半导体光电器件第6章
合集下载
第6章半导体结型光电器件(PSD和耦合器)
Copyright@2006光电技术第6章半导体结型光电器件－象限探测器和光电耦合器Copyright@2006象限探测器功能：用来确定光点在二维平面上的位置坐标用途：准直、定位、跟踪等工艺：利用集成电路光刻技术，将光敏面分隔成几个面积相等、形状相同、位置对称的区域，每个区域相当于一个光电器件。
Copyright@2006类型：四象限光电二极管、四象限硅光电池、四象限PMT 、二象限的也有等等应用：1.和差电路形式Copyright@20062.直差电路形式Copyright@2006光电位置探测器（PSD ）Position Sensitive Detectors•PSD 是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。
•当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。
•这种器件和象限光电器件比较，其特点是，它对光斑的形状无严格要求，•光敏面上无象限分隔线，•对光斑位置可连续测量。
Copyright@2006PSD 和象限探测器比较：1.PSD 对光斑形状无严格要求，即输出信号与光的聚焦无关，只与能量中心位置有关，测量方便。
2.光敏面上无分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，分辨率高，一维可达0.2um 。
3.可同时检测位置和光强，从总光电流可求得相应的入射光强。
用途：激光束的监控（对准、位移、和振动）、平面度检测、二维位置检测系统等。
Copyright@2006工作原理和位置表达式11212122AAAL x I I L L x I I L I I xLI I −=−=−=+Copyright@2006一维PSD 和等效电路3131231AI I xLII I I I−=+=+总电流Copyright@2006二维PSD 和等效电路（1）两面分离型PSDCopyright@2006（2）表面分离型（P152）Copyright@2006Copyright@2006PSD 转换电路（1）一维Copyright@2006（2）二维Copyright@2006PSD 特性1.光谱响应特性2.结电容与反偏电压关系特性3.温度特性4.位置检测误差Copyright@2006第6.7节光电开关与光电耦合器Ü光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合件。
光电子器件是利用半导体光电效应制成的半导体器件.ppt
辐射跃迁是光吸收的逆过程，主要包括本征辐射跃迁、杂质辐射跃迁、施 主与受主之间的辐射跃迁和激 Nhomakorabea辐射跃迁。
1. 本征辐射跃迁 导带中的电子向价带跃迁，同价带中的空穴复合，产生能量大于或等于禁 带宽度的光子，即为本征辐射跃迁。 复合过程分为两种：直接复合和间接复合。
6-1 辐射跃迁与光的吸收
直接复合：导带中的自由电子直接回到价带，与价带中的自由空穴复合。
假如光子的受激辐射大于光子的吸收，则电子在较高能级的浓度会大于在较 低能级的浓度，这种情况称为分布反转。
6-1 辐射跃迁与光的吸收
四、光与物质的相互作用
光与物质的相互作用有三种形式：受激吸收、自发辐射和受激辐射。
1. 受激吸收： 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光的作
用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃
迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目
的空穴。 激发光子的能量必须满足
h E2 E1
6-1 辐射跃迁与光的吸收
2. 自发辐射： 在高能级E2的电子处于不稳定状态，即使没有外界 的作用，也会自发地向低能级E1跃迁，跃迁的同时，以 发射光子的方式释放能量，这种跃迁称为自发辐射。
自发辐射的特点： 高能级上的粒子可以跃迁到任意一个较低能级，频率范围很宽。
各个原子独立进行跃迁，其辐射的光子无规律，频率、相位、方向、 偏振态各不相同，辐射光为非相干光。
6-1 辐射跃迁与光的吸收
结果：产生等量的自由电子和自由空穴
本征吸收产生的条件：
h Eg
或
hc
Eg
Eg
h
hc Eg
1.24 Eg (eV
)
(m)
c
只与禁带宽度有关
1. 本征辐射跃迁 导带中的电子向价带跃迁，同价带中的空穴复合，产生能量大于或等于禁 带宽度的光子，即为本征辐射跃迁。 复合过程分为两种：直接复合和间接复合。
6-1 辐射跃迁与光的吸收
直接复合：导带中的自由电子直接回到价带，与价带中的自由空穴复合。
假如光子的受激辐射大于光子的吸收，则电子在较高能级的浓度会大于在较 低能级的浓度，这种情况称为分布反转。
6-1 辐射跃迁与光的吸收
四、光与物质的相互作用
光与物质的相互作用有三种形式：受激吸收、自发辐射和受激辐射。
