集成光電子器件及設(shè)計(jì) - 光檢測(cè)器

光檢測(cè)器4.1

光檢測(cè)器4.2

光檢測(cè)器的分類4.3

PIN光電二極管4.4

雪崩光電二極管(APD)4.5

MSM光檢測(cè)器4.6

光檢測(cè)器的可靠性和注意事項(xiàng)

4.1

光檢測(cè)器作為光纖通信系統(tǒng)中重要的光電轉(zhuǎn)換器件，對(duì)檢測(cè)器的要求有：

高的光電轉(zhuǎn)換效率，即具有高的量子效率，即一定的入射光信號(hào)功率條件下，檢測(cè)器能輸出較大的光電流，光電流與光功率成正比。高的靈敏度也稱響應(yīng)度，它是光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換特性的量度，即對(duì)于使用波長(zhǎng)的光波，具有較高的靈敏度（對(duì)微弱的光信號(hào)脈沖能快速響應(yīng)）。檢測(cè)過(guò)程中帶來(lái)的附加噪聲盡可能小。有足夠的帶寬，即檢測(cè)器輸出的電信號(hào)能不失真地反映出接收的光信號(hào)。穩(wěn)定、可靠、價(jià)格便宜。4.1.1

工作原理光檢測(cè)過(guò)程的工作原理主要是基于光輻射與材料相互作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。光電效應(yīng)：光照射到半導(dǎo)體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)帶的電子吸收光子的能量，從價(jià)帶越過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價(jià)帶中出現(xiàn)光空穴，即光電子-空穴對(duì)。總起來(lái)稱作光生載流子。負(fù)偏壓（P接負(fù)，N接正）和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，如圖4-1-1所示，從而在電阻R上有信號(hào)電壓輸出。這樣就實(shí)現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號(hào)變化的光電轉(zhuǎn)換作用。PN圖4-1-1

半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)

外加電場(chǎng)方向

內(nèi)建電場(chǎng)方向PN耗盡層

R

電子空穴導(dǎo)帶底價(jià)帶頂禁帶

耗盡層圖4-1-2

P-N結(jié)及其附近的能帶分布圖4.1.1

工作原理

?

光生載流子在外加

4.1.1

工作原理當(dāng)光照射在某種半導(dǎo)體材料制成的半導(dǎo)體光電二極管上時(shí)，若要有光電子-空穴對(duì)產(chǎn)生，必須滿足如下的關(guān)系h

Eg或者寫為（4.1.1）h其中，

為光子的能量，

Eg為半導(dǎo)體光電材料的禁帶寬度。Eg

h

hc

Eg

c

c

截止頻率截止波長(zhǎng)（4.1.2）

（4.1.3）12344.1.2

主要工作特性

響應(yīng)度

量子效率

響應(yīng)時(shí)間

暗電流

R0

或0I

pP

1.

響應(yīng)度

R0

2.

量子效率0

Ip

/eP

/h

通過(guò)結(jié)區(qū)的光生載流子數(shù)（光生電子-空穴對(duì)數(shù)）

入射到器件上的光子數(shù)0

e

Ph

量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系：

h

e

eh

R0

1.24R0

將頻率轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)，并帶入普朗克常數(shù)及光在真空中的速度

4.1.2

主要工作特性

光電檢測(cè)器的平均輸出電流

（A/W）入射的平均光功率

Ip4.1.2

主要工作特性由以上的推導(dǎo)可見，在工作波長(zhǎng)一定時(shí)，響應(yīng)度與量子效率有定量的關(guān)系。響應(yīng)度和量子效率都是描述器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理

量，但是他們分析的角度不同。響應(yīng)度是在外部電路

中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈

現(xiàn)的微觀靈敏特性。提高量子效率的方法有：?

減小入射表面反射率；盡量減小光子在表面層被吸收的可能性；?

增加耗盡層寬度，使光子在耗盡層被充分吸收。如果采用PIN結(jié)構(gòu)，P+和N+很薄，低摻雜I區(qū)很厚，可充分在耗盡層被吸收。而耗盡層厚，光生載流子漂移到加有反偏壓的P-N結(jié)兩端的所需時(shí)間越長(zhǎng)，漂移時(shí)間決定P-N結(jié)響應(yīng)速率。因此必須折衷。4.1.2

主要工作特性3.

響應(yīng)時(shí)間——半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信

號(hào)變化快慢的狀態(tài)。影響響應(yīng)時(shí)間的因素主要有（1）從光入射光敏面到發(fā)生受激吸收的時(shí)間；（2）零場(chǎng)區(qū)光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間；（3）有場(chǎng)區(qū)光生載流子的漂移時(shí)間；（4）雪崩倍增建立時(shí)間（僅對(duì)于APD）；（5）RC時(shí)間常數(shù)。4.

