太阳电池和光电二极管.ppt

第八章 太阳电池和光电二极管,有人统计,全球已探明的石油储量只能用到2020年左右，天然气能用到2040年左右，煤炭只能维持200-300年。如不尽快解决化石能源的替代能源，人类迟早会面临化石能源枯竭的危机局面。因此，人们很早就开始重视太阳能的开发和利用。太阳能具有储量无限性（40亿年）、存在普遍性、清洁性、经济性。到目前为止，使用太阳能还没有收税，一次性投入不再花钱。,第八章 太阳电池和光电二极管,半导体太阳电池,直接把太阳能转换成电能器件。利用各种势垒的光生伏打效应，也称光生伏打电池，简称光电池。1839年，光生伏打效应首先是贝克勒尔（Becquerel）在电解槽中发现。1883年，弗里茨（Fritts）首次用硒制造光生伏打电池。1941年，奥勒（Ohl）制作出了单晶硅光电池。1954年，贝尔实验室制作出第一个实用的硅太阳能电池。,第八章 太阳电池和光电二极管,太阳电池直接把太阳能转换成电能。太阳电池具有寿命长、效率高、性能可靠、成本低、无污染等优点。单晶硅太阳电池效率已达到近24%，非晶硅电池达13.2%，InGaPAs/GaAs叠层电池已达到30.28%。光电二极管和太阳电池基本工作原理相同，用于检测各种光辐射信号，一种重要的光探测器。,8.1 半导体中的光吸收,第八章 太阳电池和光电二极管,P250图8-2，半导体受到光照射，光子可能被吸收。若光子的能量等于禁带宽带，则价带电子吸收光子跃迁到导带；若光子的能量大于禁带宽带，除产生电子空穴对外，多余能量将以热的形式耗散掉；若光子的能量小于禁带宽带，只有当禁带内存在合适杂质或物理缺陷引起的能态时，光子才会被吸收。,8.1 半导体中的光吸收,图7-1 从紫外区到红外区的电磁波谱图,人眼检测光波长范围,8.1 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。（P252图8-3)光子在半导体中传播，距表面x处,单位时间单位距离上被吸收的光子数应正比于该处的光子通量 吸收系数 光子能量的函数。光吸收在截止波长处急降。,（7-1）,（7-2）,（7-4）,8.1 半导体中的光吸收,图7-4 几种半导体的吸收系数,吸收系数光吸收在截止波长处急降,能带间光吸收可略,8.1 半导体中的光吸收,教学要求作业：8.1、8.3,8.2 P-N结的光生伏打效应,第八章 太阳电池和光电二极管,P251图8-5 太阳电池的结构背面接触一般采用大面积蒸镀金属形成欧姆接触，以减小串联电阻；正面电极，既要减小接触电阻，又要尽量减少对阳光的遮挡，故常做成栅格形状。为了减少光反射，光照面上蒸镀一层薄介质膜，称增透膜或减反射膜。,8.2 P-N结的光生伏打效应,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。光生伏打效应涉及三个主要物理过程第一、半导体材料吸收光能产生非平衡电子-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。非均匀势场可以是PN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。,8.2 P-N结的光生伏打效应,光生伏打效应涉及物理过程第三、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。在P侧积累了空穴，在N侧积累了电子，建立了电势差。如果PN结开路，该电势差（开路电压）即电动势，称光生电动势。如果PN结两端接负载，就会有电流通过，该电流称光电流。PN结短路时的电流称短路光电流。光照PN结实现了光能向电能转换。,8.2 P-N结的光生伏打效应,图 7-5 PN结能带图：（a）无光照平衡P-N结，（b）光照PN结开路状态，（c）光照PN结有串联电阻时的状态。,P-N结光生伏打效应(小结2 3 4),8.2 P-N结的光生伏打效应,整个器件中均匀吸收情形，短路光电流 光照电子空穴对的产生率 PN结面积 光生载流子体积 短路光电流取决于光照强度和PN结的性质。,（7-5）,P-N结光生伏打效应(小结5),8.2 P-N结的光生伏打效应 小结,半导体吸收光能后在PN结上产生光生电动势的效应称为PN结的光生伏打效应。从能带图上看，如果PN结处于开路状态，光生载流子只能积累于PN结两侧。非平衡载流子的出现意味着N区电子的费米能级升高，P区空穴的费米能级降低。P区和N区费米能级分开的距离就等于。PN结势垒高度将由 降低为。,8.2 P-N结的光生伏打效应 小结,3.如果把PN结从外部短路，这时非平衡载流子不再积累在PN结两侧，光生电动势为零。P区和N区费米能级相等，能带图恢复为图7-6a.4.一般情况下，PN结材料和引线总有一定电阻，这时有电流通过时，光生载流子只有一部分积累于PN结上，使势垒降低qV，V是电流流过 时,在 上产生的电压降。,8.2 P-N结的光生伏打效应 小结,5.半导体均匀吸收情况，短路光电流 串联电阻和负载电阻上的电压降加在PN结，这是一个正偏压,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。,8.2 P-N结的光生伏打效应,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？,8.3 太阳电池的I-V特性,第八章 太阳电池和光电二极管,8.3 太阳电池的I-V特性,太阳电池的等效电路串联电阻 Rs=0 理想情况，电流源为短路光电流。,图7-6 太阳电池理想等效电路,8.3 太阳电池的I-V特性,太阳电池I-V特性(图7-6所示等效电路)PN 结正向电流 PN结饱和电流 PN结的结电压(负载上的电压降),（7-6）,（7-9）,8.3 太阳电池的I-V特性,开路电压（太阳电池能提供最大电压）,I=0，短路电流（太阳电池能提供最大电流），V=0太阳电池向负载提供功率,（7-7）,（7-8）,（7-10）,太阳电池I-V特性,8.3 太阳电池的I-V特性,图7-7 一个典型太阳电池在一级气团（AM1）光照下的I-V特性 AM1，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。