集成光电子器件及设计 - 光检测器

光检测器4.1

光检测器4.2

光检测器的分类4.3

PIN光电二极管4.4

雪崩光电二极管(APD)4.5

MSM光检测器4.6

光检测器的可靠性和注意事项

4.1

光检测器作为光纤通信系统中重要的光电转换器件，对检测器的要求有：

高的光电转换效率，即具有高的量子效率，即一定的入射光信号功率条件下，检测器能输出较大的光电流，光电流与光功率成正比。高的灵敏度也称响应度，它是光电探测器光电转换特性的量度，即对于使用波长的光波，具有较高的灵敏度（对微弱的光信号脉冲能快速响应）。检测过程中带来的附加噪声尽可能小。有足够的带宽，即检测器输出的电信号能不失真地反映出接收的光信号。稳定、可靠、价格便宜。4.1.1

工作原理光检测过程的工作原理主要是基于光辐射与材料相互作用所产生的光电效应来实现的。光电效应：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子-空穴对。总起来称作光生载流子。负偏压（P接负，N接正）和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流，如图4-1-1所示，从而在电阻R上有信号电压输出。这样就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。PN图4-1-1

半导体材料的光电效应

外加电场方向

内建电场方向PN耗尽层

R

电子空穴导带底价带顶禁带

耗尽层图4-1-2

P-N结及其附近的能带分布图4.1.1

工作原理

•

光生载流子在外加

4.1.1

工作原理当光照射在某种半导体材料制成的半导体光电二极管上时，若要有光电子-空穴对产生，必须满足如下的关系h

Eg或者写为（4.1.1）h其中，

为光子的能量，

Eg为半导体光电材料的禁带宽度。Eg

h

hc

Eg

c

c

截止频率截止波长（4.1.2）

（4.1.3）12344.1.2

主要工作特性

响应度

量子效率

响应时间

暗电流

R0

或0I

pP

1.

响应度

R0

2.

量子效率0

Ip

/eP

/h

通过结区的光生载流子数（光生电子-空穴对数）

入射到器件上的光子数0

e

Ph

量子效率与响应度的关系：

h

e

eh

R0

1.24R0

将频率转换成波长，并带入普朗克常数及光在真空中的速度

4.1.2

主要工作特性

光电检测器的平均输出电流

（A/W）入射的平均光功率

Ip4.1.2

主要工作特性由以上的推导可见，在工作波长一定时，响应度与量子效率有定量的关系。响应度和量子效率都是描述器件光电转换能力的物理

量，但是他们分析的角度不同。响应度是在外部电路

中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈

现的微观灵敏特性。提高量子效率的方法有：•

减小入射表面反射率；尽量减小光子在表面层被吸收的可能性；•

增加耗尽层宽度，使光子在耗尽层被充分吸收。如果采用PIN结构，P+和N+很薄，低掺杂I区很厚，可充分在耗尽层被吸收。而耗尽层厚，光生载流子漂移到加有反偏压的P-N结两端的所需时间越长，漂移时间决定P-N结响应速率。因此必须折衷。4.1.2

主要工作特性3.

响应时间——半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信

号变化快慢的状态。影响响应时间的因素主要有（1）从光入射光敏面到发生受激吸收的时间；（2）零场区光生载流子的扩散时间；（3）有场区光生载流子的漂移时间；（4）雪崩倍增建立时间（仅对于APD）；（5）RC时间常数。4.

暗电流Id

在理想情况下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励、宇宙射线后放射性物质的激励，在无光的情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。

严格的说，暗电流还包括器件表面的漏电流。暗电流由体内暗电流和表面暗电流组成。器件的暗电流越小越好。••••

4.2

光检测器的分类

依材料分类：直接带隙半导体材料还是间接带隙半导体材料

。广为应用的探测器

材料有IV族、III-V族等半导体，而异质结材料能够提供透明的窗口、

完全的光学限制和优异的导波特性。

依波段分类：紫外光波段、可见光波段、红外波段、远红外波段等。紫外光波段

有SiC、GaN等探测器，可见光波段有Si、InGaN等探测器，红外波段

有Ge、InGaAs、GaAs等探测器，远红外波段有TeCdHg等探测器。

依结构分类:

肖特基势垒光电二极管、PN光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光

电二极管、MSM光电探测器。。

依内部增益分类:光电探测器分为有内部增益和无内部增益两大类。肖特基势垒光电

二极管、PN光电二极管、PIN光电二极管、MSM光电探测器等没有

内部增益，而雪崩光电二极管有内部增益。4.3PIN

光电二极管4.3.1

结构及工作原理•

PIN光电二极管

——为改善PN结耗尽层只有几

微米，长波长的穿透深度比

耗尽层宽度还大，大部分入

射光被中性区吸收，使光电

转换效率低，响应时间长，响应速度慢的特性，在PN结中设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（称为I），这种结构便是PIN光电二极管。N+

I耗尽层P+

RP+N+图4-3-1

PIN光电二极管原理图+PⅡ(N)+N4.3.1

结构及工作原理Ⅱ(N)

掺杂浓度很低；P+和N+掺杂浓度很高。且I层很厚，约有

5~50μm，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸

收而产生大量的电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率，

两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整

个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提

高了响应速度。还可以通过控制耗尽层的厚度，来改变器件的

响应速度。

图4-3-2PIN光电二极管

结构抗反射膜电极电极E)

(

为使入射光功率有效转换成光电流，它须在耗尽区内被半导体材料有效吸收，故要求耗尽区足够厚、材料对入射光的吸收系数足够大。在厚度W内被材料吸收的光功率可表为P0为入射光功率；

材料的吸收系数，其大小与材料性质有关，且是波长的函数。通常使用的PIN光电二级管半导体材料，在0.4～1.8μm波长范围内的吸收系数及穿透深度(1/

(λ))

。不同材料适用于不同的波长范围。当工作波长比材料的带隙波长λC=1.24/Eg(μm)长时，吸收系数急剧减小。为获得最佳的转换效率——量子效率及低的暗电流(它随带隙能量的增加按指数减小)，理想光电二极管材料的带隙能量Eg应略小于与最长工作波长相对应的光子能量。在0.85μm短波长区，Si是最优选材料，截止波长1.09μm，吸收系数a(λ)≈600cm-1，穿透深度17μm。在长波长区，Ge和InGaAs合金可选用为光电二极管材料。

P

W

P

0

1

e

W

•

光检测器吸收光功率后产生的一次光电流可表为e电子电荷；hf光子能量(hf=1.24/λeV,

λ光波长μm,h普朗克常

数)，W耗尽区宽度，Rf材料界面的菲涅尔反射系数。

ehf

(1

Rf

)P

0

1

eIP

a(

)W4.3.2

PIN的特性1.

响应度：0I

pPR0

Ip

/e量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构假设PIN光电二极管器件表面的反射率为0，且P层和N层对量子

效率的贡献忽略情况下，在工作电压下，I层全部耗尽，则PIN

光电二极管的量子效率近似表示成

1

exp

W

W1,

1但是W

增大时，产生的电子空穴对要花较长的时间才能到达结边被收集，这样又降低了光检测器的响应速度。W,

4.3.2

PIN的特性•

对于波长的限制：

c

hc

Eg•

量子效率的光谱特性取决于

半导体材料的吸收系数

0.80.60.40.21.000.70.91.11.3

1.51.770%

50%

30%

10%InGaAs

GeSi

图4-3-3

PIN光电二极管响应度R0、量子效率

与波长的关系)

0

12

00.35

rfc

耗尽层（I层）对量子效率

的贡献可以表示为

4.3.2

PIN的特性3.

响应时间及频率特性当光电二极管具有单一的时间常数

0

时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近函数

exp(t

/

0)和

exp(

t

/

，由此得到脉冲响应时间为

r

f

2.2

0

具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定，频率为

2

f

的正弦调制信号，截止频率

fcsin

td

/2

td

/2

0

4.3.2

PIN的特性由

/

0

1/

2得到由渡越时间

限制的截止频率0.42

td

vdWfc

0.42

tdW

vdtd

渡越速度，正比例于施加的电压减小耗尽层厚度在减少渡越时间从而提高截止频率

12

RtCd

的同时，又降低了量子效率。

由电路RC

时间常数限制的截止频率为

fc

其中，结电容

A

C

j

W

它和管壳分布电容

共同构成

Cd

，

t

为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和。R•

4.4

雪崩光电二极管(APD)

雪崩光电二极管是利用雪崩倍增效应而具有内增益的光电二极管，它的工作过程是：在光电二极管的P-N结上加高反向电压（一般为几十伏或几百伏），使结区产生一个很强的电场，当光激发的载流子或热激发的载流子进入结区后，在强电场的加速下获得很大的能量，与晶格原子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的电子-空穴对，新产生的电子-空穴对在向电机运动过程中又获得足够能量，再次与晶格原子碰撞，这时又产生新的电子-空穴对，这一过程不断反复，使P-N结内电流急剧增加，这种现象称为雪崩倍增。+PIP+N

