集成光電子器件及設計 - 光檢測器

光檢測器4.1

光檢測器4.2

光檢測器的分類4.3

PIN光電二極管4.4

雪崩光電二極管(APD)4.5

MSM光檢測器4.6

光檢測器的可靠性和注意事項

4.1

光檢測器作為光纖通信系統(tǒng)中重要的光電轉(zhuǎn)換器件，對檢測器的要求有：

高的光電轉(zhuǎn)換效率，即具有高的量子效率，即一定的入射光信號功率條件下，檢測器能輸出較大的光電流，光電流與光功率成正比。高的靈敏度也稱響應度，它是光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性的量度，即對于使用波長的光波，具有較高的靈敏度（對微弱的光信號脈沖能快速響應）。檢測過程中帶來的附加噪聲盡可能小。有足夠的帶寬，即檢測器輸出的電信號能不失真地反映出接收的光信號。穩(wěn)定、可靠、價格便宜。4.1.1

工作原理光檢測過程的工作原理主要是基于光輻射與材料相互作用所產(chǎn)生的光電效應來實現(xiàn)的。光電效應：光照射到半導體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達導帶，在導帶中出現(xiàn)光電子，在價帶中出現(xiàn)光空穴，即光電子-空穴對。總起來稱作光生載流子。負偏壓（P接負，N接正）和內(nèi)建電場的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，如圖4-1-1所示，從而在電阻R上有信號電壓輸出。這樣就實現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號變化的光電轉(zhuǎn)換作用。PN圖4-1-1

半導體材料的光電效應

外加電場方向

內(nèi)建電場方向PN耗盡層

R

電子空穴導帶底價帶頂禁帶

耗盡層圖4-1-2

P-N結(jié)及其附近的能帶分布圖4.1.1

工作原理

?

光生載流子在外加

4.1.1

工作原理當光照射在某種半導體材料制成的半導體光電二極管上時，若要有光電子-空穴對產(chǎn)生，必須滿足如下的關(guān)系h

Eg或者寫為（4.1.1）h其中，

為光子的能量，

Eg為半導體光電材料的禁帶寬度。Eg

h

hc

Eg

c

c

截止頻率截止波長（4.1.2）

（4.1.3）12344.1.2

主要工作特性

響應度

量子效率

響應時間

暗電流

R0

或0I

pP

1.

響應度

R0

2.

量子效率0

Ip

/eP

/h

通過結(jié)區(qū)的光生載流子數(shù)（光生電子-空穴對數(shù)）

入射到器件上的光子數(shù)0

e

Ph

量子效率與響應度的關(guān)系：

h

e

eh

R0

1.24R0

將頻率轉(zhuǎn)換成波長，并帶入普朗克常數(shù)及光在真空中的速度

4.1.2

主要工作特性

光電檢測器的平均輸出電流

（A/W）入射的平均光功率

Ip4.1.2

主要工作特性由以上的推導可見，在工作波長一定時，響應度與量子效率有定量的關(guān)系。響應度和量子效率都是描述器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理

量，但是他們分析的角度不同。響應度是在外部電路

中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈

現(xiàn)的微觀靈敏特性。提高量子效率的方法有：?

減小入射表面反射率；盡量減小光子在表面層被吸收的可能性；?

增加耗盡層寬度，使光子在耗盡層被充分吸收。如果采用PIN結(jié)構(gòu)，P+和N+很薄，低摻雜I區(qū)很厚，可充分在耗盡層被吸收。而耗盡層厚，光生載流子漂移到加有反偏壓的P-N結(jié)兩端的所需時間越長，漂移時間決定P-N結(jié)響應速率。因此必須折衷。4.1.2

主要工作特性3.

響應時間——半導體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信

號變化快慢的狀態(tài)。影響響應時間的因素主要有（1）從光入射光敏面到發(fā)生受激吸收的時間；（2）零場區(qū)光生載流子的擴散時間；（3）有場區(qū)光生載流子的漂移時間；（4）雪崩倍增建立時間（僅對于APD）；（5）RC時間常數(shù)。4.

暗電流Id

在理想情況下，當沒有光照射時，光電檢測器應無光電流輸出。但是實際上由于熱激勵、宇宙射線后放射性物質(zhì)的激勵，在無光的情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。

嚴格的說，暗電流還包括器件表面的漏電流。暗電流由體內(nèi)暗電流和表面暗電流組成。器件的暗電流越小越好。????

