光子学与光电子学第6章-光电效应及应用

第6章光电效应及应用光电效应是半导体晶体材料吸收入射光子的能量后，产生电子的效应，这种现象最早是由德国物理学家赫兹在1887年研究电磁波的性质时偶然发现的，但当时人们用经典电磁理论无法对实验中得到的结果做出合理的解释。直到1905年，爱因斯坦用光量子的概念，从理论上才成功地解释了光电效应现象，因此爱因斯坦1912年获得了诺贝尔物理学奖。光电效应的主要应用是光探测器和光伏电池等。光探测器是吸收入射光子能量后把光信号转变为电信号，产生光生电流；而光伏电池是将太阳能转换为电能。光子学与光电子学1第6章光电效应及应用6.1光探测概述

6.2光探测器6.3光伏电池光子学与光电子学26.1.1光探测原理如果把光子能量大于hv的光波照射到占据低能带的电子上，则电子吸收该能量后被激励跃迁到较高的能带上。在半导体结上外加电场后，就可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流，如图6.1.1（b）所示，这就是光探测器件。在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子

空穴对，在电场的作用下，在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。光子学与光电子学3假如入射光子的能量超过禁带能量Eg，耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。光探测原理----受激吸收光子学与光电子学4在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子

空穴对在电场的作用下,分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。图6.1.2aPN结光检测原理说明光子学与光电子学56.1.2响应度和量子效率光子学与光电子学66.1.3响应带宽光子学与光电子学7光敏二极管响应带宽定义光子学与光电子学8受RC时间常数限制的带宽光子学与光电子学9上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的10%到90%所需的时间。上升时间定义光子学与光电子学106.2光探测器6.2.1PIN光敏二极管6.2.2雪崩光敏二极管6.2.3单行载流子光敏探测器

6.2.4波导探测器（WD-PD）6.2.5行波探测器（TW-PD）6.2.6肖特基结光敏探测器6.2.7紫外光探测器6.2.8光敏晶体管6.2.9光敏二极管负载线及前置放大器光子学与光电子学11光探测器光子学与光电子学12一种43Gb/sDQPSK双平衡接收机光子学与光电子学136.2.1PIN光敏二极管

1.工作原理 简单的PN结光敏二极管具有两个主要的缺点。首先，它的结电容或耗尽区电容较大，RC时间常数较大，不利于高频调制。其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽度W还大，所以大多数光子没有被耗尽层吸收，因此长波长的量子效率很低。光子学与光电子学14 为了克服PN管存在的问题，人们采用PIN光敏二极管PIN二极管与PN二极管的主要区别是，在P和N层之间加入了一个I层，作为耗尽层。I层的宽度较宽，约有5~50

m，可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。图6.2.1PIN光敏二极管光子学与光电子学15PIN光敏二极管的响应时间光子学与光电子学162.光敏二极管的响应波长光子学与光电子学17图6.2.2(a)PIN光敏二极管的波长响应曲线光子学与光电子学18图6.2.2（b）APD波长响应曲线光子学与光电子学19半导体材料的吸收系数

和穿透深度

波长比截止波长短的入射光子，当它们在半导体内传输时被吸收，所以与光子数成正比的光强在半导体内随距离的增加按指数式衰减。光强I与从半导体表面开始的距离x的关系是 （6.2.4）式中，I0是入射光的强度，

是吸收系数，它是材料的特性，与光子能量和波长有关。63%的光子吸收发生在距离1/

内，所有称1/

为穿透厚度或吸收深度

。图6.3.7表示各种半导体材料吸收系数

与波长的关系，图中也表示出各种典型半导体材料的截止波长。光子学与光电子学20图6.3.7半导体材料吸收系数

与波长

的关系光子学与光电子学21光敏二极管上截止波长和下截止波长当入射光波长太短时，光敏转换效率也会大大下降，这是因为材料对光的吸收系数是波长的函数，如图6.3.7所示。当入射波长很短时，材料对光的吸收系数变得很大，结果使大量的入射光子在光敏二极管的表面层就被吸收。而反向偏压主要是加在PN结的耗尽层里，光敏二极管的表面层里往往存在着一个零电场区域，如图6.3.5所示。在零电场区域里产生的电子-空穴对不能有效地转换成光电流，从而使光电转换效率降低。因此，用不同种类材料制作的光敏二极管对光波长的响应也不同。Si光敏二极管的波长响应范围为0.6~1.0

m，适用于短波长波段；Ge和InGaAs光敏二极管的波长响应范围为1.1~1.6

m，适应于长波长波段，各种光敏探测器的波长响应曲线如图6.2.2所示。光子学与光电子学22图6.2.3光在不同种类半导体

材料带隙中的吸收在直接带隙半导体中，吸收光子能量hv后，只要Eg≤hv

，电子从价带上就直接激发到导带上。但在间接带隙半导体中，由于价带的峰值能量与导带的低谷能量并不像图6.2.3（a）表示的直接带隙半导体材料那样直接对应，所以电子从价带峰值点跃迁到导带的低谷点所需的光子能量hv大于Eg，其能量差要有声子能量h

