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1、利用p-n结的光伏效应而制成的光电探测器称为光伏探测器。和光电导探测器不同，光伏探测器的内电流增益等于1。,光电二极管,光伏探测器有光电池和光电二极管之分，相应于两种工作模式。,一、两种工作模式p-n结光伏探测器用图（a）中的符号表示，它等效为一个普通二级管和一个恒流源（光电流源）并联，如图（b）所示。,有两种不同的工作方式，由外偏压回路决定在零偏压时，如图（c）称为光伏工作模式当外电路采用反偏压时，即外加p端为负n端为正的电压时，如图（d）所示，称为光导工作模式。,我们知道，普通二极管的伏安特性为,因此，光伏探测器的总电流为,式中e是电子电荷，u是探测器两端电压，K是玻尔兹曼常数，T是绝对温
2、度，,第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起主要作用，在这一区域工作没有意义。第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率P=0），数值很小，这时的光电流（等于iis）是通过探测器的主要电流。,光伏探测器的伏安特性曲线即iu 曲线如图所示。,由于这种情况外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式，相应的探测器称为光电二极管。,在第四象限中，外偏压为零时，流过探测器的电流仍为光电流，这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现的，因此称为光伏工作模式。相应的探测器称为光电池。,为了符合人们通
3、常的观察习惯，把图中第三象限的伏安特性在i和u倒转后变到第一象限中,如图(a)所示。其中，弯曲点M所对应的电压值V称为曲膝电压。为分析方便，经线性化处理后的特性曲线如图所示。,一、光电二极管光电二极管等效电路示图(d)中。因为光电二极管总是在反向偏压下工作，所以iD iS，iS和光电流i都是反向电流。,为保证输出光电流和入射光功率之间呈线性关系，如何确定电路的最佳负载电阻。当光信号功率由P慢慢变化到P，为使输出光电流和入射光功率之间呈线性变化，负载线必须通过M点的右方。如还要求输出电压最大，则负载线必须通过 M点，这时最大输出电压umax可求得为,当光电二极管用于慢变化光功率探测时，其伏安特性
4、曲线如图所示。,与此相应的GL为,式中Ri 为光电二极管的电流灵敏度,g是光电二极管的内电导,其值等于管子内阻的倒数,g是光电二极管的临界电导，GL是负载电阻RL的倒数。,如进一步要求电流输出最大，则由图可知，在给定V值后，通过u轴上V值的点并垂直于 u轴的负载线，即GL或RL0的负载线，具有最大的电流输出，显然有,当光电二极管用于对脉冲光信号探测时，其探测电路和伏安特性如图所示。假定光信号功率作正弦脉动，即PP0+Pmsint,通常所关心的问题是：给定入射光功率时，最佳功率输出的条件，以及给定反偏压 V时，最佳功率输出的条件。,Rs是体电阻和电极接触电阻，一般很小。考虑到这两个因素之后，工程
5、计算的简化等效电路如（b）所示。其高频截止频率fC为,其中（a）是比较完全的等效电路，Rd是光电二极管的内阻，亦称暗电阻。由于反偏压工作，所以光电二极管可以等效为一个高内阻的电流源。,光电二极管的高频等效电路如图所示。,通常定义电路的时间常为,事实上，光电二极管的频率响应不仅决定于上述的电路时间常数，,因此在制造工艺上要尽量减小这个时间，所以，一般把光敏面做得很薄。,还与光生载流子在耗尽层附近的扩散时间和光生载流子在耗尽层内的漂移时间有关，对硅光电二极管，前者也具有10-5秒量极，后者有10-11秒量级。,由于光电二极管常常用于微弱信号的探测。因此了解它的噪声性能是十分必要的。图是光电二极管的
6、噪声等效电路。对高频应用，两个主要的噪声源是散粒噪声 和电阻热噪声。,所以输出噪声电流的有效值为,式中is、ib、id分别是信号光电流、背景光电流和反向饱和暗电流的平均值。由式可见，从材料及制造工艺上尽量减小id，并合理选取负载电阻RL是合理减小噪声的有效途径。制造光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。由于硅器件较之锗器件暗电流小得多，频率特性好，因此硅光电二极管得到了广泛的应用。,相应的噪声电压为,二、PIN硅光电二极管,为改善光电二极管其频率特性，就得设法减小载流子扩散时间和结电容。人们提出了种在P区和n区之间相隔一本征层(I层)的PIN光电二极管。,PIN diode：普通的二极