暗電流Id

在理想情況下，當(dāng)沒有光照射時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無(wú)光電流輸出。但是實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線后放射性物質(zhì)的激勵(lì)，在無(wú)光的情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。

嚴(yán)格的說(shuō)，暗電流還包括器件表面的漏電流。暗電流由體內(nèi)暗電流和表面暗電流組成。器件的暗電流越小越好。????

4.2

光檢測(cè)器的分類

依材料分類：直接帶隙半導(dǎo)體材料還是間接帶隙半導(dǎo)體材料

。廣為應(yīng)用的探測(cè)器

材料有IV族、III-V族等半導(dǎo)體，而異質(zhì)結(jié)材料能夠提供透明的窗口、

完全的光學(xué)限制和優(yōu)異的導(dǎo)波特性。

依波段分類：紫外光波段、可見光波段、紅外波段、遠(yuǎn)紅外波段等。紫外光波段

有SiC、GaN等探測(cè)器，可見光波段有Si、InGaN等探測(cè)器，紅外波段

有Ge、InGaAs、GaAs等探測(cè)器，遠(yuǎn)紅外波段有TeCdHg等探測(cè)器。

依結(jié)構(gòu)分類:

肖特基勢(shì)壘光電二極管、PN光電二極管、PIN光電二極管、雪崩光

電二極管、MSM光電探測(cè)器。。

依內(nèi)部增益分類:光電探測(cè)器分為有內(nèi)部增益和無(wú)內(nèi)部增益兩大類。肖特基勢(shì)壘光電

二極管、PN光電二極管、PIN光電二極管、MSM光電探測(cè)器等沒有

內(nèi)部增益，而雪崩光電二極管有內(nèi)部增益。4.3PIN

光電二極管4.3.1

結(jié)構(gòu)及工作原理?

PIN光電二極管

——為改善PN結(jié)耗盡層只有幾

微米，長(zhǎng)波長(zhǎng)的穿透深度比

耗盡層寬度還大，大部分入

射光被中性區(qū)吸收，使光電

轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，響應(yīng)速度慢的特性，在PN結(jié)中設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體（稱為I），這種結(jié)構(gòu)便是PIN光電二極管。N+

I耗盡層P+

RP+N+圖4-3-1

PIN光電二極管原理圖+PⅡ(N)+N4.3.1

結(jié)構(gòu)及工作原理Ⅱ(N)

摻雜濃度很低；P+和N+摻雜濃度很高。且I層很厚，約有

5~50μm，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸

收而產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率，

兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整

個(gè)耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提

高了響應(yīng)速度。還可以通過(guò)控制耗盡層的厚度，來(lái)改變器件的

響應(yīng)速度。

圖4-3-2PIN光電二極管

結(jié)構(gòu)抗反射膜電極電極E)

(

為使入射光功率有效轉(zhuǎn)換成光電流，它須在耗盡區(qū)內(nèi)被半導(dǎo)體材料有效吸收，故要求耗盡區(qū)足夠厚、材料對(duì)入射光的吸收系數(shù)足夠大。在厚度W內(nèi)被材料吸收的光功率可表為P0為入射光功率；

材料的吸收系數(shù)，其大小與材料性質(zhì)有關(guān)，且是波長(zhǎng)的函數(shù)。通常使用的PIN光電二級(jí)管半導(dǎo)體材料，在0.4～1.8μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收系數(shù)及穿透深度(1/

(λ))

。不同材料適用于不同的波長(zhǎng)范圍。當(dāng)工作波長(zhǎng)比材料的帶隙波長(zhǎng)λC=1.24/Eg(μm)長(zhǎng)時(shí)，吸收系數(shù)急劇減小。為獲得最佳的轉(zhuǎn)換效率——量子效率及低的暗電流(它隨帶隙能量的增加按指數(shù)減小)，理想光電二極管材料的帶隙能量Eg應(yīng)略小于與最長(zhǎng)工作波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的光子能量。在0.85μm短波長(zhǎng)區(qū)，Si是最優(yōu)選材料，截止波長(zhǎng)1.09μm，吸收系數(shù)a(λ)≈600cm-1，穿透深度17μm。在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)，Ge和InGaAs合金可選用為光電二極管材料。

P

W

P

0

1

e

W

?

光檢測(cè)器吸收光功率后產(chǎn)生的一次光電流可表為e電子電荷；hf光子能量(hf=1.24/λeV,

λ光波長(zhǎng)μm,h普朗克常

數(shù))，W耗盡區(qū)寬度，Rf材料界面的菲涅爾反射系數(shù)。

ehf

(1

Rf

)P

0

1

eIP

a(

)W4.3.2

PIN的特性1.

響應(yīng)度：0I

pPR0

Ip

/e量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)假設(shè)PIN光電二極管器件表面的反射率為0，且P層和N層對(duì)量子

效率的貢獻(xiàn)忽略情況下，在工作電壓下，I層全部耗盡，則PIN

光電二極管的量子效率近似表示成

1

exp

W

W1,

1但是W

增大時(shí)，產(chǎn)生的電子空穴對(duì)要花較長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá)結(jié)邊被收集，這樣又降低了光檢測(cè)器的響應(yīng)速度。W,

4.3.2

PIN的特性?