1. 受激吸收： 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光的作
用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃
迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目
的空穴。 激发光子的能量必须满足
h E2 E1
6-1 辐射跃迁与光的吸收
2. 自发辐射： 在高能级E2的电子处于不稳定状态，即使没有外界 的作用，也会自发地向低能级E1跃迁，跃迁的同时，以 发射光子的方式释放能量，这种跃迁称为自发辐射。
自发辐射的特点： 高能级上的粒子可以跃迁到任意一个较低能级，频率范围很宽。
各个原子独立进行跃迁，其辐射的光子无规律，频率、相位、方向、 偏振态各不相同，辐射光为非相干光。
6-1 辐射跃迁与光的吸收
结果：产生等量的自由电子和自由空穴
本征吸收产生的条件：
h Eg
或
hc
Eg
Eg
h
hc Eg
1.24 Eg (eV
)
(m)
c
只与禁带宽度有关
第六章III-V族化合物半导体
6-及条件的依据：相图
非凝聚体系相图与凝聚体系相图的差别 非凝聚体系P-T-X相图
GaAs作为重要半导体材料的 主要特征
直接带隙，光电材料 迁移率高，适于制作超高频超高速器件和电路 易于制成非掺杂半绝缘单晶，IC中不必作绝缘
隔离层，简化IC，减少寄生电容，提高集成度 Eg较大，可在较高温度下工作 抗辐射能力强 太阳电池，转换率比Si高 Gunn效应，新型功能器件
能带结构：直接带隙 导带中有两个次能谷X，L，与主能谷能量差不大 主能谷中：电子有效质量较小，迁移率较高 次能谷种：电子有效质量大，迁移率小，态密度大， 室温下：电子处于主能谷 当外电场超过某一阈值时： 电子由主能谷→次能谷，迁移率由大→小， 出现：电场增大，电流减小的负阻效应 体效应（电子转移效应），Gunn效应（1963年）
GaAs晶体生长的两个途径
熔体生长：先合成1:1的化合物熔体然后直
接由熔体中生长其单晶 溶液生长：由某一组分的溶液中生长化合 物晶体（常以III族元素作溶剂）
对Ga-As体系精细相图
GaAs在加热时发生的一些可逆反应 熔体生长的GaAs晶体一般含有较多的Ga空
位
GaAs的物理、化学性质
暗灰色，有金属光泽 其晶格常数随T及化学计量偏离有关，
a（富As）<a（富Ga） 室温下对H2O和O2是稳定的 大气中600℃以上开始氧化 真空中800 ℃以上开始离解 与盐酸×与浓硝酸∨易溶于王水
GaAs的能带结构与Gunn效应
GaAs能带结构和Gunn效应
第六章 III-V族化合物半导体
IIIA元素：B 、Al、Ga、In
VA元素： N、P、As、Sb 组合形成的化合物15种（BSb除外） 目前得到实用的III-V族化合物半导体 GaN GaP GaAs InP GaSb InSb InAs 原子序数之和：由小→大 材料熔点：由高→低 带隙宽度：由大→小
第六章光电子材料与器件
非线性效应散射损耗
主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，且只在强入射光功 率激励下才表现出来
6.2 光纤
传输光纤 光纤色散特性
光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成分或不同模式 成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。
由于脉冲展宽，在光通讯中，为了不造成误码，必须降低脉 冲速率，这就将降低光纤通讯的信息容量和品质。而在光纤 传感方面，在需要考虑信号传输的失真度问题时，光纤的色 散也成为一个重要参数。
1 固体激光器的工作原理
固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物 质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中 掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。
固体激光器的工作方 式主要分为脉冲和连 续(CW)两大类。
固体激光器的构成通 常包括工作物质、谐 振腔、泵浦光源这三 个基本组成部分
传输光纤
传输光纤主要用于光通信，对光纤性能有两个方面的要求：传 输损耗要低，光纤色散要小。
传输损耗特性
6.2 光纤
传输损耗特性
图6.7 光纤的总损耗谱
6.2 光纤
传输损耗特性 瑞利散射损耗
由于光纤材料—石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起
波导效应散射损耗
由于波导结构不规则，从而导致高阶模的辐射形成损耗
6.4 液晶显示材料与器件
1 液晶材料的物理性质
