半导体物理 第八章 半导体太阳电池和光电二极管 图文

2. 若PN结从外部短路，则PN结附近的光生载流子将通过这个途径流通。这 时流过太阳电池的电流叫短路电流，用IL表示。其方向从PN结内部看是从 N区指向P区的 。此时光电压为零，能带图恢复为图8-6(a).
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第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
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第八章 半导体太阳 能电池和光电二极管
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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
1. 太阳能：
引言
储量无限性（40亿年）、存在普遍性、清洁性、经济性。
2. 太阳电池：
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：
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§8.2 P-N结的光生伏特效应
8.2.1 太阳电池的基本结构
上电极为栅格形状，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。
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§8.2 P-N结的光生伏特效应
8.2.2 P-N结的光生伏特效应
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§8.1 半导体中的光吸收
假设半导体被光子能量hν> Eg光源均 匀照射，光子通量为Φ0，则：
d( x ) / dx ( x ) (8-1-2)
比例系数α称为吸收系数。其解为：
(
x
)
e x
0
(8-1-3)
即：在半导体另一端处光子通量为：
2. 降在负载电阻上的电压也加在PN结上，使PN结产生正向电流：
ID I0 (eV /VT 1)
（8-2-2）
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。
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§8.2 P-N结的光生伏特效应
小结：
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§8.2 P-N结的光生伏特效应
小结：
3.在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为：
I L qAGL Ln LP
（8-2-1）
4.负载电阻上的电压降加在PN结上，使PN结产生正向电流：
I D I 0 eV VT 1
（8-2-2）
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
( x ) 0eW
(8-1-4)
图8-3 光吸收的特性
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§8.1 半导体中的光吸收
吸收系数是光子能量的函数。
禁带宽度为Eg的半导体的吸 收截止波长为：
c
1.24
Eg eV
m
(8-1-5)
截止波长附近的吸收曲线称为 吸收边。
图8-4 几种半导体的吸收系数
1.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 生伏特效应。 2.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光生电动势qVoc。PN 结的势垒高度将由热平衡的qψ0 降低为 q(ψ0 –Voc )。如果把PN结从 外部短路，会产生短路电流，这时非平衡载流子不再积累在PN结两 侧，光电压为零。P区和N区费米能级相等，能带图恢复为图8-6(a)。 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是电流在 串联电阻RS上产生的电压降。 半导体器件物理与实验——国家级精品课程
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§8.2 P-N结的光生伏特效应
8.2.2 P-N结的光生伏特效应光生载流子将积累于PN结两侧，这时PN结两端测得的 电位差（开路电压）就是光生电动势，记为Voc，此时有：EFN – EFP = q Voc .
太阳电池中的不利因素。
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§ 8.3 太阳电池的I-V特性
教学要求：
1.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I－V特性方程（8-3-1）式。 2.了解太阳电池的I-V特性曲线（图8-8），解释该曲线所包 含的物理意义。 3.画出实际太阳电池等效电路图，根据等效电路图写出I－ V特性方程（8-3-6）式。
单晶硅电池24％、非晶硅电池13.2％、InGaAs/GaAs叠层41.4 ％
4. 太阳电池和光电二极管基本工作原理相同，用途不同。
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§8.1 半导体中的光吸收
hc 1.24 (m) h h (eV )
图8-1 从紫外区到红外区的电磁波谱图
P-N结光生伏特效应是半导体吸收光能后在P-N结上产生光生电 动势的现象。光生伏特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—空穴对； 2. 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； 3. 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。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区，也可以是金属— 半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。
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§8.2 P-N结的光生伏特效应
教学要求：
1. 掌握概念：光生伏特效应、光电压、光电流、短 路光电流 、暗电流。
2. 掌握PN结光生伏特效应的基本过程。 3. 利用能带图分析光生伏特效应。
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8.2.2 P-N结的光生伏特效应
1. 设光在整个器件中被均匀吸收，短路光电流可以表示为:
I L qAGL Ln LP
（8-2-1）
式中GL为光生电子空穴对的产生率，A为P-N结的结面积， A(Ln+Lp)为半导体产生光生载流子的体积。由式（8-2-1）可 知短路光电流IL取决于光照强度和P-N结的性质。