對(duì)于波長(zhǎng)的限制：

c

hc

Eg?

量子效率的光譜特性取決于

半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)

0.80.60.40.21.000.70.91.11.3

1.51.770%

50%

30%

10%InGaAs

GeSi

圖4-3-3

PIN光電二極管響應(yīng)度R0、量子效率

與波長(zhǎng)的關(guān)系)

0

12

00.35

rfc

耗盡層（I層）對(duì)量子效率

的貢獻(xiàn)可以表示為

4.3.2

PIN的特性3.

響應(yīng)時(shí)間及頻率特性當(dāng)光電二極管具有單一的時(shí)間常數(shù)

0

時(shí)，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近函數(shù)

exp(t

/

0)和

exp(

t

/

，由此得到脈沖響應(yīng)時(shí)間為

r

f

2.2

0

具有一定時(shí)間常數(shù)的光電二極管，對(duì)于幅度一定，頻率為

2

f

的正弦調(diào)制信號(hào)，截止頻率

fcsin

td

/2

td

/2

0

4.3.2

PIN的特性由

/

0

1/

2得到由渡越時(shí)間

限制的截止頻率0.42

td

vdWfc

0.42

tdW

vdtd

渡越速度，正比例于施加的電壓減小耗盡層厚度在減少渡越時(shí)間從而提高截止頻率

12

RtCd

的同時(shí)，又降低了量子效率。

由電路RC

時(shí)間常數(shù)限制的截止頻率為

fc

其中，結(jié)電容

A

C

j

W

它和管殼分布電容

共同構(gòu)成

Cd

，

t

為光電二極管的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的總和。R?

4.4

雪崩光電二極管(APD)

雪崩光電二極管是利用雪崩倍增效應(yīng)而具有內(nèi)增益的光電二極管，它的工作過(guò)程是：在光電二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓（一般為幾十伏或幾百伏），使結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)，當(dāng)光激發(fā)的載流子或熱激發(fā)的載流子進(jìn)入結(jié)區(qū)后，在強(qiáng)電場(chǎng)的加速下獲得很大的能量，與晶格原子碰撞而使晶格原子發(fā)生電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在向電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又獲得足夠能量，再次與晶格原子碰撞，這時(shí)又產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，這一過(guò)程不斷反復(fù)，使P-N結(jié)內(nèi)電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增。+PIP+N

4.4.2

雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)目前常用的APD結(jié)構(gòu)包括拉通型（又稱通達(dá)型）APD和保護(hù)環(huán)型

APD。拉通型APD容易發(fā)生極間擊穿現(xiàn)象，從而使區(qū)間遭到破壞；

保護(hù)環(huán)型APD是在制作時(shí)積淀一層環(huán)形的N型材料，以防止在高反

壓時(shí)使P-N結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。圖4-4-1

雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)和能帶示意圖光子抗反射膜金屬電極N+PP+I高場(chǎng)區(qū)金屬電極（a）（b）E（c）光子

（a）（b）分別

是縱向剖面的結(jié)

構(gòu)示意圖和將縱向剖面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度的示意圖，圖（c）是它的電場(chǎng)強(qiáng)度隨位置的分布圖

4.4.3

雪崩光電二極管的特性

1.

倍增因子g和平均倍增

倍增因子是APD內(nèi)部的電流增益系數(shù)。倍增因子g定義

為APD雪崩放大后的輸出電流IM和初始光生電流IP的比

值，即

IM

(4.4.1)雪崩倍增過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，因而倍增因子g也是隨機(jī)變化的。一般所稱的倍增因子是指平均倍增（電流增益系數(shù)）G，即G

gg的平均值（4.4.2）4.4.3

雪崩光電二極管的特性雪崩管的G與外加的偏壓有關(guān)，由圖可見G隨偏壓的增大而增大。這個(gè)特性使雪崩管可提供適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍。當(dāng)進(jìn)入雪崩管的光功率較大時(shí)，可適當(dāng)降低偏壓使增益系數(shù)G減小。

電流增益系數(shù)G與溫度有關(guān)。從

圖中可以看出，同一偏壓下，不

同的溫度下有不同的G。溫度上圖4-4-2

電流增益-偏壓、溫度的關(guān)系

升，G下降，使輸出電流變化。G還與入射光波長(zhǎng)

有關(guān)，不同的

，G-V關(guān)系的曲線不同。

2eg

Iis

P

2e

g2

Iis

P

式中，IP為平均信號(hào)光電流。由于雪崩倍增過(guò)程中的碰撞電離的隨機(jī)性，就會(huì)引入

附加的噪聲，稱為雪崩倍增噪聲或過(guò)剩噪聲。散粒噪聲的均方值為2

2(4.4.3)4.4.3

雪崩光電二極管的特性

2.