4.4.2

雪崩光电二极管的结构目前常用的APD结构包括拉通型（又称通达型）APD和保护环型

APD。拉通型APD容易发生极间击穿现象，从而使区间遭到破坏；

保护环型APD是在制作时积淀一层环形的N型材料，以防止在高反

压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。图4-4-1

雪崩光电二极管的结构和能带示意图光子抗反射膜金属电极N+PP+I高场区金属电极（a）（b）E（c）光子

（a）（b）分别

是纵向剖面的结

构示意图和将纵向剖面顺时针旋转90度的示意图，图（c）是它的电场强度随位置的分布图

4.4.3

雪崩光电二极管的特性

1.

倍增因子g和平均倍增

倍增因子是APD内部的电流增益系数。倍增因子g定义

为APD雪崩放大后的输出电流IM和初始光生电流IP的比

值，即

IM

(4.4.1)雪崩倍增过程是一个随机过程，因而倍增因子g也是随机变化的。一般所称的倍增因子是指平均倍增（电流增益系数）G，即G

gg的平均值（4.4.2）4.4.3

雪崩光电二极管的特性雪崩管的G与外加的偏压有关，由图可见G随偏压的增大而增大。这个特性使雪崩管可提供适当的动态范围。当进入雪崩管的光功率较大时，可适当降低偏压使增益系数G减小。

电流增益系数G与温度有关。从

图中可以看出，同一偏压下，不

同的温度下有不同的G。温度上图4-4-2

电流增益-偏压、温度的关系

升，G下降，使输出电流变化。G还与入射光波长

有关，不同的

，G-V关系的曲线不同。

2eg

Iis

P

2e

g2

Iis

P

式中，IP为平均信号光电流。由于雪崩倍增过程中的碰撞电离的随机性，就会引入

附加的噪声，称为雪崩倍增噪声或过剩噪声。散粒噪声的均方值为2

2(4.4.3)4.4.3

雪崩光电二极管的特性

2.

倍增噪声

APD具有雪崩倍增作用，如果流过二极管的初始电流

以倍增因子g倍增，则其散粒噪声电流与PIN光电二极

管相比增加了g倍，散粒噪声电流均方值增加了g2倍，

其关系为2载流子倍增的均方值（4.4.4）写成G

F(G)。

F(G)称为倍增噪声因子，它相当

2eG

F(G)Iis

P通常将于理想光电倍增的固有噪声的过量部分。这样散粒噪声电流的均方值可写成g222

2（4.4.5）)4.4.3

雪崩光电二极管的特性

过剩噪声因子F(G不仅随平均增益G值增加，而且与材

料中的电子和空穴的电离系数有关。

2

/

：为材料中空穴的电离系数

与电子的电离系数

之比

定义：初始载流子在电场加速下，每厘米行程

中因碰撞电离而提供的二次载流子数目。

21,

4.4.3

雪崩光电二极管的特性

,

大小与材料所处的电场有关。当只有电子引起碰撞

电离时，

0,

0,F

G

；当电子、空穴都参与碰撞电

离且

F

G

G

时，

，可见要降低过剩噪声，应

尽可能只让一种载流子参与倍增或者选择

值较小的

材料做APD。对材料Si，

≈0.02，对材料Ge，

=1~1.2。所以Ge-APD的过剩噪声比Si-APD大的多。

对APD也常用过剩噪声指数

x来表征雪崩噪声的大小，定义为

（4.4.8）0

x

1

F

G

Gx

F

G

G2

G2

x又

2

F

G

G由以上分析可见，有雪崩光电二极管的雪崩增益为G时，

它的信号电流比无倍增时增大了G倍，信号功率增大了

G2倍。由式（4.4.5）可以看出噪声功率增大了G2F倍。

由于F>2，所以噪声功率增大的速率大于信号功率增大

的速率。4.4.3

雪崩光电二极管的特性3.APD响应度和量子效率

APD的响应度比PIN管提高了G倍。因为量子效率只与初始载流子数目有关，与倍增无关，所以不管PIN还是APD，量子效率总是小于1。4.

