8光谱特性

实验8PN结光生伏特效应光谱特性研究1．实验目的⑴熟悉UV751-GD型分光光度计的基本结构并掌握其使用方法；⑵通过实验过程了解PN结的光伏效应及其光谱特性的测试方法。2．实验内容测量普通硅太阳能电池、背表面场硅太阳能电池的光谱响应。3．实验原理⑴光生伏特效应与光电池光生伏特效应简称光伏效应。它是半导体PN结的基本光学性质之一。光伏效应不仅存在于PN结中，而且还存在于所有含有内建电势的两种固体材料的界面中。如金属-半导体接触的肖特基势垒也有此效应。对于浅结二极管（结深mxj5.0~1.0），当光线垂直于结面照射时，光子进入半导体内，能量大于半导体禁带宽度的光子由于本证吸收而产生电子-空穴对（见图1c）。势垒区外一个扩散长度内的光生少子受PN结内建电场的作用均被扫到对边，在n区和p区分别形成电子和空穴的积累，产生一光生电动势。此光生电动势又给PN结以正向偏压，使PN结的势垒减低。于是，在PN结内部，既有由n区流向p区的光生电流LI，又有与LI方向相反的正向电流FI。在稳定光照下，开路的PN结内，FLII，形成一稳定的光生电压OCV。短路情况下，0FI，光生电流LI全部流经外电路。这种由内建电场引起的光电效应称为光生伏特效应。太阳电池就是这种效应最直接的应用。太阳电池基本上就是一个大面积的PN结。PN太阳电池的基本结构如图1所示。N+扩散层为顶区，P型硅衬底为基区，PN结两边的耗尽层为势垒区。由图2所示的太阳辐照光谱可见，太阳光在高能区存在强辐照，为了充分利用这些光能，提高电池高能端的光谱响应，故设计为浅结；同时为了收集被PN结分离的光生少子，又为了光注入，故在电池的正面制作金属栅指电极，在电池的背面制作大面积的欧姆接触电极；为了减少硅表面光的反射损失（在0.5~0.9微米波段，硅的反射率大于30%），故在硅的表面又蒸镀了一层减反射膜，其厚度为电池光谱响应峰值波长的四分之一，其折射率是空气折射率和硅的折射率的等比中项。研究表明，这样处理可提高电池的光电转换效率20%。⑵光谱响应与光电流考虑图1（c）中的电池结构。设电池的受光面为x坐标的原点，深度方向为x的正方向。若少子扩散长度nL大于电池总厚度H，可假定光生少子全部被PN结电场收集。这样，太阳光照射下的光电流密度为在电池厚度H范围内被吸收的波长为m~0的光子所激发的电子-空穴对的总和与电子电荷的乘积（注意：图中电池的受光面积设定为单位面积）11000mddxerqIJHxL式中，0I是太阳光中波长为、带宽为d的入射光在单位时间内入射到太阳电池（单位面积）上的光子数，简称入射光强；是量子产额；r为与波长有关的反射系数；为相应波长的吸收系数（见图3）；m为本证吸收长波限。式中，xGxrIexp10是x处波长为的单色光照射下光生载流子的产生率。而（1）式中中括弧内的积分就是该单色光照射下电池内所产生的光电流密度j。因此，（1）式可以写为20mdjJL在本证半导体中能量小于禁带宽度的光子不能激发电子-空穴对，只有能量大于禁带宽度的光子才能激发电子-空穴对。因此，能量不同的光子激发电子-空穴对的能力也不相同，一般用光谱响应表示不同波长的光产生电子-空穴对的能力。太阳电池的光谱响应就是某一波长的光照射在pn结表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数。这里讨论两种光谱响应：等量子光谱响应和等能量光谱响应。等量子光谱响应是指波长为的一个光子入射到电池上所能收集到的平均光电子数。用公式表示为30qIjQq而等能量光谱响应是单位能量的某一波长的光照射到电池上所产生的光电流，公式表示为40hcIjQE式中h是普郎克常数，c是光速。将（3）、（4）两式代入（2）式可得500mdQqIJqL600mdQIhcJEL可见，电池光电流由太阳光谱分布和电池光谱响应两个因数决定。考虑图1（c）中的n+p太阳电池结构。结深为jx，耗尽区宽度为W，厚度为H。假定pn结两边为均匀掺杂，势垒区外的n区和p区均无电场，则光生少子只作扩散运动。先考虑n区，少子空穴的稳态连续性方程为70100202pNNxNNPPPerIdxPPdD稳态下，扩散到表面处的少子数和在表面复合的少子数相等。同时，在结的边界处空穴被扫入p区，故引入边界条件如下9080000nNNNNPNNPxxPPxPPSdxPPdD式中，PN、PN0分别是有关照和无关照时少子空穴的浓度；PPPSD,,分别是少子空穴的寿命、扩散系数和表面复合速度。按照上述边界条件解方程（7）可得10coshsinhcoshsinhcoshsinhsinh112200PjPjPPPxPPPPPPjPjPPPPjPPPPPPNNLxLxDLSeLxLxDLSLxLxDLSLxxLDLSLrIPPj式中，PPPDL为空穴扩散长度。因此，在结的边界处收集到的单位光谱带宽内的空穴扩散电流密度为11coshsinhsinhcoshcoshsinh11220jjxPPjPjPPPxPjpjPPPPjPjPPPPPPPPpeLLxLxDLSeLxLxDLSLxLxDLSLDLSLLrqIj再考虑p型均匀基区。与n区的情况类似，少子电子所满足的稳态连续性方程为12100202nppxppPnnerIdxnndD其边界条件为1300Wxxnnjpp1400HxdxnndDnnSppnppn式中，nS是电池背面电子的复合速度，物理量nnppDnn,,,0的物理意义均与空穴的类似。