倍增噪聲

APD具有雪崩倍增作用，如果流過(guò)二極管的初始電流

以倍增因子g倍增，則其散粒噪聲電流與PIN光電二極

管相比增加了g倍，散粒噪聲電流均方值增加了g2倍，

其關(guān)系為2載流子倍增的均方值（4.4.4）寫成G

F(G)。

F(G)稱為倍增噪聲因子，它相當(dāng)

2eG

F(G)Iis

P通常將于理想光電倍增的固有噪聲的過(guò)量部分。這樣散粒噪聲電流的均方值可寫成g222

2（4.4.5）)4.4.3

雪崩光電二極管的特性

過(guò)剩噪聲因子F(G不僅隨平均增益G值增加，而且與材

料中的電子和空穴的電離系數(shù)有關(guān)。

2

/

：為材料中空穴的電離系數(shù)

與電子的電離系數(shù)

之比

定義：初始載流子在電場(chǎng)加速下，每厘米行程

中因碰撞電離而提供的二次載流子數(shù)目。

21,

4.4.3

雪崩光電二極管的特性

,

大小與材料所處的電場(chǎng)有關(guān)。當(dāng)只有電子引起碰撞

電離時(shí)，

0,

0,F

G

；當(dāng)電子、空穴都參與碰撞電

離且

F

G

G

時(shí)，

，可見要降低過(guò)剩噪聲，應(yīng)

盡可能只讓一種載流子參與倍增或者選擇

值較小的

材料做APD。對(duì)材料Si，

≈0.02，對(duì)材料Ge，

=1~1.2。所以Ge-APD的過(guò)剩噪聲比Si-APD大的多。

對(duì)APD也常用過(guò)剩噪聲指數(shù)

x來(lái)表征雪崩噪聲的大小，定義為

（4.4.8）0

x

1

F

G

Gx

F

G

G2

G2

x又

2

F

G

G由以上分析可見，有雪崩光電二極管的雪崩增益為G時(shí)，

它的信號(hào)電流比無(wú)倍增時(shí)增大了G倍，信號(hào)功率增大了

G2倍。由式（4.4.5）可以看出噪聲功率增大了G2F倍。

由于F>2，所以噪聲功率增大的速率大于信號(hào)功率增大

的速率。4.4.3

雪崩光電二極管的特性3.APD響應(yīng)度和量子效率

APD的響應(yīng)度比PIN管提高了G倍。因?yàn)榱孔有手慌c初始載流子數(shù)目有關(guān)，與倍增無(wú)關(guān)，所以不管PIN還是APD，量子效率總是小于1。4.

APD的線性飽和APD適宜檢測(cè)微弱的光信號(hào)，當(dāng)光功率為幾毫瓦以上時(shí)，輸出電流和入射光功率之間的線性關(guān)系就會(huì)變壞。產(chǎn)生非線性光電轉(zhuǎn)換的主要原因是器件上的偏壓不能保持恒定，

如果偏壓降低，會(huì)導(dǎo)致雪崩區(qū)變窄，倍增因子也隨之下降。非

線性光電轉(zhuǎn)換將使數(shù)字信號(hào)脈沖幅度產(chǎn)生壓縮，或使模擬信號(hào)

產(chǎn)生波形畸變。5.

暗電流APD的反向擊穿電壓值一般在數(shù)十伏到數(shù)百伏，APD的偏置電壓接

近擊穿電壓。Si-APD偏壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，暗電流一般在10μA左

右。暗電流隨倍增因子G的增大而增大。6.

雪崩電壓VB它與擊穿電壓不同，是指當(dāng)雪崩光電二極管產(chǎn)生自持雪崩時(shí)的電壓。4.4.3

雪崩光電二極管的特性

4.5

MSM光檢測(cè)器用于光纖通信的金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM，Metal-

Semiconductor-Metal）檢測(cè)器與PN結(jié)光電二極管不同，

它是另一種類型的光檢測(cè)器。

硅MSM檢測(cè)器平板

型器件結(jié)構(gòu)如圖4-5-1

所示，即在硅材料上直

接淀積叉指狀金屬電極，

金屬電極與硅材料形成

肖特基勢(shì)壘接觸。圖4-5-1

Si-MSM器件結(jié)構(gòu)截面圖（a）和俯視圖（b）工作原理：

當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光入射時(shí)，硅材料價(jià)帶電子吸收光子能量而躍遷到導(dǎo)帶上去，在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間產(chǎn)生光生的電子-空穴對(duì)。外加偏壓下，光生的電子-空穴對(duì)在叉指電極之間電場(chǎng)作用下經(jīng)過(guò)漂移或擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)被叉指電極俘獲，形成光生電流。