4.2

光檢測器的分類

依材料分類：直接帶隙半導體材料還是間接帶隙半導體材料

。廣為應用的探測器

材料有IV族、III-V族等半導體，而異質(zhì)結(jié)材料能夠提供透明的窗口、

完全的光學限制和優(yōu)異的導波特性。

依波段分類：紫外光波段、可見光波段、紅外波段、遠紅外波段等。紫外光波段

有SiC、GaN等探測器，可見光波段有Si、InGaN等探測器，紅外波段

有Ge、InGaAs、GaAs等探測器，遠紅外波段有TeCdHg等探測器。

依結(jié)構(gòu)分類:

肖特基勢壘光電二極管、PN光電二極管、PIN光電二極管、雪崩光

電二極管、MSM光電探測器。。

依內(nèi)部增益分類:光電探測器分為有內(nèi)部增益和無內(nèi)部增益兩大類。肖特基勢壘光電

二極管、PN光電二極管、PIN光電二極管、MSM光電探測器等沒有

內(nèi)部增益，而雪崩光電二極管有內(nèi)部增益。4.3PIN

光電二極管4.3.1

結(jié)構(gòu)及工作原理?

PIN光電二極管

——為改善PN結(jié)耗盡層只有幾

微米，長波長的穿透深度比

耗盡層寬度還大，大部分入

射光被中性區(qū)吸收，使光電

轉(zhuǎn)換效率低，響應時間長，響應速度慢的特性，在PN結(jié)中設置一層摻雜濃度很低的本征半導體（稱為I），這種結(jié)構(gòu)便是PIN光電二極管。N+

I耗盡層P+

RP+N+圖4-3-1

PIN光電二極管原理圖+PⅡ(N)+N4.3.1

結(jié)構(gòu)及工作原理Ⅱ(N)

摻雜濃度很低；P+和N+摻雜濃度很高。且I層很厚，約有

5~50μm，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進入材料內(nèi)部被充分吸

收而產(chǎn)生大量的電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率，

兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整

個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提

高了響應速度。還可以通過控制耗盡層的厚度，來改變器件的

響應速度。

圖4-3-2PIN光電二極管

結(jié)構(gòu)抗反射膜電極電極E)

(

為使入射光功率有效轉(zhuǎn)換成光電流，它須在耗盡區(qū)內(nèi)被半導體材料有效吸收，故要求耗盡區(qū)足夠厚、材料對入射光的吸收系數(shù)足夠大。在厚度W內(nèi)被材料吸收的光功率可表為P0為入射光功率；

材料的吸收系數(shù)，其大小與材料性質(zhì)有關(guān)，且是波長的函數(shù)。通常使用的PIN光電二級管半導體材料，在0.4～1.8μm波長范圍內(nèi)的吸收系數(shù)及穿透深度(1/

(λ))

。不同材料適用于不同的波長范圍。當工作波長比材料的帶隙波長λC=1.24/Eg(μm)長時，吸收系數(shù)急劇減小。為獲得最佳的轉(zhuǎn)換效率——量子效率及低的暗電流(它隨帶隙能量的增加按指數(shù)減小)，理想光電二極管材料的帶隙能量Eg應略小于與最長工作波長相對應的光子能量。在0.85μm短波長區(qū)，Si是最優(yōu)選材料，截止波長1.09μm，吸收系數(shù)a(λ)≈600cm-1，穿透深度17μm。在長波長區(qū)，Ge和InGaAs合金可選用為光電二極管材料。

P

W

P

0

1

e

W

?

光檢測器吸收光功率后產(chǎn)生的一次光電流可表為e電子電荷；hf光子能量(hf=1.24/λeV,

λ光波長μm,h普朗克常

數(shù))，W耗盡區(qū)寬度，Rf材料界面的菲涅爾反射系數(shù)。

ehf

(1

Rf

)P

0

1

eIP

a(

)W4.3.2

PIN的特性1.

響應度：0I

pPR0

Ip

/e量子效率和響應度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)假設PIN光電二極管器件表面的反射率為0，且P層和N層對量子

效率的貢獻忽略情況下，在工作電壓下，I層全部耗盡，則PIN

光電二極管的量子效率近似表示成

1

exp

W

W1,

1但是W

增大時，產(chǎn)生的電子空穴對要花較長的時間才能到達結(jié)邊被收集，這樣又降低了光檢測器的響應速度。W,

4.3.2

PIN的特性?

