第10章 光电探测器和太阳能电池

雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器，它是利用 光生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的， 它具有灵敏度高，相应快等优点。 用于制作雪崩二极管的材 料主要是硅和锗，实际的器件具有极短的响应时间，即数以 千兆的相应频率，高达100到1000的增益，所以在光纤通讯、 激光测距、激光雷达和光纤传感器等领域得到了广泛的应用。
第四象限：零偏压光伏工作模式。
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有光照时，若PN结外电路接上负载电阻 ,如图所示，
在PN结内将出现两种方向相反的电流：一种是光激 发产生的电子-空穴对形成的光生电流 ,它与光照有关， 其方向与PN结方向饱和电流 相同;另一种是光生电流 流过负载电阻 产生电压降，相当于在PN结施加正向 偏置电压，从而产生正向电流 ，总电流 是两者之差， 可编即辑课流件 过负载的总电流为： 10
在p-n结施加正向偏置电压，从而产生电 流ID。
流过负载的总电流是两者之差：
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（2）反向偏置的光电导工作模式 无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻 变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变 化而变化。类似光电导器件。
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（3）正向偏置的工作模式 呈单向导电性，和普通二极管一样，光电 效应无法体现。
当光伏探测器受热噪声限制时提高探测率的关键在于提高结电阻和界面积的乘积和降低探测器的工作温度当光伏探测器受背景噪声限制时提高探测率主要在与采用减小探测器视场角等办法来减少探测器接收的背景光子数ppt精选版19和其他选择性光子探测器一样光伏探测器的响应率随人射光波长而变化
光电子技术课堂展示 ——光电探测器
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2、零伏偏置电路 光伏探测器在自偏置的情况下，若负载电阻为零，

光辐射量
光电探测器
光电倍增管
电量
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一、光子效应
(Photonic Effect ) 指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器 吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小 直接影响内部电子状态的改变。
例如:光子效应在光电池等中体现
特点 对光波频率表现出选择性，响应速度快。
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一、光子效应
外光电效应 内光电效应
效应
1）光阴极发射光电子 2）光电子倍增
打拿极倍增 通道电子倍增
1）光电导（本征和非本征）
2）光生伏特
PN结和PIN结（零偏）
PN结和PIN结（反偏）
雪崩
肖特基势垒
3）光电磁
光子牵引
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相应的探测器 光电管
光电倍增管 像增强器 光导管或光敏电阻
光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管 光电磁探测器 光子牵引探测器
D e
hv
dn电 dn光
dt dt
i(t)
e P(t)
hv
——探测器的量子效率
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八、光电转换定律
*光电探测器对入射功率响应(光电流) ——一个光子探测器可视为一个电流源
**光功率P正比于光电场的平方 ——平方律探测器——非线性器件(本质)
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光电探测器件的特点
光子器件
A、光电发射效应 B、光 电 导 效 应 C、光生伏特效应 D、光 磁 效 应
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知识巩固
2、在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于( A、外光电效应 B、内光电效应 C、光电发射 D、光导效应

（一）基本结构与原理
硅光电二极管
分为 以P型硅为衬底的（国产型号2DU系列） 以N型硅为衬底的（国产型号2CU系列）
光电二极管的电流方程
PN结的电流方程为
qU
I ID (e kT 1)
硅光电二极管伏安特性曲线
式中：U是加在二极管两端的电压，T为温度，k为 玻耳兹曼常数，q为电子电量。
ID和U均为负值，且 U kT / q 时（室温下很容易 满足）的电流称为反向电流或暗电流。
出功率和转化效率。即把受光面做得较大， 或把多个光电池作串、并联组成电池组，与 镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无 输电线路地区的电源供给。
2、光电池用作检测元件
利用其光敏面大，频率响应高，光电流 与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。
3 、光电池零伏偏置电路
A是高输入阻抗放大器，Ri 是光生伏特器件内阻，
光敏面小，势垒电容小，响应快，但工艺困难。
（2）扩散层PN结光电二极管： 耗尽层厚度小于结的任一边的扩散长度，工作 区是结两边的扩散区，光电流主要由扩散流 引起。
（3） 耗尽层型PN结光电二极管
耗尽层厚度大于结的任一边的扩散长度，光 电转换主要在耗尽层内，光电流主要由漂移 电流引起的。有很高的频率响应。
结构：为了实现雪崩过程，基片杂质浓度 很高，使之容易碰撞电离；
片子厚度较薄，保证较高的电场强度
三种雪崩光电二极管结构示意图
影响雪崩光敏二极管工作的因素:
（1）雪崩过程伴有一定的噪声，并受温度 的影响较大；
（2）表面材料的缺陷使PN结各电场分布不 均，局部先击穿使漏电流变大，增强了噪声；
（3）工作偏压必须适当。
最佳工作点在B 处，接近雪崩点 附近。 为了压低暗电流， 可把工作点左移 一些。

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12 本体异质结级联太阳电池
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级联电池中，两个单结电池被连接在一起。上图展示了一个由两个不同 器件通过顶部相互堆砌，并由一不吸收光的薄膜复合层串联在一起组成 的级联电池结构。
12 本体异质结级联太阳电池
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薄复合层使得底部电池受体的准费米能级与顶部电池给体的费米能级处 在同一水平。这一中间层可使来自其中一级电池的空穴与另一级电池的 电子在此层发生复合。 根据基尔霍夫定律，落在级联电池两端的电压为各单结电池的电压之和。
9 优化新材料的性能：加工添加剂
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PCPDTBT与P3HT的LUMO有相近，能吸收300~900nm的光 （P3HT为300~650nm） 向聚合物共混溶液中添加少量的烷基二硫醇，活性层薄膜的相分离和 纳米形貌都能得到改善。使用烷基二硫醇后，EQE在全部波长范围内 都得到了改善，效率提高了两倍。 使用添加剂控制本体异质结材料形貌有两个条件： ①添加剂对富勒烯组分有不同的溶解性； ②添加剂应有比主溶剂更高的沸点。 通过选择与富勒烯组分有不同溶解性的溶剂来控制本体异质结的形貌 已得到证实，最好采用1，8-二碘辛烷。
1 双功能聚合物二极管
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太阳能电池的J-V曲线
1 双功能聚合物二极管（1/4）
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1 双功能聚合物二极管（1/4）
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太阳能电池的等效电路
1 双功能聚合物二极管（1/4）
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短路电流正比于所吸收光的强度 有机物的厚度不能超过机子的扩散距离或载流子的复合长度 器件最大优化厚度约为100~200nm 光转化为电过程中，电荷分离是必要但非充分条件 两个电极功函数不同建立起的内建电场较小，不足以解离激子至电 子空穴对 党忧外电是叠加到内建电场上，外加电厂提高了载流子的收集效率。