来填充，即hv=Eg±h

。光子学与光电子学23PIN光敏二极管的性能参数量子效率

响应度R暗电流,表示无光照时出现的反向电流，它影响接收机的信噪比;响应速度,它表示对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示;结电容(pF),它影响响应速度。光子学与光电子学246.2.2雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区。APD能提供内部增益工作速度高 已广泛应用于光通信系统中光子学与光电子学25与光敏二极管不同，APD的光敏面是N+区，紧接着是掺杂浓度逐渐加大的三个P区，分别标记为P、

和P+，如图6.2.4（a）所示。APD的这种结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，如图6.2.4（c）所示。

APD结构

光子学与光电子学26图6.2.5APD雪崩倍增原理图光生的电子

空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子

空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子

空穴对，称为二次电子

空穴对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。光子学与光电子学272.平均雪崩增益光子学与光电子学28光电混装模块照片光子学与光电子学296.2.3单行载流子光敏探测器在PIN光敏二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子。在耗尽层（吸收层）中的电子和空穴各自独立运动都会影响光响应，由于各自速度不同，电子很快掠过吸收层，而空穴则要停留很长时间，因而总的载流子迁移时间主要取决于空穴。另外，当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降，这是因为低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积，产生空间电荷效益，进一步使电位分布发生变形，从而阻碍载流子从吸收层向外运动。为此，设计了一种新结构的单行载流子光敏探测器（UTC-PD）。在这种结构中，只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。光子学与光电子学30图6.2.6电子载流子光敏探测器（UTC-PD）

（a）PIN能带结构图（b）UTC-PD能带结构图由于外加电压的作用，在收集层产生强电场，有利于光生电子从吸收层向收集层的运动。在收集层，光电流完全由从吸收层漂移扩散过来的电子产生。在吸收层，电子由于扩散阻挡层（势垒层）的阻挡，只有极少数电子越过势垒层，而空穴不能扩散形成光生电流。因此称这种探测器为单行光敏探测器。光子学与光电子学316.2.4波导光敏探测器（WG-PD）按光的入射方式，探测器可以分为:面入射光敏探测器(a),如一般的PIN,响应速度慢；边耦合光敏探测器(c)，如UTC-PD/TW-PD,效应速度快。光子学与光电子学32100GHz波导光敏探测器光子学与光电子学33在面入射光探测器中，光从正面或背面入射到探测器的光吸收层中，产生电子空穴对，并激发价带电子跃迁到导带，产生光电流，如图6.2.7(a)和(b)。所以，在面入射光探测器中，光行进方向与载流子的渡越方向平行，如一般的PIN探测器。PIN的响应速度受到PN结RC数值、I吸收层厚度和载流子渡越时间等的限制。最高光响应速率小于20Gb/s。为此提出了高速光探测器解决方案—边耦合光探测器。面入射光探测器

光子学与光电子学34在（侧）边耦合光探测器中，光行进方向与载流子的渡越方向互相垂直；很好地解决了吸收效率和电学带宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。

边耦合探测器比面入射探测器可以获得更高的3dB响应带宽。边耦合探测器分：波导型探测器（WG-PD）行波型探测器（TW-PD）。

边入射光探测器光子学与光电子学35波导探测器(WD-PD)波导探测器正好解除了PIN探测器的内量子效率和响应速度之间的制约关系;极大地改善了其性能，在一定程度上满足了光通信对高性能探测器的要求面入射光探测器的固有弱点是量子效率和响应速度相互制约；一方面可以采用减小其结面积来提高它的响应速度，但是这会降低器件的耦合效率。另一方面也可以采用减小本征层（吸收层）的厚度来提高器件的响应速度。但是这会减小光吸收长度，降低内量子效率，因此这些参数需折衷考虑。光子学与光电子学36波导探测器光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子空穴对，实现了对光信号的探测。

WG-PD的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光探测器。WG-PD的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大于10

m，而传统型探测器的吸收长度是InGaAs本征层的厚度，仅为1

m。所以WG-PD结构的内量子效率高于传统型结构PD的。另外，WG-PD还很容易与其他器件集成。但是，和面入射探测器相比，WD-PD的光耦合面积非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。可采用斜边入射分支波导结构克服。光子学与光电子学37分支波导探测器(TaperedWG-PD)

光进入折射率为n1的单模波导，当传输到n2光匹配层的下面时，由于n2>n1，所以光向多模波导匹配层偏转（见2.3.1节）;又因n3>n2，所以光就进入PD的吸收层，转入光生电子的过程。光子学与光电子学38分支波导探测器各层折射率的这种安排正好和渐变多模光纤的折射率结构相反（见图2.3.1）渐变多模光纤是把入射光局限在纤芯内传输，很容易理解，分支波导探测器就应该把光从入射波导中扩散出去。在这种波导结构中，永远不会发生全反射现象。光子学与光电子学39图6.2.9边入射平面折射波导RFUTC-PD光入射到斜面上产生折射，改变方向后到达吸收光敏区。耦合面积非常大，垂直方向和水平方向的耦合长度分别达到了9.5