與PIN和APD光檢測(cè)器相比，這種結(jié)構(gòu)的結(jié)電容小，所以帶寬大，這種器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造也容易。但是這種器件的靈敏度低，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的一部分面積被金屬電極占據(jù)了，所以有源區(qū)的面積也就減小了。MSM光檢測(cè)器4.6

光檢測(cè)器的可靠性和注意事項(xiàng)4.6.1

光檢測(cè)器的可靠性用菲特（fit）作單位。在電子器件中定義為一百萬(wàn)個(gè)小時(shí)內(nèi)一千門的一次故障。在光電子器件中是以109元件-小時(shí)數(shù)的一次故障定義為1fit。檢測(cè)器的退化模式為暗電流增加，量子效率下降以及電容增加等。

其中暗電流的增加為其器件退化的最主要的特征。它嚴(yán)重影響接收機(jī)的靈敏度。檢測(cè)器的壽命規(guī)定為接收機(jī)靈敏度下降1dB時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。

濕度對(duì)接收機(jī)器件的影響是非常嚴(yán)重的。它的影響主要有兩個(gè)方面：一是增加表面漏電；二是發(fā)生電化學(xué)氧化使電極和結(jié)受損。4.6.2

光檢測(cè)器使用中的注意事項(xiàng)檢測(cè)器使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）光電檢測(cè)器是反向加壓的，與光源的使用正好相反。（2）工作電壓應(yīng)選擇最佳偏壓以便得到最大的信噪比。（3）更換檢測(cè)器時(shí)，應(yīng)選擇性能參數(shù)一致或接近的器件，以減少調(diào)試的工作量。應(yīng)調(diào)整活動(dòng)連接器使之處于最佳位置，從而保證接收機(jī)輸出的眼圖最清晰。（4）使用過(guò)程中應(yīng)防止高溫偏置、熱循環(huán)以及管子漏氣受濕度的影響。（5）防止靜電擊穿。第十五課太陽(yáng)能電池Review

of

Solar

cell

為什么要研究太陽(yáng)能

Solar

Cell的原理

Solar

Cell的材料和種類

Solar

Cell的發(fā)展方向????

Why

Solar

Cells?Finite

fossil

fuel

supplyLess

environmental

damageNearly

infinite

supply

of

FREE

energySun

gives

us

32

x1024

joules

a

year,

cover

0.1%

of

the

Earth’ssurface

with

10%

efficient

solar

cells

would

satisfy

our

presentneeds.1.4KW/m22cal/cm2/min

Nuclear

fusion38太陽(yáng)光輻射太陽(yáng)是距地球最近的一顆恒星，其直徑約139萬(wàn)公里。太陽(yáng)輻射的能量來(lái)源于太陽(yáng)核心的熱核聚變。4個(gè)氫原子聚變成1個(gè)氦原子。對(duì)于“質(zhì)子－質(zhì)子”循環(huán)核聚變，反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損Δm，按照愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系ΔE=ΔmC2

(C為光速)

計(jì)算，相當(dāng)于25MeV的能量。太陽(yáng)核心每秒大約有700億噸氫聚變成氦，每秒釋放的能量大約相當(dāng)于3.9×1026焦耳。太陽(yáng)表面溫度約為5758K。太陽(yáng)光向四周外空間輻射穿越大約1.5億公里

(太陽(yáng)與地球的平均距離)

后到達(dá)地球表面，在地表外層空間太陽(yáng)光的強(qiáng)度約為1366

W/m2。太陽(yáng)從誕生至今大約已經(jīng)過(guò)了

46億年，估計(jì)太陽(yáng)壽命至少還有50億年。39

天然氣

核能

水力

石油煤炭生物風(fēng)力2000-2100全球各種能源的發(fā)展趨勢(shì)

其它

太陽(yáng)能發(fā)熱

太陽(yáng)能發(fā)電太陽(yáng)能電池是一種可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)起來(lái)的裝置。Solar

Cell的原理太陽(yáng)能電能Photovoltaic

Effect

光電（伏）效應(yīng)愛因斯坦本人是因?yàn)檠芯抗怆娦?yīng)現(xiàn)象并從理論上對(duì)其做出了正確的量子解釋而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).光照射在金屬表面觀察到有電子逸出??！光電效應(yīng)

光以量子化的光子的形式存在

每個(gè)光子具有能量E=hv

固體吸收能量為E=hv之后放出相等能量的電子P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)提供電子流通的最佳場(chǎng)所：PN結(jié)PN結(jié)——太陽(yáng)電池的心臟擴(kuò)散General

structure

of

Solar

Cell

Basic

structure

of

solar

cell:

Substrate：supporter

of

solar

cell

p-n

Diode：for

produce

photovoltaic

effect

Anti-reflection

layer：reduce

the

reflection

of

incident

light

and

enforce

the

photocurrent

Metal

electrode：connect

the

device

and

load????Silicon

is

shiny

gray

material,

and

it

can

reflect

the

incident

lightof

30%.