對于波長的限制：

c

hc

Eg?

量子效率的光譜特性取決于

半導體材料的吸收系數(shù)

0.80.60.40.21.000.70.91.11.3

1.51.770%

50%

30%

10%InGaAs

GeSi

圖4-3-3

PIN光電二極管響應度R0、量子效率

與波長的關(guān)系)

0

12

00.35

rfc

耗盡層（I層）對量子效率

的貢獻可以表示為

4.3.2

PIN的特性3.

響應時間及頻率特性當光電二極管具有單一的時間常數(shù)

0

時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近函數(shù)

exp(t

/

0)和

exp(

t

/

，由此得到脈沖響應時間為

r

f

2.2

0

具有一定時間常數(shù)的光電二極管，對于幅度一定，頻率為

2

f

的正弦調(diào)制信號，截止頻率

fcsin

td

/2

td

/2

0

4.3.2

PIN的特性由

/

0

1/

2得到由渡越時間

限制的截止頻率0.42

td

vdWfc

0.42

tdW

vdtd

渡越速度，正比例于施加的電壓減小耗盡層厚度在減少渡越時間從而提高截止頻率

12

RtCd

的同時，又降低了量子效率。

由電路RC

時間常數(shù)限制的截止頻率為

fc

其中，結(jié)電容

A

C

j

W

它和管殼分布電容

共同構(gòu)成

Cd

，

t

為光電二極管的串聯(lián)電阻和負載電阻的總和。R?

4.4

雪崩光電二極管(APD)

雪崩光電二極管是利用雪崩倍增效應而具有內(nèi)增益的光電二極管，它的工作過程是：在光電二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓（一般為幾十伏或幾百伏），使結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很強的電場，當光激發(fā)的載流子或熱激發(fā)的載流子進入結(jié)區(qū)后，在強電場的加速下獲得很大的能量，與晶格原子碰撞而使晶格原子發(fā)生電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對，新產(chǎn)生的電子-空穴對在向電機運動過程中又獲得足夠能量，再次與晶格原子碰撞，這時又產(chǎn)生新的電子-空穴對，這一過程不斷反復，使P-N結(jié)內(nèi)電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增。+PIP+N

4.4.2

雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)目前常用的APD結(jié)構(gòu)包括拉通型（又稱通達型）APD和保護環(huán)型

APD。拉通型APD容易發(fā)生極間擊穿現(xiàn)象，從而使區(qū)間遭到破壞；

保護環(huán)型APD是在制作時積淀一層環(huán)形的N型材料，以防止在高反

壓時使P-N結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。圖4-4-1

雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)和能帶示意圖光子抗反射膜金屬電極N+PP+I高場區(qū)金屬電極（a）（b）E（c）光子

（a）（b）分別

是縱向剖面的結(jié)

構(gòu)示意圖和將縱向剖面順時針旋轉(zhuǎn)90度的示意圖，圖（c）是它的電場強度隨位置的分布圖

4.4.3

雪崩光電二極管的特性

1.

倍增因子g和平均倍增

倍增因子是APD內(nèi)部的電流增益系數(shù)。倍增因子g定義

為APD雪崩放大后的輸出電流IM和初始光生電流IP的比

值，即

IM

(4.4.1)雪崩倍增過程是一個隨機過程，因而倍增因子g也是隨機變化的。一般所稱的倍增因子是指平均倍增（電流增益系數(shù)）G，即G

gg的平均值（4.4.2）4.4.3

雪崩光電二極管的特性雪崩管的G與外加的偏壓有關(guān)，由圖可見G隨偏壓的增大而增大。這個特性使雪崩管可提供適當?shù)膭討B(tài)范圍。當進入雪崩管的光功率較大時，可適當降低偏壓使增益系數(shù)G減小。

電流增益系數(shù)G與溫度有關(guān)。從

圖中可以看出，同一偏壓下，不

同的溫度下有不同的G。溫度上圖4-4-2

電流增益-偏壓、溫度的關(guān)系

升，G下降，使輸出電流變化。G還與入射光波長

有關(guān)，不同的

，G-V關(guān)系的曲線不同。

2eg

Iis

P

2e

g2

Iis

P

式中，IP為平均信號光電流。由于雪崩倍增過程中的碰撞電離的隨機性，就會引入

附加的噪聲，稱為雪崩倍增噪聲或過剩噪聲。散粒噪聲的均方值為2

2(4.4.3)4.4.3

雪崩光電二極管的特性

2.

