光生伏特效应

第六章：电子材料的光学性质第二节:半导体的光生伏特效应25.11.10光生伏特效应：光照在半导体p-n结或金属—半导体接触面上时，会在p-n结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势；p-n结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射p-n结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于p-n结上加一个正电压；半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流）。§6.2半导体的光生伏特效应Pneeee太阳光在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动.6.2.1p-n结的光生伏特效应浅结eeeepnp耗尽层n----------++++++++++0x空穴电子0Ux0x动平衡时p型与n型接触区域的电势变化1.p-n结的内建电场无光照P型N型P型N型EfpEfnEf能级弯曲的原因：在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级2.p-n结的能带图光照时n区产生少子空穴，p区产生少子电子；在内建电场的作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子向n区运动，使p端电势升高，n端电势降低；所以，光生电场由p端指向n端，使势垒降低，产生正向电流IF；由于空穴向p区运动，所以在p-n结内部形成自n区向p区的光生电流IL有光照6.2.2光电池的电流电压特性光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。即将p-n结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流流过电路，p-n结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。1.p-n结电流方程)1(kTqVSLFLeIIIII(6.18)•I：负载电流；•IL：光生电流；•Is：p-n结反向饱和电流；•V：p-n结两端电压2.开路电压负载电流I=0,即IL=IF：)1ln(SLIIqkTVoc(6.20)3.短路电流将p-n短路V=0,则IF=0，所得电流为短路电流ISC：LSCII(6.21)4.特性曲线5.光电池的实际结构栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）哈勃望远镜上两侧的光电池板将太阳能转变为电能为望远镜提供能源6.光电池的应用硅太阳能电池硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近25%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为17%。多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为16%。非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺,具有较多的优点,例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约90%有用的太阳光能。非晶硅太阳能电池的稳定性较差,从而影响了它的迅速发展。非晶硅太阳能电池化合物太阳能电池三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP电池、GaSb电池等;二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、CaS/CdTe电池等。在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换效率最高,可达28%;GaAs化合物太阳能电池•Ga是其它产品的副产品,非常稀少珍贵;As不是稀有元素,有毒。•GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池,这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。•GaAs化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。太阳能太阳能特点：①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。