(reduce

energy

transfer

efficiency)Coating

anti-reflection

layer

(improvement:

10~15%)Surface

texturesAnti-reflection

and

substrate

Anti-reflection??????

Requirements

of

materialsBandgap

between

1.1eV

and

1.7eVDirect

bandgap

materialNon-toxic

materialsLarge

area

productionHigh

photovoltaic

conversion

efficiencyLong

term

stabilityP型硅

后向電極

前向電極防反射層

N型硅光子空穴電子P區(qū)N區(qū)導(dǎo)帶價(jià)帶能帶圖解釋費(fèi)米能級(jí)性能參數(shù)Pm為太陽(yáng)能電池最大輸出功率；AiPin為照射到電池的總輻射能影響轉(zhuǎn)化效率的因素：1

太陽(yáng)光的反射，反射率降低轉(zhuǎn)換效率增大；2

半導(dǎo)體帶隙，存在一個(gè)合適的能帶間隙；3

光生載流子壽命，載流子的停留時(shí)間和半導(dǎo)體特性，以及摻雜特性、晶體缺陷以及雜質(zhì)濃度等有關(guān)。太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)能電池化合物太陽(yáng)

能電池

單晶

多晶

薄膜無(wú)機(jī)非PN結(jié)結(jié)構(gòu)

有機(jī)

量子阱功能高分子

材料染料敏化單晶硅多晶硅

非晶硅不具有完整的金剛石晶胞,非晶硅是一種直接能帶半導(dǎo)體，它的結(jié)構(gòu)內(nèi)部有許多所謂的“懸鍵”，也就是沒有和周圍的硅原子成鍵的電子，這些電子在電場(chǎng)作用下就可以產(chǎn)生電流，并不需要聲子的幫助，因而非晶硅可以做得很薄，還有制作成本低的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：壽命短，光電轉(zhuǎn)化效率比晶體硅低硅是地球上極豐富的一種元素，幾乎遍地都有硅的存在，可說(shuō)是取之不盡，用硅來(lái)制造太陽(yáng)電池，原料可謂不缺。但是提煉它卻不容易

硅單晶硅即原子排列得非常整齊，晶格位向完全一致，且無(wú)任何缺陷存在。多晶硅即由許多位向不同的晶格組成，且其內(nèi)部還存在著多種晶體缺陷。

鑄造多晶硅

帶狀多晶硅

薄膜多晶硅多晶硅：硅錠

——硅片——電池片——組件單晶硅：硅棒

——硅片——電池片——組件單晶硅太陽(yáng)能電池與多晶硅太陽(yáng)能電池的差異單晶硅太陽(yáng)能電池外觀單晶硅太陽(yáng)能電池典型結(jié)構(gòu)目前單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24％，是目前所有種類的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，但制作成本很高，限制了大量廣泛和普遍使用。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進(jìn)行封裝，因此其堅(jiān)固耐用，使用壽命一般可達(dá)15年，最高可達(dá)25年。

單晶硅太陽(yáng)能電池第一代太陽(yáng)能電池晶體硅太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)和原理圖

單晶硅太陽(yáng)能電池

單晶硅太陽(yáng)能電池

缺點(diǎn)：?jiǎn)尉Ч杳娣e小，制

造成本高。單晶硅太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)PN結(jié)、背電極、減反射層、面電極、光柵。2005年單晶硅太陽(yáng)能電池性能改善措施性能改善措施：1

采用埋層電極；2

表面鈍化和絨化，降低光反射；3

密柵工藝；埋柵太陽(yáng)能電池BCSC影響單晶硅電池性能因素：1

表面光反射損失；2

電池表面柵線遮光影響；3

光傳導(dǎo)損失；4

內(nèi)部和表面復(fù)合損失。4

優(yōu)化背電極及接觸電極技術(shù)

背面局部擴(kuò)散太陽(yáng)能電池PERL?

晶硅太陽(yáng)電池的制作過(guò)程：①砂子還原成冶金級(jí)硅：石英砂(SiO2)在電弧爐中用C還原為Si和CO，純度一般95-99%，雜質(zhì)為Fe、Al、Ga、Mg等。②冶金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅：由工業(yè)硅制成硅的鹵化物(如三氯硅烷，四氯化硅)通過(guò)還原劑還原成為元素硅，最后長(zhǎng)成棒狀(或針狀、塊狀)多晶硅。③半導(dǎo)體級(jí)硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杵憾嗑Ч杞?jīng)過(guò)區(qū)熔法(Fz)和坩堝直拉法(CG)制成單晶硅棒。④硅片制成太陽(yáng)電池：主要包括表面準(zhǔn)備（化學(xué)處理和表面腐蝕）、擴(kuò)散制(P-N)結(jié)、去邊、去除背結(jié)、制作上下電極、制作減反射膜等。⑤太陽(yáng)電池封裝成電池組件：將若干單體電池串、并聯(lián)連接并嚴(yán)密封裝成組件，主要有上蓋板、粘接劑、底板、邊框等部分。5

多晶硅薄膜電池受到廣泛重視。多晶硅太陽(yáng)能電池

多晶硅太陽(yáng)能電池

第二代太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池特點(diǎn)：1

光電轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅電池，其光電轉(zhuǎn)換效率約12％左右

；2

使用壽命比單晶硅太陽(yáng)能電池短；3

和單晶硅一樣沒光致衰退效應(yīng)；4

制作成本降低。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池特點(diǎn)?