m和47

m，即使在没有偏压的情况下，外部量子效率也达到了91%。在0.5V偏压下，它的响应度达到了0.96A/W。RF-PD和WG-PD相比，前者的耦合面积要远大于后者，外量子效率也要比后者高。从结构图中可以看出，器件的另外一个显著特征是光在斜面上折射后斜入射到光吸收区，增大了光吸收长度和光吸收面积，提高了内量子效率，同时分散光吸收可以增大探测器的饱和光电流。光子学与光电子学405.2.5行波探测器（TW-PD）行波探测器是在波导探测器的基础上发展起来的，它的响应不受与有源面积有关的RC常数的限制。响应主要由光的吸收系数以及光的群速度和电的相速度不匹配决定。这种器件的长度远大于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度无关，所以具有更大的响应带宽积。光子学与光电子学41串行光馈送TW-PD能克服TW-PD高速和大饱和光电流相互之间的制约。光串行馈送速度匹配周期分布式

行波探测器（VMPTW-PD）光子学与光电子学42图6.2.10光串行馈送速度匹配

周期分布式行波探测器（VMPTW-PD）串行和并行光馈送TW-PD能克服TW-PD高速和大饱和光电流相互之间的制约。光串行馈送速度匹配周期分布式TW-PD（VMPTW-PD）由一个输入光波导、多个分布在光波导上的UTC-PD和共面微带传输线组成。单个UTC-PD的带宽为116GHz，响应度为0.15A/W。光子学与光电子学43图6.2.11由4个PIN构成光并行馈送

行波阵列光探测器（TW-PD）可用的不饱和光电流变化范围直接由TW-PD内的PIN数量决定，带宽不受RC时间常数的限制。该TW-PD芯片的频率响应为：

3dB带宽为80GHz，

7dB为150GHz。响应度R=0.24A/W。4个PINPD并行构成TW-PD，输入光经过多模干涉分光器(MMI)后分成几乎相等的4份光，分别馈送到4个并行波导集成PIN光敏二极管;PIN管产生的光生电流同相复合，4个PINPD被共平面波导（CPW）微带传输线连接。光子学与光电子学44(c)多模干涉分光器（MMI）原理该TW-PD芯片设计采用模场转换器，以便实现光纤和芯片的有效耦合MMI将输入光分成4路输出光各路输出光的偏差为0.4dB附加损耗1dB极化相关损耗（PDL）为0.2dB。光子学与光电子学45(a)TW-PD的微观结构(刻蚀立体图)光子学与光电子学46TW-PD芯片刻蚀显微图

(由4个PIN并联构成)TW-PD芯片的频率响应为：

3dB带宽为80GHz

7dB为150GHz响应度R=0.24A/W。光子学与光电子学476.2.6肖特基结光敏探测器肖特基结型光敏探测器是一种由金属和半导体接触所制成的光探测器。它的光电转换基本原理与PIN光敏二极管的仍然相同，即入射光子产生电子-空穴对，电子-空穴对的流动就产生了光电流。

肖特基结光敏二极管的一个主要优点是响应时间比PN结和PIN结光探测器的快,更适合探测短波长光。

光子学与光电子学48假如金属的功函数

m比半导体的功函数

n大,当金属和N型半导体接触时，由于金属的费米能级EFm比半导体的费米能级EFn低，n型半导体内的电子便向金属内移动。图6.2.13肖特基结型光敏探测器

（a）金属和n型半导体接触前光子学与光电子学49图6.1.13（b）金属和n型半导体接触后形成势垒结果是金属一侧带负电，半导体一侧带正电，在结区形成从正电荷到负电荷的内部电场Eo，在这一区域，电子大部分已迁移到金属那边，成为电子已耗尽的高阻区，称为耗尽区。因为耗尽区的内电场将阻档电子迁移到金属，因此又称为阻挡层，即形成接触势垒，称为肖特基势垒

B，利用肖特基势垒制成的光敏探测器称为肖特基光敏探测器。在热平衡状态下,金属和半导体组成一体的费米能级必须相同，即EFm=EFn，所以两条能级线必须对齐；同时，因为

m>

n，所以相应的能带对齐时，就出现了如图6.1.12（b）所示的形状。

光子学与光电子学50图6.2.14正向偏置肖特基结

图6.2.15肖特基结型器件的I-V特性肖特基结正向偏置时，外加的偏置电压U与内建电压Uo相反，与无偏压的情况相比，内建电压减小为Uo

U，

B保持不变。因为从n型半导体注入到金属的电流与exp[

e(Uo

U)/(kBT)]有关（kB为玻尔兹曼常数），所以正向偏置时的电流I很大，且随U成指数式增长，如图6.2.15所示。光子学与光电子学51图6.2.16反偏肖特基结光敏探测器（a）金属电子跨越势垒产生暗电流（b）在耗尽区光生电子（c）肖特基结光敏探测器作为光敏二极管，肖特基结处于反偏状态，耗尽区的电场（Uo+Ur）就大些。光从金属一侧入射，当光子能量hv>Eg