倍增噪聲

APD具有雪崩倍增作用，如果流過二極管的初始電流

以倍增因子g倍增，則其散粒噪聲電流與PIN光電二極

管相比增加了g倍，散粒噪聲電流均方值增加了g2倍，

其關(guān)系為2載流子倍增的均方值（4.4.4）寫成G

F(G)。

F(G)稱為倍增噪聲因子，它相當

2eG

F(G)Iis

P通常將于理想光電倍增的固有噪聲的過量部分。這樣散粒噪聲電流的均方值可寫成g222

2（4.4.5）)4.4.3

雪崩光電二極管的特性

過剩噪聲因子F(G不僅隨平均增益G值增加，而且與材

料中的電子和空穴的電離系數(shù)有關(guān)。

2

/

：為材料中空穴的電離系數(shù)

與電子的電離系數(shù)

之比

定義：初始載流子在電場加速下，每厘米行程

中因碰撞電離而提供的二次載流子數(shù)目。

21,

4.4.3

雪崩光電二極管的特性

,

大小與材料所處的電場有關(guān)。當只有電子引起碰撞

電離時，

0,

0,F

G

；當電子、空穴都參與碰撞電

離且

F

G

G

時，

，可見要降低過剩噪聲，應

盡可能只讓一種載流子參與倍增或者選擇

值較小的

材料做APD。對材料Si，

≈0.02，對材料Ge，

=1~1.2。所以Ge-APD的過剩噪聲比Si-APD大的多。

對APD也常用過剩噪聲指數(shù)

x來表征雪崩噪聲的大小，定義為

（4.4.8）0

x

1

F

G

Gx

F

G

G2

G2

x又

2

F

G

G由以上分析可見，有雪崩光電二極管的雪崩增益為G時，

它的信號電流比無倍增時增大了G倍，信號功率增大了

G2倍。由式（4.4.5）可以看出噪聲功率增大了G2F倍。

由于F>2，所以噪聲功率增大的速率大于信號功率增大

的速率。4.4.3

雪崩光電二極管的特性3.APD響應度和量子效率

APD的響應度比PIN管提高了G倍。因為量子效率只與初始載流子數(shù)目有關(guān)，與倍增無關(guān)，所以不管PIN還是APD，量子效率總是小于1。4.

APD的線性飽和APD適宜檢測微弱的光信號，當光功率為幾毫瓦以上時，輸出電流和入射光功率之間的線性關(guān)系就會變壞。產(chǎn)生非線性光電轉(zhuǎn)換的主要原因是器件上的偏壓不能保持恒定，

如果偏壓降低，會導致雪崩區(qū)變窄，倍增因子也隨之下降。非

線性光電轉(zhuǎn)換將使數(shù)字信號脈沖幅度產(chǎn)生壓縮，或使模擬信號

產(chǎn)生波形畸變。5.

暗電流APD的反向擊穿電壓值一般在數(shù)十伏到數(shù)百伏，APD的偏置電壓接

近擊穿電壓。Si-APD偏壓達到擊穿電壓時，暗電流一般在10μA左

右。暗電流隨倍增因子G的增大而增大。6.

雪崩電壓VB它與擊穿電壓不同，是指當雪崩光電二極管產(chǎn)生自持雪崩時的電壓。4.4.3

雪崩光電二極管的特性

4.5

MSM光檢測器用于光纖通信的金屬-半導體-金屬（MSM，Metal-

Semiconductor-Metal）檢測器與PN結(jié)光電二極管不同，

它是另一種類型的光檢測器。

硅MSM檢測器平板

型器件結(jié)構(gòu)如圖4-5-1

所示，即在硅材料上直

接淀積叉指狀金屬電極，

金屬電極與硅材料形成

肖特基勢壘接觸。圖4-5-1

Si-MSM器件結(jié)構(gòu)截面圖（a）和俯視圖（b）工作原理：

當適當波長的光入射時，硅材料價帶電子吸收光子能量而躍遷到導帶上去，在導帶和價帶之間產(chǎn)生光生的電子-空穴對。外加偏壓下，光生的電子-空穴對在叉指電極之間電場作用下經(jīng)過漂移或擴散等運動被叉指電極俘獲，形成光生電流。