液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家 F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热 使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后 不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多 彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液 体。他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发 现这种液体具有双折射性。
主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，且只在强入射光功 率激励下才表现出来
6.2 光纤
传输光纤 光纤色散特性
光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成分或不同模式 成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。
由于脉冲展宽，在光通讯中，为了不造成误码，必须降低脉 冲速率，这就将降低光纤通讯的信息容量和品质。而在光纤 传感方面，在需要考虑信号传输的失真度问题时，光纤的色 散也成为一个重要参数。
1 固体激光器的工作原理
固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物 质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中 掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。
固体激光器的工作方 式主要分为脉冲和连 续(CW)两大类。
固体激光器的构成通 常包括工作物质、谐 振腔、泵浦光源这三 个基本组成部分
传输光纤
传输光纤主要用于光通信，对光纤性能有两个方面的要求：传 输损耗要低，光纤色散要小。
传输损耗特性
6.2 光纤
传输损耗特性
图6.7 光纤的总损耗谱
6.2 光纤
传输损耗特性 瑞利散射损耗
由于光纤材料—石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起
波导效应散射损耗
由于波导结构不规则，从而导致高阶模的辐射形成损耗
6.4 液晶显示材料与器件
1 液晶材料的物理性质
液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家 F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热 使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后 不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多 彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液 体。他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发 现这种液体具有双折射性。
6. 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
上式反映，无论电子还是空穴，非平衡载流子越多， 准费米能级偏离EF就越远。
EC EFn EFn EF EFn Ei n N C exp( ) n0 exp( ) ni exp( ) k0T k0T k0T EFp EV EF EFp Ei EFp p N v exp( ) p0 exp( ) ni exp( ) k0T k0T k0T
EC EF n0 N C exp( ) k0T EF EV p0 NV exp( ) k0T
半导体处于非平衡状态时，就不再存在统一的 费米能级。
引入 导带费米能级 价带费米能级
准费米能级
电子准费米能级(EFn) 空穴准费米能级(EFp)
引入准费米能级，非平衡状态下的载流 子浓度用与平衡载流子浓度类似公式表达
6.4.1 直接复合
直接复合：导带的电子直接落入价带与空穴复合 EC 复合 EV
EC
产生 EV
由于热激发等原因，价带中的电子有一定概率跃 迁到导带中去，产生一对电子和空穴。
1 复合率和产生率 复合率R（复合速率)有如下形式 R=rnp
比例系数r称为电子-空穴复合概率(直接复合系数)。 而 产生率=G
nen pe p pe(n p )
光导开关：超宽带反隐形冲击雷达，高功率脉冲点火系
统，瞬间辐射电磁武器，电子干扰与电子对抗等军事领域
2、非平衡载流子的复合
撤除产生非平衡载流子的外部因素后（停 止光照、外加电压，辐照等），系统将从非平 衡态恢复到平衡态，即电子-空穴对成对消失 的过程，即为非平衡载流子的复合。
h Eg
△n和△p就是非平衡载流子浓度， 也 叫过剩载流子。 △n称非平衡多子， △p为非平衡少子（p型相反）。
改 6半导体结型光电器件资料
伏安特性
I I0 e
eU / kT
1 Ip
第四象限：光伏模式 零偏 光电池 工作区域