，半导体的耗尽区将产生电子-空穴对（EHP），如图6.2.16（b）和（c）所示，该区的电场将把EHP分开，并使电子向半导体漂移，空穴向金属漂移。在耗尽区，电子的能量处于电子势能的斜坡，就像斜坡上的球沿斜坡向下运动一样，该电子沿势能斜坡也快速滚下。因为Ur>>Uo，所以漂移速度很快，导致这种器件的响应速度很快。光子学与光电子学52图6.2.17MSM探测器

（a）A和B两个金属电极沉淀在半导体表面，施加足够大的电压（b）指状电极肖特基结面对面连接，这就是说，不管是加正电压，还是加负电压，总有一个是反向偏置，另一个是正向偏置。光子学与光电子学53（c）A和B两个方向相反的肖特基结端对端连接在一起，无偏置时能带图对称，光生电子-空穴对不能漂移（d）偏置电压足够大，A、B的SCL连在一起，在合在一起的耗尽区完成光生电子-空穴对分开、漂移，产生光电流光子学与光电子学546.2.7紫外光探测器波长在10nm到390nm波段的光称为紫外光，它处于红外光和X射线之间。紫外光与其他光波一样，在物理学与应用光学方面具有共性，即具有波动和粒子的二象性，遵循经典的干涉、衍射公式，符合反射、折射定律等。然而，由于紫外所处波段不同，它又有自己异样的特性，例如，可识别物质真假和伪劣的荧光效应，可对水、空气和食物进行灭菌与消毒的生物灭菌效应，还可利用紫外光提高光信息存储密度和存储容量等。另外，紫外光在军事上的应用也十分广泛，如导弹紫外告警、紫外通信、紫外制导、紫外干涉和紫外成像侦察等。光子学与光电子学55图6.2.18PIN紫外光敏二极管（a）探测元的典型结构（b）光谱响应曲线紫外器件所用的半导体材料为氮化镓（GaN）、氮化铟（InN）、氮化铝（AIN）和氮镓铝（AlxGa1–xN），覆盖了从可见光到紫外光波段。GaN同质结PIN紫外探测器的典型结构和光谱响应曲线分别如图6.2.13（a）和（b）所示。光子学与光电子学566.2.8光敏晶体管光敏晶体管也称光敏晶体管，它是利用光电效应将光信号转变为电信号的半导体器件，用于汽车点火系统、微机控制系统和发动机转速测量的传感器，并广泛用于光信号检测和光信号转换电路中。光敏晶体管由两个PN结构成，是一个双结晶体管，如图6.2.19（a）所示，当光照射基极时，产生微小的基极电流，经过晶体管放大，可产生很大的集电极电流，所以，它是具有光电流增益的光敏探测器。光子学与光电子学57图6.2.19光敏晶体管在基极和集电极间的空间电荷层（SCL）入射光子被吸收，产生电子-空穴对，然后被SCL中的电场E分开，电子向集电极漂移，空穴向基极漂移。这种从集电极流向基极的初始光生电流构成了基极电流。当漂移电子到达集电极时，它被电池收集（被正电荷中和）。另一方面，当空穴进入中性的基极区时，被大量从发射极进入基极的电子中和。通常，在基极，空穴和电子的复合时间与电子漂移到基极的时间相比很长，这就是说，只有很少从发射极进入基极的电子与进入基极的光生空穴复合。于是，发射极必须注入大量的电子，以便中和在基极富余的空穴。这些电子漂移通过基极，到达集电极，从而构成放大了的光电流Iph。光子学与光电子学58外电路流动的光电流因为光子产生的最初光电流Iph0被放大了，好像晶体管的偏流被放大一样，所以在外电路流动的光电流是 （6.2.6）式中，

是晶体管的电流增益（或hFE）。光子学与光电子学59（b）扩大输出电流电路

（c）提高输出电压电路光子学与光电子学606.2.9光敏二极管负载线及前置放大器（a）光照反偏光敏二极管（b）光敏二极管的I-U特性曲线和负载线图6.2.20光敏二极管的反向偏置及其特性曲线和负载线光子学与光电子学61图6.2.21利用电流-电压变换器

直接

将光生电流转换成电压图6.2.21表示利用一个电流-电压变换器直接将光生电流转换成输出电压Uout=RfIph，以便测量微小的光生电流，反馈电阻直接决定了该电路的增益（Rf=

Uout/Iph）。光子学与光电子学62图6.2.22具有热电制冷的APD

及前置放大器

图6.2.22表示为获得高增益和高灵敏度，在商用APD中，把热电制冷器和低噪声前置放大器集成电路也封装在一起。光子学与光电子学63图6.2.23光接收机前置放大器（a）双极晶体管放大器（b）场效应晶体管(FET)放大器前置放大器的设计要求在带宽和灵敏度之间进行折中。光敏二极管产生的信号光电流在流经前置放大器的输入阻抗时，将产生信号光电压。最简单的前置放大器是双极晶体管放大器和场效应晶体管放大器

