半导体器件物理：第八章 半导体太阳电池和光电二极管

1、第八章 半导体太阳能电池和光电二极管1. 太阳能： 储量无限性（40亿年）、存在普遍性、清洁性、经济性。2. 太阳电池： 寿命长、效率高、性能可靠、成本低、无污染等优点。3. 太阳电池效率： 单晶硅电池24、非晶硅电池13.2、InGaAs/GaAs叠层41.4 4. 太阳电池和光电二极管基本工作原理相同，用途不同。 第八章 半导体太阳电池和光电二极管 引 言8.1 半导体中的光吸收 图8-1 从紫外区到红外区的电磁波谱图图8-3 光吸收的特性8.1 半导体中的光吸收 假设半导体被光子能量h Eg光源均匀照射，光子通量为0，则： (8-1-2)比例系数称为吸收系数。其解为：(8-1-3)即：在

2、半导体另一端处光子通量为：(8-1-4)图8-4 几种半导体的吸收系数8.1 半导体中的光吸收 吸收系数是光子能量的函数。禁带宽度为Eg的半导体的吸收截止波长为：(8-1-5)截止波长附近的吸收曲线称为吸收边。8.2 P-N结的光生伏特效应 教学要求：掌握概念：光生伏特效应、光电压、光电流、短路光电流 、暗电流。掌握PN结光生伏特效应的基本过程。利用能带图分析光生伏特效应。 8.2.1 太阳电池的基本结构 8.2 P-N结的光生伏特效应 上电极为栅格形状，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。 8.2.2 P-N结的光生伏特效应 P-N结光生伏特效应是半导体吸收光能后在

3、P-N结上产生光生电动势的现象。光生伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程：1. 半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子空穴对；2. 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；3. 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。 8.2 P-N结的光生伏特效应 图 8-6 P-N结能带图8.2 P-N结的光生伏特效应 8.2.2 P-N结的光生伏特效应 PN结为开路状态，光生载流子将积累于PN结两侧，这时PN结两端测得的电位差（开路电压）就是光生电动势，记为Voc

4、，此时有：EFN EFP = q Voc .若PN结从外部短路，则PN结附近的光生载流子将通过这个途径流通。这时流过太阳电池的电流叫短路电流，用IL表示。其方向从PN结内部看是从N区指向P区的 。此时光电压为零，能带图恢复为图8-6(a). （8-2-1）8.2 P-N结的光生伏特效应 1. 设光在整个器件中被均匀吸收，短路光电流可以表示为:8.2.2 P-N结的光生伏特效应 式中GL为光生电子空穴对的产生率，A为P-N结的结面积，A(Ln+Lp)为半导体产生光生载流子的体积。由式（8-2-1）可知短路光电流IL取决于光照强度和P-N结的性质。2. 降在负载电阻上的电压也加在PN结上，使PN结

5、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。（8-2-2）小结：1.半导体吸收光能后在PN结上产生光生电动势的效应称为PN结的光生伏特效应。2.如果PN结处于开路状态，光生载流子只能积累于PN结两侧。非平衡载流子的出现意味着N区电子的费米能级升高，P区空穴的费米能级降低。P区和N区费米能级分开的距离就等于光生电动势qVoc。PN结的势垒高度将由热平衡的q0 降低为 q(0 Voc )。如果把PN结从外部短路，会产生短路电流，这时非平衡载流子不再积累在PN结两侧，光电压为零。P区和N区费米能级相等，能带图恢复为图8-6(a)。一般情况下，PN结材料和

6、引线总有一定电阻，这时有电流通过时，光生载流子只有一部分积累于PN结上，使势垒降低qV，V是电流在串联电阻RS上产生的电压降。8.2 P-N结的光生伏特效应 小结：8.2 P-N结的光生伏特效应 3.在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为：4.负载电阻上的电压降加在PN结上，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。（8-2-1）（8-2-2） 8.3 太阳电池的I-V特性 教学要求：1.画出理想太阳电池等效电路图，根据电池等效电路图写出太阳电池的IV特性方程（8-3-1）式。2.了解太阳电池的I-V特性曲线（图8-8），解释该曲线所包含

7、的物理意义。3.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（8-3-6）式。 图8-7 理想太阳电池等效电路 8.3 太阳电池的I-V特性 一、理想情况（RS = 0） （8-3-1）电流源IL为短路光电流，ID=I0（eV/VT -1)为PN 结正向电流。1. 理想太阳电池的I-V特性：（8-3-2）（8-3-3）（8-3-4）（8-3-5） 8.3 太阳电池的I-V特性 一、理想情况（RS = 0） 2. 由（8-3-1）式，可得PN结上的电压为：3. 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 ）4. 在短路情况下（V=0），得到短路电流，这是太阳电

