光电二极管光电池.ppt

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1、光电子技术研究所 利用利用p-np-n结的光伏效应而制成的光结的光伏效应而制成的光电探测器称为光伏探测器。和光电探测器称为光伏探测器。和光电导探测器不同，光伏探测器的电导探测器不同，光伏探测器的内电流增益等于内电流增益等于1 1。光电二极管光电二极管光伏探测器光伏探测器有光电池和光电二极有光电池和光电二极管之分，相应于两种工作模式。管之分，相应于两种工作模式。光电子技术研究所 一、两种工作模式一、两种工作模式p-n结光伏探测器用图（结光伏探测器用图（a）中的符号表示，）中的符号表示，它等效为一个普通二级管和一个恒流源（光电它等效为一个普通二级管和一个恒流源（光电流源）并联，如图（流源）并联，如

2、图（b）所示。）所示。有两种不同的工作方式，由外偏压回路决定有两种不同的工作方式，由外偏压回路决定在零偏压时，如图（在零偏压时，如图（c）称为光伏工作模式）称为光伏工作模式当外电路采用反偏压时，即外加当外电路采用反偏压时，即外加p端为负端为负n端为端为正的电压时，如图（正的电压时，如图（d）所示，称为光导工作）所示，称为光导工作模式模式。光电子技术研究所 我们知道，普通二极管的伏安特性为我们知道，普通二极管的伏安特性为 因此，光伏探测器的总电流为因此，光伏探测器的总电流为 式中式中e是电子电是电子电荷，荷，u是探测器是探测器两端电压，两端电压，K是是玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，T是绝对温度是绝

3、对温度，光电子技术研究所 第一象限是正偏压状态，第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不本来就很大，所以光电流不起主要作用，在这一区域工起主要作用，在这一区域工作没有意义。作没有意义。第三象限是反偏压状态，第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率电流（对应于光功率P=0），），数值很小，这时的光电流数值很小，这时的光电流（等于（等于iis）是通过探测器）是通过探测器的主要电流。的主要电流。光伏探测器的伏安特性曲线光伏探测器的伏安特性曲线即即iu 曲线如图所示。曲线如图所示。由由于于这这种种

4、情情况况外外回回路路特特性性与与光光电电导导探探测测器器十十分分相相似似，所所以以反反偏偏压压下下的的工工作作方方式式称称为为光光导导模模式式，相相应应的的探探测测器器称为光电二极管。称为光电二极管。光电子技术研究所 在第四象限中，外偏压为在第四象限中，外偏压为零时，流过探测器的电流零时，流过探测器的电流仍为光电流，这时探测器仍为光电流，这时探测器的输出是通过负载电阻的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过上的电压或流过RL上的电上的电流来体现的，因此称为光流来体现的，因此称为光伏工作模式。相应的探测伏工作模式。相应的探测器称为光电池。器称为光电池。光电子技术研究所 为为了了符符合合人人们们通通

5、常常的的观观察察习习惯惯，把把图图中中第第三三象象限限的的伏伏安安特特性性在在i和和u倒倒转转后后变变到到第第一一象象限限中中,如如图图(a)所所示示。其其中中，弯弯曲曲点点M所所对对应应的的电电压压值值V称称为为曲曲膝膝电电压压。为为分分析析方方便便，经经线线性性化化处处理理后后的的特特性性曲线如图所示。曲线如图所示。一、光电二极管一、光电二极管光电二极管等效电路示图光电二极管等效电路示图(d)中。中。因因为为光光电电二二极极管管总总是是在在反反向向偏偏压压下下工工作作，所所以以iD iS，iS和和光光电流电流i都是反向电流。都是反向电流。光电子技术研究所 为为保保证证输输出出光光电电流流和

6、和入入射射光光功功率率之之间间呈呈线线性性关关系系，如如何何确确定定电路的最佳负载电阻。电路的最佳负载电阻。当当光光信信号号功功率率由由PP慢慢慢慢变变化化到到PP，为为使使输输出出光光电电流流和和入入射射光光功功率率之之间间呈呈线线性性变变化化，负负载线必须通过载线必须通过MM点的右方。点的右方。如如还还要要求求输输出出电电压压最最大大，则则负负载载线线必必须须通通过过 MM点点，这这时时最最大输出电压大输出电压u umaxmax可求得为可求得为 当光电二极管用于慢变化光当光电二极管用于慢变化光功率探测时，其伏安特性曲功率探测时，其伏安特性曲线如图所示。线如图所示。光电子技术研究所 与此相应