能量返回期短?

大面積自動(dòng)化生產(chǎn)?

高溫性好?

弱光響應(yīng)好(充電效率高)?

存在光致衰減效應(yīng)?

非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率低于晶體硅太陽(yáng)能電池?

本征吸收系數(shù)大?

低成本非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池由Carlson和Wronski在20世紀(jì)70年代中期開發(fā)成功；目前非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)量占全球太陽(yáng)能電池總量的10％左右。?

低成本?

晶體硅太陽(yáng)電池的基本厚度為240-270

m，硅片的成本就占

整個(gè)太陽(yáng)電池成本的65-70%；非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的厚度

<0.5um。?

主要原材料是生產(chǎn)高純多晶硅過(guò)程中使用的硅烷，這種氣體，

化學(xué)工業(yè)可大量供應(yīng)，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太陽(yáng)能

電池的原材料本約RMB3.5-4（效率高于6%）?

非晶硅太陽(yáng)電池及其它薄膜太陽(yáng)電池，是太陽(yáng)能電池的主要

發(fā)展方向。非晶硅太陽(yáng)能電池存在的問(wèn)題?

效率較低?

單晶硅太陽(yáng)能電池，單體效率為14%-17%(AMO)，而柔性基體非晶硅太陽(yáng)電池組件（約1000平方厘米）的效率為10-12%，還存在一定差距。?

相同的輸出電量所需太陽(yáng)能電池面積增加，對(duì)于對(duì)太陽(yáng)能電

池占地面積要求不高的場(chǎng)合尤其適用，如農(nóng)村和西部地區(qū)。?

穩(wěn)定性問(wèn)題?

非晶硅太陽(yáng)能電池的光致衰減，所謂的W-S效應(yīng)，是影響其大規(guī)模生產(chǎn)的重要因素。目前，柔性基體非晶硅太陽(yáng)能電池穩(wěn)定效率已超過(guò)10%，已具備作為空間能源的基本條件。非晶硅太陽(yáng)電池的市場(chǎng)?

大規(guī)模低成本發(fā)電站?

1996年美國(guó)APS公司在美國(guó)加州建了一個(gè)400千瓦的非晶硅電站,引起光伏產(chǎn)業(yè)振動(dòng)。?

Mass公司(歐洲第三大太陽(yáng)能系統(tǒng)公司)去年從中國(guó)進(jìn)口約5MWp的非晶硅太陽(yáng)能電池。?

日本CANECA公司年產(chǎn)25MWp的非晶硅太陽(yáng)能電池大部分輸往歐洲建大型發(fā)電站(約每座500KWp-1000KWp)。?

德國(guó)RWESCHOOTT公司也具有30MWp年產(chǎn)量,全部用于建大規(guī)模太陽(yáng)能電站。?

弱光下使用?

由于非晶硅太陽(yáng)能電池在室內(nèi)弱光下也能發(fā)電，已被廣泛用于太陽(yáng)能鐘，太陽(yáng)能手表，太陽(yáng)能顯示牌等不直接受光照等場(chǎng)合下。?

與建筑相配合,建造太陽(yáng)能房?非晶硅太陽(yáng)能電池可以制成半透明的，如作為建筑的一部分，白天既能發(fā)電又能使部分光線透過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)，為室內(nèi)提供十分柔和的照明(紫外線被濾掉)能擋風(fēng)雨，又能發(fā)電;美國(guó)，歐洲和日本的太陽(yáng)能電池廠家已生產(chǎn)這種非晶硅瓦。序號(hào)單位名稱產(chǎn)能備注1天津津能5MWp2哈爾濱克羅拉太陽(yáng)能1MWp3深圳拓日<14深圳創(chuàng)益<15深圳日月潭<16北京世華籌建中7泉州籌建中中國(guó)非晶硅太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)?

