半導體器件物理：第八章 半導體太陽電池和光電二極管

1、第八章 半導體太陽能電池和光電二極管1. 太陽能： 儲量無限性（40億年）、存在普遍性、清潔性、經(jīng)濟性。2. 太陽電池： 壽命長、效率高、性能可靠、成本低、無污染等優(yōu)點。3. 太陽電池效率： 單晶硅電池24、非晶硅電池13.2、InGaAs/GaAs疊層41.4 4. 太陽電池和光電二極管基本工作原理相同，用途不同。 第八章 半導體太陽電池和光電二極管 引 言8.1 半導體中的光吸收 圖8-1 從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖圖8-3 光吸收的特性8.1 半導體中的光吸收 假設半導體被光子能量h Eg光源均勻照射，光子通量為0，則： (8-1-2)比例系數(shù)稱為吸收系數(shù)。其解為：(8-1-3)即：在

2、半導體另一端處光子通量為：(8-1-4)圖8-4 幾種半導體的吸收系數(shù)8.1 半導體中的光吸收 吸收系數(shù)是光子能量的函數(shù)。禁帶寬度為Eg的半導體的吸收截止波長為：(8-1-5)截止波長附近的吸收曲線稱為吸收邊。8.2 P-N結(jié)的光生伏特效應 教學要求：掌握概念：光生伏特效應、光電壓、光電流、短路光電流 、暗電流。掌握PN結(jié)光生伏特效應的基本過程。利用能帶圖分析光生伏特效應。 8.2.1 太陽電池的基本結(jié)構 8.2 P-N結(jié)的光生伏特效應 上電極為柵格形狀，這種結(jié)構能夠有大的曝光面積，而同時又使串聯(lián)電阻保持合理的數(shù)值。 8.2.2 P-N結(jié)的光生伏特效應 P-N結(jié)光生伏特效應是半導體吸收光能后在

3、P-N結(jié)上產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。光生伏特效應涉及到以下三個主要的物理過程：1. 半導體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子空穴對；2. 非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢場區(qū)運動，這種運動可以是擴散運動，也可以是漂移運動；3. 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。這種非均勻勢場可以是結(jié)的空間電荷區(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。 8.2 P-N結(jié)的光生伏特效應 圖 8-6 P-N結(jié)能帶圖8.2 P-N結(jié)的光生伏特效應 8.2.2 P-N結(jié)的光生伏特效應 PN結(jié)為開路狀態(tài)，光生載流子將積累于PN結(jié)兩側(cè)，這時PN結(jié)兩端測得的電位差（開路電壓）就是光生電動勢，記為Voc

4、，此時有：EFN EFP = q Voc .若PN結(jié)從外部短路，則PN結(jié)附近的光生載流子將通過這個途徑流通。這時流過太陽電池的電流叫短路電流，用IL表示。其方向從PN結(jié)內(nèi)部看是從N區(qū)指向P區(qū)的 。此時光電壓為零，能帶圖恢復為圖8-6(a). （8-2-1）8.2 P-N結(jié)的光生伏特效應 1. 設光在整個器件中被均勻吸收，短路光電流可以表示為:8.2.2 P-N結(jié)的光生伏特效應 式中GL為光生電子空穴對的產(chǎn)生率，A為P-N結(jié)的結(jié)面積，A(Ln+Lp)為半導體產(chǎn)生光生載流子的體積。由式（8-2-1）可知短路光電流IL取決于光照強度和P-N結(jié)的性質(zhì)。2. 降在負載電阻上的電壓也加在PN結(jié)上，使PN結(jié)

5、產(chǎn)生正向電流：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。（8-2-2）小結(jié)：1.半導體吸收光能后在PN結(jié)上產(chǎn)生光生電動勢的效應稱為PN結(jié)的光生伏特效應。2.如果PN結(jié)處于開路狀態(tài)，光生載流子只能積累于PN結(jié)兩側(cè)。非平衡載流子的出現(xiàn)意味著N區(qū)電子的費米能級升高，P區(qū)空穴的費米能級降低。P區(qū)和N區(qū)費米能級分開的距離就等于光生電動勢qVoc。PN結(jié)的勢壘高度將由熱平衡的q0 降低為 q(0 Voc )。如果把PN結(jié)從外部短路，會產(chǎn)生短路電流，這時非平衡載流子不再積累在PN結(jié)兩側(cè)，光電壓為零。P區(qū)和N區(qū)費米能級相等，能帶圖恢復為圖8-6(a)。一般情況下，PN結(jié)材料和