7、的与此相应的GL为为式中式中Ri 为光电二极管的为光电二极管的电流灵敏度电流灵敏度,g是光电是光电二极管的内电导二极管的内电导,其值其值等于管子内阻的倒数等于管子内阻的倒数,g是光电二极管的临界是光电二极管的临界电导，电导，GL是负载电阻是负载电阻RL的倒数的倒数。光电子技术研究所 如如进进一一步步要要求求电电流流输输出出最最大大，则则由由图图可可知知，在在给给定定V V值值后后，通通过过u u轴轴上上V V值值的的点点并并垂垂直直于于 u u轴轴的的负负载载线线，即即G GL L或或R RL L0 0的的负负载载线线，具具有有最最大大的的电电流流输输出出，显显然然有有 光电子技术研究所 当光

8、电二极管用于对脉当光电二极管用于对脉冲光信号探测时，其探测电冲光信号探测时，其探测电路和伏安特性如图所示。假路和伏安特性如图所示。假定光信号功率作正弦脉动，定光信号功率作正弦脉动，即即P PP P0 0+P+Pm msint sint 通常所关心的问题是：通常所关心的问题是：给定入射光功率时，最给定入射光功率时，最佳功率输出的条件，以佳功率输出的条件，以及给定反偏压及给定反偏压 V时，最时，最佳功率输出的条件。佳功率输出的条件。光电子技术研究所 Rs是是体体电电阻阻和和电电极极接接触触电电阻阻，一一般般很很小小。考考虑虑到到这这两两个个因因素素之之后后，工工程程计计算算的的简简化化等等效效电电

9、路路如如（b）所所示示。其其高高频截止频率频截止频率fC为为 其中（其中（a）是比较完全）是比较完全的等效电路，的等效电路，Rd是光电是光电二极管的内阻，亦称暗二极管的内阻，亦称暗电阻。由于反偏压工作，电阻。由于反偏压工作，所以光电二极管可以等所以光电二极管可以等效为一个高内阻的电流效为一个高内阻的电流源。源。光电二极管的高频等效电路如图所示。光电二极管的高频等效电路如图所示。光电子技术研究所 通常定义电路的时间常为通常定义电路的时间常为 事实上，光电二极事实上，光电二极管的频率响应不仅管的频率响应不仅决定于上述的电路决定于上述的电路时间常数，时间常数，因此在制造工艺上要尽量因此在制造工艺上要

10、尽量减小这个时间，所以，一减小这个时间，所以，一般把光敏面做得很薄。般把光敏面做得很薄。还与光生载流子在耗尽还与光生载流子在耗尽层附近的扩散时间和光层附近的扩散时间和光生载流子在耗尽层内的生载流子在耗尽层内的漂移时间有关，对硅光漂移时间有关，对硅光电二极管，前者也具有电二极管，前者也具有10-5秒量极，后者有秒量极，后者有10-11秒量级。秒量级。光电子技术研究所 由于光电二极管常常用于微弱信号的探测。因此了解它的由于光电二极管常常用于微弱信号的探测。因此了解它的噪声性能是十分必要的。图是光电二极管的噪声等效电路。噪声性能是十分必要的。图是光电二极管的噪声等效电路。对高频应用，两个主要的噪声源

11、是散粒噪声对高频应用，两个主要的噪声源是散粒噪声 和电阻热和电阻热噪声噪声 。所以输出噪声电流的有效值为所以输出噪声电流的有效值为 光电子技术研究所 式式中中is、ib、id分分别别是是信信号号光光电电流流、背背景景光光电电流流和和反向饱和暗电流的平均值。反向饱和暗电流的平均值。由由式式可可见见，从从材材料料及及制制造造工工艺艺上上尽尽量量减减小小id，并并合理选取负载电阻合理选取负载电阻RL是合理减小噪声的有效途径。是合理减小噪声的有效途径。制制造造光光电电二二极极管管的的材材料料几几乎乎全全部部选选用用硅硅或或锗锗的的单单晶材料。晶材料。由由于于硅硅器器件件较较之之锗锗器器件件暗暗电电流流