APD的线性饱和APD适宜检测微弱的光信号，当光功率为几毫瓦以上时，输出电流和入射光功率之间的线性关系就会变坏。产生非线性光电转换的主要原因是器件上的偏压不能保持恒定，

如果偏压降低，会导致雪崩区变窄，倍增因子也随之下降。非

线性光电转换将使数字信号脉冲幅度产生压缩，或使模拟信号

产生波形畸变。5.

暗电流APD的反向击穿电压值一般在数十伏到数百伏，APD的偏置电压接

近击穿电压。Si-APD偏压达到击穿电压时，暗电流一般在10μA左

右。暗电流随倍增因子G的增大而增大。6.

雪崩电压VB它与击穿电压不同，是指当雪崩光电二极管产生自持雪崩时的电压。4.4.3

雪崩光电二极管的特性

4.5

MSM光检测器用于光纤通信的金属-半导体-金属（MSM，Metal-

Semiconductor-Metal）检测器与PN结光电二极管不同，

它是另一种类型的光检测器。

硅MSM检测器平板

型器件结构如图4-5-1

所示，即在硅材料上直

接淀积叉指状金属电极，

金属电极与硅材料形成

肖特基势垒接触。图4-5-1

Si-MSM器件结构截面图（a）和俯视图（b）工作原理：

当适当波长的光入射时，硅材料价带电子吸收光子能量而跃迁到导带上去，在导带和价带之间产生光生的电子-空穴对。外加偏压下，光生的电子-空穴对在叉指电极之间电场作用下经过漂移或扩散等运动被叉指电极俘获，形成光生电流。

与PIN和APD光检测器相比，这种结构的结电容小，所以带宽大，这种器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造也容易。但是这种器件的灵敏度低，这是因为半导体材料的一部分面积被金属电极占据了，所以有源区的面积也就减小了。MSM光检测器4.6

光检测器的可靠性和注意事项4.6.1

光检测器的可靠性用菲特（fit）作单位。在电子器件中定义为一百万个小时内一千门的一次故障。在光电子器件中是以109元件-小时数的一次故障定义为1fit。检测器的退化模式为暗电流增加，量子效率下降以及电容增加等。

其中暗电流的增加为其器件退化的最主要的特征。它严重影响接收机的灵敏度。检测器的寿命规定为接收机灵敏度下降1dB时所经历的时间。

湿度对接收机器件的影响是非常严重的。它的影响主要有两个方面：一是增加表面漏电；二是发生电化学氧化使电极和结受损。4.6.2

光检测器使用中的注意事项检测器使用中应注意以下几点：（1）光电检测器是反向加压的，与光源的使用正好相反。（2）工作电压应选择最佳偏压以便得到最大的信噪比。（3）更换检测器时，应选择性能参数一致或接近的器件，以减少调试的工作量。应调整活动连接器使之处于最佳位置，从而保证接收机输出的眼图最清晰。（4）使用过程中应防止高温偏置、热循环以及管子漏气受湿度的影响。（5）防止静电击穿。第十五课太阳能电池Review

of

Solar

cell

为什么要研究太阳能

Solar

Cell的原理

Solar

Cell的材料和种类

Solar

Cell的发展方向••••

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太阳光辐射太阳是距地球最近的一颗恒星，其直径约139万公里。太阳辐射的能量来源于太阳核心的热核聚变。4个氢原子聚变成1个氦原子。对于“质子－质子”循环核聚变，反应过程的质量亏损Δm，按照爱因斯坦质能关系ΔE=ΔmC2

(C为光速)

计算，相当于25MeV的能量。太阳核心每秒大约有700亿吨氢聚变成氦，每秒释放的能量大约相当于3.9×1026焦耳。太阳表面温度约为5758K。太阳光向四周外空间辐射穿越大约1.5亿公里

(太阳与地球的平均距离)

后到达地球表面，在地表外层空间太阳光的强度约为1366

W/m2。太阳从诞生至今大约已经过了

46亿年，估计太阳寿命至少还有50亿年。39

天然气

核能

水力

石油煤炭生物风力2000-2100全球各种能源的发展趋势

其它

太阳能发热

太阳能发电太阳能电池是一种可以将太阳能转换为电能存储起来的装置。Solar

Cell的原理太阳能电能Photovoltaic

Effect

光电（伏）效应爱因斯坦本人是因为研究光电效应现象并从理论上对其做出了正确的量子解释而获得诺贝尔物理学奖.光照射在金属表面观察到有电子逸出！！光电效应

光以量子化的光子的形式存在

每个光子具有能量E=hv

固体吸收能量为E=hv之后放出相等能量的电子P区N区P-N结提供电子流通的最佳场所：PN结PN结——太阳电池的心脏扩散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