光子学与光电子学64图6.2.23光接收机前置放大器（c）高阻抗放大器（d）转移阻抗放大器使用大的负载电阻，可使光生信号电压增大，可减小热噪声和提高接收机灵敏度，因此常常使用高阻抗型前置放大器，高输入阻抗前置放大器的主要缺点是它的带宽窄。转移阻抗型前置放大器具有高灵敏度、宽频带的特性，它的动态范围比高阻抗型前置放大器的大。光子学与光电子学656.3光伏电池6.3.1光伏电池概述6.3.2光伏电池发展历史6.3.3光伏电池工作原理6.3.4光伏电池I-U特性6.3.5光伏电池的等效电路6.3.6光伏电池的并联和串联6.3.7温度对光伏电池的影响6.3.8光伏电池材料、器件和提高效率的措施6.3.9聚光太阳能电池6.3.10商用光伏电池技术指标和特性曲线光子学与光电子学666.3.1光伏电池概述光伏器件（简称光伏电池）常用于把太阳光能直接转化为电能，所以又称为太阳能电池。通常，定义光的强度为单位时间单位面积的能量流（W/m2），而光谱强度I

定义为单位波长单位面积的光强。因此I

是一小段波长范围内的光强，如果对整个光谱的光强I

积分，则可以得到太阳光整个光谱的强度I。光子学与光电子学67图6.3.1

辐射到地球表面（AM1.5）与大气层表面（AM0）的太阳能光谱强度和波长的关系图中表示三种不同入射情况太阳光的光谱强度与波长的关系，AM0为入射到大气层上的情况，AM1为垂直入射到地球表面的情况，AM1.5为斜射光线的情况，如图6.3.2所示。考虑到太阳气团、Fraunhofer吸收（氢气吸收）和太阳表面温度变化的影响，已对光谱强度进行了修正。光子学与光电子学68图6.3.2太阳光线入射角度

对光线路径长度的影响对地球大气层上光强的积分就给出垂直太阳方向的单位面积的总功率流量，称该值为太阳辐射常数（AM0），大约为1.353kW/m2。地球表面实际的光谱强度取决于大气吸收和散射的影响，以及大气成分和通过大气辐射的路径长度。这些大气的影响还与波长有关。云层增加了对太阳光的吸收和散射，因此，也就减少了入射强度。在晴朗的天气，到达地球表面的的光强约为到达大气层上光强的70%。光子学与光电子学69图6.3.3运行中的光伏电站和光伏组件地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅光伏电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅光伏电池。光伏组件是根据应用需求，将光伏电池组合成额定输出功率和输出电压的一组光伏电池。光伏组件，采用高效单晶硅或多晶硅光伏电池、高透光率钢化玻璃、抗腐蚀铝合金边框材料，使用先进的真空层压及脉冲焊接工艺制造，即使在最严酷的环境中，也能保证长的使用寿命。光子学与光电子学70光伏电池的优缺点利用太阳能的光伏电池不受资源分布地域的限制，无枯竭危险，无污染，可在用电处就近快速发电，供电系统工作可靠。但缺点是照射能量分布密度小，获得的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关，造价比较高。夜间不能发电是光伏电池的一大缺点，为此，把光伏电池当作补充电力，由于日间电力需求较大，光伏电池在日间提供服务可以让电厂电源负载更均匀，也减少电网的尖峰负载。把白天的太阳光能转成其他的能量形式加以储存，例如蓄电池、飞轮装置、压缩空气、抽蓄发电厂等，到夜间再把储存的能量释放出来。目前，光伏电池成本还较高，无法以合理成本提供大量需求。不过随着技术的进步，光伏电池的效率逐渐提高，光伏电站单位成本逐年下降，光伏电池的成本可望大幅降低。光子学与光电子学716.3.2光伏电池发展历史1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1954年美国贝尔实验室发现，在硅中掺入少量杂质后，硅对光更加敏感，第一个有实际应用价值的光伏电池于1954年诞生。太阳电池技术的时代终于到来。第一代硅光伏电池，转换效率约为18%，由于发展早，生产技术较为成熟，占应用市场约80%的份额；第二代薄膜光伏电池，已经产业化的主要有薄膜硅电池、铜铟镓硒（CIGS）电池和碲化镉碲化镉（CdTe）电池等，占应用市场约19%的份额，由于生产成本较低，预计到2015年市场占有率将超过20%；第三代光伏电池主要包括聚光和有机光伏电池等。聚光光伏组件最高转换效率达到40%，但由于技术尚不成熟，聚光光伏电池仅占市场份额的1%（见6.3.9节）。光子学与光电子学726.3.3光伏电池工作原理光伏电池是通过光电效应直接把光能转化成电能的装置。与普通光敏探测器一样，光伏电池也是利用半导体材料的光电效应，但是光敏探测器要加反向偏压，N端加正电压，P端加负电压，如图6.1.2所示，工作在光导模式；而光电池不加偏压，工作在光伏模式。光子学与光电子学73图6.3.4光伏电池有光照时吸收光子能量hv后产生电子-空穴对，电子向N区移动，空穴向P区移动当太阳光照射在半导体PN结上时，假如入射光子的能量超过半导体材料的禁带能量（也叫带隙能量）Eg，PN结每次吸收一个光子，就从价带（VB）上激发一个电子到导带（CB）上，从而产生一个电子-空穴对，在P-N结内部电场的作用下，电子由P区流向N区，空穴由N区流向P区，如图6.3.4（b）和图6.3.5（a）所示。光子学与光电子学74图6.3.5光伏电池的工作原理在耗尽区产生的电子-空穴对，立即被内部建立的电场Eo分开，电子漂移到N区，于是，由于大量电子在N区的堆积而变负；与此类似，空穴漂移到P区，使P区变正。这样使P区的电势高于N区的电势，在PN结外部产生的电场Uoc正好和内部电场Eo的方向相反，相当于在PN结上加了正向偏压，这一正向偏压就会引起PN结的正向电流，这一电流的方向正好与漂移光生电流的方向相反。如果外接一个负载电阻，则N区的过剩电子就通过外部电路做功后，到达P区，与P区的过剩空穴复合。光子学与光电子学75（a）典型的光伏电池PN结