同样，用边界条件（13）、（14）解方程（12）可得基区少子电子的分布，从而得到基区收集到的电子扩散电流15coshsinhsinhcoshsinhcosh11''''''220''nnnnnHnnnnnnnHnnnnnWxnnnLHLHDLSeLLHLHLHDLSeLHDLSLeLLrqIjj式中，nnnjDLWxHH,'。势垒区电场强度大，光生非平衡载流子来不及复合就被扫出势垒区。故它贡献的光电流就是光生非平衡载流子对整个势垒区的积分所得16110WxdeerqIjj这样，电池在给定波长下单位光谱带宽的光电流就是dnpjjj,,三项之和。可见，光电池单色光光电流响应是其材料参数（,,,,DEg）、结构参数和表面复合速度的函数。用表1的硅太阳电池参数以及mxmHj5.0,450，再设定不同的表面复合速度，计算结果示于图4。该图表明：表面复合对电池光谱响应影响很大。尤其是高能光谱响应。在eV5.3以上的紫外光照射下，硅的吸收系数相当大，在15102~1cm之间。因而表现出受复合速度pS支配的饱和高能光谱效应17coshsinh1PjPjPPPPPLxLxDLSDSQ表1硅太阳电池参数（300K）sscmDcmNpnppD62318104.0295.1105电池cmb3cmNAsvcmn2scmDn2sncmLn410cmW4100偏压VVD1.0110171615105105.11025.1420104013909.102736666105.2101010152.5216423205.028.093.0022.1930.0867.0sscmDcmNnpnnA62319101.115.2105电池cmb3cmNDsvcmp2scmDp2spcmLP4104100偏压WVVD1.0110161514105.8101.5105.435050058091315666105.1105.710159.365.9815012.047.05.1950.0877.0814.0因为少子寿命、扩散系数与材料电阻率有关，所以图4中低能光谱响应与基区电阻率ρb有关。实践中的紫电池扩散浓度低，且结深浅，顶区的少子收集作用强，因而高能光谱响应好，如图5所示。图6表明：N/P硅电池的内光谱响应（曲线“总”）与器件的基区、顶区和势垒区三个部分光谱响应的总和有关。如果顶区、基区存在指向PN结的掺杂浓度负梯度，将产生指向PN结的飘移场，加强了少子的收集作用，减少了体复合、表面复合，可以提高光谱响应。图7根据典型的参数计算给出了有关的结果。图7中为简洁起见，未画出势垒区的光谱响应曲线，但它已叠加到总的光谱响应曲线之中。对于浅结电池来说，在很窄的顶区上制作飘移场是很困难的，而在基区却可以用背面场来提高其低能光谱响应。对于通常的N+P电池，背面再形成P+区，就产生了与PN结同方向的PP+势场。它对于基区光生少子的势垒作用，阻止了少子的流失，加强了少子的收集，从而提高了低能光谱响应。⑶测试系统及装置电池的电流光谱响应测量系统由光源、分光光度计和微安表组成（图8）。分光光度计含有两种光源（钨灯和氘灯），它能提供波长从195nm到1000nm的单色光，并可根据需要切换氘灯和钨灯。在钨灯光源下，不同波长、不同狭缝下的单色光能量，事先已用光能量计测量好，并且已制成表格供实验者用。微安表用来读取电池单色光短路电流。分光光度计中的单色仪是利用分光棱镜的色散作用，把复色光分解成单色光，通过波长鼓轮的旋转，带动分光棱镜转动，使经过分光所得到的一组色带在出射狭缝平面上移动。对应于鼓轮一定的转角，便使得相应波长的那部分准单色光射出狭缝，落到太阳电池的表面，提供给测试者使用。4．实验步骤⑴将光源切换到钨灯。给光源的稳流、稳压电源通电预热。⑵用干净的金属镊子小心地将太阳电池样品夹于暗室中的夹具上，让波长nm600~500的某一单色光通过狭缝投射到电池的表面上。注意：若微安表的指针反转过，应及时调换电极。⑶选择适当的已标定的狭缝宽度，一般短波段选择较大的狭缝，长波段选较小的狭缝。⑷从nm400开始，以25nm为间隔，旋转波长鼓轮选择不同的波长。⑸选择波长后，即可由微安表准确读出电池的短路电流scj，并且注意一并纪录狭缝、波长及scj。⑹推或拉样品选择杆，使样品退出光路。⑺选择下一个波长点，让样品进入光路。读数、记录、再次退出光路。如此重复测量，得到nm1000~400波段内各个选定的波长点单色光照射下的光电流。⑻由狭缝、波长值、查表并且记录各单色光的光能量。5．数据处理⑴等量子光谱响应和等能量光谱响应由测量得到的单色光能量E除以其光子能量，就得到入射光子数18hcEI再由式（3）、（4）可以分别算得等能量和等量子光谱响应。⑵电池背面复合速度由（15）式恒等变换可以导出n/p电池背面复合速度nS的显示表达式19sinhcoshsinhcosh''''''HnnHnnnnnneLHALHeLLHLHALDS式中WxnnqnjjeLLQLAWxHH1,22'计算过需要先调用已获得的Ln及长波段的Qq数据，并依基片电阻率适当选用表1中的电池参数，就可以算出电池背面复合速度Sn。⑶电池表面复合速度同样由（1