半导体器件物理：第8章 半导体太阳电池和光电二极管.ppt

半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程第八章第八章 半导体太阳半导体太阳能电池和光电二极管能电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程1.太阳能太阳能：储量无限性（储量无限性（40亿年）、存在普遍性、清洁性、经济性亿年）、存在普遍性、清洁性、经济性2.太阳电池：太阳电池：寿命长、效率高、性能可靠、成本低、无污染等优点寿命长、效率高、性能可靠、成本低、无污染等优点3.太阳电池效率：太阳电池效率：单晶硅电池单晶硅电池24、非晶硅电池、非晶硅电池13.2、InGaAs/GaAs叠层叠层41.44.太阳电池和光电二极管基本工作原理相同，用途不同太阳电池和光电二极管基本工作原理相同，用途不同第八章第八章 半导体太阳电池和光电二极管半导体太阳电池和光电二极管 引引 言言第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程8.1 8.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 图图8-1从紫外区到红外区的电磁波谱图从紫外区到红外区的电磁波谱图第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程图图8-3光吸收的特性光吸收的特性8.1 8.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 假设半导体被光子能量假设半导体被光子能量h Eg光源光源均均匀匀照射照射，光子通量为光子通量为0，则：，则：(8-1-2)比例系数比例系数称为吸收系数。

其解为：称为吸收系数其解为：(8-1-3)即：在半导体另一端处光子通量为：即：在半导体另一端处光子通量为：(8-1-4)第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程图图8-4 8-4 几种半导体的吸收系数几种半导体的吸收系数8.1 8.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 吸收系数吸收系数是光子能量的函数是光子能量的函数禁带宽度为禁带宽度为Eg的半导体的的半导体的吸吸收收截止波长为：截止波长为：(8-1-5)截止波长附近的截止波长附近的吸收吸收曲线称为曲线称为吸收边第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程8.2 8.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 教学要求教学要求：1.掌掌握握概概念念：光光生生伏伏特特效效应应、光光电电压压、光光电电流流、短短路光电流路光电流、暗电流暗电流2.掌握掌握PN结光生伏结光生伏特特效应的基本过程效应的基本过程3.利用能带图分析光生伏利用能带图分析光生伏特特效应。

效应第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程8.2.1 太阳电池的太阳电池的基本结构基本结构 8.2 8.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 上电极为栅格形状，上电极为栅格形状，这种结这种结构能够有大的曝光面积，而构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电阻保持合理同时又使串联电阻保持合理的数值第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程8.2.2 P-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 P-N结结光光生生伏伏特特效效应应是是半半导导体体吸吸收收光光能能后后在在P-N结结上上产产生生光光生生电电动势的动势的现象现象光生伏特伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程：效应涉及到以下三个主要的物理过程：1.半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子空穴对；空穴对；2.非非平平衡衡电电子子和和空空穴穴从从产产生生处处向向非非均均匀匀势势场场区区运运动动，这这种种运运动动可以是扩散运动，也可以是漂移运动；可以是扩散运动，也可以是漂移运动；3.非非平平衡衡电电子子和和空空穴穴在在非非均均匀匀势势场场作作用用下下向向相相反反方方向向运运动动而而分分离离。

这这种种非非均均匀匀势势场场可可以以是是结结的的空空间间电电荷荷区区，也也可可以以是是金金属属半导体的肖特基势垒或异质结势垒等半导体的肖特基势垒或异质结势垒等8.2 8.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程图图8-6P-N结能带图结能带图8.2 8.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 8.2.2 P-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 1.PN结结为为开开路路状状态态，光光生生载载流流子子将将积积累累于于PN结结两两侧侧，这这时时PN结结两两端端测测得得的的电位差（开路电压）就是电位差（开路电压）就是光生电动势光生电动势，记为，记为Voc，此时有：，此时有：EFN EFP=q Voc.2.若若PN结结从从外外部部短短路路，则则PN结结附附近近的的光光生生载载流流子子将将通通过过这这个个途途径径流流通通这这时时流流过过太太阳阳电电池池的的电电流流叫叫短短路路电电流流，用用IL表表示示其其方方向向从从PN结结内内部部看看是是从从N区指向区指向P区的区的。