8、池能提供的最大电流。5. 太阳电池向负载提供的功率为 图8-8 典型的太阳电池在一级气团（AM1）光照下的I-V特性 8.3 太阳电池的I-V特性 一、理想情况（RS = 0） AM1定义为太阳在天顶以及测试器件在晴朗天空下的海平面上。在AM1条件下到达太阳电池的能量略高于100mW/cm2. 如果把器件放到大气层外（如在卫星上）则称为AM0条件，此时太阳能量约为135mW/cm2. AM0和AM1的差别在于大气对太阳光的衰减。衰减的主要原因是臭氧层对紫外光的吸收，水蒸气对红外光的吸收以及空气中尘埃和悬浮物对太阳光的散射等。 图 8-9 包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路图（8-3-6）

9、 8.3 太阳电池的I-V特性 二、实际情况（RS 0， RSh 0 ） 实际的太阳电池存在着串联电阻RS和分流电阻RSh ，考虑到串联电阻和分流电阻作用的特性，等效电路图如图8-9所示，I-V特性修正为（8-3-6）式。实际太阳电池的I-V特性：小结：2. 开路电压Voc是太阳电池能提供的最大电压，短路电流IL是太阳电池能提供的最大电流。 8.3 太阳电池的I-V特性 1. 理想太阳电池短路电流作为恒流源，负载RL上的电压降作为正偏压加在PN结上，构建了太阳电池的等效电路。根据等效电路写出了太阳电池的IV特性方程。（8-3-1）4. 考虑到串联电阻和分流电阻的太阳电池I-V特性为3. 理想太

10、阳电池向负载提供的功率为（8-3-5）（8-3-6）8.4 太阳电池的效率 教学要求： 1. 概念：转换效率，占空因数；2. 导出太阳电池的最大输出功率公式（8-4-7）. （8-4-1）（8-4-2）（8-4-3）8.4 太阳电池的效率 一、定义：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射光功率的百分比： 式中Pin为输入光功率， Pm为太阳电池的最大输出功率，即：对于理想太阳电池，根据（8-3-5）式，令 dP/dV = 0 时得最大功率条件：（8-4-6）（8-4-8）（8-4-7）8.4 太阳电池的效率 从式（8-4-3）中解出IL，再将其代入式（8

11、-3-1）得于是，太阳电池最大输出功率为：引进占空因数FF=VmpImp / ILVoc这一概念，太阳电池的效率可写作:二、最大输出功率：其中，用到了从（8-4-3）式推出的关系式：小结:（8-4-1）（8-4-7）（8-4-8）2. 太阳电池的最大输出功率8.4 太阳电池的效率 1. 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：3. 引进占空因数FF这一概念，给出了太阳电池的效率公式:8.5 光产生电流和收集效率教学要求: 1. 解例题8-1中的扩散方程，求出少子分布公式和电流分布公式（8-5-5）。2. 根据图8-10分析电子空穴对的产生率与

12、光子频率和透入深度的关系。3. 根据收集效率的理论结果（图8-11），分析少数载流子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响。（8-5-2a）8.5 光产生电流和收集效率考虑通量为0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：假设每吸收一个光子产生一个电子空穴对，则电子空穴对的产生率为可见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（8-5-1）一、光生电子和空穴电流：（8-5-4）（8-5-2b）（8-5-3a）（8-5-3b）类似地，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，或光子收集效率定义为：8.5

13、光产生电流和收集效率一、光生电子和空穴电流：二、光子收集效率：【例8-1】推导出“P在N上”结构的长P+N电池的N侧内光生少数载流子密度和电流密度的表达式，假设在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（8-5-2a）的一般解为：8.5 光产生电流和收集效率边界条件为： （8-5-5）从P+侧流到N侧的电子电流用同样方法可以求得。 （8-5-6）将边界条件代入一般解中，解出积分常数K1和K2，再代入一般解中，可得：8.5 光产生电流和收集效率 图8-10 入射光波长为和0.55 m和0.90 m 时，归一化少数载流子的分布。器件参数为xj=2.8m，

14、W=20mil, p=4.2s, n=10ns以及S =100cm/s.8.5 光产生电流和收集效率两种情况下归一化载流子分布的区别源于不同波长下吸收系数不同。根据（8-1-3）式，在短波时，由于吸收系数比较大（见图8-4），因而光子衰减发生在近表面的一小段距离之间。也就是说，对于短的波长（550nm）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。对于较长的波长（900nm), 较小，吸收多发生在PN结的N侧。 收集效率：若入射光为单色光且光子数已知，把（8-5-6）式代入（8-5-4）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