7、管由PN结组成.在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层,组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN Diode.,正因为有Intrinsic层的存在，PIN diode应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在RF领域，用作RF Switch和RF保护电路，也有用做PhotoDiode。,异质结是由两种不同的半导体材料形成的 p-n结。p-n结两边是不同的基质材料，两边的禁带宽度不同。,三、异质结光电二极管,通常以禁带宽度大的一边作为光照面，能量大于宽禁带的光子被宽禁带材料吸收。,产生电子空穴对，如果光照面材料的厚度大于载流子的扩散长度，则光生载流子达不到
8、结区，因而对光电信号无贡献。,而能量小于宽禁带的长波光子都能顺利到达结区。被窄禁带材料吸收，产生光电信号。所以，异质结的宽禁带材料具有滤波作用。一般异质结探测器的量子效率高、背景噪声较低、信号比较均匀、高频响应好。异质结光电二极管有Si-PbS，CdS-PbS，Pb1-xSxSb-Pbs，Pb1-xSnxTe-PbTe等。,雪崩光电二极管是利用二极管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。这种器件有电流内增益，一般硅或锗雪崩光电二极管电流内增益可达102-103，灵敏度高，响应速度快，在超高频的调制光照射下仍有很显著的增益。光电流增益的大小用倍增因子M表示，M随反向偏压V的变化可用
9、下面的经验公式近似表示,四、雪崩光电二极管(APD),式中V为外加反向偏压，VB为击穿电压，n是与半导体材料有关的常数，对n+p结，n2，对 p+n结，n4。,雪崩光电二极管的噪声主要是散粒噪声和热噪声，噪声电流有效值可写为,这里F是附加噪声因子，与光电倍增管中的附加噪声因子意义相同。r是电子和空穴电离概率之比，,雪崩光电二极管在光纤通信、激光测距以及光纤传感技术中有广泛的应用。,这是一种由金属和半导体接触所制成的光电二极管，所以这种光电二极管也称为金属半导体光电二极管：,五、肖特基(schottky)势垒 光电二极管,当金属和n型半导体接触时，由于金属的费米能级比半导体的费米能级低，n型半导
10、体内的电子便向金属内移动结果金属一侧带负电。,半导体一侧带正电，形成内电场。由于内电场的存在，它将阻止n型半导中的电子继续移向金属直至建立起稳定的内部电场。,由于金属内部自由电子浓度很大，约1022厘米-3，可以认为负电荷集中在金属接触表面，而半导体的掺杂浓度一般比较低，约1018厘米-3，于是半导体一侧失去电子的正电中心分布在离接触面较厚的区域，厚约10-410-5厘米，在这一区域由于电子大部分已迁移到金属那边。,成为电子已耗尽的高阻区，称为耗尽层。因为耗尽层的内电场将阻挡电子迁移到金属，因此又叫阻挡层。阻档层内的正电荷与金属接触面上的负电荷形成电偶极层，即形成接触势垒，称为肖特基势垒。,直
11、接把太阳光能转换成电能的器件(光伏效应)，光伏效应本质上是由于吸收光辐射而产生电动势现象。,半导体太阳电池,1839年贝克里尔(Becqurel)观察到插在电解液中两电极间的电压随光照强度变化的现象。1876年在固体硒中，弗里兹(Fritts)也观测到这种效应。,尽管光伏效应在气体、液体或固体中都能发生，但只有在固体中，尤其在半导体材料中，才能获得可供利用的光电转换效率。,1954年第一个实用半导体硅pn结太阳电池的问世，证明了这一点。半导体太阳电池的优点是效率高、寿命长、重量轻、性能可靠，甚至可以不用维护，使用方便。从1958年开始，用作人造卫星、宇宙飞船、行星际站的重要长期电源。,目前的太
12、阳电池成本较高，大规模的太空应用或地面应用都受到限制。人类正在研究新材料、新结构、新工艺的高效率、低成本的太阳电池。,紧急交通标志,太阳能电池还装在人造卫星上，用来为其供电。,海上应用,日常生活太阳能电池的计算器,太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。,半导体太阳电池种类繁多。有太空用太阳电池的理想材料硅、砷化镓、磷化铟单晶；多晶硅，还有适宜发展低成本太阳电池的非晶硅、硒铟铜、碲化镉、硫化镉等薄膜材料。,pn型pin型肖特基势垒型带反型层的MIS型及异质结型,按光伏结构中势垒的不同，太阳电池可分为：,一、光伏效应的两个基本条件光伏效应就是半导体材料吸收光能后，在其势