與PIN和APD光檢測器相比，這種結(jié)構(gòu)的結(jié)電容小，所以帶寬大，這種器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造也容易。但是這種器件的靈敏度低，這是因為半導體材料的一部分面積被金屬電極占據(jù)了，所以有源區(qū)的面積也就減小了。MSM光檢測器4.6

光檢測器的可靠性和注意事項4.6.1

光檢測器的可靠性用菲特（fit）作單位。在電子器件中定義為一百萬個小時內(nèi)一千門的一次故障。在光電子器件中是以109元件-小時數(shù)的一次故障定義為1fit。檢測器的退化模式為暗電流增加，量子效率下降以及電容增加等。

其中暗電流的增加為其器件退化的最主要的特征。它嚴重影響接收機的靈敏度。檢測器的壽命規(guī)定為接收機靈敏度下降1dB時所經(jīng)歷的時間。

濕度對接收機器件的影響是非常嚴重的。它的影響主要有兩個方面：一是增加表面漏電；二是發(fā)生電化學氧化使電極和結(jié)受損。4.6.2

光檢測器使用中的注意事項檢測器使用中應注意以下幾點：（1）光電檢測器是反向加壓的，與光源的使用正好相反。（2）工作電壓應選擇最佳偏壓以便得到最大的信噪比。（3）更換檢測器時，應選擇性能參數(shù)一致或接近的器件，以減少調(diào)試的工作量。應調(diào)整活動連接器使之處于最佳位置，從而保證接收機輸出的眼圖最清晰。（4）使用過程中應防止高溫偏置、熱循環(huán)以及管子漏氣受濕度的影響。（5）防止靜電擊穿。第十五課太陽能電池Review

of

Solar

cell

為什么要研究太陽能

Solar

Cell的原理

Solar

Cell的材料和種類

Solar

Cell的發(fā)展方向????

Why

Solar

Cells?Finite

fossil

fuel

supplyLess

environmental

damageNearly

infinite

supply

of

FREE

energySun

gives

us

32

x1024

joules

a

year,

cover

0.1%

of

the

Earth’ssurface

with

10%

efficient

solar

cells

would

satisfy

our

presentneeds.1.4KW/m22cal/cm2/min

Nuclear

fusion38太陽光輻射太陽是距地球最近的一顆恒星，其直徑約139萬公里。太陽輻射的能量來源于太陽核心的熱核聚變。4個氫原子聚變成1個氦原子。對于“質(zhì)子－質(zhì)子”循環(huán)核聚變，反應過程的質(zhì)量虧損Δm，按照愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系ΔE=ΔmC2

(C為光速)

計算，相當于25MeV的能量。太陽核心每秒大約有700億噸氫聚變成氦，每秒釋放的能量大約相當于3.9×1026焦耳。太陽表面溫度約為5758K。太陽光向四周外空間輻射穿越大約1.5億公里

(太陽與地球的平均距離)

后到達地球表面，在地表外層空間太陽光的強度約為1366

W/m2。太陽從誕生至今大約已經(jīng)過了

46億年，估計太陽壽命至少還有50億年。39

天然氣

核能

水力

石油煤炭生物風力2000-2100全球各種能源的發(fā)展趨勢

其它

太陽能發(fā)熱

太陽能發(fā)電太陽能電池是一種可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能存儲起來的裝置。Solar

Cell的原理太陽能電能Photovoltaic

Effect

光電（伏）效應愛因斯坦本人是因為研究光電效應現(xiàn)象并從理論上對其做出了正確的量子解釋而獲得諾貝爾物理學獎.光照射在金屬表面觀察到有電子逸出！！光電效應

光以量子化的光子的形式存在

每個光子具有能量E=hv

固體吸收能量為E=hv之后放出相等能量的電子P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)提供電子流通的最佳場所：PN結(jié)PN結(jié)——太陽電池的心臟擴散General

structure

of

Solar

Cell

Basic

structure

of

solar

cell:

Substrate：supporter

of

solar

cell

p-n

Diode：for

produce

photovoltaic

effect

Anti-reflection

layer：reduce

the

reflection

of

incident

light

and

enforce

the

photocurrent

Metal

electrode：connect

the

device

and

load????Silicon

is

shiny

gray

material,

and

it

can

reflect

the

incident

lightof

30%.