12、小小得得多多，频频率率特特性性好，因此硅光电二极管得到了广泛的应用。好，因此硅光电二极管得到了广泛的应用。相应的噪声电压为相应的噪声电压为 光电子技术研究所 二、二、PIN硅光电二极管硅光电二极管为为改改善善光光电电二二极极管管其其频频率率特特性性，就就得得设设法法减减小小载载流流子子扩扩散散时时间间和和结结电电容容。人人们们提提出出了了种种在在P P区区和和n n区区之之间间相相隔隔一一本本征征层层(I(I层层)的的PINPIN光电二极管。光电二极管。PIN diode：普通的二极管由：普通的二极管由PN结组成结组成.在在P和和N半导半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征体材料之间加入一薄层低

13、掺杂的本征(Intrinsic)半导半导体层体层,组成的这种组成的这种P-I-N结构的二极管就是结构的二极管就是PIN Diode.正因为有正因为有IntrinsicIntrinsic层的存在，层的存在，PIN diodePIN diode应用很广泛，应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在从低频到高频的应用都有，主要用在RFRF领域，用作领域，用作RF RF SwitchSwitch和和RFRF保护电路，也有用做保护电路，也有用做PhotoDiodePhotoDiode。光电子技术研究所 异异质质结结是是由由两两种种不不同同的的半半导导体体材材料料形形成成的的 p-np-n结结。p-p-

14、n n结两边是不同的基质材料，两边的禁带宽度不同。结两边是不同的基质材料，两边的禁带宽度不同。三、异质结光电二极管三、异质结光电二极管通常以禁带宽度大的通常以禁带宽度大的一边作为光照面，能一边作为光照面，能量大于宽禁带的光子量大于宽禁带的光子被宽禁带材料吸收。被宽禁带材料吸收。产生电子产生电子空穴对，如果空穴对，如果光照面材料的厚度大于载光照面材料的厚度大于载流子的扩散长度，则光生流子的扩散长度，则光生载流子达不到结区，因而载流子达不到结区，因而对光电信号无贡献。对光电信号无贡献。光电子技术研究所 而能量小于宽禁带的长波光子都能顺利到达结区。而能量小于宽禁带的长波光子都能顺利到达结区。被窄禁带

15、材料吸收，产生光电信号。被窄禁带材料吸收，产生光电信号。所以，异质结的宽禁带材料具有滤波作用。一般异所以，异质结的宽禁带材料具有滤波作用。一般异质结探测器的量子效率高、背景噪声较低、信号比质结探测器的量子效率高、背景噪声较低、信号比较均匀、高频响应好。较均匀、高频响应好。异质结光电二极管有异质结光电二极管有Si-PbS，CdS-PbS，Pb1-xSxSb-Pbs，Pb1-xSnxTe-PbTe等。等。光电子技术研究所 雪雪崩崩光光电电二二极极管管是是利利用用二二极极管管在在高高的的反反向向偏偏压压下下发发生生雪雪崩崩倍倍增增效效应而制成的光电探测器。应而制成的光电探测器。这这种种器器件件有有电

16、电流流内内增增益益，一一般般硅硅或或锗锗雪雪崩崩光光电电二二极极管管电电流流内内增增益益可可达达10102 2-10-103 3，灵灵敏敏度度高高，响响应应速速度度快快，在在超超高高频频的的调调制制光光照照射射下仍有很显著的增益。下仍有很显著的增益。光光电电流流增增益益的的大大小小用用倍倍增增因因子子M M表表示示，M M随随反反向向偏偏压压V V的的变变化化可可用用下面的经验公式近似表示下面的经验公式近似表示四、雪崩光电二极管四、雪崩光电二极管(APD)光电子技术研究所 式式中中V为为外外加加反反向向偏偏压压，VB为为击击穿穿电电压压，n是是与与半半导导体体材材料料有有关关的的常常数数，对对

17、n+p结结，n2，对对 p+n结结，n4。雪雪崩崩光光电电二二极极管管的的噪噪声声主主要要是是散散粒粒噪噪声声和和热热噪噪声声，噪噪声声电电流流有有效效值可写为值可写为这里这里F是附加噪声因是附加噪声因子，与光电倍增管子，与光电倍增管中的附加噪声因子中的附加噪声因子意义相同。意义相同。r是电子是电子和空穴电离概率之和空穴电离概率之比，比，雪崩光电二极管在光纤通信、雪崩光电二极管在光纤通信、激光测距以及光纤传感技术激光测距以及光纤传感技术中有广泛的应用。中有广泛的应用。光电子技术研究所 这这是是一一种种由由金金属属和和半半导导体体接接触触所所制制成成的的光光电电二二极极管管，所所以以这这种种光光

