當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)

1、當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光子將能量提供給電子，電子將躍遷到更高的能態(tài)，在這些電子中， 作為實(shí)際使用的光電器件里可利用的電子有：（1）價(jià)帶電子；（2）自由電子或空穴（Free Carrier）；（3）存在于雜質(zhì)能級上的電子。太陽電池可利用的電子主要是價(jià)帶電子。由價(jià)帶電子得到光的能量躍遷到導(dǎo)帶的過程決定的 光的吸收稱為本征或固有吸收。太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生電子一空穴對， 在半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)附近生成的載流子沒有被復(fù)合而到達(dá)空間電荷區(qū)，受內(nèi)建電場的吸引，電子 流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結(jié)果使n區(qū)儲存了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。它們在pn 結(jié)附近形成與勢壘方向相

2、反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使p 區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。 此時(shí)，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個(gè)電流稱 作短路電流，另一方面，若將PN結(jié)兩端開路，則由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū)， 使N區(qū)的費(fèi)米能級比P區(qū)的費(fèi)米能級高，在這兩個(gè)費(fèi)米能級之間就產(chǎn)生了電位差VOC?？?以測得這個(gè)值，并稱為開路電壓。由于此時(shí)結(jié)處于正向偏置，因此，上述短路光電流和二極 管的正向電流相等，并由此可以決定VOC的值。1.2.2太陽電池的能量轉(zhuǎn)換過程太陽電池是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。它的基本構(gòu)造是由半

3、導(dǎo)體的PN結(jié)組成。此外， 異質(zhì)結(jié)、肖特基勢壘等也可以得到較好的光電轉(zhuǎn)換效率。本節(jié)以最普通的硅PN結(jié)太陽電池 為例，詳細(xì)地觀察光能轉(zhuǎn)換成電能的情況。首先研究使太陽電池工作時(shí)，在外部觀測到的特性。圖2.14表示了無光照時(shí)典型的電流電 壓特性（暗電流）。當(dāng)太陽光照射到這個(gè)太陽電池上時(shí)，將有和暗電流方向相反的光電流Iph 流過。圖2.14無光照及光照時(shí)電流一電壓特性當(dāng)給太陽電池連結(jié)負(fù)載R，并用太陽光照射時(shí)，則負(fù)載上的電流Im和電壓Vm將由圖中有 光照時(shí)的電流一電壓特性曲線與V=-IR表示的直線的交點(diǎn)來確定。此時(shí)負(fù)載上有Pout=RI2m 的*Gong*率消耗，它清楚地表明正在進(jìn)行著光電能量的轉(zhuǎn)換。通過

4、調(diào)整負(fù)載的大小，可以 在一個(gè)最佳的工作點(diǎn)上得到最大輸出*Gong*率。輸出*Gong*率（電能）與輸入*Gong*率（光 能）之比稱為太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率。NextPage下面我們把目光轉(zhuǎn)到太陽電池的內(nèi)部，詳細(xì)研究能量轉(zhuǎn)換過程。太陽電池由硅pn結(jié)構(gòu)成， 在表面及背面形成無整流特性的歐姆接觸。并假設(shè)除負(fù)載電阻R外，電路中無其它電阻成 分。當(dāng)具有hv （eV）（hvEg，Eg為硅的禁帶寬度）能量的光子照射在太陽電池上時(shí)，產(chǎn) 生電子一空穴對。由于光子的能量比硅的禁帶寬度大，因此電子被激發(fā)到比導(dǎo)帶底還高的能 級處。對于p型硅來說，少數(shù)載流子濃度np極小（一般小于105/cm），導(dǎo)帶的能級幾乎 都是空