光子学与光电子学76图6.3.6在距离（体积）Lh+W+Le内光生电子的漂移产生光生电流Iph，图上方也表示出光生电子-空穴对与距离的关系，

是给定波长的吸收系数在扩散长度Lh内光生的空穴可以到达耗尽区，然后在内部电场的作用下漂移到P区。因此，贡献给光伏效应的光生电子-空穴对的总距离（体积）是Lh+W+Le。如果使光伏器件的电极短路，如图6.3.6所示，N侧的过剩电子可以通过外电路流到P侧，与P侧的过剩空穴中和。这种由于光生电子的流动产生的电流就叫做光生电流。光子学与光电子学77结区内部电场Eo

的建立P型半导体和N型半导体接触处会形成PN结，在热平衡状态下，N侧的电子和P侧的空穴是多数载流子，而N侧的空穴和P侧的电子则是少数载流子。在PN结中，由于结区两边的载流子浓度不同，便引发载流子扩散，P区的空穴扩散进PN结的N侧，而N区的电子也扩散进PN结的P侧，如图6.3.5（b）所示，结果在结区形成了一个由N区指向P区的内建电场Eo。光子学与光电子学78图6.3.7半导体材料吸收系数

与波长

的关系任何一种材料制作的光伏电池都有上截止波长[见式（6.2.3）]。但是，当入射光波长太短（频率太高）时，光电转换效率也会大大下降，这是因为材料对光的吸收系数是波长的函数，如图6.3.7所示。当入射波长很短时，材料对光的吸收系数变得很大，结果使大量的入射光子在光伏电池的表面层里被吸收。光子学与光电子学796.3.4光伏电池I-U特性 I-U特性很重要：从特性曲线可以得到工作点，它是负载线与光伏电池特性曲线的交点；从工作点，可以求得光伏电池的工作电流和工作电压；输送给负载的功率是工作电流I和工作电压U坐标围起来的矩形面积。光子学与光电子学80图6.3.8入射光使光伏电池产生光生电流（a）对正向电压和正向电流的定义（b）短路的光伏电池，短路电流Isc等于光生电流Iph

（c）开路时（d）接负载的光伏电池光子学与光电子学81光伏电池的短路电流考虑一个理想的PN结光伏器件连接一个负载电阻的情况，如果负载是一个短路电路，此时电路中只有入射光产生的电流，如图6.3.8（b）所示，称该电流为光电流Iph

，其大小取决于光生的电子-空穴对数量（见图6.3.5）。光照越强，产生的光子数就越多，光电流Iph也就越大。假如光强是ILi，那么短路电流是

(6.3.6)式中，K是与器件有关的常数，由式（6.3.6）可见，光电流与光强成正比，而与PN结电压U无关，因为总是有一些内部电场Eo使光生电子-空穴对漂移（见图6.3.5）。因此，即使器件两端没有电压，也有光电流在流动。

光子学与光电子学82图6.3.9光照时光伏电池I-U曲线

通过光伏电池的总电流是光伏电池典型的I-U特性曲线，如图6.3.9所示，它工作在第四象限，由图可见，它对应一条正常二极管的暗电流Id特性曲线和向下移动一定距离的两条光电流Iph特性曲线，光电流曲线移动的距离则取决于光强（光生电流与输入光强成正比）。光伏电池开路输出电压Uoc（I=0）由I-U曲线与电压轴交会点决定。光子学与光电子学83图6.3.10光伏电池的伏安特性负载线是一条直线，斜率是–1/R

，负载线与光伏电池特性曲线的交点是P点，代表了光伏电池电路的工作点，由P点可求得电路的工作电流Iop和工作电压Uop。输送给负载的功率是它是图6.3.10（b）中的两条虚线和电流I、电压U坐标围起来的矩形面积。当Iop