目前中國(guó)已有的非晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線化合物太陽(yáng)能電池化合物太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)?光電轉(zhuǎn)化效率高、轉(zhuǎn)換效率提高空間大。美國(guó)Tecstar公司已研制成功了用于空間的、效率達(dá)到33.4%的太陽(yáng)電池

（InGaP/GaAs電池）。?材料消耗少?；衔锇雽?dǎo)體材料的帶隙1.4eV

，對(duì)陽(yáng)光吸收系數(shù)更大，使得這些材料適合制作薄膜電池。?化合物太陽(yáng)電池的品種多，應(yīng)用范圍廣泛。?抗輻射性好，適用于空間飛行器電源等特殊應(yīng)用。砷化鎵(GaAs)太陽(yáng)電池砷化鎵屬于Ⅲ-Ⅴ化合物半導(dǎo)體材料，能隙(band

gap，又叫禁帶寬度f(wàn)orbidden

bandwidth)為1.4eV，并且耐高溫性強(qiáng)，最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%。砷化鎵系列太陽(yáng)能電池包括單晶GaAs、多晶GaAs、鎵鋁砷-GaAs異質(zhì)結(jié)、金屬-半導(dǎo)體GaAs、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體GaAs、GaSb（銻化鎵）、GaInP等。砷化鎵(GaAs)太陽(yáng)電池砷化鎵(GaAs)太陽(yáng)電池特點(diǎn)：1.

砷化鎵系列太陽(yáng)能電池具有很高的光發(fā)射系數(shù)和光吸收系數(shù)2.

砷化鎵系列太陽(yáng)能電池比硅具有更高的理論轉(zhuǎn)換效率3.

較好的抗輻射性能4.

易于獲得晶格匹配和光譜匹配CdTe太陽(yáng)能電池CdTe太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖CdTe太陽(yáng)能電池性能?光電轉(zhuǎn)換效率高（27%），對(duì)可見光吸收系數(shù)大；?穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易工業(yè)化?成本低?存在Cd毒性CdTe太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)PN結(jié)：n-CdS/p-CdTe近空間升華法（CSS）沉積裝置如圖

所示。采用高純CdTe薄片或粉料作源

,兩石墨塊的間距約

1～30

mm

,襯底溫度

550～650

℃,源溫度比襯底高

80～100

℃,反應(yīng)室充

N2

,真空度為

7.

5

×102～7.

5×103Pa。再經(jīng)過(guò)氧氣或氯氣表面鈍化；硝酸、硝酸-冰乙酸等溶液擇優(yōu)腐蝕，獲取具有絨面結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜。???

有機(jī)太陽(yáng)能電池工作原理:

有機(jī)半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子和空穴束縛在激子(excitons)之中,電子和空穴在界面(電極和導(dǎo)電聚合物的結(jié)合處)上分離。研究進(jìn)展:

美國(guó)加州伯克利分?？茖W(xué)家在2002年利用塑料納米技術(shù)研制出第一代塑料太陽(yáng)能電池，可以安裝在一系列便攜式設(shè)備及可穿戴式電子設(shè)備上。提供0.7V的電壓。特點(diǎn)：原料來(lái)源廣泛，易成型，可大面積成膜，通過(guò)化學(xué)修飾調(diào)控性能，價(jià)格低，制備工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。有機(jī)化合物太陽(yáng)能電池2009年4月26日《nature

photonics》上的高效單結(jié)電池陽(yáng)極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜TiO2、陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃電解質(zhì)：I3-/I-

色素敏化光化學(xué)太陽(yáng)能電池

電池結(jié)構(gòu)將納米二氧化鈦燒結(jié)在導(dǎo)電玻璃上，再將光敏染料鑲嵌在多孔納米二氧化鈦表面形成工作電極，在工作電極和對(duì)電極（通常為擔(dān)載了催化量鉑或者碳的導(dǎo)電玻璃）之間是含有氧化還原物質(zhì)對(duì)(常用I2和I-)的液體電解質(zhì)，它浸入納米二氧化鈦的孔穴與光敏染料接觸。工作原理在入射光的照射下，鑲嵌在納米二氧化鈦表面的光敏染料吸收光子，躍遷到激發(fā)態(tài)，然后向二氧化鈦的導(dǎo)帶注入電子，染料成為氧化態(tài)的正離子，電子通過(guò)外電路形成電流到對(duì)電極，染料正離子接受電解質(zhì)溶液中還原劑的電子，還原為最初染料，而電解質(zhì)中的氧化劑擴(kuò)散到對(duì)電極得到電子而使還原劑得到再生，形成一個(gè)完整的循環(huán)，在整個(gè)過(guò)程中，表觀上化學(xué)物質(zhì)沒有發(fā)生變化，而光能轉(zhuǎn)化成了電能。

Bach

U

,Lupo

D

,Comte

P

,

et

al

.

Nat

ure

,1998

,395

:583O’Regan

B.and

Gr?tzel

M.,

Nature,

1991,353,737~740

研究進(jìn)展

1991年，瑞士Gr?tzel

M.

以較低的成本得到了>7%的光電轉(zhuǎn)化效率。

1998年，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料的全固態(tài)DSSCs電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到33%，從而引

起了全世界的關(guān)注。

目前，DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10％以上，壽命能達(dá)

15