太阳电池和光电二极管

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1、第七章 太阳电池和光电二极 管 7.1 半导体中的光吸收7.1 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 。 图7-1 从紫外区到红外区的电磁波谱图 7.1 半导体中的光吸收 当光子在半导体中传播时，在距表面x处单位时间、单位距离上被吸收的光子数应当正比 于该处的光子通量 即在 时， 。方程（7-1）的解为在半导体的另一端（图7-3b） 处，光子通量为式中比例系数 叫做吸收系数它是 的函数。光吸收在截止波长 处急剧下降。 （7-2）（7-3）（7-4）7.1 半导体中的光吸收 图7-4 几种半导体的吸收系数7.1 半导体中的光吸收 教学要求v 作业：7.

2、1、7.3 7.2 P-N结的光生伏特效应7.2 P-N结的光生伏特效应 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；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。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区，也可以是金属半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。 7.2 P-N结结的光生伏特效应应 图 7-5 P-N结能带图：（a）无光照平衡P-N结，（b）光照P-N结开路状态 ，（

3、c）光照P-N结有串联电阻时的状态 。7.2 P-N结的光生伏特效应 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为P-N结面积为光生载流子的体积。由式（7-5）可知短路光电流取决于光照强度和P-N结的性质。 （7-5）7.2 P-N结的光生伏特效应 小结 概念：光生伏打效应、暗电流 PN结光生伏特效应的基本过程：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；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。分离的电子 和空穴在半导体中产生了光生

4、电动势。 利用能带图分析了光生电动势的产生：非平衡载流子的产生预示着热平衡的统一费米能级分开，开路时电子和空穴的准费米能级之差等于光生电动势。 7.2 P-N结的光生伏特效应 小结 在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为（7-5） 串联电阻和负载电阻上的电压降加在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。7.2 P-N结的光生伏特效应 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？

5、能否去除？ 7.3 太阳电池的I-V特性7.3 太阳电池的I-V特性 图7-6 太阳电池理想等效电路 7.3 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7-6所示。图中电流源为短路光电流 。V-I特性可以简单地由图7-6所示的等效电路写出。式中为P-N 结正向电流为P-N 结饱和电流P-N 结的结电压即为负载R上的电压降。（7-6）7.3 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 （7-9）（7

6、-7）（7-8）（7-10）7.3 太阳电池的I-V特性 图7-7 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7.3 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。考虑到串联电阻和分流电阻作用的特性公式图 7-8 包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路7.3 太阳电池的I-V特性 结论 根据等效电路写出了太阳电池的IV特性方程。 给出了一个典型太阳电池的I-V特性曲线（图7.7），根据太阳电池的IV特性方程解释了该曲线所包含的物理意义。 实际的太阳电池存在着串联电阻 和分流电阻 。考虑到串联电阻和分流电

7、阻作用的V-I特性公式为 理想太阳电池向负载提供的功率为 （7-6）（7-11）（7-10）7.3 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了太阳电池的IV特性方程（7-6） 了解太阳电池的I-V特性曲线（图7.7），根据太阳电池的IV特性方程解释该曲线所包含的物理意义。 画出实际太阳电池等效电路图根据等效电路图写出IV特性方程（7-11）v 5.作业： 7.4 太阳电池的效率7.4 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，为阳电池的最大输出功率：对于理想太阳电池

8、根据（7.10）式，时得最大功率条件（7-12）（7-13）（7-14）7.4 太阳电池的效率 从式（7.14）中解出，再将其代入式（7-6）得 于是太阳电池最大输出功率引进占空因数这一概念，太阳电池的效率可写作（7-17）（7-18）（7-19）7.4 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： 太阳电池的最大输出功率 引进占空因数这一概念，给出了太阳电池的效率公式（7-12）（7-18）（7-19）7.4 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）。v 作业：7.

9、6、7.10 7.5 光产生电流和收集效率7.5 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，则电子空穴对的产生率为（7-20）产生率是表面深度的函数。稳定条件下PN结N侧的空穴扩散方程为（7-21a）7.5 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（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

10、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： 方程（7-21a）的边界条件为方程（7-21a）的解为：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）7.5 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。器件参数为 xj=2.8m,W=20mils, =4.2s, =10ns,以及 S =100cm/s7.5 光产生电流和收集效率 根据少子空穴浓度表达式可以看到，在短波（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。在较长时（900nm

11、）， 较小 ，吸收多发生在P-N结的N侧。所形成的少数载流子分布绘于图7-9中。收集效率：入射光为单色光且光子数已知，把（7-25）式代入（7-23）式，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。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。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。 7.5 光产生电流和收集效率 图7-10 图7-9

12、中太阳电池的收集效率与波长的对应关系 7.5 光产生电流和收集效率小结 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的函数。 定义了光子收集效率： 举例分析了电子空穴对的产生率与光子频率和透入深度的关系：在短波（500nm）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。在较长时长时（900nm）， 较小，吸收多发生在PN结的N侧（7-20）（7-23）7.5 光产生电流和收集效率小结 给出了在不同波长上收集效率的理论值（图7-10）。收集效率与少数载流子扩散长度和吸收系数有关：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

13、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，以至太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。一般地GaAs电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。以上分析为太阳电池的设计提供了重要参考。7.6 提高太阳电池效率的考虑7.6 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。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 7.6 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。可见， 越小 越大从而 越大

14、。可被吸收的最大光子数在硅中为：,在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所决定。由光谱考虑，发现 随着的增加而减小。开路电压乘积会出现一极大值。 由（7-5）（7-27）7.6 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 7.6 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 7.6 提高太阳电池效率的考虑 达到最佳设计，需要对掺杂浓度和结深采取折衷。 实际的接触是采用示于图7-14中的栅格形式。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的硅

15、电池的简单结构 7.6 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应为 。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的输出功率相当于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7-9 光电二极管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。7-9 光电二极管 P-I-N光电二极管 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；（c）光吸收特性7-9 光电二极管在长距离的光纤通信系统中多采用 的双异质结P-I-N光电二极管中，P-InP的禁带宽度为1.35eV，对波长大于 的光不吸收。的禁带宽度为0.75eV（对应截止时波长