AM1条件下到达太阳电池的能量略高于100mW/cm2.把器件放在大气层外（如卫星上），称AM0条件，太阳能量约135mW/cm2.,太阳电池I-V特性,8.3 太阳电池的I-V特性,实际太阳电池存在串联电阻和分流电阻,图 7-8 包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路,8.3 太阳电池的I-V特性 小结,太阳电池短路电流作为恒流源，负载上的电压降作为正偏压加在PN结上，构建了太阳电池的等效电路。由等效电路写太阳电池的IV特性方程。开路电压是太阳电池能提供的最大电压，短路电流是太阳电池能提供的最大电流。,8.3 太阳电池的I-V特性 小结,3.实际太阳电池I-V特性4.理想太阳电池向负载提供的功率,8.3 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太阳电池的IV特性方程了解太阳电池I-V特性曲，根据太阳电池IV特性方程解释该曲线所包含的物理意义。画实际太阳电池等效电路图,写IV特性方程5.作业：,8.4 太阳电池的效率,第八章 太阳电池和光电二极管,8.4 太阳电池的效率,太阳电池的效率 指太阳电池的功率转换效率,是太阳电池的最大输出电功率与输入光功率的百分比 输入光功率太阳电池的最大输出功率最大功率条件（理想太阳电池,dP/dV=0),（7-12）,（7-13）,（7-14）,8.4 太阳电池的效率,占空因数，太阳电池的效率,（7-17）,（7-18）,（7-19）,太阳电池的效率,VmpImp对应于P254图8-8中矩形面积。太阳电池可能达到的最大电流和电压分别为IL和Voc.因而，FF可用于从I-V曲线对可实现的功率进行估量。做得好的电池，FF=0.70.8,8.4 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2.太阳电池的最大输出功率3.引进占空因数概念，太阳电池的效率公式,8.4 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、7.10,8.5 光产生电流和收集效率,第八章 太阳电池和光电二极管,前面介绍太阳电池简单理论，光电流公式通过假设在整个器件中均匀吸收求得。本节考虑光子能量对吸收的影响，以前对太阳能电池设计提供参考,8.5 光产生电流和收集效率,考虑通量 的光子入射到“P在N上”结构表面。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-空穴对产生率 稳定条件下PN结N侧的空穴扩散方程,（7-21a）,（7-20）,8.5 光产生电流和收集效率,PN结P侧电子的扩散方程 P-N结处每单位面积电子和空穴电流分量 光子收集效率,（7-23）,（7-21b）,（7-22a）,（7-22b）,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：,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）,8.5 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 xj=2.8m,W=20mils,=4.2s,=10ns,以及 S=100cm/s,根据少子空穴浓度表达式短波（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。较长时（900nm），吸收系数较小，吸收多发生在PN结的N侧。,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,入射光为单色光且光子数已知，（7-25）式代入（7-23）式，可得到在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。,收集效率,8.5 光产生电流和收集效率,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。吸收系数影响，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。,8.5 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和吸收系数的函数。电子空穴对的产生率与光子频率和透入深度有关，在短波时，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。对于较长的波长，吸收系数较小，因而电子-空穴对的产生多发生在较深处。,8.5 光产生电流和收集效率 小结,3.影响收集效率的主要因素是少数载流子扩散长度和吸收系数。扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。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，以致太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。一般的 电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。太阳电池设计提供参考。,8.6 提高太阳电池效率考虑,第八章 太阳电池和光电二极管,8.6 提高太阳电池效率的考虑,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,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。光谱考虑,8.6 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 越小 越大从而 越大。可被吸收的最大光子数 硅中为：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决定。光谱考虑，随 增加而减小,开路电压 乘积 会出现一极大值。