(reduce

energy

transfer

efficiency)Coating

anti-reflection

layer

(improvement:

10~15%)Surface

texturesAnti-reflection

and

substrate

Anti-reflection??????

Requirements

of

materialsBandgap

between

1.1eV

and

1.7eVDirect

bandgap

materialNon-toxic

materialsLarge

area

productionHigh

photovoltaic

conversion

efficiencyLong

term

stabilityP型硅

后向電極

前向電極防反射層

N型硅光子空穴電子P區(qū)N區(qū)導帶價帶能帶圖解釋費米能級性能參數(shù)Pm為太陽能電池最大輸出功率；AiPin為照射到電池的總輻射能影響轉(zhuǎn)化效率的因素：1

太陽光的反射，反射率降低轉(zhuǎn)換效率增大；2

半導體帶隙，存在一個合適的能帶間隙；3

光生載流子壽命，載流子的停留時間和半導體特性，以及摻雜特性、晶體缺陷以及雜質(zhì)濃度等有關(guān)。太陽能電池硅太陽能電池化合物太陽

能電池

單晶

多晶

薄膜無機非PN結(jié)結(jié)構(gòu)

有機

量子阱功能高分子

材料染料敏化單晶硅多晶硅

非晶硅不具有完整的金剛石晶胞,非晶硅是一種直接能帶半導體，它的結(jié)構(gòu)內(nèi)部有許多所謂的“懸鍵”，也就是沒有和周圍的硅原子成鍵的電子，這些電子在電場作用下就可以產(chǎn)生電流，并不需要聲子的幫助，因而非晶硅可以做得很薄，還有制作成本低的優(yōu)點。缺點：壽命短，光電轉(zhuǎn)化效率比晶體硅低硅是地球上極豐富的一種元素，幾乎遍地都有硅的存在，可說是取之不盡，用硅來制造太陽電池，原料可謂不缺。但是提煉它卻不容易

硅單晶硅即原子排列得非常整齊，晶格位向完全一致，且無任何缺陷存在。多晶硅即由許多位向不同的晶格組成，且其內(nèi)部還存在著多種晶體缺陷。

鑄造多晶硅

帶狀多晶硅

薄膜多晶硅多晶硅：硅錠

——硅片——電池片——組件單晶硅：硅棒

——硅片——電池片——組件單晶硅太陽能電池與多晶硅太陽能電池的差異單晶硅太陽能電池外觀單晶硅太陽能電池典型結(jié)構(gòu)目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達到24％，是目前所有種類的太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，但制作成本很高，限制了大量廣泛和普遍使用。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。

單晶硅太陽能電池第一代太陽能電池晶體硅太陽能電池結(jié)構(gòu)和原理圖

單晶硅太陽能電池

單晶硅太陽能電池

缺點：單晶硅面積小，制

造成本高。單晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)PN結(jié)、背電極、減反射層、面電極、光柵。2005年單晶硅太陽能電池性能改善措施性能改善措施：1

采用埋層電極；2

表面鈍化和絨化，降低光反射；3

密柵工藝；埋柵太陽能電池BCSC影響單晶硅電池性能因素：1

表面光反射損失；2

電池表面柵線遮光影響；3

光傳導損失；4

內(nèi)部和表面復合損失。4

優(yōu)化背電極及接觸電極技術(shù)

背面局部擴散太陽能電池PERL?

晶硅太陽電池的制作過程：①砂子還原成冶金級硅：石英砂(SiO2)在電弧爐中用C還原為Si和CO，純度一般95-99%，雜質(zhì)為Fe、Al、Ga、Mg等。②冶金級硅提純?yōu)榘雽w級硅：由工業(yè)硅制成硅的鹵化物(如三氯硅烷，四氯化硅)通過還原劑還原成為元素硅，最后長成棒狀(或針狀、塊狀)多晶硅。③半導體級硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杵憾嗑Ч杞?jīng)過區(qū)熔法(Fz)和坩堝直拉法(CG)制成單晶硅棒。④硅片制成太陽電池：主要包括表面準備（化學處理和表面腐蝕）、擴散制(P-N)結(jié)、去邊、去除背結(jié)、制作上下電極、制作減反射膜等。⑤太陽電池封裝成電池組件：將若干單體電池串、并聯(lián)連接并嚴密封裝成組件，主要有上蓋板、粘接劑、底板、邊框等部分。5

多晶硅薄膜電池受到廣泛重視。多晶硅太陽能電池

多晶硅太陽能電池

第二代太陽能電池多晶硅太陽能電池特點：1

光電轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅電池，其光電轉(zhuǎn)換效率約12％左右

；2

使用壽命比單晶硅太陽能電池短；3

和單晶硅一樣沒光致衰退效應；4

制作成本降低。非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池特點?

