半導體太陽電池和光電二極管

1、 半導體太陽電池和光電二極管半導體太陽電池和光電二極管目錄目錄 8.1半導體中的光吸收 8.2 PN結(jié)的光生伏打效應 8.3 8.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 8.4 8.4 太陽電池的效率太陽電池的效率 8.5 8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)生電流和收集效率 8.6 8.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮8.1 8.1 半導體中的光吸收半導體中的光吸收 圖圖8-1 8-1 從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖 8.1 8.1 半導體中的光吸收半導體中的光吸收 光子的波長和能量存在轉(zhuǎn)換關系：)()(24.1meVhhhcc8.1 8.1 半導

2、體中的光吸收半導體中的光吸收 若半導體被一光子能量大于禁帶寬度的光源均勻照射，光子通量為 （即以單位時間垂直通過單位面積的光子數(shù)為單位） 光子在半導體中傳播時，一部分被吸收，被吸收的光子數(shù)正比于光子通量。08.1 8.1 半導體中的光吸收半導體中的光吸收 邊界條件在x=0時， 解方程可得， 在半導體的另一端x=W處，光子通量為xxxdxxdxxx)()()()(xdxxd 0 x xex0weW08.1 8.1 半導體中的光吸收半導體中的光吸收 其中吸收系數(shù) 是光子能量的函數(shù)，下圖為吸收系數(shù)與波長 之間的關系曲線， 圖8-2 幾種半導體的吸收系數(shù)8.1 8.1 半導體中的光吸收半導體中的光吸收

3、 實驗表明，吸收系數(shù)在波長 處急劇下降，稱為截至波長， 因為當 ,即 時，能帶間的光吸收忽略不計。 cgcE24.1gEh c8.2 PN8.2 PN結(jié)的光生伏打效應結(jié)的光生伏打效應 P-N P-N結(jié)光生伏打效應就是半導體吸收光能后在結(jié)光生伏打效應就是半導體吸收光能后在P-NP-N結(jié)上產(chǎn)生光生電動結(jié)上產(chǎn)生光生電動勢的效應。勢的效應。 光生伏打效應涉及到以下三個主要的物理過程：光生伏打效應涉及到以下三個主要的物理過程： 第一、半導體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子第一、半導體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子空穴對；空穴對； 第二、非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢場區(qū)運動，這種運動第二、非平衡電子和

4、空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢場區(qū)運動，這種運動可以是擴散運動，也可以是漂移運動；這種非均勻勢場可以是可以是擴散運動，也可以是漂移運動；這種非均勻勢場可以是PNPN結(jié)的結(jié)的空間電荷區(qū)，也可以是金屬空間電荷區(qū)，也可以是金屬半導體的肖特基勢壘或異質(zhì)結(jié)勢壘等。半導體的肖特基勢壘或異質(zhì)結(jié)勢壘等。 第三、非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分第三、非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離。在離。在P P側(cè)積累了空穴，側(cè)積累了空穴，N N側(cè)積累了電子，建立起電勢差。側(cè)積累了電子，建立起電勢差。8.2 PN8.2 PN結(jié)的光生伏打效應結(jié)的光生伏打效應 圖圖 8-3 8-3 P-NP-N結(jié)

5、能帶圖：結(jié)能帶圖：（a a）無光照平衡）無光照平衡P-NP-N結(jié)，（結(jié)，（b b）光照）光照P-NP-N結(jié)開路狀態(tài)，（結(jié)開路狀態(tài)，（c c）光照）光照P-NP-N結(jié)有串聯(lián)電結(jié)有串聯(lián)電阻時的狀態(tài)阻時的狀態(tài) 。8.2 PN8.2 PN結(jié)的光生伏打效應結(jié)的光生伏打效應 對于在整個器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示 式中 為光照電子空穴對的產(chǎn)生率，A為P-N結(jié)面積， 為光生載流子的體積?？芍搪饭怆娏魅Q于光照強度和P-N結(jié)的性質(zhì)。 PnLLLLqAGILG)(pnLLA8.2 PN8.2 PN結(jié)的光生伏打效應結(jié)的光生伏打效應 光生電動勢加在PN結(jié)上，對PN結(jié)來說這是一個正偏壓，它使PN結(jié)

6、產(chǎn)生正向電流， 而光生電流相當于反向電流，故這個電流的方向與光生電流的方向正好相反，稱為暗電流，是太陽電池中的不利因素。10TVVDeII8.3 太陽電池的I-V特性 首先考慮串聯(lián)電阻 =0 的理想情況。在這種情況下，太陽電池的等效電路如圖所示。圖中電流源為短路光電流 圖8-4 太陽電池理想等效電路h LI V LR LR DI I SRLI8.3 太陽電池的I-V特性 其中， 為P-N 結(jié)正向電流，即PN結(jié)暗電流。 為P-N 結(jié)飽和電流 P-N 結(jié)的結(jié)電壓即為負載 上的電壓降V。TVVeIIIIILDL1010TVVDeII0ILR8.3 太陽電池的I-V特性 P-N結(jié)上的電壓為 在開路情況

