光生伏特效应.ppt

第第六六章章：：电电子子材材料料的的光光学学性性质质第二节第二节: :半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 25.11.1025.11.10Ø光生伏特效应：光生伏特效应：光照在半导体光照在半导体p-n结或金属结或金属——半导体接触面上时，会在半导体接触面上时，会在p-n结或金属结或金属——半导半导体接触的两侧产生光生电动势；体接触的两侧产生光生电动势；Ø p-n结的光生伏特效应：结的光生伏特效应：当用适当波长的光照当用适当波长的光照射射p-n结时，由于内建场的作用（不加外电场）结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向，光生电子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，相当区，相当于于p-n结上加一个正电压；结上加一个正电压；Ø半导体内部产生电动势（半导体内部产生电动势（光生电压光生电压）；如将）；如将p-n结短路，则会出现电流（结短路，则会出现电流（光生电流光生电流）§§6 6. .2 2 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应Pn太阳光太阳光 在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大，少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生因此应主要研究光生少数载流子的运动少数载流子的运动.6.2.1 p-n结的光生伏特效应浅结浅结p np 耗尽层耗尽层 n- -- -- -- -- -+ ++ ++ ++ ++ +空穴空穴电子电子动平衡时动平衡时 p 型与型与 n 型接触区域的电势变化型接触区域的电势变化1.p-n结的内建电场无光照无光照P型N型P型N型EfpEfnEf能级弯曲的原因：Ø在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级2.p-n结的能带图Ø光照时光照时n区产生少子空穴，区产生少子空穴，p区产生少子电子；区产生少子电子；Ø在内建电场的作用下，在内建电场的作用下，n区的空穴向区的空穴向p区运动，而区运动，而p区的电子向区的电子向n区运动，使区运动，使p端电势升高，端电势升高，n端电势降低；端电势降低；Ø所以，光生电场由所以，光生电场由p端指向端指向n端，使势垒降低，产生正向电流端，使势垒降低，产生正向电流IF；；Ø由于空穴向由于空穴向p区运动，所以在区运动，所以在p-n结内部形成自结内部形成自n区向区向p区的光区的光生电流生电流IL有光照有光照6.2.2 光电池的电流电压特性Ø光电池：光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。

即将能转换成电能的装置即将p-n结与外电路接结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流流过电路，流过电路，p-n结起到了电源的作用这类装结起到了电源的作用这类装置叫光电池置叫光电池1.p-n结电流方程(6.18)•I I：负载电流；：负载电流；•I IL L：光生电流；：光生电流；•I Is s：：p-np-n结反向饱和电流；结反向饱和电流；•V V：：p-np-n结两端电压结两端电压2.开路电压Ø负载电流负载电流I=0,即即IL=IF：(6.20)3.短路电流Ø将将p-n短路短路V=0,则则IF=0，所得电流为短路电流，所得电流为短路电流ISC：(6.21)4.特性曲线5.光电池的实际结构栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光） 哈哈勃勃望望远远镜镜上上两两侧侧的的光光电电池池板板将将太太阳阳能能转转变变为为电电能能为为望望远远镜镜提提供供能源能源6.光电池的应用n硅太阳能电池硅太阳能电池Ø硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池。

Ø单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近25%,25%,而而规模生产的单晶硅太阳能电池规模生产的单晶硅太阳能电池, ,其效率为其效率为17%17%Ø多晶硅半导体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较低廉, ,但是由于它存在着较但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点多晶硅太阳能电池的实验多的晶粒间界而有较多的弱点多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为室最高转换效率为18%,18%,工业规模生产的转换效率为工业规模生产的转换效率为16%16%Ø非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺, , 具具有较多的优点有较多的优点, ,例如例如: :沉积温度低、衬底材料价格较低沉积温度低、衬底材料价格较低廉廉, ,能够实现大面积沉积能够实现大面积沉积 Ø非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大, ,是单晶硅的是单晶硅的4040倍倍,1,1微米厚的非晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜, ,可以吸引大约可以吸引大约90%90%有用的太阳有用的太阳光能Ø非晶硅太阳能电池的稳定性较差非晶硅太阳能电池的稳定性较差, , 从而影响了它的迅从而影响了它的迅速发展速发展。

n非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池n化合物太阳能电池化合物太阳能电池 Ø三五族化合物电池和二六族化合物电池三五族化合物电池和二六族化合物电池Ø三五族化合物电池主要有三五族化合物电池主要有GaAsGaAs电池、电池、InPInP电池、电池、GaSbGaSb电池电池等等; ;Ø二六族化合物电池主要有二六族化合物电池主要有CaS/CuInSeCaS/CuInSe电池、电池、CaS/CdTeCaS/CdTe电池电池等Ø在三五族化合物太阳能电池中在三五族化合物太阳能电池中,GaAs,GaAs电池的转换效率最高电池的转换效率最高, ,可达可达28%;28%;GaAs 化合物太阳能电池化合物太阳能电池•GaGa是其它产品的副产品是其它产品的副产品, ,非常稀少珍贵非常稀少珍贵;As ;As 不是稀有元素不是稀有元素, ,有毒•GaAsGaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池, ,这这是由于是由于GaAsGaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率 •GaAs GaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点化合物太阳能电池虽然具有诸多优点, ,但是但是GaAsGaAs材材料的价格不菲料的价格不菲, ,因而在很大程度上限制了用因而在很大程度上限制了用GaAsGaAs电池的电池的普及。

普及 n太阳能太阳能Ø太阳能特点：太阳能特点： ① ①无枯竭危险；无枯竭危险；②②绝对干净；绝对干净；③③不受资源分布地域的限不受资源分布地域的限制；制；④④可在用电处就近发电；可在用电处就近发电；⑤⑤能源质量高；能源质量高；⑥⑥使用者从使用者从感情上容易接受；感情上容易接受；⑦⑦获取能源花费的时间短获取能源花费的时间短Ø要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网电网联网。