6、引線總有一定電阻，這時有電流通過時，光生載流子只有一部分積累于PN結(jié)上，使勢壘降低qV，V是電流在串聯(lián)電阻RS上產(chǎn)生的電壓降。8.2 P-N結(jié)的光生伏特效應 小結(jié)：8.2 P-N結(jié)的光生伏特效應 3.在半導體均勻吸收的情況下，短路光電流為：4.負載電阻上的電壓降加在PN結(jié)上，使PN結(jié)產(chǎn)生正向電流：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。（8-2-1）（8-2-2） 8.3 太陽電池的I-V特性 教學要求：1.畫出理想太陽電池等效電路圖，根據(jù)電池等效電路圖寫出太陽電池的IV特性方程（8-3-1）式。2.了解太陽電池的I-V特性曲線（圖8-8），解釋該曲線所包含

7、的物理意義。3.畫出實際太陽電池等效電路圖，根據(jù)等效電路圖寫出IV特性方程（8-3-6）式。 圖8-7 理想太陽電池等效電路 8.3 太陽電池的I-V特性 一、理想情況（RS = 0） （8-3-1）電流源IL為短路光電流，ID=I0（eV/VT -1)為PN 結(jié)正向電流。1. 理想太陽電池的I-V特性：（8-3-2）（8-3-3）（8-3-4）（8-3-5） 8.3 太陽電池的I-V特性 一、理想情況（RS = 0） 2. 由（8-3-1）式，可得PN結(jié)上的電壓為：3. 在開路情況下，I=0，得到開路電壓（這是太陽電池能提供的最大電壓 ）4. 在短路情況下（V=0），得到短路電流，這是太陽電

8、池能提供的最大電流。5. 太陽電池向負載提供的功率為 圖8-8 典型的太陽電池在一級氣團（AM1）光照下的I-V特性 8.3 太陽電池的I-V特性 一、理想情況（RS = 0） AM1定義為太陽在天頂以及測試器件在晴朗天空下的海平面上。在AM1條件下到達太陽電池的能量略高于100mW/cm2. 如果把器件放到大氣層外（如在衛(wèi)星上）則稱為AM0條件，此時太陽能量約為135mW/cm2. AM0和AM1的差別在于大氣對太陽光的衰減。衰減的主要原因是臭氧層對紫外光的吸收，水蒸氣對紅外光的吸收以及空氣中塵埃和懸浮物對太陽光的散射等。 圖 8-9 包括串聯(lián)電阻和分流電阻的太陽電池等效電路圖（8-3-6）

9、 8.3 太陽電池的I-V特性 二、實際情況（RS 0， RSh 0 ） 實際的太陽電池存在著串聯(lián)電阻RS和分流電阻RSh ，考慮到串聯(lián)電阻和分流電阻作用的特性，等效電路圖如圖8-9所示，I-V特性修正為（8-3-6）式。實際太陽電池的I-V特性：小結(jié)：2. 開路電壓Voc是太陽電池能提供的最大電壓，短路電流IL是太陽電池能提供的最大電流。 8.3 太陽電池的I-V特性 1. 理想太陽電池短路電流作為恒流源，負載RL上的電壓降作為正偏壓加在PN結(jié)上，構建了太陽電池的等效電路。根據(jù)等效電路寫出了太陽電池的IV特性方程。（8-3-1）4. 考慮到串聯(lián)電阻和分流電阻的太陽電池I-V特性為3. 理想太

10、陽電池向負載提供的功率為（8-3-5）（8-3-6）8.4 太陽電池的效率 教學要求： 1. 概念：轉(zhuǎn)換效率，占空因數(shù)；2. 導出太陽電池的最大輸出功率公式（8-4-7）. （8-4-1）（8-4-2）（8-4-3）8.4 太陽電池的效率 一、定義：太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉(zhuǎn)換效率。它是太陽電池的最大輸出電功率與入射光功率的百分比： 式中Pin為輸入光功率， Pm為太陽電池的最大輸出功率，即：對于理想太陽電池，根據(jù)（8-3-5）式，令 dP/dV = 0 時得最大功率條件：（8-4-6）（8-4-8）（8-4-7）8.4 太陽電池的效率 從式（8-4-3）中解出IL，再將其代入式（8

11、-3-1）得于是，太陽電池最大輸出功率為：引進占空因數(shù)FF=VmpImp / ILVoc這一概念，太陽電池的效率可寫作:二、最大輸出功率：其中，用到了從（8-4-3）式推出的關系式：小結(jié):（8-4-1）（8-4-7）（8-4-8）2. 太陽電池的最大輸出功率8.4 太陽電池的效率 1. 太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉(zhuǎn)換效率。它是太陽電池的最大輸出功率與輸入光功率的百分比：3. 引進占空因數(shù)FF這一概念，給出了太陽電池的效率公式:8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率教學要求: 1. 解例題8-1中的擴散方程，求出少子分布公式和電流分布公式（8-5-5）。2. 根據(jù)圖8-10分析電子空穴對的產(chǎn)生率與