光伏模式暗 电流为零
伏安特性
普通二极管
光电二极管
光电池
等效电路
I I0 e
eU / kT
1 Ip
电流源
普通二极管
I I0 e
开路电压Uoc和短路电流Isc
qU / kT
1 I p
温度过高会致 使半导体晶格 破坏，注意强 光照射及散热
6.2.2 硅光电二极管
结构：
•透光
•结区宽，以保证吸收更多的入射光 •结区多在基底,光生载流子大多产生于结区,省去扩散时间
（Photodiode，简称PD）
入光面高掺杂且薄，基底轻掺杂：
重掺杂
2CU
2DU
科16
比较：光电二极管与光电池 •衬底材料掺杂浓度较低；
•提高了对长波的吸收
•浅结对短波长吸收多，深结对长波长吸收多
应用：
光通信等快速光检测领域
6.2.5 雪崩光电二极管
1.结构原理：
高反压(100～200 V) 响应时间:0.5ns 光电增益M:102～103 截止频率:f=100GHz 噪声等效功率:10-15w 应用领域:光纤通讯、弱信号检测、 激光测距等领域。
6.3结型光电器件组合器件
－－也称为集成结型光电器件
6.3.1半导体色敏感器件 6.3.2象限式光电器件 6.3.2光电位置探测器 6.3.4光电耦合器
6.3.1半导体色敏感器件
－－在工业上可以自动检测纸、纸浆、染料的颜色； －－医学上可以测定皮肤、牙齿等的颜色； －－用于家电中电视机的彩色调整、商品颜色及代码 的读取等 它是非常有发展前途的一种新型半导体光电器件。 半导体色敏器件特点：结构简单、体积小、成本低等。
第6章光电式传感器转速测量及接近开关
电子工业出版社
2) 横向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分吸收入射光子 的能量产生电子-空穴对，光照部分载流子浓度比未受光照部分 的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要 扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则 电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被 光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。 这种现象称为横向光电效应，也称为侧向光电效应。基于该效 应的光电器件有半导体光电位置敏感器件(PSD)。
国产硅光敏二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU 两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。 2CU系列的光敏二极管只有两条引线，而2DU系列光敏二极管有 三条引线。
根据能量守恒定理:
h
1 2
m02
A0
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
电子工业出版社
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面
电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都
有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于 红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限 频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光 频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
导带
自由电子所占能带
Eg
禁带
不存在电子所占能带
价带
价电子所占能带
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁
带宽度Eg，即 h hc 1.24 Eg
式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。
电子工业出版社
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在 一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上， 才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。
2) 横向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分吸收入射光子 的能量产生电子-空穴对，光照部分载流子浓度比未受光照部分 的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要 扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则 电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被 光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。 这种现象称为横向光电效应，也称为侧向光电效应。基于该效 应的光电器件有半导体光电位置敏感器件(PSD)。