此时光电压为零，能带图恢复为图此时光电压为零，能带图恢复为图8-6(a).第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程（8-2-1）8.2 8.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 1.设光设光在整个器件中在整个器件中被被均匀吸收，短路光电流可以表示均匀吸收，短路光电流可以表示为为:8.2.2 P-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 式中式中GL为光为光生生电子电子 空穴对的空穴对的产生率产生率，A为为P-N结结的的结结面积面积，A(Ln+Lp)为为半导体产生半导体产生光生载流子的体积光生载流子的体积由式（8-2-1）可知）可知短路光电流短路光电流IL取决于取决于光照强度光照强度和和P-N结的性质结的性质2.降降在在负载电阻上的电压负载电阻上的电压也也加在加在PN结上，使结上，使PN结产生正向电流：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，称为这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流暗电流，是，是太阳电池中的不利因素太阳电池中的不利因素8-2-2）第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程小结小结：1.半半导导体体吸吸收收光光能能后后在在PN结结上上产产生生光光生生电电动动势势的的效效应应称称为为PN结结的的光光生伏生伏特特效应效应。

2.如如果果PN结结处处于于开开路路状状态态，光光生生载载流流子子只只能能积积累累于于PN结结两两侧侧非非平平衡衡载载流流子子的的出出现现意意味味着着N区区电电子子的的费费米米能能级级升升高高，P区区空空穴穴的的费费米米能能级级降降低低P区区和和N区区费费米米能能级级分分开开的的距距离离就就等等于于光光生生电电动动势势qVocPN结结的的势势垒垒高高度度将将由由热热平平衡衡的的q0降降低低为为q(0Voc)如如果果把把PN结结从从外外部部短短路路，会会产产生生短短路路电电流流，这这时时非非平平衡衡载载流流子子不不再再积积累累在在PN结结两两侧侧，光光电电压压为为零零P区区和和N区区费费米米能能级级相相等等，能能带带图图恢恢复复为为图图8-6(a)一一般般情情况况下下，PN结结材材料料和和引引线线总总有有一一定定电电阻阻，这这时时有有电电流流通通过过时时，光光生生载载流流子子只只有有一一部部分分积积累累于于PN结结上上，使使势势垒垒降降低低qV，V是是电电流流在在串联电阻串联电阻RS上产生的电压降上产生的电压降8.2 8.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程小结小结：8.2 8.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 3.在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为：4.负载电阻上的电压降加在负载电阻上的电压降加在PN结上，使结上，使PN结产生正向电流结产生正向电流：这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流暗电流，是，是太阳电池中的不利因素。

太阳电池中的不利因素8-2-1）（8-2-2）第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程 8.3 太阳电池的太阳电池的I-V特性特性 教学要求教学要求：1.画画出出理理想想太太阳阳电电池池等等效效电电路路图图，根根据据电电池池等等效效电电路路图图写写出太阳电池的出太阳电池的IV特性方程（特性方程（8-3-1）式式2.了了解解太太阳阳电电池池的的I-V特特性性曲曲线线（图图8-8），解解释释该该曲曲线线所所包包含的物理意义含的物理意义3.画画出出实实际际太太阳阳电电池池等等效效电电路路图图，根根据据等等效效电电路路图图写写出出IV特性方程（特性方程（8-3-6）式）式第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程图图8-7 8-7 理想太阳电池等效电路理想太阳电池等效电路 8.3 太阳电池的太阳电池的I-V特性特性 一、理想情况（一、理想情况（RS=0）（8-3-1）电流源电流源IL为短路光电流为短路光电流，ID=I0（eV/VT -1)为为PN结正向电流结正向电流。

1.理想太阳电池理想太阳电池的的I-V特性：特性：第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程（8-3-2）（8-3-3）（8-3-4）（8-3-5）8.3 太阳电池的太阳电池的I-V特性特性 一、理想情况（一、理想情况（RS=0）2.由（由（8-3-1）式，可得）式，可得PN结上的电压为结上的电压为：3.在开路情况下，在开路情况下，I=0，得到得到开路电压开路电压（这是太阳电池能提供的（这是太阳电池能提供的最大电压最大电压）4.在短路情况下（在短路情况下（V=0），），得到得到短路电流，短路电流，这是太阳电池能提这是太阳电池能提供的供的最大电流最大电流5.太阳电池向负载提供的太阳电池向负载提供的功率功率为为第八章：半导体太阳电池和光电二极管第八章：半导体太阳电池和光电二极管半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验国家级精品课程国家级精品课程图图8-8 典型的太阳电池在一级气团典型的太阳电池在一级气团（AM1）光照下的光照下的I-V特性特性 8.3 太阳电池的太阳电池的I-V特性特性 一、理想情况（一、理想情况（RS=0）AM1定义为太阳在天顶以及测试定义为太阳在天顶以及测试器件在晴朗天空下的器件在晴朗天空下的海平面上海平面上。

在在AM1条件下到达太阳电池的能条件下到达太阳电池的能量略高于量略高于100mW/cm2.如果把器件如果把器件放到放到大气层外大气层外（如在卫星上）则（如在卫星上）则称为称为AM0条件，此时太阳能量约条件，此时太阳能量约为为135mW/cm2.AM0和和AM1的差的差别在于。