=Im，Uop=Um时，矩形面积最大，送给负载的功率也最大，这可以通过改变负载和照射强度来实现。

光子学与光电子学84填充因子FF（FillFactor）因为最大可能的电流是短路电流Isc，而最大可能的电压是开路电压Uoc，因此数值Isc

Uoc代表了给定光伏电池送给负载所希望的目标功率。因此，把ImUm与Isc

Uoc比较是有用的，定义填充因子FF（FillFactor）为送给负载的最大功率与目标功率之比（6.3.11）它是衡量光伏电池优劣的指数。由式（6.3.11）可知，FF应尽可能接近1，但是，PN结产生电子-空穴对的指数特性（见图6.3.6）使FF

1很困难，通常该值只有70～85%，其大小由器件材料和结构决定。

光子学与光电子学856.3.5光伏电池的等效电路

图6.3.11实际的光伏电池，存在串联电阻Rs和并联电阻Rp光子学与光电子学86图6.3.12光伏电池的等效电路在理想的PN结光伏电池的等效电路中，光生电流过程用一个恒流源发生器Iph表示，光生电流Iph与入射的光强成正比。光生载流子通过PN结的流动在PN结产生了光伏电压差U，该电压又导致如式（6.3.7）表示的正向偏置二极管暗电流Id的产生。显然，光生电流Iph与暗电流Id流动方向相反，因此，开路时（不接负载）光伏电压使Iph和Id幅度相等，而相互抵消。光子学与光电子学87b）

实际的光伏电池光伏电池的等效电路可以表示为一个光生电流源Iph并联一个二极管和一个分流电阻Rp、一个串联电阻Rs。Rs表示由于电池衬底材料及其金属导线和接触点中存在的材料缺陷和欧姆接触产生的损耗。串联电阻Rs是一个关键参数，因为它限制了光伏电池的最大可用功率Pmax和短路电流Isc，在理想情况下，串联电阻应该为零。并联电阻Rp表示由于沿电池边缘的表面漏电或晶格缺陷造成的损耗，在理想情况下，并联电阻应该为无穷大。光子学与光电子学88图6.3.13串联电阻展宽了光伏电池I-U特性曲线的弯曲部分，减小了最大可用功率和效率光伏电池的性能主要由串联电阻Rs决定，如图6.3.13所示，图中Rs=0是光伏电池最好的情况。由图显见，串联电阻减小了可用的最大功率，因此也就减小了电池的效率。另外，当Rs足够大时，它限制了电池电路的短路电流。虽然Rs没有影响开路电压Uoc

，但小的Rp导致Uoc也减小了。光子学与光电子学896.3.6光伏电池的并联和串联要求光伏电池提供最大的电功率输出，除要求选择最佳的负载电阻外，还要串联或（和）并联多个单片光伏电池。单片光电池的输出很低，输出电流很小，所以必须把它们组装成光电池组，才能作为电源使用。又因为在一定的光照下，单片光电池的开路电压是定值，与光电池的面积无关；而光电流则与光电池面积成正比，所以可串联光电池以提高输出电压，并联光电池以提高输出电流。光子学与光电子学90图6.3.14单个光伏电池和两个光伏电池并联时的I-U特性和P-I特性电池并联后串联电阻Rs减小了一半，光生电流Iph却加倍了，二极管的反向饱和电流Io也加倍了。这是显然可见的，因为并联后器件总面积加倍了。图6.3.14给出器件的I-U特性和P-I特性，同时也画出负载线和工作点。当工作电流I

16mA，工作电压U

0.27V时，输出功率最大，P=4.4mW（UI=0.27

16mW），此时的负载RL必须是17

（U/I=0.27/0.016

）。很清楚，电池并联后增加了可用的电流，而且减小了要驱动的负载电阻。光子学与光电子学91图6.3.15两个相同的光伏电池并联在一起共同驱动一个负载电阻的等效电路在同样的光照情况下，共同驱动一个负载电阻RL的等效电路，现在I和U是两个器件并联后构成系统的总电流和电压。单个电池的二极管电压是Ud–Rs（I/2），于是单个电池供给负载的电流和负载总电流分别是式（6.3.14）。光子学与光电子学92图6.3.16光伏电池的级（串）联使用两个或多个光伏电池级（串）联，可以增加吸收入射光子的能力。第一个电池由宽带隙材料制成，只吸收光子能量大于Eg1的光子（hv>Eg1

）；第二个电池吸收通过电池1进入电池2且光子能量大于Eg2的光子（hv>Eg2

）。使用晶格匹配的晶体层在单个晶体上生长整个单片集成的级联器件。光子学与光电子学93图6.3.17两个光伏电池串联的特性曲线考虑用两个相同的光伏电池片串联，与并联时的一样，Io=25

10–6

mA，n=1.5，Rs=20

，假如受到相同的光照，Iph=10mA。两个电池串联后，开路电压Uoc是1V，短路电流Isc将与光生电流Iph相同，且Iph1=Iph2=10mA，由负载线得到工作电流约为8mA，工作电压为0.55V，最大输出功率将是4.4mW（UI=0.55