18、电电二二极极管管也也称称为为金金属属半半导导体体光电二极管：光电二极管：五、肖特基五、肖特基(schottky)(schottky)势垒势垒 光电二极管光电二极管当金属和当金属和n型半导体接触时，型半导体接触时，由于金属的费米能级比半导由于金属的费米能级比半导体的费米能级低，体的费米能级低，n型半导体型半导体内的电子便向金属内移动内的电子便向金属内移动结果金属一侧带负电。结果金属一侧带负电。半导体一侧带正电，形半导体一侧带正电，形成内电场。由于内电场成内电场。由于内电场的存在，它将阻止的存在，它将阻止n型型半导中的电子继续移向半导中的电子继续移向金属直至建立起稳定金属直至建立起稳定的内部电场。

19、的内部电场。-+MS光电子技术研究所 由于金属内部自由电子浓度由于金属内部自由电子浓度很大，约很大，约1022厘米厘米-3，可以认为，可以认为负电荷集中在金属接触表面，而负电荷集中在金属接触表面，而半导体的掺杂浓度一般比较低，半导体的掺杂浓度一般比较低，约约1018厘米厘米-3，于是半导体一侧，于是半导体一侧失去电子的正电中心分布在离接失去电子的正电中心分布在离接触面较厚的区域，厚约触面较厚的区域，厚约10-410-5厘米，在这一区域由于电子厘米，在这一区域由于电子大部分已迁移到金属那边。大部分已迁移到金属那边。成为电子已耗尽的高阻区，成为电子已耗尽的高阻区，称为耗尽层。因为耗尽层的称为耗尽层

20、。因为耗尽层的内电场将阻挡电子迁移到金内电场将阻挡电子迁移到金属，因此又叫阻挡层。阻档属，因此又叫阻挡层。阻档层内的正电荷与金属接触面层内的正电荷与金属接触面上的负电荷形成电偶极层，上的负电荷形成电偶极层，即形成接触势垒，称为肖特即形成接触势垒，称为肖特基势垒。基势垒。-+MS光电子技术研究所 直直接接把把太太阳阳光光能能转转换换成成电电能能的的器器件件(光光伏伏效效应应)，光光伏伏效效应应本本质质上上是是由由于于吸吸收收光辐射而产生电动势现象。光辐射而产生电动势现象。半导体太阳电池半导体太阳电池1839年贝克里尔年贝克里尔(Becqurel)观察到插在电解液中两电极间观察到插在电解液中两电极

21、间的电压随光照强度变化的现象。的电压随光照强度变化的现象。1876年在固体硒中，弗里兹年在固体硒中，弗里兹(Fritts)也观测到这种效应。也观测到这种效应。尽管光伏效应在气体、液体或固体中都能尽管光伏效应在气体、液体或固体中都能发生，但只有在固体中，尤其在半导体材发生，但只有在固体中，尤其在半导体材料中，才能获得可供利用的光电转换效率。料中，才能获得可供利用的光电转换效率。光电子技术研究所 1954年年第第一一个个实实用用半半导导体体硅硅pn结结太太阳阳电电池池的的问问世世，证明了这一点。证明了这一点。半半导导体体太太阳阳电电池池的的优优点点是是效效率率高高、寿寿命命长长、重重量量轻轻、性性

22、能能可可靠靠，甚甚至至可可以以不不用用维维护护，使使用用方方便便。从从1958年年开开始始，用用作作人人造造卫卫星星、宇宇宙宙飞飞船船、行行星星际际站站的的重重要长期电源。要长期电源。目前的太阳电池成本较目前的太阳电池成本较高，大规模的太空应用高，大规模的太空应用或地面应用都受到限制。或地面应用都受到限制。人类正在研究新材料、人类正在研究新材料、新结构、新工艺的高效新结构、新工艺的高效率、低成本的太阳电池。率、低成本的太阳电池。光电子技术研究所 紧急交通标志紧急交通标志 太阳能电池还装太阳能电池还装在人造卫星上，用来在人造卫星上，用来为其供电。为其供电。海上应用海上应用日常生活太阳能电池的计算

