太阳电池和光电二极管

null第七章 太阳电池和光电二极管 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 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 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 7.1 半导体中的光吸收 教学要求 作业：7.1、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结的光生伏特效应 7.2 P-N结的光生伏特效应 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，（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 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 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 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 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？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 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 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）（7-7）（7-8）（7-10）7.3 太阳电池的I-V特性 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 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 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I－V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I－V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 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I－V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I－V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I－V特性方程（7-11） 5.作业： 7.4 太阳电池的效率7.4 太阳电池的效率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 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 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 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）。 作业：7.6、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 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 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 7.5 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 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=2.8m,W=20mils, =4.2s, =10ns,以及 S =100cm/s 7.5 光产生电流和收集效率 7.5 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）， 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 7.5 光产生电流和收集效率 图7-10 图7-9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 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。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 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 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 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的硅电池的简单结构 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 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 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 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 ），在 波段 上表现出较强的吸收。这样，对于光通信的低损耗波段，光吸收只发生在I层，完全消了扩散电流的影响，几微米厚的I层，就可就可以获得很高的响应度。具有良好的频率响应。 阅读：7.9.2、7.9.3 7-9 光电二极管7-9 光电二极管小结 光电二极管的工作原理：光电二极管和太阳电池一样，都是利用光生伏特效应工作的器件。与太阳电池不同之处在于，光电二极管工作时要加上反向偏压。光电二极管接受光照之后，产生与入射光强度成正比的光生电流，所以能把光信号变成电信号达到探测光信号的目的。 介绍了P-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。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成光电流。 7-9 光电二极管7-9 光电二极管教学要求 了解光电二极管的工作原理。 了解P-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。 P-I-N光电二极管中。I层的作用是什么？ 光电二极管中有哪两种电流？它们的形成机制和特点是什么？ 的双异质结光电二极管中为什么不出现扩散电流？ 7.10 光电二极管的特性参数7.10 光电二极管的特性参数7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 量子效率和响应度 1.量子效率 即单位入射光子所产生的电子空穴对数。 产生明显光电流的波长是有限制的： 长波限 由禁带宽度决定。光响应也有短波极限。 图7-25示出了一些高速光电二极管量子效率和波长关系的典型曲线。可以看到，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 到 附近，量子效率可达100%；在 到 的区域，锗光电二极管和IIIV族光电二极管（如CaLnAS）有很高的量子效率。对于更长的波长，为了获得高的量子效率，光电二极管需进行冷却（例如用液氮冷却到77K）。 （7-29）（7-30）7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 图7-25不同光电二极管量子效率和波长的关系 7.10 光电二极管的特性参数 7.10 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：高的响应 度要求有厚的 I 层 （7-31） 7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 响应速度（带宽） 定义为当交流光电流下降到低频的时的 调制频率。它也称 为3dB频率或 3dB带宽。 响应速度（带宽）主要受下列三个因素的控制： （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减小而影响响应度。 7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 （3）耗尽层电容。耗尽层太窄，会使耗尽层电容过大，从而使时间常数RC过大（这 里R是负载电阻），因此耗尽层宽度要有一个最佳选择： 它是当交流光电流下降到低频的 时的调制频率。 是耗尽层宽度， 是饱 和漂移速度， 为耗尽层渡越时间。 （7-32）式中 称为3dB频率或3dB带宽。由下式确定（7-33）7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 噪声特性 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。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。 式中 为电流强度， 为测量的频率范围即带宽。 （7-35）7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 热噪声：来自电阻值为R的电阻体发出的电磁辐射部分，由载流子无规则散射引起。热噪声的电流（均方值）为 接有输入电阻为R的放大器时的总噪声电流（均方值）为   －入射光在光吸收层中产生的光电流，即信号电流。 －暗电流。 －放大器的噪声系数和绝对温度之积，称为有效温度。 （7-36）（7-37）7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 其它的几个概念 信噪比 光电二极管的信噪比为 其中 为光电二极管的信号电流（令 ） 为在负载R两端产生的信号功率 在忽略暗电流和热噪声的情况下，光电二极管的信噪比为 （7-40）（7-39）（7-38）（7-41）7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 噪声等效功率（NEP） NEP定义为产生与探测器噪声输出大小相等的信号所需要的入射光功率。NEP标志探测器可探测的最小功率。在式（7-41）中令 ，就得到 （7-42）7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 比探测率（D） 探测率定义为 D依赖于探测器的面积和带宽 。为了排除这些影响，引入比探测率 。 探测率（ ） 是探测器的常用优值。选探测器时，一旦带宽条件选定，就应当选用 高的器件。 （7-43）（7-44）7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 小结 量子效率 即单位入射光子所产生的电子空穴对数。 产生明显光电流的波长是有限制的。长波限 由禁带宽度决定。短波限制是由于波长短的光被表面强烈吸收。 响应度：定义为短路光电流与输入光功率之比： （7-29）（7-31）7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 小结 由于量子效率和响应度都与光电流成正比，示意要求P－I－N光电二极管的I层要尽可能地宽。 响应速度（带宽）定义为当交流光电流下降到低频的时的调制频率。它也称为频率或带宽。 响应速度（带宽）主要受下列三个因素的控制：在耗尽层外边产生的载流子扩散到P-N结空间电荷区所需的时间、载流子在耗尽层内的漂移时间和耗尽层电容时间常数RC。因此耗尽层宽度要的最佳选择： 或   其它需要了解的参数。（7-32）（7-33）7.10 光电二极管的特性参数 7.10 光电二极管的特性参数 教学要求 掌握概念：量子效率、响应度、响应速度。 了解本节介绍的其它概念。 列出光电二极管与太阳电池的三个主要不同之处。