后向电极

前向电极防反射层

N型硅光子空穴电子P区N区导带价带能带图解释费米能级性能参数Pm为太阳能电池最大输出功率；AiPin为照射到电池的总辐射能影响转化效率的因素：1

太阳光的反射，反射率降低转换效率增大；2

半导体带隙，存在一个合适的能带间隙；3

光生载流子寿命，载流子的停留时间和半导体特性，以及掺杂特性、晶体缺陷以及杂质浓度等有关。太阳能电池硅太阳能电池化合物太阳

能电池

单晶

多晶

薄膜无机非PN结结构

有机

量子阱功能高分子

材料染料敏化单晶硅多晶硅

非晶硅不具有完整的金刚石晶胞,非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，也就是没有和周围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点。缺点：寿命短，光电转化效率比晶体硅低硅是地球上极丰富的一种元素，几乎遍地都有硅的存在，可说是取之不尽，用硅来制造太阳电池，原料可谓不缺。但是提炼它却不容易

硅单晶硅即原子排列得非常整齐，晶格位向完全一致，且无任何缺陷存在。多晶硅即由许多位向不同的晶格组成，且其内部还存在着多种晶体缺陷。

铸造多晶硅

带状多晶硅

薄膜多晶硅多晶硅：硅锭

——硅片——电池片——组件单晶硅：硅棒

——硅片——电池片——组件单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池的差异单晶硅太阳能电池外观单晶硅太阳能电池典型结构目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很高，限制了大量广泛和普遍使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

单晶硅太阳能电池第一代太阳能电池晶体硅太阳能电池结构和原理图

单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池

缺点：单晶硅面积小，制

造成本高。单晶硅太阳能电池结构PN结、背电极、减反射层、面电极、光栅。2005年单晶硅太阳能电池性能改善措施性能改善措施：1

采用埋层电极；2

表面钝化和绒化，降低光反射；3

密栅工艺；埋栅太阳能电池BCSC影响单晶硅电池性能因素：1

表面光反射损失；2

电池表面栅线遮光影响；3

光传导损失；4

内部和表面复合损失。4

优化背电极及接触电极技术

背面局部扩散太阳能电池PERL•

晶硅太阳电池的制作过程：①砂子还原成冶金级硅：石英砂(SiO2)在电弧炉中用C还原为Si和CO，纯度一般95-99%，杂质为Fe、Al、Ga、Mg等。②冶金级硅提纯为半导体级硅：由工业硅制成硅的卤化物(如三氯硅烷，四氯化硅)通过还原剂还原成为元素硅，最后长成棒状(或针状、块状)多晶硅。③半导体级硅转变为硅片：多晶硅经过区熔法(Fz)和坩埚直拉法(CG)制成单晶硅棒。④硅片制成太阳电池：主要包括表面准备（化学处理和表面腐蚀）、扩散制(P-N)结、去边、去除背结、制作上下电极、制作减反射膜等。⑤太阳电池封装成电池组件：将若干单体电池串、并联连接并严密封装成组件，主要有上盖板、粘接剂、底板、边框等部分。5

多晶硅薄膜电池受到广泛重视。多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池

第二代太阳能电池多晶硅太阳能电池特点：1

光电转换效率低于单晶硅电池，其光电转换效率约12％左右

；2

使用寿命比单晶硅太阳能电池短；3

和单晶硅一样没光致衰退效应；4

制作成本降低。非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池特点•

能量返回期短•

大面积自动化生产•

高温性好•

弱光响应好(充电效率高)•

存在光致衰减效应•

非晶硅太阳能电池转化效率低于晶体硅太阳能电池•

本征吸收系数大•

低成本非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世纪70年代中期开发成功；目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的10％左右。•

低成本•

晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270

m，硅片的成本就占

整个太阳电池成本的65-70%；非晶硅薄膜太阳电池的厚度

<0.5um。•

主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，

化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能

电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%）•

非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，是太阳能电池的主要

发展方向。非晶硅太阳能电池存在的问题•

效率较低•

单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为10-12%，还存在一定差距。•

相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，对于对太阳能电

池占地面积要求不高的场合尤其适用，如农村和西部地区。•

稳定性问题•

非晶硅太阳能电池的光致衰减，所谓的W-S效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%，已具备作为空间能源的基本条件。非晶硅太阳电池的市场•