5、的，因此電子又馬上落在導(dǎo)帶底。這時(shí)電子及空穴將總的hv - Eg （ev）的多余能量 以聲子（晶格振動）的形式傳給晶格。落到導(dǎo)帶底的電子有的向表面或結(jié)擴(kuò)散，有的在半導(dǎo) 體內(nèi)部或表面復(fù)合而消失了。但有一部分到達(dá)結(jié)的載流子，受結(jié)處的內(nèi)建電場加速而流入n 型硅中。在n型硅中，由于電子是多數(shù)載流子，流入的電子按介電馳豫時(shí)間的順序傳播， 同時(shí)為滿足n型硅內(nèi)的載流子電中性條件，與流入的電子相同數(shù)目的電子從連接n型硅的 電極流出。這時(shí)，電子失去相當(dāng)于空間電荷區(qū)的電位高度及導(dǎo)帶底和費(fèi)米能級之間電位差的 能量。設(shè)負(fù)載電阻上每秒每立方厘米流入N個(gè)電子，則加在負(fù)載電阻上的電壓V=QNr=IR 表示。由于電路中無電源

6、，電壓V=舊實(shí)際加在太陽電池的結(jié)上，即結(jié)處于正向偏置。一旦 結(jié)處于正向偏置時(shí)，二極管電流Id=I0exp(qV/nkT)-1朝著與光激發(fā)產(chǎn)生的載流子形成的光 電流Iph相反的方向流動，因而流入負(fù)載電阻的電流值為(2.39)在負(fù)載電阻上，一個(gè)電子失去一個(gè)qV的能量，即等于光子能量hv轉(zhuǎn)換成電能qV。流過負(fù) 載電阻的電子到達(dá)p型硅表面電極處，在P型硅中成為過剩載流子，于是和被掃出來的空 穴復(fù)合，形成光電流1.3太陽電池的基本特性1.3.1短路電流太陽電池的短路電流等于其光生電流。分析短路電流的最方便的方*fa*是將太陽光譜劃分成 許多段，每一段只有很窄的波長范圍，并找出每一段光譜所對應(yīng)的電流，電池

7、的總短路電流 是全部光譜段貢獻(xiàn)的總和：(2.40)式中入0 本征吸收波長限R(入)一一表面反射率F(入)一一太陽光譜中波長為ll+dl間隔內(nèi)的光子數(shù)。F (l)的值很大的程度上依賴于太陽天頂角。作為表示F (l)分布的參數(shù)是AM (AirMass)。 AM表示入射到地球大氣的太陽直射光所通過的路程長度，定義為(2.41)式中：b0標(biāo)準(zhǔn)大氣壓b測定時(shí)的大氣壓Z太陽天頂距離一般情況下，b b0，例如，AM1相當(dāng)于太陽在天頂位置時(shí)的情況，AM2相當(dāng)于太陽高度 角為30時(shí)的情況，AM0則表示在宇宙空間中的分布在實(shí)際的半導(dǎo)體表面的反射率與入射光的波長有關(guān)，一般為3050%。為防止表面的反射， 在半導(dǎo)體表

8、面制備折射率介于半導(dǎo)體和空氣折射率之間的透明薄膜層。這個(gè)薄膜層稱為減反 射膜(Antireflective coating)。設(shè)半導(dǎo)體、減反射膜、空氣的折射率分別為n2、n1、n0，減反射膜厚度為d1,則反射率R 為(2.42)式中: r1=(n0 - n1)/(n0 + n1) r2=(n1 - n2)/(n1 + n2) 0=2nn1d1/A入波長顯然，減反射膜的厚度d1為1/4波長時(shí)，R為最小。即時(shí)(入=入)(2.43)一般在太陽光譜的峰值波長處，使得R變?yōu)樽钚。源藖頉Q定d1的值。以硅電池為例，因?yàn)樵诳梢姽庵良t外光范圍內(nèi)，硅的折射率為n2 = 3.44.0， 使式(2.43)為零，則 n1 的值(，n0=1)為 1.8 n12.0。設(shè) l=4800 埃， 則600埃d1667埃，滿足這些條件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波長處， 反射率達(dá)到1%左右。由于制備了減反射膜，短路電流可以增加3040%。此外， 采用的減反射膜 SiO2 (