12、光子頻率和透入深度的關系。3. 根據(jù)收集效率的理論結(jié)果（圖8-11），分析少數(shù)載流子擴散長度和吸收系數(shù)對收集效率的影響。（8-5-2a）8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率考慮通量為0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：假設每吸收一個光子產(chǎn)生一個電子空穴對，則電子空穴對的產(chǎn)生率為可見產(chǎn)生率是表面深度的函數(shù)。穩(wěn)定條件下PN結(jié)N側(cè)的空穴擴散方程為（8-5-1）一、光生電子和空穴電流：（8-5-4）（8-5-2b）（8-5-3a）（8-5-3b）類似地，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，或光子收集效率定義為：8.5

13、光產(chǎn)生電流和收集效率一、光生電子和空穴電流：二、光子收集效率：【例8-1】推導出“P在N上”結(jié)構的長P+N電池的N側(cè)內(nèi)光生少數(shù)載流子密度和電流密度的表達式，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：方程（8-5-2a）的一般解為：8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率邊界條件為： （8-5-5）從P+側(cè)流到N側(cè)的電子電流用同樣方法可以求得。 （8-5-6）將邊界條件代入一般解中，解出積分常數(shù)K1和K2，再代入一般解中，可得：8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率 圖8-10 入射光波長為和0.55 m和0.90 m 時，歸一化少數(shù)載流子的分布。器件參數(shù)為xj=2.8m，

14、W=20mil, p=4.2s, n=10ns以及S =100cm/s.8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率兩種情況下歸一化載流子分布的區(qū)別源于不同波長下吸收系數(shù)不同。根據(jù)（8-1-3）式，在短波時，由于吸收系數(shù)比較大（見圖8-4），因而光子衰減發(fā)生在近表面的一小段距離之間。也就是說，對于短的波長（550nm）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。對于較長的波長（900nm), 較小，吸收多發(fā)生在PN結(jié)的N側(cè)。 收集效率：若入射光為單色光且光子數(shù)已知，把（8-5-6）式代入（8-5-4）式，可以得到在N側(cè)每一波長的收集效率。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

15、可能地長以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質(zhì)梯度建立自建場以改進載流子的收集。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8-11 圖8-10中太陽電池的收集效率與波長的關系（wolf，1960） 小結(jié)：1. 考慮半導體吸收，電子空穴對的產(chǎn)生率為 產(chǎn)生率是表面深度和吸收系數(shù)的函數(shù)。電子空穴對的產(chǎn)生率與光子頻率和透入深度有關，在短波時，由于吸收系數(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

16、而產(chǎn)生電子空穴對。對于較長的波長，較小，因而電子-空穴對的產(chǎn)生多發(fā)生在較深處。2. 影響收集效率的主要因素是少數(shù)載流子擴散長度和吸收系數(shù)。擴散長度應盡可能地長以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質(zhì)梯度建立自建場以改進載流子的收集。吸收系數(shù)的影響是：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，Si太陽電池屬于后一種類型。（8-5-1）8.5 光產(chǎn)生電流和收集效率 8.6 影響太陽電池效率的因素 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

17、這些限制因素。圖8-12 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 一、光譜因素：只有H Eg 的光子可被吸收，故能產(chǎn)生電子空穴對的光子數(shù)=圖8-12中0.21.24/ Eg (m)的積分得到。總太陽光子數(shù)= 4.51017cm-2s-1 (AM1)，Si中可被吸收的最大光子數(shù)= 3.71017cm-2s-1 ,在GaAs中為2.51017cm-2s-1 ?？梢娊麕в〉牟牧希娮涌昭▽Φ漠a(chǎn)生率愈大。但被吸收光子能量只是部分被利用轉(zhuǎn)化為電能，其余部分以熱耗散的形式被浪費掉。一般禁帶能量愈小，在太陽光譜峰值附近浪費掉的功率就愈多。因此，常采用多結(jié)電池結(jié)構。 二、最大功率

