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1、第八章第八章 太阳电池和光电二极管太阳电池和光电二极管 8.2 P-N8.2 P-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应8.2 P-N8.2 P-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 P-NP-N结结光光生生伏伏特特效效应应就就是是半半导导体体吸吸收收光光能能后后在在P-NP-N结结上上产产生生光光生生电电动动势势的的效效应应。光光生伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程：生伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程：第一、半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子第一、半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子空穴对；空穴对；第二、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，也第二、非平衡电子
2、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；可以是漂移运动；第三、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。这种非均匀势场第三、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。半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。8.2 P-N8.2 P-N结结的光生伏特效的光生伏特效应应 图图8-5 8-5 P-NP-N结结能能带带图图：（a a）无无光光照照平平衡衡P-N结结，（b b）光光照照P-N结结开开路路状状态态，（c c）光照光
3、照P-NP-N结有串联电阻时的状态结有串联电阻时的状态 。8.3 8.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性8.3 8.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 图图8-6 8-6 太阳电池理想等效电路太阳电池理想等效电路 8.3 8.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 首先考虑串联电阻首先考虑串联电阻 =0 =0 的理想情况。在这种情况下，太阳电池的等效电路如图的理想情况。在这种情况下，太阳电池的等效电路如图8-68-6所所示。图中电流源为短路光电流示。图中电流源为短路光电流 。V-I V-I特性可以简单地由图特性可以简单地由图8-68-6所示的等效电路写出。所示的等效电
4、路写出。式中式中 为为P-N P-N 结正向电流结正向电流 为为P-N P-N 结饱和电流结饱和电流 P-N P-N 结的结电压即为负载结的结电压即为负载R R上的电压降。上的电压降。（8-68-6）8.3 8.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 P-N结上的电压为结上的电压为 在开路情况下，在开路情况下，I=0，得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压）在短路情况下（在短路情况下（V=0），），这是太阳电池能提供的最大电流。这是太阳电池能提供的最大电流。太阳电池向负载提供的功率为太阳电池向负载提供的功率为 （8-98-9）（8-78-7）
5、（8-88-8）（8-108-10）8.6 8.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑8.6 8.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 在在实实际际的的太太阳阳电电池池中中，多多种种因因素素限限制制着着器器件件的的性性能能，因因而而在在太太阳阳电电池池的的设设计中必须考虑这些限制因素。计中必须考虑这些限制因素。图图8-11 在在AM0AM0和和AM1AM1条件下下的太阳光谱及其在条件下下的太阳光谱及其在GaAsGaAs和和SiSi中的能量截止点中的能量截止点 8.6 8.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 只有大于只有大于 的那部分能量可以被吸收。的那部分能
6、量可以被吸收。可见，可见，越小越小 越大从而越大从而 越大。可被吸收的最大光子数在硅中为：越大。可被吸收的最大光子数在硅中为：,在在GaAs中为：中为：最大功率考虑最大功率考虑太阳电池的最大输出功率由开路电压和短路电流所决定。由光谱考虑，发现太阳电池的最大输出功率由开路电压和短路电流所决定。由光谱考虑，发现 随着的随着的 增加而减小。开路电压增加而减小。开路电压 乘积会出现一极大值。乘积会出现一极大值。由由（8-58-5）（8-278-27）8.6 8.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 达到最佳设计，需要对掺杂浓度和结深采取折衷。达到最佳设计，需要对掺杂浓度和结深采取折衷。实际
7、的接触是采用示于图实际的接触是采用示于图8-148-14中的栅格形式。这种结构能够有大的曝光面积，而同中的栅格形式。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。时又使串联电阻保持合理的数值。图图8-14 P8-14 P上扩散上扩散N N的硅电池的简单结构的硅电池的简单结构 8.6 8.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 表面反射采用表面反射采用抗反射层抗反射层垂直入射时，反射比为垂直入射时，反射比为 ，n1和和n2分别为空气和半导体的折射率分别为空气和半导体的折射率 理想的抗反射层材料折射率应为理想的抗反射层材料折射率应为 。聚光聚光聚聚光光是是用用聚聚光光器器
8、面面积积代代替替许许多多太太阳阳能能电电池池的的面面积积，从从而而降降低低太太阳阳能能电电池池造造价价。它它的的另一个优点是增加效率。另一个优点是增加效率。因此一个电池在因此一个电池在1000个太阳强度的聚光度下工作产生的输出功率相当于个太阳强度的聚光度下工作产生的输出功率相当于1300个电池个电池在一个太阳强度下工作的输出功率。在一个太阳强度下工作的输出功率。8.6 8.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 从太阳光谱吸收的角度解从太阳光谱吸收的角度解释由不同禁带宽度子电池释由不同禁带宽度子电池构成的叠层太阳能电池转构成的叠层太阳能电池转换效率更高的原因。换效率更高的原因。8-9
9、 8-9 光电二极管光电二极管8-9 8-9 光电二极管光电二极管 光电二极管工作原理：光照反偏光电二极管工作原理：光照反偏PNPN结，产生的光结，产生的光生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。极管用于探测光信号。8-9 8-9 光电二极管光电二极管 P-I-N光电二极管光电二极管 图图8-20 P-I-N光电二极管的工作原理，（光电二极管的工作原理，（a）光电二
10、极管的剖面图；光电二极管的剖面图；(b）反向偏置时的能带图；（反向偏置时的能带图；（c）光吸收特性光吸收特性8-9 8-9 光电二极管光电二极管 在长距离的光纤通信系统中多采用在长距离的光纤通信系统中多采用 的双异质的双异质结结P-I-NP-I-N光电二极管中，光电二极管中，P-InPeVP-InPeV，对波长大于对波长大于 的光不吸收。的光不吸收。eVeV（对应截止时波长对应截止时波长 ），在），在 波段波段上表现出较强的吸收。这样，对于光通信的低损耗波段，光吸收只发生在上表现出较强的吸收。这样，对于光通信的低损耗波段，光吸收只发生在I I层，完全消了层，完全消了扩散电流的影响，几微米厚的扩散电流的影响，几微米厚的I I层，就可就可以获得很高的响应度。具有良好的频率层，就可就可以获得很高的响应度。具有良好的频率响应。响应。