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1、光电子技术前沿复习资料一、激光1、原理、方法三个部分爱因斯坦根据量子理论指出， 当辐射场照射物质而粒子已经处在高能级 E2 上时，如果外来光的频 率正好等于 E2 -E1/h ，由于受到入射光子的激发， E2 能级上的粒子会跃迁而回到 E1 能级上 去，同时又放出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。受激辐射过 程。这是一个十分重要的概念，它为激光的产生奠定了理论基础。泵浦源、粒子数反转、谐振腔2、特点单色性、方向性、高强度本质：高度的相干性1定向发光 2亮度极高 3颜色极纯 4能量密度极大3、激光的种类1固体激光器红宝石激光器 2气体激光器氦氖激光器 3半导体激光器 4
2、液体激光 器 （染料激光器 ）5光纤激光器4、应用激光测距、激光加工激光切割，激光焊接，激光打孔，激光去除 、激光防伪、激光手术刀、激光 受控热核聚变激光的应用非常广泛，几乎普及工业、农业、军事、医疗、科学研究等每一个领域。根据各种激 光器发射光的功率密度，相干性、准直性、单色性的不同，应用范围也不同。例如，激光通迅、激光 测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微分析、激光受控 热核反应等，主要是利用激光的方向性与高功率密度；而激光全息、激光测长、激光干预、激光多谱 勒效应则主要是利用激光的单向性和相干性。5、LD与LED的比较半导体发光二极管LED与半导体激
3、光二极管LD在结构上的根本区别就是它没有光学谐振腔， 形不成激光。它的发光限于自发辐射。它发出的是荧光，而不是激光。6 LD的优点、缺点1LD的响应速度较快，可用于较高的调制速率。2LD的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是自发辐射的光谱。其谱宽度一般为卩m。3由于LD辐射光束的发散角较小，因而耦合的光纤中的功率较高，传播距离较远，而LED的发散角一般在4020范围内，耦合到光纤中的效率较低，通常只有3%左右。4LD的输出光强及效率较高，LED的输出光强及效率较低。1温度特性较差。由于激光管的阈值电流依赖于
4、温度 T,故其输出功率也依赖于T。发光二极管没有 阈值电流，故其温度特性较好。2易损坏，寿命短。半导体光源的损坏一般由三种原因引起，即内部损坏如P-N结损坏，接触损坏如引线断掉和光学谐振端面的损坏如光纤碰角或端面污染引起 。前两种为发光二极管和激光二极管所共有，而后一种损坏却是激光二极管所独有的，由于这一因素而大大降低了激光二 极管使用寿命。3半导体激光器价格昂贵，发光二极管比较廉价。4半导体激光器的P-I曲线不如发二极管的P-I曲线线性范围大，调制时的动态范围相对较小。二、光电器件1、内光电效应，外光电效应光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。
5、 内光电效应：内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：当入射光子射入到半导体外表时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生 电导增大。光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀半导体如 PN结，在内建电场的作用下，半导体内 部产生光电压。外光电效应:在光的作用下，物体内的电子逸出物体外表向外发射的现象。某些材料在入射光子的能量足够大时有电子逸出材料外表的现象。2、LED照明蓝光LED发明意义：“高亮度蓝色发光二极管”被称为 20世纪的一项伟大发明，发明者就是日本 科学家中村修二。有了它，通过与红色和绿色 LED组合，才可能出现全彩色LED屏幕，并产生能够取 代白炽灯和荧光灯的新
6、一代节能照明灯具。LED当前的研究领域，显示的水平 3、太阳电池1原理光生伏特效应制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生内光电 效应，将光能转换为电能。当光照射到p-n结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到 达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入 n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子, p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒 电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生 伏特效应。2描述太阳电池的特征参数不管是一般的化
7、学电池还是太阳电池，其输出特性一般都是用如下列图所示的电流一电压曲线来 表示。由光电池的伏安特性曲线，可以得到描述太阳电池的四个输出参数。输出电宦太阳电泄图犬阳电池的1-辖性栢工作点 團中裏示摄佳工作点，表示实际工作直开路电压Voc :在p-n结开路情况下Rm，此时pn结两端的电压即为开路电压 Voc。短路电流Isc :如将pn结短路V=0，因而IF=0,这时所得的电流为短路电流Isc。填充因子 FF : FF = Vop*Iop/Voc*Isc = Pmax/Voc*Isc 它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积 在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。在光电池的伏安特性曲线任一工作