23、器日常生活太阳能电池的计算器光电子技术研究所 光电子技术研究所 太阳能太阳能电池是通过光电池是通过光电效应或者光电效应或者光化学效应直接化学效应直接把光能转化成把光能转化成电能的装置。电能的装置。光电子技术研究所 半导体太阳电池种类繁多。半导体太阳电池种类繁多。有太空用太阳电池的理想材有太空用太阳电池的理想材料硅、砷化镓、料硅、砷化镓、磷化铟单晶；磷化铟单晶；多晶硅，多晶硅，还有适宜发展低成本太阳电还有适宜发展低成本太阳电池的非晶硅、池的非晶硅、硒铟铜、硒铟铜、碲化镉、碲化镉、硫化镉等薄膜材料。硫化镉等薄膜材料。pn型型pin型型肖特基势垒型肖特基势垒型带反型层的带反型层的MIS型及型及异质结

24、型异质结型按光伏结构中势垒的不按光伏结构中势垒的不同，太阳电池可分为：同，太阳电池可分为：光电子技术研究所 一、光伏效应的两个基本条件一、光伏效应的两个基本条件光光伏伏效效应应就就是是半半导导体体材材料料吸吸收收光光能能后后，在在其其势势垒垒区区两两边边产产生生电电动动势势的的效效应应。光光伏伏效效应应是是半导体太阳电池实现光电转换的理论基础。半导体太阳电池实现光电转换的理论基础。半导体太阳电池的光生伏特效应半导体太阳电池的光生伏特效应光电子技术研究所 第第一一，半半导导体体材材料料对对一一定定波波长长的的入入射射光光有有足足够够大大的的光光吸吸收收系系数数，即即要要求求入入射射光光子子的的能

25、能量量hvhv大大于于或或等等于于半半导导体体材材料料的的带带隙隙EgEg，使使该该入入射射光光子子能能被被半半导导体体吸吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。收而激发出光生非平衡的电子空穴对。第第二二，具具有有光光伏伏结结构构，即即有有一一个个内内建建电场所对应的势垒区。电场所对应的势垒区。为为使使这这些些光光电电器器件件能能产产生生光光生生电电动动势势(或或光光生生积积累累电电荷荷)，它它们们应应该该满满足足以以下两个条件：下两个条件：光电子技术研究所 1半导体中的光吸收半导体中的光吸收 考考虑虑某某单单色色光光入入射射进进半半导导体体后后，其其光光子子流流密密度度随随透透入深度入深度x而变

26、化的规律：而变化的规律：N Nphph(x x)N Nphph()exp)exp-()-()式中式中Nph(0)为投射到半导为投射到半导体表面的单色光的光子流体表面的单色光的光子流密度，密度，()是半导体材料是半导体材料的光吸收系数，单位为的光吸收系数，单位为cm，它除了与材料有关外，它除了与材料有关外，又是入射光波长又是入射光波长(或光子或光子能量能量)的函数。的函数。的物理意义是：该单色光在的物理意义是：该单色光在半导体中透入半导体中透入1/1/深度时其光深度时其光子流密度已衰减到原值的子流密度已衰减到原值的1/e1/e。故可用故可用1/来表征该波长光在材来表征该波长光在材料中透入深度。料

27、中透入深度。光电子技术研究所 第一类第一类从零很快上升到从零很快上升到104cm ，这发，这发生在直生在直 接带隙半导体材料中，如砷化镓、磷化接带隙半导体材料中，如砷化镓、磷化铟和硫化镉等；铟和硫化镉等；第二类上升缓慢，这发生在间接带隙半导体材第二类上升缓慢，这发生在间接带隙半导体材料中，如硅、锗、磷化镓、碲化镉和非晶硅等。料中，如硅、锗、磷化镓、碲化镉和非晶硅等。图给出某些半导体材料的光图给出某些半导体材料的光吸收曲线吸收曲线(即光透入深度曲即光透入深度曲线线)。这些曲线的特点是，。这些曲线的特点是，当入射光子能量低于某种半当入射光子能量低于某种半导体材料的带隙，即导体材料的带隙，即hvEg

28、时，其时，其值小到接近于零；值小到接近于零；当当hv大于大于Eg时，时，值增加很值增加很快。根据快。根据值上升情况，可值上升情况，可把半导体材料分为两类：把半导体材料分为两类：光电子技术研究所 根据这些材料的吸收曲线，根据这些材料的吸收曲线，可以发现砷化镓和非晶硅的可以发现砷化镓和非晶硅的吸收系数比单晶硅的大得多，吸收系数比单晶硅的大得多，透入深度只有透入深度只有1左右，即左右，即几乎全部吸收入射阳光。所几乎全部吸收入射阳光。所以，这两种电池都可以做成以，这两种电池都可以做成薄膜，节省材料薄膜，节省材料 硅硅太太阳阳电电池池，缓缓慢慢上上升升的的吸吸收收曲曲线线，对对太太阳阳光光谱谱中中长长波