能量返回期短?

大面積自動化生產(chǎn)?

高溫性好?

弱光響應好(充電效率高)?

存在光致衰減效應?

非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率低于晶體硅太陽能電池?

本征吸收系數(shù)大?

低成本非晶硅薄膜太陽能電池由Carlson和Wronski在20世紀70年代中期開發(fā)成功；目前非晶硅薄膜太陽能電池產(chǎn)量占全球太陽能電池總量的10％左右。?

低成本?

晶體硅太陽電池的基本厚度為240-270

m，硅片的成本就占

整個太陽電池成本的65-70%；非晶硅薄膜太陽電池的厚度

<0.5um。?

主要原材料是生產(chǎn)高純多晶硅過程中使用的硅烷，這種氣體，

化學工業(yè)可大量供應，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太陽能

電池的原材料本約RMB3.5-4（效率高于6%）?

非晶硅太陽電池及其它薄膜太陽電池，是太陽能電池的主要

發(fā)展方向。非晶硅太陽能電池存在的問題?

效率較低?

單晶硅太陽能電池，單體效率為14%-17%(AMO)，而柔性基體非晶硅太陽電池組件（約1000平方厘米）的效率為10-12%，還存在一定差距。?

相同的輸出電量所需太陽能電池面積增加，對于對太陽能電

池占地面積要求不高的場合尤其適用，如農(nóng)村和西部地區(qū)。?

穩(wěn)定性問題?

非晶硅太陽能電池的光致衰減，所謂的W-S效應，是影響其大規(guī)模生產(chǎn)的重要因素。目前，柔性基體非晶硅太陽能電池穩(wěn)定效率已超過10%，已具備作為空間能源的基本條件。非晶硅太陽電池的市場?

大規(guī)模低成本發(fā)電站?

1996年美國APS公司在美國加州建了一個400千瓦的非晶硅電站,引起光伏產(chǎn)業(yè)振動。?

Mass公司(歐洲第三大太陽能系統(tǒng)公司)去年從中國進口約5MWp的非晶硅太陽能電池。?

日本CANECA公司年產(chǎn)25MWp的非晶硅太陽能電池大部分輸往歐洲建大型發(fā)電站(約每座500KWp-1000KWp)。?

德國RWESCHOOTT公司也具有30MWp年產(chǎn)量,全部用于建大規(guī)模太陽能電站。?

弱光下使用?

由于非晶硅太陽能電池在室內(nèi)弱光下也能發(fā)電，已被廣泛用于太陽能鐘，太陽能手表，太陽能顯示牌等不直接受光照等場合下。?

與建筑相配合,建造太陽能房?非晶硅太陽能電池可以制成半透明的，如作為建筑的一部分，白天既能發(fā)電又能使部分光線透過玻璃進入室內(nèi)，為室內(nèi)提供十分柔和的照明(紫外線被濾掉)能擋風雨，又能發(fā)電;美國，歐洲和日本的太陽能電池廠家已生產(chǎn)這種非晶硅瓦。序號單位名稱產(chǎn)能備注1天津津能5MWp2哈爾濱克羅拉太陽能1MWp3深圳拓日<14深圳創(chuàng)益<15深圳日月潭<16北京世華籌建中7泉州籌建中中國非晶硅太陽電池產(chǎn)業(yè)?