国产硅光敏二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU 两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。 2CU系列的光敏二极管只有两条引线，而2DU系列光敏二极管有 三条引线。
根据能量守恒定理:
h
1 2
m02
A0
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
电子工业出版社
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面
电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都
有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于 红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限 频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光 频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
导带
自由电子所占能带
Eg
禁带
不存在电子所占能带
价带
价电子所占能带
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁
带宽度Eg，即 h hc 1.24 Eg
式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。
电子工业出版社
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在 一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上， 才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。
半导体光电器件
第六章 半导体光电器件
1
第六章 半导体光电器件
6.1光电导型光电探测器件 6.2势垒型光电探测器件
2
6.1光电导型光电探测器件
一、概述 二、光敏电阻的结构 三、光敏电阻的工作原理 四、光敏电阻的特性 五、光敏电阻的特点 六、注意事项
3
一、概述
光电导型光电探测器件是利用光电导效应制 成的均质型光电探测器件。典型的光电导器 件为光敏电阻。
征 半 导
体
杂 质 半 导 体
8
四、光敏电阻的特性
1、光电导灵敏度 R 2、光谱响应特性 3、光照特性 4、伏安特性 5、响应特性（频率特性） 6、前历效应 7、温度特性 8、噪声
9
1、光电导灵敏度 R
按灵敏度定义（响应量与输入量之比），可得
其中：
Rg
g E
gA
（线形范围内）
g：光电导，单位为西门子 S（Ω-1）。
电源电压和负载电阻决定的负载线与伏安 特性的交点，就是不同光照情况下的光敏 电阻的工作点。
17
光敏电阻的伏安特性曲线
工作负载线的确定
基本偏置电流
18
基本概念
暗电阻Rd ：无光照射时，光敏电阻值的大 小。其值一般为几十千欧到几兆欧。
暗电导Gd ：暗电阻的倒数。 亮电阻Rg ：有光照射时的电阻值，其值与
29
7、温度特性
灵敏度、光照特性、 响应率、光谱响应率、 峰值波长、长波限都 将发生变化，而且这 种变化缺乏一定的规 律
随着温度的升高光电 导值下降，随着温度 的下降光电导值增大， 而与照度无关
光敏电阻的温度特性
30
8、噪声
光敏电阻的固有噪 声主要有三种：
噪声（100Hz以 下）；
1
第六章 半导体光电器件
6.1光电导型光电探测器件 6.2势垒型光电探测器件
2
6.1光电导型光电探测器件
一、概述 二、光敏电阻的结构 三、光敏电阻的工作原理 四、光敏电阻的特性 五、光敏电阻的特点 六、注意事项
3
一、概述
光电导型光电探测器件是利用光电导效应制 成的均质型光电探测器件。典型的光电导器 件为光敏电阻。
征 半 导
体
杂 质 半 导 体
8
四、光敏电阻的特性
1、光电导灵敏度 R 2、光谱响应特性 3、光照特性 4、伏安特性 5、响应特性（频率特性） 6、前历效应 7、温度特性 8、噪声
9
1、光电导灵敏度 R
按灵敏度定义（响应量与输入量之比），可得
其中：
Rg
g E
gA
（线形范围内）
g：光电导，单位为西门子 S（Ω-1）。
电源电压和负载电阻决定的负载线与伏安 特性的交点，就是不同光照情况下的光敏 电阻的工作点。
17
光敏电阻的伏安特性曲线
工作负载线的确定
基本偏置电流
18
基本概念
暗电阻Rd ：无光照射时，光敏电阻值的大 小。其值一般为几十千欧到几兆欧。