29、波长长光光，要要求求较较厚厚的的硅硅片片(约约 100300m)，才才能能较较充充分分吸吸收收，而而对对短短波波长长光光，只只在在入入射射表表面面附附近近lm区区域域内内已已充充分分吸吸收收了。了。光电子技术研究所 在在零零偏偏条条件件下下，如如用用光光照照射射p区区或或n区区，只只要要照照射射光光的的波波长长满满足足 c，都都会会激激发发出出光光生生电电子子-空穴对。空穴对。光光照照p区区，由由于于p区区的的多多数数载载流流子子是是空空穴穴，光光照照前前热热平平衡衡空空穴穴浓浓度度本本来来就就比比较较大大，因因此此光光生生空穴对空穴对p区空穴浓度影响很小。区空穴浓度影响很小。相相反反，光光生

30、生电电子子对对p区区的的电电子子浓浓度度影影响响很很大大，从从p区区表表面面(吸吸收收光光能能多多，光光生生电电子子多多)向向p区区内内自自然然形形成成电电子子扩散趋势。扩散趋势。如如果果p区区厚厚度度小小于于电电子子扩扩散散长长度度，那那么么大大部部分分光光生生电电子子都都能能扩扩散散进进入入P-n结。结。2pn结的光电转换原理结的光电转换原理光电子技术研究所 一一进进入入p-n结结就就被被内内电电场场拉拉向向n区区。这这样样光光生生电电子子一一空空穴穴对对就就被被内内电电场场分分离离开开来来，空空穴穴留留在在p区区，电电子子通通过过扩扩散散流流向向n区区。这这时时用用电电压压表表就就能能测

31、测量量出出p区区正正,n区区负负的的开开路路电电压压un，称称为为光光生生伏伏特特效效应应。如如果果用用一一个个理理想想电电流流表表接接通通p-n结结，则则有有电电流流i0通通过过称称为为短短路电流。路电流。综上所述，综上所述，光照零偏光照零偏p-n结产生开路电压的结产生开路电压的效应，称为光伏效应。效应，称为光伏效应。这也是光电池的工作原理。这也是光电池的工作原理。光电子技术研究所 从从上上面面分分析析可可知知，光光生生电电压压起起源源于于定定向向光光生生电电流流提提供供的的、在势垒两边分别积累的两种光生电荷。在势垒两边分别积累的两种光生电荷。假假设设势势垒垒区区中中复复合合可可以以忽忽略略

32、，各各区区电电子子空空穴穴对对产产生生率率为恒定值为恒定值G的简单情况下，光生电流表达式可写成：的简单情况下，光生电流表达式可写成：IPh qAG(Ln+W+Lp )式中式中q是电子电荷，是电子电荷，A为势垒区面积，为势垒区面积，Ln、Lp是电子和空是电子和空穴的扩散长度，穴的扩散长度，是势垒区宽度。是势垒区宽度。光电子技术研究所 由由上上述述分分析析可可知知，理理想想pnpn结结太太阳阳电电池池可可以以用用一一恒恒定定电电流流源源I Iphph (光光生生电电流流)及及一一理理想想二二极极管管的的并并联联来来表表示示。故故理理想想pnpn结结太太阳阳电电池池的的等等效电路如图所示。效电路如图

33、所示。考考虑虑实实际际太太阳阳电电池池上上存存在在泄泄漏漏电电阻阻R Rshsh和和串串联联电阻电阻R Rs s，那么，实际等效电路如图示。，那么，实际等效电路如图示。二、等效电路、伏安特性及输出特性二、等效电路、伏安特性及输出特性l lpnpn结太阳电池的等效电路结太阳电池的等效电路光电子技术研究所 2理想情况理想情况 在在理理想想情情况况下下，pn结结太太阳阳电电池池的的Rsh很很大大，Rs很很小小，两两者者影影响响都都可可忽忽略略。根根据据图图所所示示理想等效电路，三股电流应满足如下关系：理想等效电路，三股电流应满足如下关系：IphIFI 其中理想其中理想pn结二极管的正向注入电流为：结