大规模低成本发电站•

1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的非晶硅电站,引起光伏产业振动。•

Mass公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约5MWp的非晶硅太阳能电池。•

日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。•

德国RWESCHOOTT公司也具有30MWp年产量,全部用于建大规模太阳能电站。•

弱光下使用•

由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电，已被广泛用于太阳能钟，太阳能手表，太阳能显示牌等不直接受光照等场合下。•

与建筑相配合,建造太阳能房•非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨，又能发电;美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。序号单位名称产能备注1天津津能5MWp2哈尔滨克罗拉太阳能1MWp3深圳拓日<14深圳创益<15深圳日月潭<16北京世华筹建中7泉州筹建中中国非晶硅太阳电池产业•

目前中国已有的非晶硅太阳能电池生产线化合物太阳能电池化合物太阳能电池的特点•光电转化效率高、转换效率提高空间大。美国Tecstar公司已研制成功了用于空间的、效率达到33.4%的太阳电池

（InGaP/GaAs电池）。•材料消耗少。化合物半导体材料的带隙1.4eV

，对阳光吸收系数更大，使得这些材料适合制作薄膜电池。•化合物太阳电池的品种多，应用范围广泛。•抗辐射性好，适用于空间飞行器电源等特殊应用。砷化镓(GaAs)太阳电池砷化镓属于Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料，能隙(band

gap，又叫禁带宽度forbidden

bandwidth)为1.4eV，并且耐高温性强，最高转换效率可达30%。砷化镓系列太阳能电池包括单晶GaAs、多晶GaAs、镓铝砷-GaAs异质结、金属-半导体GaAs、金属-绝缘体-半导体GaAs、GaSb（锑化镓）、GaInP等。砷化镓(GaAs)太阳电池砷化镓(GaAs)太阳电池特点：1.

砷化镓系列太阳能电池具有很高的光发射系数和光吸收系数2.

砷化镓系列太阳能电池比硅具有更高的理论转换效率3.

较好的抗辐射性能4.

易于获得晶格匹配和光谱匹配CdTe太阳能电池CdTe太阳能电池结构示意图CdTe太阳能电池性能•光电转换效率高（27%），对可见光吸收系数大；•稳定性好，结构简单，易工业化•成本低•存在Cd毒性CdTe太阳能电池结构PN结：n-CdS/p-CdTe近空间升华法（CSS）沉积装置如图

所示。采用高纯CdTe薄片或粉料作源

,两石墨块的间距约

1～30

mm

,衬底温度

550～650

℃,源温度比衬底高

80～100

℃,反应室充

N2

,真空度为

7.

5

×102～7.

5×103Pa。再经过氧气或氯气表面钝化；硝酸、硝酸-冰乙酸等溶液择优腐蚀，获取具有绒面结构的CdTe薄膜。•••

有机太阳能电池工作原理:

有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。研究进展:

美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供0.7V的电压。特点：原料来源广泛，易成型，可大面积成膜，通过化学修饰调控性能，价格低，制备工艺简单，稳定性高。有机化合物太阳能电池2009年4月26日《nature

photonics》上的高效单结电池阳极：染料敏化半导体薄膜TiO2、阴极：镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-

色素敏化光化学太阳能电池

电池结构将纳米二氧化钛烧结在导电玻璃上，再将光敏染料镶嵌在多孔纳米二氧化钛表面形成工作电极，在工作电极和对电极（通常为担载了催化量铂或者碳的导电玻璃）之间是含有氧化还原物质对(常用I2和I-)的液体电解质，它浸入纳米二氧化钛的孔穴与光敏染料接触。工作原理在入射光的照射下，镶嵌在纳米二氧化钛表面的光敏染料吸收光子，跃迁到激发态，然后向二氧化钛的导带注入电子，染料成为氧化态的正离子，电子通过外电路形成电流到对电极，染料正离子接受电解质溶液中还原剂的电子，还原为最初染料，而电解质中的氧化剂扩散到对电极得到电子而使还原剂得到再生，形成一个完整的循环，在整个过程中，表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能。

Bach

U

,Lupo

D

,Comte

P

,

et

al

.

Nat

ure

,1998

,395

:583O’Regan

B.and

Grätzel

M.,

Nature,

1991,353,737~740

研究进展

1991年，瑞士Grätzel

M.

以较低的成本得到了>7%的光电转化效率。

1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引

起了全世界的关注。

目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿命能达

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