暗电导Gd ：暗电阻的倒数。 亮电阻Rg ：有光照射时的电阻值，其值与
29
7、温度特性
灵敏度、光照特性、 响应率、光谱响应率、 峰值波长、长波限都 将发生变化，而且这 种变化缺乏一定的规 律
随着温度的升高光电 导值下降，随着温度 的下降光电导值增大， 而与照度无关
光敏电阻的温度特性
30
8、噪声
光敏电阻的固有噪 声主要有三种：
噪声（100Hz以 下）；
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
单晶硅pn结太阳电池的基本结构
28
背电场(BSF)太阳能电池
为防止在衬底的背面附近由于载流子的复合引起效率的 减少，在背面实现与衬底同类型的高浓度掺杂的太阳能电池。
背电场太阳电池
29
BSF结构太阳能电池的能带图
背表面场对电池基区收集几率fc的影响 30
BSF结构对太阳电池光电转换效率的影响
31
43
(2)多晶硅高效电池
◆多晶硅材料制造成本低于单晶硅材料，
◆能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭,
◆制造过程简单、省电、节约硅材料， 因此具有更大降低成本的潜力。
44
多晶硅与单晶硅材料的差别主要是多晶硅内存在许多晶粒 间界。这给多晶硅太阳能电池带来以下三方面影响：
1、晶粒间界处存在势垒，阻断载流子的通过。 2、晶粒间界作为一种晶体缺陷，起着有效复合中心作用。
6.4.1 太阳能电池的I-V特性
I
ID RL IL V RL
h
图6-4 太阳能电池的理想等效电路
根据上述模型，其I-V特性可表示为:
qV I I L I 0 exp 1 nkT
10
(6-1)
式中V 为太阳电池的端电压，I0为二极管的反向饱和电流，IL为与入
当h< Eg时，光子不 被吸收，不产生载流 子；单位面积最大吸 收率或载流子生成率 是Eg的函数。
图6-8 禁带宽度对太阳能电池转换效率的影响
18
半导体类型对光子吸收的影响
3.0 2.0 h / eV 1.5 1.0 0.75
GaAs和非晶硅的吸收
吸收系数 / cm 1
106
300K Ge(C 1.24/E g 1.88 m) Ga.30 In.70 As.64 P.36 (1.4 m)
在AM1.5的光照下效率可达24.7%。
41
背面点接触型太阳能电池：
斯坦福大学的背面点接触电池： ＝22％
背面点接触型太阳能电池结构
42
在这种电池结构中，有以下特点： 1、结构新颖。正面无电极，因而栅极电极遮光损失为零， 同时，正面有绒面，并覆盖双层减反膜。基区薄（112 -152µm），背面引出点式负电极及连通基区的正电极。 2、工艺上采用氧化、光刻、磷和硼扩散及铝合金等集成电 路微加工技术。工艺成熟，可靠性强。 3、设计的pn结阵列，大大减小结面积，以此减小反向饱和 电流，达到提高开路电压的目的。
每年排放的二氧化碳达210万吨 化石能源开采高峰2020~2030年
可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等
↓
资源丰富、利用方便、洁净无污染 太阳能利用的重要途径之一是 研制太阳能电池！ 能源耗尽年份
3
太阳能电池的发展 1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一只扩散pn结单 晶硅太阳电池，效率为6%，于1958年应用到美国的先 锋1号人造卫星上。 太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应 用中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭 的用电需要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭 轿车的年排放量。 由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能 电池的价格不到20世纪70年代的1%。目前，年均增长 率超过35%，是能源技术领域发展最快的行业。
3、在形成pn结的工艺过程中，掺杂的原子会沿着晶粒间界 向下择优扩散，形成导电分流路径，增大漏电流。
20
影响转换效率的因素:
(1) 电压因子损失 只能利用入射光子能量中与内部电位差对应的能量。 (2) 表面反射损失 太阳能电池表面的光反射。 (3) 表面复合损失 光生载流子在太阳能电池表面和电极界面处复合。 (4) 串联电阻损失 光电流通过太阳能电池时因电极和半导体内的电阻 作用而产生焦耳热。 ………
紫外光太阳能电池
紫外光太阳能电池是为了防止太阳能电池的表面（受光面） 由于载流子的复合而使效率减小的电池。
紫外光太阳能电池
32
一般太阳能电池n+层的厚度在0.3-0.5µm，当用化学 腐蚀法使膜厚变为0.1-0.2µ m，就能减少“死层”，防止 或减弱在n+层表面附近的载流子的复合，提高光生空穴的 收集几率，使转换效率提高。这就是紫外光太阳能电池设
图6-3 太阳能电池的工作原理
8