34、二极管的正向注入电流为：式式中中I0是是pn结结反反向向饱饱和和电电流流，q是是电电子子电电荷荷，k是是玻玻耳耳兹兹曼曼常常数数，T为为绝绝对对温温度度。将将式代入得到通过负载的电流：式代入得到通过负载的电流：光电子技术研究所 这这就就是是理理想想情情况况下下负负载载电电阻阻上上电电流流与与电电压压的的关关系系，即即太太阳阳电电池池的的伏伏安安特特性性。其其曲线如图所示。曲线如图所示。从从式式及及其其伏伏安安特特性性曲曲线线上上，可可以以得得出出描描述太阳电池的四个输出参数述太阳电池的四个输出参数11（1 1）短短路路电电流流I Iscsc，是是V V=0=0时时的的输输出出电电流流。在理想情

35、况下，它等于光生电流在理想情况下，它等于光生电流 I Iphph （2 2）开开路路电电压压V Vococ。令令式式中中I I=0=0，则则给给出出开路电压的理想值：开路电压的理想值：光电子技术研究所 （3）填填充充因因子子FF。第第四四象象曲曲线线上上任任一一工工作作点点上上的的输输出出功功率率等等于于该该点点所所对对应应的的矩矩形形面面积积，如如图图所所表表明明的的，其其中中只只有有一一个个特特殊殊工工作作点点(Vmp、Imp)是是输输出最大功率。填充因子定义是出最大功率。填充因子定义是 光电子技术研究所 这个参数是表示最大输出功率点对应的矩形面积，这个参数是表示最大输出功率点对应的矩形面

36、积，在在Voc和和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。对于所组成的矩形面积中所占的百分比。对于有合适效率的电池，该值应在有合适效率的电池，该值应在070085范围之范围之内。在理想情况下，填充因子仅是开路电压内。在理想情况下，填充因子仅是开路电压Voc的函的函数。令归一化电压数。令归一化电压则则FF的最大值的最大值(即理想化的数值即理想化的数值)用以下经验公用以下经验公式表达（精确至小数点后四位）式表达（精确至小数点后四位）光电子技术研究所 4）太阳电池的光电转换效率）太阳电池的光电转换效率 式中式中Pin是入射到电池上光总功率。是入射到电池上光总功率。实实际际上上，太太阳阳电电池池存存在在

37、着着Rs 和和Rsh的的影影响响。根根据据实实际等效电路，可以推导出实际太阳电池的伏安特性：际等效电路，可以推导出实际太阳电池的伏安特性：3非理想情况非理想情况光电子技术研究所 太阳能电池的性能指标太阳能电池的性能指标-转换效率转换效率 太阳能电池的转换效率是指电池将接收到太阳能电池的转换效率是指电池将接收到的光能转换成电能的比率的光能转换成电能的比率 晶硅类理论转换晶硅类理论转换效率极限为效率极限为29%29%。而。而现在的太阳能电池现在的太阳能电池的转换效率为的转换效率为17%17%19%19%。因此。因此,太太阳能电池的技术上阳能电池的技术上还有很大的发展空还有很大的发展空间。间。光电子

38、技术研究所 光光电电转转换换效效率率是是表表征征太太阳阳电电池池性性能能的最重要的参数。的最重要的参数。n阐述入射太阳辐射功率计算的依据，阐述入射太阳辐射功率计算的依据，n再以硅再以硅pn结太阳电池为主，兼顾其它结太阳电池为主，兼顾其它种类电池，讨论理想情况下最大理论种类电池，讨论理想情况下最大理论效率的一种考虑计算方法。效率的一种考虑计算方法。n考虑在非理想情况下，影响效率的诸考虑在非理想情况下，影响效率的诸多因素及效应。多因素及效应。太阳电池的光电转换效率太阳电池的光电转换效率光电子技术研究所 太太阳阳电电池池所所利利用用的的太太阳阳能能来来源源于于太太阳阳辐辐射射。太太阳阳中中心心发发生