,（7-5）,光谱考虑,8.6 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,最大功率考虑,8.6 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,8.6 提高太阳电池效率的考虑,最佳设计，需要对掺杂浓度和结深采取折衷。实际接触是采用栅格形式。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硅电池简单结构,8.6 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）,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。,8.9 光电二极管,PN结光电二极管工作原理,PN结光电二极管工作原理,8.9 光电二极管,P-I-N光电二极管(小结1 2 3),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,8.9 光电二极管,长距离光纤通信系统中多采用 双异质结P-I-N光电二极管，P-InP禁带宽度为1.35eV，对波长大于 光不吸收。禁带宽度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，完全消除了扩散电流的影响，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：、,8.9 光电二极 小结,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。PIN光电二极管的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。,8.9-10 光电二极 小结,3.光电二极管中有两种电流：a.耗尽层中产生的电子空穴对立刻被电场分离而形成的电流，称为漂移电流。漂移电流是快电流。b.在I层之外扩散区产生的电子-空穴对以扩散方式向耗尽层边缘扩散然后被耗尽层收集，称为扩散电流。扩散电流是慢电流，影响光电二极管的频率响应。,8-9 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？,8.10 光电二极管的特性参数,第八章 太阳电池和光电二极管,8.10 光电二极管的特性参数,量子效率和响应度 1.量子效率 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长波限 由禁带宽度决定,光响应也有短波极限。,（7-29）,（7-30）,8.10 光电二极管的特性参数,图7-25,高速光电二极管量子效率和波长关系曲线。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；近红外区,硅光电二极管在 到 附近，量子效率可达100%（有抗反射涂层)；在 到 的区域，锗光电二极管和IIIV族光电二极管（如CaLnAS）有很高的量子效率。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）。,量子效率,8.10 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关系,量子效率,8.10 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层响应速度（带宽）当交流光电流下降到低频时 时的调制频率,也称3dB带宽或3dB频率。,（7-31）,8.10 光电二极管的特性参数,响应速度（带宽）主要受三个因素控制（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。（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（R是负载电阻），因此耗尽层宽度要有一个最佳选择.,8.10 光电二极管的特性参数,响应速度（带宽）3dB频率或3dB带宽 耗尽层宽度 饱和漂移速度 耗尽层渡越时间,（7-32）,（7-33）,8.10 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。电流强度 测量频率范围即带宽,（7-35）,8.10 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。热噪声电流（均方值）接有输入电阻为R的放大器时的总噪声电流（均方值）入射光在光吸收层中产生的光电流，即信号电流 暗电流 放大器噪声系数和绝对温度之积，称为有效温度,（7-36）,（7-37）,8.10 光电二极管的特性参数,信噪比 光电二极管的信号电流（）负载R两端产生的信号功率忽略暗电流和热噪声的情况下，光电二极管信噪比,（7-40）,（7-39）,（7-38）,（7-41）,8.10 光电二极管的特性参数,噪声等效功率（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）,8.10 光电二极管的特性参数,探测率（D）D依赖于探测器的面积和带宽。为排除这些影响，引入比探测率。比探测率探测器的常用优值。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）,8.10 光电二极管的特性参数 小结,1.量子效率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。2.响应度：定义为短路光电流与输入光功率之比,8.10 光电二极管的特性参数 小结,3.由于量子效率和响应度都与光电流成正比，要求P-I-N光电二极管的I层要尽可能地宽。4.响应速度（带宽）定义为当交流光电流下降到低频 时的调制频率。它也称为 频率或 带宽。5.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PN结空间电荷区所需时间、载流子在耗尽层内漂移时间和耗尽层电容时间常数RC.耗尽层宽度要的最佳选择,8.10 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。,