8、点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最正确工作点，该点的电压和电流分别称为最正确工作电压 Vop和最正确工作电 流 Iop。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc, Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在范围之内。太阳能电池的能量转化效率n：表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即：n =太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率x100%= Vop x Iop/Pin x S X100%= Voc?Isc?FF/Pin ? S其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积，当S是整个太阳能电池面积时，
9、n称为实 际转换效率，当S是指电池中的有效发电面积时，n叫本征转换效率。补充：另外几个太阳电池的重要参数并联电阻： Rsh ； 串联电阻： Rs ； 反向暗电流： Irev其中，影响Rsh的因素主要包含几个方面：硅材料，切片机械损伤层，周边扩散 PN 结去除，绒面扩散层是否损坏，电极烧结温度和烧结 时间，银桨的成份等。影响Rs的因素主要包含几个方面：硅材料的体电阻，电极及互联金属的电阻以及电池本身与电极 的接触电阻。Irev 一般是指在-10伏或-12伏的反向偏压下，电池的暗电流。而暗电流与Rsh是相辅相成的，它的值增大将会减小Voc,并影响FF,从而导致电池性能的下降。3太阳电池种类按技术成
10、熟程度分：晶硅电池： 单晶硅，多晶硅，薄膜电池：a-Si, CIGS CdTe球形电池，多晶硅薄膜，Grctzel，有机电池新型概念电池：量子点、量子阱电池，迭层 （带隙递变 ）电池，中间带电池，杂质带电池，上、下转 换器电池，a-Si/C-Si异质结（增加红外吸收），偶极子天线电池，热载流子电池，（也有人称第三代电池）4晶体硅太阳电池的制备工艺流程去除损伤层-外表绒面化一发射区扩散一边缘结刻蚀一PECDV沉积SiN -丝网印刷正反面电极浆料一共烧形成金属接触一电池片测试。5为何在晶体硅太阳电池制备中要镀氮化硅薄膜减反、钝化保护 由于氮化硅膜具有良好的绝缘性、致密性、稳定性和对杂质离子的掩蔽能
11、力 , 氮化硅薄膜作为多 晶硅太阳电池的减反射膜 , 可显著地提高电池的转换效率 , 还可使生产成本降低。6氮化硅薄膜的制备方法PECVD法沉积氮化硅薄膜，沉积温度低、沉积速度快、薄膜质量好、工艺简单重复性好、易于工人 掌握操作技术。7丝网印刷技术？烧结目的，对电池的影响 目的：干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接触。影响：a相对铝浆烧结，银浆的烧结要重要很多，对电池片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻， 即FF的变化b铝浆烧结的目的使浆料中的有机溶剂完全挥发，并形成完好的铝硅合金和铝层。局部的受热不 均和散热不均可能会导致起包，严重的会起铝珠。c）反面场经烧
12、结后形成的铝硅合金，铝在硅中是作为P型掺杂，它可以减少金属与硅交接处的少子复合，从而提高开路电压和短路电流，改善对红外线的响应。8硅基薄膜太阳电池制备的工艺流程?9三次光刻过程 10TCO薄膜的特性及种类ITO,FTO,AZ透明导电氧化物，绒面结构：陷光；制备方法结构TCO Tran spare nt con duct ing oxide玻璃，即透明导电氧化物镀膜玻璃，是在平板玻璃外表通过 物理或者化学镀膜的方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜，主要包括In、Sn Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。TCO玻璃首先被应用于平板显示器中，现在 ITO类型的导电玻璃仍是平板显示器行业的主
13、流玻璃 电极产品。近几年，晶体硅价格的上涨极大地推动了薄膜太阳能电池的发展，目前薄膜太阳能电池占世界光伏市场份额已超过10%，光伏用TCO玻璃作为电池前电极的必要构件，市场需求迅速增长， 成为了一个炙手可热的高科技镀膜玻璃产品。在太阳能电池中，晶体硅片类电池的电极是焊接在硅片外表的导线，前盖板玻璃仅需到达高透光 率就可以了。薄膜太阳能电池是在玻璃外表的导电薄膜上镀制p-i-n半导体膜，再镀制背电极。透明导电氧化物的镀膜原料和工艺很多，通过科学研究进行不断的筛选，目前主要有以下三种TCO 玻璃与光伏电池的性能要求相匹配。ITO镀膜玻璃是一种非常成熟的产品，具有透过率高，膜层牢固，导电性好等特点，
14、初期曾应用 于光伏电池的前电极。但随着光吸收性能要求的提高，TCO玻璃必须具备提高光散射的能力，而ITO镀膜很难做到这一点，并且激光刻蚀性能也较差。铟为稀有元素，在自然界中贮存量少，价格较高。 ITO应用于太阳能电池时在等离子体中不够稳定，因此目前ITO镀膜已非光伏电池主流的电极玻璃。SnO2镀膜也简称FTQ目前主要是用于生产建筑用 Low-E玻璃。其导电性能比ITO略差，但具有 成本相对较低，激光刻蚀容易，光学性能适宜等优点。通过对普通Low-E的生产技术进行升级改良， 制造出了导电性比普通Low-E好，并且带有雾度的产品。利用这一技术生产的TCO玻璃已经成为薄膜 光伏电池的主流产品。氧化锌
15、基薄膜的研究进展迅速，材料性能已可与ITO相比拟，结构为六方纤锌矿型。其中铝掺杂的氧化锌薄膜研究较为广泛，它的突出优势是原料易得，制造成本低廉，无毒，易于实现掺杂，且在 等离子体中稳定性好。预计会很快成为新型的光伏TCO产品。目前主要存在的问题是工业化大面积镀膜时的技术问题。光伏电池对TCO镀膜玻璃的性能要求：光谱透过率：为了能够充分地利用太阳光，TCO镀膜玻璃一定要保持相对较高的透过率。目前，产 量最多的薄膜电池是双结非晶硅电池，并且已经开始向非晶 /微晶复合电池转化。因此，非晶 /微晶复 合叠层能够吸收利用更多的太阳光，提高转换效率，即将成为薄膜电池的主流产品。导电性能：TCO导电薄膜的导电原理是在原本导电能力很弱的本征半导体中掺入微量的其他元素，使半导体的导电性能发生显著变化。 这些微量元素被称为杂质， 掺杂后的半导体称为杂质半导体。 氧化 铟锡ITO透明导电玻璃就是将锡元素掺入到氧化铟中，提高导电率，它的导电性能在目前是最好 的，最低电阻率达10-5Q cm量级。雾度：为了增加薄膜电池半导体层吸收光的能力，光伏用TCO玻璃需要提高对透射光的散射能力，这一能力用H