8），该功率将需要约34

的负载，[U/I=0.55/(8

10–3)]。

光子学与光电子学94图6.3.18提高光伏电池输出功率的

两种组装方式（a）单片光电池分组串联后再并联（b）单片光电池分组并联后再串联光子学与光电子学956.3.7温度对光伏电池的影响光伏电池的输出电压和效率随温度的下降而增加，因此它最好是工作在低温下。如果假定电池的吸收特性不变，光生电流Iph也保持不变，则光伏电池的效率至少也要降低14%。另外，在强光照射或聚光照射下，必须要考虑光电池的工作温度和散热措施。如果光电池结温太高，例如硒光电池的结温超过50oC，硅光电池的结温超过200oC，就会破坏它们的晶体结构，造成损坏。因此，通常硅光电池使用温度不允许超过125

oC。光子学与光电子学966.3.8光伏电池材料、器件和

提高效率的措施光伏电池的转换效率是最重要的参数，它是与其他能量转换器件进行经济评价的最重要指标。光伏电池的效率是指入射的太阳光能量有多少转换成电能。对于某地的太阳光谱，该转换效率取决于半导体材料的特性和器件结构。大多数光伏电池是硅光电池，因为硅半导体材料制造技术现在已经成熟，可以制造出成本效率高的器件。典型的硅光伏电池的效率，多晶硅器件约为18%，单晶硅器件约为22~24%。光子学与光电子学97图6.3.19计算高效率的硅光电池中的各种损耗当有100%的光能入射到电池表面时，首先约有26%的光伏被浪费了，因为光子没有足够的能量来产生电子-空穴对。接着在太阳光谱的低端，短波长高能量光子在晶体表面被吸收后，光生电子-空穴对因再复合而丢失，因此引起41%的能量损失。另外，电池必须尽可能多的吸收有用光子，这种光子收集效率取决于器件结构，通常有5%的损失。最大的电输出功率用电池开路电压Uoc和优劣指数FF衡量，分别也有40%和15%的损失。其结果是所谓高效硅光电池的整个效率也只有21%。光子学与光电子学98光伏电池的材料多晶硅，由于多晶硅材料多以浇铸代替了单晶硅的拉制过程，因而生产时间缩短，制造成本大幅度降低。单晶硅，呈圆柱状，用它制作的光伏电池也是圆片，因而组成光伏组件后平面利用率较低。与单晶硅光伏电池相比，多晶硅光伏电池就显得具有一定竞争优势。非晶体硅，用有机半导体为原料制成的一种新型薄膜电池。用它制作的光伏电池厚度只有1微米，相当于单晶硅光伏电池的1/300。它的工艺制造过程与单晶硅和多晶硅相比大大简化，但非晶硅的禁带能量宽度大约为1.7eV，比结晶硅的1.1eV要大得多，因此非晶硅可吸收光的波长局限于700

m以下。另外，非晶硅还存在光致劣化问题，即它受到光的持续照射后，由于材料缺陷增加，致使电池转换效率下降了20%。

光子学与光电子学99光伏器件结构同质结光伏电池，在同一块晶体上制作PN结的光伏电池，最好的硅同质结单晶硅光伏是一种钝化反射后部本地漂移结构，如图6.3.20所示。异质结光伏电池，由不同材料构成的PN结光伏电池，如在GaAs

材料PN结上，涂覆一层很薄的AlGaAs材料作为窗口层，可克服表面光生电子-空穴对再复合的局限性，从而也就提高了电池的效率，这种结构的电池具有约24%的效率。光子学与光电子学100图6.3.20倒立角锥结构光伏电池表面可以显著地减小反射损耗和增加器件的光子吸收概率它有一种刻蚀进晶体表面的倒立角锥（倒金字塔）结构阵列表面，以便尽可能多地捕获入射光。从平坦晶体表面的正常反射导致光能损失，但是这种角锥结构的内部反射提供光子的第二次甚至第三次吸收。再说，反射后的光子可能以倾斜的角度进入半导体材料，这就是说，它们将在有利于在光生电子体积内（Le）被吸收。光子学与光电子学101图6.3.21

同质结

光伏电池结构

在钝化的GaAs表面涂覆一层AlGaAs窗口

使短波长光生电子空穴效率提高在同一块晶体上制作PN结的光伏电池叫同质结光伏电池。光子学与光电子学102图6.3.22

异质结光伏电池结构可以充分吸收不同波长太阳光的光子

使效率提高N区是AlGaAs材料，P区是GaAs材料，N区的带隙（Eg=2eV）比P区的（Eg=1.4eV）大。能量大于2eV的光子（hv>2eV）在N区被吸收；能量小于2eV而大于1.4eV的光子（1.4eV<hv<2eV）在P区被吸收。这样就可以充分吸收不同波长太阳光的光子使效率提高。光子学与光电子学103图6.3.23光电池级联可以提高入射太阳光光谱的利用率和转换效率

a）2个异质结电池的级联第1个电池由宽带隙材料制成，只吸收hv>Eg1的光子；第2个电池吸收穿过第1个电池、能量hv>Eg2的光子。2个电池采用很薄的隧道结连在一起。光子学与光电子学104最有效的级联是3个电池级联,在Ge衬底上生长，每个电池都是PN结。使用2个隧道结将3个电池联在一起。第1个PN结中的材料为GaInP2，吸收640nm的入射光；第2