15、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。8.5 光产生电流和收集效率图8-11 图8-10中太阳电池的收集效率与波长的关系（wolf，1960） 小结：1. 考虑半导体吸收，电子空穴对的产生率为 产生率是表面深度和吸收系数的函数。电子空穴对的产生率与光子频率和透入深度有关，在短波时，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

16、而产生电子空穴对。对于较长的波长，较小，因而电子-空穴对的产生多发生在较深处。2. 影响收集效率的主要因素是少数载流子扩散长度和吸收系数。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。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，Si太阳电池属于后一种类型。（8-5-1）8.5 光产生电流和收集效率 8.6 影响太阳电池效率的因素 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

17、这些限制因素。图8-12 在AM0和AM1条件下的太阳光谱及其在GaAs和中Si的能量截止点 一、光谱因素：只有H Eg 的光子可被吸收，故能产生电子空穴对的光子数=图8-12中0.21.24/ Eg (m)的积分得到。总太阳光子数= 4.51017cm-2s-1 (AM1)，Si中可被吸收的最大光子数= 3.71017cm-2s-1 ,在GaAs中为2.51017cm-2s-1 。可见禁带愈小的材料，电子空穴对的产生率愈大。但被吸收光子能量只是部分被利用转化为电能，其余部分以热耗散的形式被浪费掉。一般禁带能量愈小，在太阳光谱峰值附近浪费掉的功率就愈多。因此，常采用多结电池结构。 二、最大功率

18、考虑：太阳电池的最大输出功率由开路电压Voc和短路电流IL所决定。由光谱考虑，随着Eg的增加，GL减小，因此IL减小。而理想情况下，Voc= VTln(1+IL/I0)，I0ni2 e-Eg/kT故Voc Eg，即：开路电压随着Eg的增加而增大， 因此Voc IL是Eg的函数，对应某一Eg值，效率会出现一极大值。考虑温度等因素的影响，在一定禁带宽度范围内太阳电池会具有最佳的效率。 8.6 影响太阳电池效率的因素 图8-13 最大转换效率的理论值与禁带能量之间的对应关系 三、串联电阻的影响：串联电阻=接触电阻+薄层电阻。它增加内部功率耗散并减少占空因数。分流电阻的影响不大。接触电阻可以很小，但小

19、的薄层电阻对应于重掺杂的表面层，它会降低表面层的载流子寿命和扩散长度。因此需要对掺杂浓度和结深采取折衷。此外，小的串联电阻要求有大的金属化接触面积，它限制了光吸收的面积。可以采用栅格结构，既有大的曝光面积，又使串联电阻保持合理数值。 图8-14 串联电阻和分流电阻对I-V曲线的影响 8.6 影响太阳电池效率的因素 四、表面反射的影响： 可以采用抗反射层的方法，减小太阳电池的表面复合。理想的抗反射层材料折射率应为 ，n1和n2分别为空气和半导体材料的折射率。五、聚光技术 聚光技术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。聚光度每增加10倍，效率约增

20、加2%。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：8.6.5节） 8.6 影响太阳电池效率的因素 小结：提高太阳电池效率的措施如下：1. 从太阳光谱考虑，禁带愈窄的半导体材料可获得更大的短路光电流；2. 禁带愈宽的半导体材料可产生更大的开路电压；3. 综合1，2两个因素，从获得最大转换效率考虑，硅和砷化镓是制作太阳电池的上选材料；4. 减小串联电阻，蒸镀抗反射膜，采用聚光技术都是提高太阳电池效率的有力措施。 8.6 影响太阳电池效率的因素 8.9 光电二极管的基本结构与工作原理教学要求:1. 说明光电二极管的基本工作原理

21、。2. 指出光电二极管和太阳电池的主要异同点。3. P-I-N光电二极管的工作原理。 图8-20 光电二极管的工作特性曲线一、PN结光电二极管工作原理：光电二极管的基本工作原理是基于反偏压结（PN结、肖特基结、异质结等）的少子抽取作用。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。8.9 光电二极管的基本结构与工作原理图8-21 PIN光电二极管的工作原理二、PIN结光电二极管工作原理：8.9 光电二极管的基本结构与工作原理为了提高光子收集效率，在P层和N层之间夹入一层本

22、征（或低掺杂）的I层材料，称为PIN光电二极管。 在很高的反偏压下， I层完全变成耗尽层，增加了耗尽层的宽度，其中的电子空穴对立刻被电场分离而形成光电流。I层之外的电子空穴对扩散到耗尽层边缘后也被耗尽层收集。PIN光电二极管中存在漂移和扩散两种机制的电流。 在长距离的光纤通信系统中多采用P-InP/I-InGaAs/N-InP的双异质结PIN光电二极管，InP的禁带宽度为1.35eV，对波长大于0.92m的光不吸收。InGaAs的禁带宽度为0.75eV（对应截止波长 1.65m），在1.31.6 m波段上表现出较强的吸收。几微米厚的I层，就可以获得很高的响应度。这样，对于光通信的低损耗波段，光