7、下，I=0，得到開路電壓（這是太陽電池能提供的最大電壓 ）在短路情況下（V=0）， 這是太陽電池能提供的最大電流。太陽電池向負載提供的功率為 1ln0IIIVVLT01IIlVVLnTOCLII 10TVVLeVIVIIVP8.3 太陽電池的I-V特性 圖8-5 一個典型的太陽電池在一級氣團（AM1）光照下的I-V特性，AM1即 太陽在天頂時及測試器件在晴朗天空下海平面上的太陽能8.3 太陽電池的I-V特性 實際的太陽電池存在著串聯(lián)電阻和分流電阻。 圖 8-6 包括串聯(lián)電阻和分流電阻的太陽電池等效電路01STVIRVSLShVIRIIIeR8.4 太陽電池的效率 太陽電池的效率指的是太陽電池的

8、功率轉(zhuǎn)換效率。它是太陽電池的最大輸出電功率與入光功率的百分比： 式中 為輸入光功率， 為太陽電池的最大輸出功率： 對于理想太陽電池， 時得最大功率條件， %100inmPPinPmPmPmIVP 011IIeVVLVVTmPTmPmP0dVdP8.4 太陽電池的效率 可得到也可有當V= 時，對應的電流為)11ln(V0mpTmpLTVVIIV)1ln(VTmpTocmpVVVVmpVmpI8.4 太陽電池的效率 于是太陽電池最大輸出功率 引進占空因數(shù)這一概念，太陽電池的效率可為 TmPTmPVVLmpVVeIVVeIIITmP001LTmPLmPmPmPmIIVVIVIVP021%100inL

9、ocPIFFV)()(FFocLmpmpVIIV8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率 考慮通量為 的光子入射到“P在N上”的結(jié)構的表面。忽略表面反射，則吸收率正比于光通量：假設吸收每個光子產(chǎn)生一個電子空穴對，則電子空穴的產(chǎn)生率為穩(wěn)定條件下PN結(jié)N側(cè)的空穴擴散方程為 xdxxdxLeG00022 xpnonnpePPdxPdD8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率與此類似，描述結(jié)的P側(cè)電子的擴散方程為 在P-N結(jié)處每單位面積電子和空穴電流分量分別為 光子吸收效率定義為00022 xnpppnenndxndDjxxnppdxdPqDJjxxnnndxdPqDJ0qJJnpcol8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率例題： 推

10、導出P在上N長P+N電池的N側(cè)內(nèi)光生少數(shù)載流子密度和電流的表達式，假設在背面接觸處的表面復合速度為S，入射光是單色的。 P+層內(nèi)的吸收可以忽略不計。解：根據(jù)邊界條件為 代入邊界條件得， 000nnP,PxWx ,nnnopx WdPS PPDdx 8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率 從P+側(cè)流到N側(cè)的電子電流用同樣方法可以求得。ppnppWppppxpppnonLxLWLDLWSeSDLWLDLWSeLxLPPsinhcoshsinhsinhcoshcosh1220pppppWppppppppLLWLDLWSesDLWLDLWSLLqJcoshsinhsinhcosh12208.5 光產(chǎn)生電流和收集

11、效率 由于在短波（550nm）時，吸收系數(shù)比較大，大多數(shù)光子在接近表面的一個薄層內(nèi)被吸收而產(chǎn)生電子空穴對。在較長波長時（900nm）， 較小，吸收多發(fā)生在P-N結(jié)的N側(cè)。8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率圖圖8-7 8-7 入射光為入射光為 和和 的歸一化少數(shù)載流子分布。器件參的歸一化少數(shù)載流子分布。器件參數(shù)為數(shù)為 =2.8=2.8 m,W=20mils, =4.2m,W=20mils, =4.2 s, =10ns,s, =10ns,以及以及 =100cm/s=100cm/sm55. 00.90 mjxpnnS8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率 收集效率： 入射光為單色光且光子數(shù)已知，可以得到在N側(cè)每一波

12、長的收集效率。收集效率受到少數(shù)載流子擴散長度和吸收系數(shù)的影響，擴散長度應盡可能地長以收集所有光生載流子。 就吸收系數(shù)的影響來說，大的 值導致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內(nèi)的強烈收集。小的 值使光子能向深處穿透，以致太陽電池的基底在載流子的收集當中更為重要。一般的GaAs電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。 8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率 圖8-8 圖8-7中太陽電池的收集效率與波長的對應關系 col ( m) 100 80 60 40 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 20 總的收集 N 型層收集 P 型層收集 8.6 8.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 在實際的太陽電池中，多種因素限制著器件的性能，因而在太陽電池的設計中必須考慮這些限制因素。 光譜因素 圖8-9 在AM0和AM1條件下的太陽光譜及其在GaAs和中Si的能量截止點 8.6 提高太陽電池效率的考慮最大功率考慮最大功率可由開路電壓和短路電流來表示，可見， 越小 越大從而 越大。 而開路電壓 乘積會出現(xiàn)一極大值。 PnLLLLqAGIgELGLIgCEV0LocIV8.6 提高太陽電池效率的考慮 圖圖8-10 8-10 最大轉(zhuǎn)換效率的理論值與禁帶能量之間的對應關系最大轉(zhuǎn)換效率的理論值與禁帶能量之間的對應關系 8.6 提高太陽電池效率的