏電壓，擴(kuò)散電流不再增加。因此，在反向偏壓下，通過(guò)pn結(jié)的電流很小，并且很快趨向飽和。在反偏情況下，對(duì)于空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EpF可以直觀地描述為：

從p區(qū)到耗盡層與n區(qū)邊界，EpF不變，為直線；從耗盡層與n區(qū)邊界到n區(qū)的這段擴(kuò)散區(qū)，EpF逐漸向電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EnF靠近，最終相交，為斜線。對(duì)于電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EnF可以直觀地描述為：從n區(qū)到耗盡層與p區(qū)邊界，EnF不變，為直線；從耗盡層與p區(qū)邊界到p區(qū)的這段電子擴(kuò)散區(qū)，EnF逐漸向空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EpF靠近，最終相交，為斜線。當(dāng)反向偏壓為Vf時(shí)，n區(qū)的EnF比p區(qū)的EpF低qVf，完整pn結(jié)的EnF和EpF分布曲線如圖所示。肖克萊方程其中，在室溫情況下，kBT/q的數(shù)值為0.0258V。一般外加正向偏壓約為1.0V量級(jí)，則eqV/kBT>>1。因此，右邊括號(hào)里的第二項(xiàng)可以忽略，則該式表示為：從上式可以看出，在正向偏壓情況下，pn結(jié)的電流密度隨著正向偏壓增大呈指數(shù)關(guān)系迅速增加。在反向偏壓情況下（V<0），當(dāng)q