23、吸收只发生在I层，完全消除了较慢的扩散电流的影响，具有良好的频率响应。（自行阅读：8.9.2、8.9.3 ）8.9 光电二极管的基本结构与工作原理二、PIN结光电二极管工作原理：三、光电二极管与太阳电池的主要异同点：1. 相同点：都是利用光生伏特效应工作的器件。2. 不同点：i用途不同；ii光电二极管工作时要加上反向偏 压，而太阳电池不用。小结：1.光电二极管受光照后，产生与入射光强成正比的光生电流。光电流含有入射光的信息，所以能达到探测光信号的目的。2. PIN光电二极管的I层也叫耗尽层，起到增加耗尽层宽度的作用。在足够高的反偏压下，I层完全变成耗尽层，其中产生的电子空穴对立刻被电场分离而形

24、成光电流。3.光电二极管中有两种电流：i 耗尽层中产生的电子空穴对立刻被电场分离而形成的电流，称为漂移电流。漂移电流是快电流。ii 在I层之外扩散区产生的电子空穴对以扩散方式向耗尽层边缘扩散然后被耗尽层收集，称为扩散电流。扩散电流是慢电流，影响光电二极管的频率响应。8.9 光电二极管的基本结构与工作原理8.10 光电二极管的特性参数 教学要求:1.掌握概念：量子效率、响应度、响应速度（带宽）、信噪比、噪声等效功率（NEP）、 探测率、比探测率。2.影响响应速度的主要因素有哪些？如何予以综合考虑？一、量子效率和响应度：1.量子效率量子效率定义为单位入射光子所产生的电子空穴对数，即：式中，Pin为

25、入射光功率，它与入射光通量0的关系为：产生明显光电流的波长是有限制的，长波限c由禁带宽度决定。光响应也有短波极限，因为波长很短时，大部分辐射在表面附近被吸收，产生的载流子在到达PN结被收集前就已经被复合掉了。（8-10-1）（8-10-2）8.10 光电二极管的特性参数 图8-26 光电二极管量子效率和波长关系 8.10 光电二极管的特性参数 在紫外和可见光区，金属半导体光电二极管有很高的量子效率；在近红外区，硅光电二极管（有抗反射涂层）在0.80.9 m附近，量子效率可达100%；在1.0 1.6 m的区域，锗光电二极管和IIIV族光电二极管（如GaInAs）有很高的量子效率。对于更长的波长

26、，为了获得高的量子效率，光电二极管需进行冷却。2. 量子效率与波长关系3. 响应度8.10 光电二极管的特性参数 响应度表征光电二极管的转换效率，定义为短路光电流与输入光功率之比，意为单位入射光功率产生的短路电流，即：高的量子效率和响应度要求有厚的 I 层。（8-10-3）二、响应速度（带宽）：1. 定义：交流光电流下降到低频值时的2-1/2时的调制频率，即为响应速度，也称为3dB频率或3dB带宽。2. 影响响应速度（带宽）的主要因素：(1) 载流子的扩散。在耗尽层外边产生的载流子必须扩散到P-N结，这将引起可观的时间延迟。为了将扩散效应减到最小，P-N结尽可能接近表面。(2) 在耗尽层内的漂

27、移时间。这是影响带宽的主要因素。减少耗尽层渡越时间要求耗尽层要尽可能地窄。但耗尽层太窄会使器件吸收光子的数量减小而影响响应度。(3) 耗尽层电容。耗尽层太窄，则耗尽层电容过大，从而使时间常数RC过大（R是负载电阻）。因此耗尽层宽度要有一个最佳选择：8.10 光电二极管的特性参数 式中，f3dB是3dB频率，W是耗尽层宽度，vs是饱和漂移速度，tr为耗尽层渡越时间。（8-10-4）（8-10-5）或者 三、噪声特性： 1. 噪声：噪声是信号上附加的无规则起伏，它可使信号变得模糊甚至被淹没。 2. 散粒噪声：是由一个个入射光子产生的不均匀的或杂乱的电子空穴对引起的。也就是说是由通过器件的粒子（电子或空穴）数无规则起伏引起的。分析表明，探测器散粒噪声电流即均方根噪声电流由下式估算。（8-10-7）8.10 光电二极管的特性参数 式中I为电流强度，f 为测量的频率范围，即带宽。3. 热噪声：来自电阻值为R的电阻体发出的电磁辐射部分，由载流子无规则散