18、考慮：太陽電池的最大輸出功率由開路電壓Voc和短路電流IL所決定。由光譜考慮，隨著Eg的增加，GL減小，因此IL減小。而理想情況下，Voc= VTln(1+IL/I0)，I0ni2 e-Eg/kT故Voc Eg，即：開路電壓隨著Eg的增加而增大， 因此Voc IL是Eg的函數(shù)，對應某一Eg值，效率會出現(xiàn)一極大值?？紤]溫度等因素的影響，在一定禁帶寬度范圍內(nèi)太陽電池會具有最佳的效率。 8.6 影響太陽電池效率的因素 圖8-13 最大轉(zhuǎn)換效率的理論值與禁帶能量之間的對應關系 三、串聯(lián)電阻的影響：串聯(lián)電阻=接觸電阻+薄層電阻。它增加內(nèi)部功率耗散并減少占空因數(shù)。分流電阻的影響不大。接觸電阻可以很小，但小

19、的薄層電阻對應于重摻雜的表面層，它會降低表面層的載流子壽命和擴散長度。因此需要對摻雜濃度和結(jié)深采取折衷。此外，小的串聯(lián)電阻要求有大的金屬化接觸面積，它限制了光吸收的面積。可以采用柵格結(jié)構，既有大的曝光面積，又使串聯(lián)電阻保持合理數(shù)值。 圖8-14 串聯(lián)電阻和分流電阻對I-V曲線的影響 8.6 影響太陽電池效率的因素 四、表面反射的影響： 可以采用抗反射層的方法，減小太陽電池的表面復合。理想的抗反射層材料折射率應為 ，n1和n2分別為空氣和半導體材料的折射率。五、聚光技術 聚光技術是用聚光器面積代替許多太陽能電池的面積，從而降低太陽能電池造價。它的另一個優(yōu)點是增加效率。聚光度每增加10倍，效率約增

20、加2%。一個電池在1000個太陽強度的聚光度下工作產(chǎn)生的輸出功率相當于1300個電池在一個太陽強度下工作的輸出功率。（閱讀：8.6.5節(jié)） 8.6 影響太陽電池效率的因素 小結(jié)：提高太陽電池效率的措施如下：1. 從太陽光譜考慮，禁帶愈窄的半導體材料可獲得更大的短路光電流；2. 禁帶愈寬的半導體材料可產(chǎn)生更大的開路電壓；3. 綜合1，2兩個因素，從獲得最大轉(zhuǎn)換效率考慮，硅和砷化鎵是制作太陽電池的上選材料；4. 減小串聯(lián)電阻，蒸鍍抗反射膜，采用聚光技術都是提高太陽電池效率的有力措施。 8.6 影響太陽電池效率的因素 8.9 光電二極管的基本結(jié)構與工作原理教學要求:1. 說明光電二極管的基本工作原理

21、。2. 指出光電二極管和太陽電池的主要異同點。3. P-I-N光電二極管的工作原理。 圖8-20 光電二極管的工作特性曲線一、PN結(jié)光電二極管工作原理：光電二極管的基本工作原理是基于反偏壓結(jié)（PN結(jié)、肖特基結(jié)、異質(zhì)結(jié)等）的少子抽取作用。光照反偏PN結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子被空間電荷區(qū)電場漂移形成反向電流。光電二極管把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強度和波長有關。光電二極管用于探測光信號。8.9 光電二極管的基本結(jié)構與工作原理圖8-21 PIN光電二極管的工作原理二、PIN結(jié)光電二極管工作原理：8.9 光電二極管的基本結(jié)構與工作原理為了提高光子收集效率，在P層和N層之間夾入一層本

22、征（或低摻雜）的I層材料，稱為PIN光電二極管。 在很高的反偏壓下， I層完全變成耗盡層，增加了耗盡層的寬度，其中的電子空穴對立刻被電場分離而形成光電流。I層之外的電子空穴對擴散到耗盡層邊緣后也被耗盡層收集。PIN光電二極管中存在漂移和擴散兩種機制的電流。 在長距離的光纖通信系統(tǒng)中多采用P-InP/I-InGaAs/N-InP的雙異質(zhì)結(jié)PIN光電二極管，InP的禁帶寬度為1.35eV，對波長大于0.92m的光不吸收。InGaAs的禁帶寬度為0.75eV（對應截止波長 1.65m），在1.31.6 m波段上表現(xiàn)出較強的吸收。幾微米厚的I層，就可以獲得很高的響應度。這樣，對于光通信的低損耗波段，光

