第8章 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,0.4-0.7um,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,R,s,=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,100,mW/cm,2,.,把器件放在大气层外（如卫星上），称,AM0,条件，太阳能量约,135,mW/cm,2,.,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,I,V,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,（7-1,7,）,（7-1,8,）,（7-1,9,）,太阳电池的效率,V,mp,I,mp,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,I,L,和,V,oc,.,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=,0.7,0.8,8.4,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,（,7-21,a,）,（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,）,（,7-21,b,）,（,7-22,a,）,（,7-22,b,）,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,（,7-2,4,）,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,=2.8,m,W=20mils,=4.2,s,=10ns,以及,S,=100cm/s,根据少子空穴浓度表达式,短波（550,nm）,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（900,nm），,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,5,10,图,2-10 PN,结的典型电流,电压特性,G,1,G,2,G,3,0,8.9,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1.35,eV,，,对波长大于 光不吸收。禁带宽度0.75,eV,（,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：,7.9.2,、,7.9.3,8.9,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,III,V,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77,K）。,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3,dB,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）,3,dB,频率或3,dB,带宽,耗尽层宽度,饱和漂移速度,耗尽层渡越时间,（7-3,2,）,（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。,