13、垒区两边产生电动势的效应。光伏效应是半导体太阳电池实现光电转换的理论基础。,半导体太阳电池的光生伏特效应,第一，半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量hv大于或等于半导体材料的带隙Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。第二，具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。,为使这些光电器件能产生光生电动势(或光生积累电荷)，它们应该满足以下两个条件：,1半导体中的光吸收,考虑某单色光入射进半导体后，其光子流密度随透入深度x而变化的规律：Nph(x)Nph()exp-(),式中Nph(0)为投射到半导体表面的单色光的光子流密度，()是半导体
14、材料的光吸收系数，单位为cm，它除了与材料有关外，又是入射光波长(或光子能量)的函数。,的物理意义是：该单色光在半导体中透入1/深度时其光子流密度已衰减到原值的1/e。,故可用1/来表征该波长光在材料中透入深度。,第一类从零很快上升到104cm，这发生在直 接带隙半导体材料中，如砷化镓、磷化铟和硫化镉等；第二类上升缓慢，这发生在间接带隙半导体材料中，如硅、锗、磷化镓、碲化镉和非晶硅等。,图给出某些半导体材料的光吸收曲线(即光透入深度曲线)。这些曲线的特点是，当入射光子能量低于某种半导体材料的带隙，即hvEg时，其值小到接近于零；,当hv大于Eg时，值增加很快。根据值上升情况，可把半导体材料分为
15、两类：,根据这些材料的吸收曲线，可以发现砷化镓和非晶硅的吸收系数比单晶硅的大得多，透入深度只有1左右，即几乎全部吸收入射阳光。所以，这两种电池都可以做成薄膜，节省材料,硅太阳电池，缓慢上升的吸收曲线，对太阳光谱中长波长光，要求较厚的硅片(约100300m)，才能较充分吸收，而对短波长光，只在入射表面附近lm区域内已充分吸收了。,在零偏条件下，如用光照射p区或n区，只要照射光的波长满足c，都会激发出光生电子-空穴对。光照p区，由于p区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小。,相反，光生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面(吸收光能多，光生电子
16、多)向p区内自然形成电子扩散趋势。如果p区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进入P-n结。,2pn结的光电转换原理,一进入p-n结就被内电场拉向n区。这样光生电子一空穴对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能测量出p区正,n区负的开路电压un，称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通p-n结，则有电流i0通过称为短路电流。,综上所述，光照零偏p-n结产生开路电压的效应，称为光伏效应。这也是光电池的工作原理。,从上面分析可知，光生电压起源于定向光生电流提供的、在势垒两边分别积累的两种光生电荷。假设势垒区中复合可以忽略，各区电子空穴对产生率为恒定值
17、G的简单情况下，光生电流表达式可写成：IPh qAG(Ln+W+Lp),式中q是电子电荷，A为势垒区面积，Ln、Lp是电子和空穴的扩散长度，是势垒区宽度。,由上述分析可知，理想pn结太阳电池可以用一恒定电流源Iph(光生电流)及一理想二极管的并联来表示。故理想pn结太阳电池的等效电路如图所示。考虑实际太阳电池上存在泄漏电阻Rsh和串联电阻Rs，那么，实际等效电路如图示。,二、等效电路、伏安特性及输出特性,lpn结太阳电池的等效电路,2理想情况 在理想情况下，pn结太阳电池的Rsh很大，Rs很小，两者影响都可忽略。根据图所示理想等效电路，三股电流应满足如下关系：IphIFI 其中理想pn结二极管