23、吸收只發(fā)生在I層，完全消除了較慢的擴散電流的影響，具有良好的頻率響應。（自行閱讀：8.9.2、8.9.3 ）8.9 光電二極管的基本結(jié)構與工作原理二、PIN結(jié)光電二極管工作原理：三、光電二極管與太陽電池的主要異同點：1. 相同點：都是利用光生伏特效應工作的器件。2. 不同點：i用途不同；ii光電二極管工作時要加上反向偏 壓，而太陽電池不用。小結(jié)：1.光電二極管受光照后，產(chǎn)生與入射光強成正比的光生電流。光電流含有入射光的信息，所以能達到探測光信號的目的。2. PIN光電二極管的I層也叫耗盡層，起到增加耗盡層寬度的作用。在足夠高的反偏壓下，I層完全變成耗盡層，其中產(chǎn)生的電子空穴對立刻被電場分離而形

24、成光電流。3.光電二極管中有兩種電流：i 耗盡層中產(chǎn)生的電子空穴對立刻被電場分離而形成的電流，稱為漂移電流。漂移電流是快電流。ii 在I層之外擴散區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對以擴散方式向耗盡層邊緣擴散然后被耗盡層收集，稱為擴散電流。擴散電流是慢電流，影響光電二極管的頻率響應。8.9 光電二極管的基本結(jié)構與工作原理8.10 光電二極管的特性參數(shù) 教學要求:1.掌握概念：量子效率、響應度、響應速度（帶寬）、信噪比、噪聲等效功率（NEP）、 探測率、比探測率。2.影響響應速度的主要因素有哪些？如何予以綜合考慮？一、量子效率和響應度：1.量子效率量子效率定義為單位入射光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)，即：式中，Pin為

25、入射光功率，它與入射光通量0的關系為：產(chǎn)生明顯光電流的波長是有限制的，長波限c由禁帶寬度決定。光響應也有短波極限，因為波長很短時，大部分輻射在表面附近被吸收，產(chǎn)生的載流子在到達PN結(jié)被收集前就已經(jīng)被復合掉了。（8-10-1）（8-10-2）8.10 光電二極管的特性參數(shù) 圖8-26 光電二極管量子效率和波長關系 8.10 光電二極管的特性參數(shù) 在紫外和可見光區(qū)，金屬半導體光電二極管有很高的量子效率；在近紅外區(qū)，硅光電二極管（有抗反射涂層）在0.80.9 m附近，量子效率可達100%；在1.0 1.6 m的區(qū)域，鍺光電二極管和IIIV族光電二極管（如GaInAs）有很高的量子效率。對于更長的波長

26、，為了獲得高的量子效率，光電二極管需進行冷卻。2. 量子效率與波長關系3. 響應度8.10 光電二極管的特性參數(shù) 響應度表征光電二極管的轉(zhuǎn)換效率，定義為短路光電流與輸入光功率之比，意為單位入射光功率產(chǎn)生的短路電流，即：高的量子效率和響應度要求有厚的 I 層。（8-10-3）二、響應速度（帶寬）：1. 定義：交流光電流下降到低頻值時的2-1/2時的調(diào)制頻率，即為響應速度，也稱為3dB頻率或3dB帶寬。2. 影響響應速度（帶寬）的主要因素：(1) 載流子的擴散。在耗盡層外邊產(chǎn)生的載流子必須擴散到P-N結(jié)，這將引起可觀的時間延遲。為了將擴散效應減到最小，P-N結(jié)盡可能接近表面。(2) 在耗盡層內(nèi)的漂

27、移時間。這是影響帶寬的主要因素。減少耗盡層渡越時間要求耗盡層要盡可能地窄。但耗盡層太窄會使器件吸收光子的數(shù)量減小而影響響應度。(3) 耗盡層電容。耗盡層太窄，則耗盡層電容過大，從而使時間常數(shù)RC過大（R是負載電阻）。因此耗盡層寬度要有一個最佳選擇：8.10 光電二極管的特性參數(shù) 式中，f3dB是3dB頻率，W是耗盡層寬度，vs是飽和漂移速度，tr為耗盡層渡越時間。（8-10-4）（8-10-5）或者 三、噪聲特性： 1. 噪聲：噪聲是信號上附加的無規(guī)則起伏，它可使信號變得模糊甚至被淹沒。 2. 散粒噪聲：是由一個個入射光子產(chǎn)生的不均勻的或雜亂的電子空穴對引起的。也就是說是由通過器件的粒子（電子或空穴）數(shù)無規(guī)則起伏引起的。分析表明，探測器散粒噪聲電流即均方根噪聲電流由下式估算。（8-10-7）8.10 光電二極管的特性參數(shù) 式中I為電流強度，f 為測量的頻率范圍，即帶寬。3. 熱噪聲：來自電阻值為R的電阻體發(fā)出的電磁輻射部分，由載流子無規(guī)則散