目前中國已有的非晶硅太陽能電池生產(chǎn)線化合物太陽能電池化合物太陽能電池的特點?光電轉(zhuǎn)化效率高、轉(zhuǎn)換效率提高空間大。美國Tecstar公司已研制成功了用于空間的、效率達到33.4%的太陽電池

（InGaP/GaAs電池）。?材料消耗少?；衔锇雽w材料的帶隙1.4eV

，對陽光吸收系數(shù)更大，使得這些材料適合制作薄膜電池。?化合物太陽電池的品種多，應用范圍廣泛。?抗輻射性好，適用于空間飛行器電源等特殊應用。砷化鎵(GaAs)太陽電池砷化鎵屬于Ⅲ-Ⅴ化合物半導體材料，能隙(band

gap，又叫禁帶寬度forbidden

bandwidth)為1.4eV，并且耐高溫性強，最高轉(zhuǎn)換效率可達30%。砷化鎵系列太陽能電池包括單晶GaAs、多晶GaAs、鎵鋁砷-GaAs異質(zhì)結(jié)、金屬-半導體GaAs、金屬-絕緣體-半導體GaAs、GaSb（銻化鎵）、GaInP等。砷化鎵(GaAs)太陽電池砷化鎵(GaAs)太陽電池特點：1.

砷化鎵系列太陽能電池具有很高的光發(fā)射系數(shù)和光吸收系數(shù)2.

砷化鎵系列太陽能電池比硅具有更高的理論轉(zhuǎn)換效率3.

較好的抗輻射性能4.

易于獲得晶格匹配和光譜匹配CdTe太陽能電池CdTe太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖CdTe太陽能電池性能?光電轉(zhuǎn)換效率高（27%），對可見光吸收系數(shù)大；?穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，易工業(yè)化?成本低?存在Cd毒性CdTe太陽能電池結(jié)構(gòu)PN結(jié)：n-CdS/p-CdTe近空間升華法（CSS）沉積裝置如圖

所示。采用高純CdTe薄片或粉料作源

,兩石墨塊的間距約

1～30

mm

,襯底溫度

550～650

℃,源溫度比襯底高

80～100

℃,反應室充

N2

,真空度為

7.

5

×102～7.

5×103Pa。再經(jīng)過氧氣或氯氣表面鈍化；硝酸、硝酸-冰乙酸等溶液擇優(yōu)腐蝕，獲取具有絨面結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜。???

有機太陽能電池工作原理:

有機半導體產(chǎn)生的電子和空穴束縛在激子(excitons)之中,電子和空穴在界面(電極和導電聚合物的結(jié)合處)上分離。研究進展:

美國加州伯克利分?？茖W家在2002年利用塑料納米技術(shù)研制出第一代塑料太陽能電池，可以安裝在一系列便攜式設備及可穿戴式電子設備上。提供0.7V的電壓。特點：原料來源廣泛，易成型，可大面積成膜，通過化學修飾調(diào)控性能，價格低，制備工藝簡單，穩(wěn)定性高。有機化合物太陽能電池2009年4月26日《nature

photonics》上的高效單結(jié)電池陽極：染料敏化半導體薄膜TiO2、陰極：鍍鉑的導電玻璃電解質(zhì)：I3-/I-

色素敏化光化學太陽能電池

電池結(jié)構(gòu)將納米二氧化鈦燒結(jié)在導電玻璃上，再將光敏染料鑲嵌在多孔納米二氧化鈦表面形成工作電極，在工作電極和對電極（通常為擔載了催化量鉑或者碳的導電玻璃）之間是含有氧化還原物質(zhì)對(常用I2和I-)的液體電解質(zhì)，它浸入納米二氧化鈦的孔穴與光敏染料接觸。工作原理在入射光的照射下，鑲嵌在納米二氧化鈦表面的光敏染料吸收光子，躍遷到激發(fā)態(tài)，然后向二氧化鈦的導帶注入電子，染料成為氧化態(tài)的正離子，電子通過外電路形成電流到對電極，染料正離子接受電解質(zhì)溶液中還原劑的電子，還原為最初染料，而電解質(zhì)中的氧化劑擴散到對電極得到電子而使還原劑得到再生，形成一個完整的循環(huán)，在整個過程中，表觀上化學物質(zhì)沒有發(fā)生變化，而光能轉(zhuǎn)化成了電能。

Bach

U

,Lupo

D

,Comte

P

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Nat

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,1998

,395

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B.and

Gr?tzel

M.,

Nature,

1991,353,737~740

研究進展

1991年，瑞士Gr?tzel

M.

以較低的成本得到了>7%的光電轉(zhuǎn)化效率。

1998年，采用固體有機空穴傳輸材料的全固態(tài)DSSCs電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達到33%，從而引

起了全世界的關(guān)注。

目前，DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10％以上，壽命能達

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