18、的正向注入电流为：式中I0是pn结反向饱和电流，q是电子电荷，k是玻耳兹曼常数，T为绝对温度。将式代入得到通过负载的电流：,这就是理想情况下负载电阻上电流与电压的关系，即太阳电池的伏安特性。其曲线如图所示。从式及其伏安特性曲线上，可以得出描述太阳电池的四个输出参数1（1）短路电流Isc，是V=0时的输出电流。在理想情况下，它等于光生电流 Iph（2）开路电压Voc。令式中I=0，则给出开路电压的理想值：,（3）填充因子FF。第四象曲线上任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，如图所表明的，其中只有一个特殊工作点(Vmp、Imp)是输出最大功率。填充因子定义是,这个参数是表示最大输出功率
19、点对应的矩形面积，在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。对于有合适效率的电池，该值应在070085范围之内。在理想情况下，填充因子仅是开路电压Voc的函数。令归一化电压则FF的最大值(即理想化的数值)用以下经验公式表达（精确至小数点后四位）,4）太阳电池的光电转换效率 式中Pin是入射到电池上光总功率。,实际上，太阳电池存在着Rs 和Rsh的影响。根据实际等效电路，可以推导出实际太阳电池的伏安特性：,3非理想情况,太阳能电池的性能指标-转换效率,太阳能电池的转换效率是指电池将接收到的光能转换成电能的比率,晶硅类理论转换效率极限为29%。而现在的太阳能电池的转换效率为17%19%。因此
20、,太阳能电池的技术上还有很大的发展空间。,光电转换效率是表征太阳电池性能的最重要的参数。阐述入射太阳辐射功率计算的依据，再以硅pn结太阳电池为主，兼顾其它种类电池，讨论理想情况下最大理论效率的一种考虑计算方法。考虑在非理想情况下，影响效率的诸多因素及效应。,太阳电池的光电转换效率,太阳电池所利用的太阳能来源于太阳辐射。太阳中心发生的核聚变反应，连续不断地释放出巨大能量，主要以光辐射形式从太阳表面的发光层向太空辐射。表面发光层温度约6000K，其辐射光谱与6000K绝对黑体的连续辐射光谱类似(见图)。,一、太阳辐射光谱AM0和AMl.5,太阳辐射经过日-地平均距离(约1.5108公里)，传播到地
21、球大气层外面，其辐射能面密度已大大降低。在这个距离上，垂直于太阳辐射方向单位面积上的辐射功率基本上是个常数，称为太阳常数。其数值是1.353kWm2。,这是许多国家使用高空气球、高空飞机、人造卫星、宇宙飞船等对太阳辐射进行大量测试、综合而得到的公认数据。,目前世界上许多国家把太阳常数作为计算太空用太阳电池的入射光功率密度的依据，又称AMO光谱条件。在此条件下测试太空用太阳电池效率时，光源应满足图AMO的光谱分布，总能量为135.3mWcm2，电池测试温度为25。,AMO光谱的太阳辐射经过大气层中臭氧、氧气、水汽、二氧化碳及悬浮固体微粒(烟尘、粉等)的吸收、散射和反射，到达地面时，光谱分布上出现
22、了许多吸收谷，而且总辐射能至少衰减掉30(如图所示)。,在晴朗天气的理想条件下，决定投射于地面的太阳辐射功率的最重要参数是光穿过大气层通路的长度。当太阳位于天顶，该长度最短。,任一实际光通路长度与此最短长度之比称为大气质量，符号记为AM(Air Mass的缩写)。,上图还给出AM 1.5的光谱分布，其积分能量为83.5mWcm2。作为地面太阳电池测试依据的AM1.5光谱条件，其光源应满足上图中AM1.5光谱分布。,太阳在天顶时，地面上太阳辐射叫大气质量为1的辐射，记为AMl。当太阳偏离天顶角时，大气质量由下式给出；大气质量=1/cos,太阳电池的理论效率由上式决定。当入射太阳光谱AM0或AMl
23、.5确定之后，其值取决于Isc、Voc和FF的最大值。Isc最大值的计算考虑：舍去太阳光谱中大于长波限max这部分的光谱。其中长波限满足：,太阳电池的理论效率,认为其余部分的光子，因其能量hv大于材料禁带宽度Eg，被材料吸收而激发电子空穴对。假设其量子产额为1，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之百地被收集起来。,在上述理想的假设下，最大短路电流值显然仅与材料带隙Eg有关。其计算结果如图所示。,太阳电池Isc的上限值与材料Eg的关系,式中Iph是光生电流，在理想情况下即为图中所对应的最大短路电流。Io是二极管饱和电流，用下式计算：,Voc最大值，在理想情况下由下式定：,显然Io取决于