当光子能量大于 p-n 结禁带宽度后，在 p区、n区和结区 光子被吸收会产生电子–空穴对；
电子与空穴向p-n结处运动； 电子和空穴在p-n结的内建电场作用下向相反方向运动 而分离，产生光生电动势； 结两侧与外电路接通后，电路中产生光生电流，实现功 率输出。
9
6.4 太阳能电池的性能参数
4
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 其它地区 欧洲 日本 美国 合计 4.7 5 4.6 4.4 5.6 6.35 9.75 9.4 18.7 20.5 23.42 32.6 40 80 55 83.8 140 274 464 762 156
第 6 章 太阳能电池
1
主要内容
6.1 太阳能电池的发展及应用 6.2太阳辐照及其频谱 6.3 太阳能电池原理 6.4 太阳能电池的性能参数 6.5 太阳能电池的材料与结构
6.6 提高电池光电转换效率的研究
2
6.1 太阳能电池的发展及应用
背景 传统化石能源→ 不可再生、环境污染、能源枯竭
能源结构调整
53.7 60.8 74.97 100.3 120 104.2 139
46.5 55.4 57.9 60.09 69.44 77.6 88.6 125.8 154.9 201.3 287.7 390.5 561 742.3 1195 1656
图6-1 历年世界太阳电池产量 5
应用
太阳能庭院灯
太阳能交通信号灯 太阳能厕所
的最大功率Pm为:
Pm I mVm
式中 Im 和 Vm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压。 将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF，则
Pm Vm I m FF Voc I sc Voc I sc
(6-4)
15
Im
最佳工作点
工作点
Vm
图6-7 太阳能电池的I-V特性和工作点
10.2 13.4 16.4 16.55 21.7 20.1 18.8 30.4 33.5 16.8 19.9 18.8 16.7 16.5 16.4 21.2 14.8 17.1 18.1 22.44 25.64 34.75 38.85 35 51 49
60.66 86.38 135 190.4 314 128.6 171.2 251 363.9 602
21
6.5 太阳能电池的材料与结构
太阳能电源装臵：
22
23
太阳能电池对材料的要求：
1.半导体材料的禁带不能太宽 2.要有较高的光电转换效率 3.材料本身对环境不造成污染 4.材料便于工业化生产且材料性能稳定
24
太阳能电池种类：
晶硅太阳能电池
1、硅系太阳能电池 据 所 用 材 料 分
多晶硅薄膜太阳能电池
37
表面钝化太阳能电池
MINP太阳能电池
80年代初，澳大利亚的研究小组研制出了转换效率18.7%的金 属-超薄绝缘层 -np 结（ Metal-Insulator-np Junction，简称 MINP）硅太阳能电池。
减反膜 极薄SiO2层 表面金属栅 减反膜 极薄SiO2层 表面金属栅
背面金属接触
19
透光深度
系数比单晶硅大得多， 透入深度只有1µm左右， 即几乎全部吸收入射光。
105
10 1
1
10 4 1
/ m
影响转换效率的因素:
新南威尔士大学对限制光伏转换效率的原因进行了研究:
图中①为透射损失；②为热损失 ； ③和④为 P- N结和接 触电压损失；⑤为电子 一空穴结合所造成的损失。
非晶硅薄膜太阳能电池
2、多元化合物薄膜太阳能电池
砷化镓III-V化合物 碲化镉 铜铟硒(CIS)
3、纳米晶化学太阳能电池
4、聚合物多层修饰电极型电池
25
2005 年太阳能电池市场各技术所占比例
26
6.5.1 晶硅太阳能电池
晶体硅太阳能电池产业链主线
27
(一) 向高效化方向发展 (1)单晶硅高效电池
16
FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、二级管特性因子、
串联电阻和并联电阻等。 (4) 转换效率
太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率 与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比，即
Pm 100% Pin FFVoc I L 100% Pin
(6-5)
17
禁带宽度对转换效率的影响
太阳能屋顶
6
未来的太阳能车
6.2 太阳辐照及其频谱
UV Visible Infrared
太0 AM-1.5 100mW/cm2
47%
评价地面太阳能电池
性能的标准条件
图6-2 大气层外和地表上的太阳能光谱
7
6.3 太阳能电池原理
0.5 0.4
0.5
Isc /mA
开路电压
Uoc/V
0.4
0.3
短路电流
0.3 0.1 短路电流
0.3 0.2 0.1
0.2
0.1
6 L/klx
8
10
0
1
2
(a) 硅太阳电池
3 L/klx
4
5
(b)硒太阳电池
图6-6 Isc 和 Voc与光强的关系