24、Eg、Ln，Lp、NA、ND和绝对温度T之高低，也与光伏结构有关。,综合上述结果，作为带隙Eg的函数所计算的最大光电转换效率画于图中。,太阳电池光电转换效率与材料带隙Eg的关系,通过分析看出，为提高Voc，常常采用Eg大，少子寿命长及低电阻率(例如对硅单晶片选用02-cm)的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的最大Voc值约700mV左右。,Voc最大值确定之后，可计算得到FF的最大值。,太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低。下面以pn结硅太阳电池为例,来阐述各种能量损失之机理，作为改进太阳电池的设计及工艺，提高其效率的基础。,影响太阳
25、电池效率的一些因素,太阳电池效率损失中，有三种是属于“光学损失”，其主要影响是降低了光生电流值。（1）反射损失R()：从空气(或真空)垂直入射到媒质(如半导体材料)的单色光的反射率：,1光生电流的光学损失,式中n为半导体材料复数折射率N之实部，即普通折射率，k是其虚部，称为消光系数。,每种材料的n和k都与入射光之波长有关。对硅来说，其关系曲线如图所示。把n、k的结果代入式中，发现在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露硅表面反射掉了。,硅折射率的实部n与虚部k与光子能量的关系,(3)透射损失：如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。
26、,(2)栅指电极遮光损失c，定义为栅指电极遮光面积在太阳电池总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c约为4%15%。,Pn结硅太阳电池的截面图,间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。对于硅和砷化镓的计算结果示于图中。光生载流子的定向运动形成光生电流Iph最大光生电流值为：,式中Nph(Eg)为每秒钟投射到电池上能量大于Eg的总光子数。,Iphmax=qNph（Eg）),式中()为投射在电池上、波长为，单位带宽的光子数；i为量子产额，即一个能量大于带隙Eg的光子产生一对光生电子空穴对的几率，通常可令i=1；dx为距电池表面xt处厚度为dx的薄层；H为电池厚度；,G（、x）表示由波长为、单位
27、带宽的光子射进材料在x处的产生率。,考虑上述三种光学损失及材料吸收之后，光生电流可表示为：,2光生少子的收集几率fc,在太阳电池内，由于存在少子复合，所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之百地被收集起来。,定义光激发少子中对太阳电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率fc。该参数决定于电池内各区域的复合机理，也与电池结构与空间位置有关。,太阳光的光强在=0.40.7m之间最强，极大值在0.48m(AM0)和0.53m(AM1.5)。这要求太阳电池的光谱响应与太阳光谱有一致的分布。太阳电池的光谱响应指短路电流与入射光波长的函数关系。就是指某一波长下，每一个射进电池的光子，对应所能收集到的平均载流
28、子数。,3太阳电池的光谱响应SR（）,决定Voc大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，Voc也就越低。,4影响开路电压的实际因素,5串联电阻Rs和旁路电阻Rsh 引起效率下降,在硅太阳是池中，由硅材料体电阻、溥层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻构成了总串联电阻Rs。,Rs值变大会影响电池伏安特性曲线偏离理想曲线，使FF变小，Isc下降；,而旁路电阻Rsh变小，说明无光照射pn结反向漏电流变大，造成Voc下降，FF变小。,效率下降,由于地面及空间应用的太阳电池运用温度范围很宽，太阳电池用的半导体材料，其禁带宽度的温度系数一般都是负的。,6温度效应,随着温度上升，带隙变窄，增强电池对光的吸收而使Isc略微上升；可是，带隙变窄会引起Io变大，而使Voc下降，影响FF也下降。,综合这三个参数的变换，转换效率随温度上升而下降。,应用在卫星上的太阳电池受到太空中高能粒子辐射，体内产生缺陷，使电池输出功率逐渐下降，影响其使用寿命。,7辐照效应,光伏探测器的伏安特性曲线是怎样的?在实际应用中有那两种工作模式?相应的器件叫什么?光电池两端的开路电压是如何确定的?描述太阳能电池的四个输出参数?影响太阳能电池效率的因素?,作业,