39、生的的核核聚聚变变反反应应，连连续续不不断断地地释释放放出出巨巨大大能能量量，主主要要以以光光辐辐射射形形式式从从太太阳阳表表面面的的发发光层向太空辐射。光层向太空辐射。表表面面发发光光层层温温度度约约6000K，其其辐辐射射光光谱谱与与6000K绝绝对对黑黑体体的连续辐射光谱类似的连续辐射光谱类似(见图见图)。一、太阳辐射光谱一、太阳辐射光谱AM0和和AMl.5光电子技术研究所 太太阳阳辐辐射射经经过过日日-地地平平均均距距离离(约约1.5101.5108 8公公里里)，传传播播到到地地球球大大气气层层外外面面，其其辐辐射射能能面面密密度已大大降低。度已大大降低。在在这这个个距距离离上上，垂

40、垂直直于于太太阳阳辐辐射射方方向向单单位位面面积积上上的的辐辐射射功功率率基基本本上上是是个个常常数数，称称为为太太阳阳常常数。其数值是数。其数值是1.353kW1.353kWm m2 2。这这是是许许多多国国家家使使用用高高空空气气球球、高高空空飞飞机机、人人造造卫卫星星、宇宇宙宙飞飞船船等等对对太太阳阳辐辐射射进进行行大大量量测测试试、综综合合而而得得到到的公认数据。的公认数据。光电子技术研究所 目目前前世世界界上上许许多多国国家家把把太太阳阳常常数数作作为为计计算算太太空空用用太太阳阳电电池池的的入入射射光光功功率率密密度度的的依依据据，又又称称AMOAMO光谱条件。光谱条件。在在此此条

41、条件件下下测测试试太太空空用用太太阳阳电电池池效效率率时时，光光源源应应满满足足图图AMOAMO的的光光谱谱分分布布，总总能能量量为为135.3mW135.3mWcmcm2 2，电池测试温度为，电池测试温度为2525。光电子技术研究所 AMOAMO光光谱谱的的太太阳阳辐辐射射经经过过大大气气层层中中臭臭氧氧、氧氧气气、水水汽汽、二二氧氧化化碳碳及及悬悬浮浮固固体体微微粒粒(烟烟尘尘、粉粉等等)的的吸吸收收、散散射射和和反反射射，到到达达地地面面时时，光光谱谱分分布布上上出出现现了了许许多多吸吸收收谷谷，而而且且总总辐辐射射能能至至少少衰衰减减掉掉3030(如图所示如图所示)。在在晴晴朗朗天天气

42、气的的理理想想条条件件下下，决决定定投投射射于于地地面面的的太太阳阳辐辐射射功功率率的的最最重重要要参参数数是是光光穿穿过过大大气气层层通通路路的的长长度度。当当太太阳阳位位于于天天顶顶，该该长度最短。长度最短。任一实际光通路长任一实际光通路长度与此最短长度之度与此最短长度之比称为大气质量，比称为大气质量，符号记为符号记为AM(Air Mass的缩写的缩写)。光电子技术研究所 上上图图还还给给出出AM AM 1.51.5的的光光谱谱分分布布，其其积积分分能能量量为为83.5mW83.5mWcmcm2 2。作作为为地地面面太太阳阳电电池池测测试试依依据据的的AM1.5AM1.5光光谱谱条条件件，

43、其其光光源应满足上图中源应满足上图中AM1.5AM1.5光谱分布。光谱分布。太阳在天顶时，地面上太太阳在天顶时，地面上太阳辐射叫大气质量为阳辐射叫大气质量为1 1的的辐射，记为辐射，记为AMlAMl。当太阳。当太阳偏离天顶偏离天顶角时，大气质角时，大气质量由下式给出；量由下式给出；大气质量大气质量=1/cos=1/cos 光电子技术研究所 太太阳阳电电池池的的理理论论效效率率由由上上式式决决定定。当当入入射射太太阳阳光光谱谱AM0或或AMl.5确确定定之之后后，其其值值取取决决于于Isc、Voc和和FF的最大值。的最大值。Isc最最大大值值的的计计算算考考虑虑：舍舍去去太太阳阳光光谱谱中中大大

44、于于长长波波限限max这这部部分分的的光谱。其中长波限满足：光谱。其中长波限满足：太阳电池的理论效率太阳电池的理论效率认认为为其其余余部部分分的的光光子子，因因其其能能量量hv大大于于材材料料禁禁带宽度带宽度Eg，被材料吸收而激发电子空穴对。，被材料吸收而激发电子空穴对。假假设设其其量量子子产产额额为为1，而而且且被被激激发发出出的的光光生生少少子子在最理想的情况下，百分之百地被收集起来。在最理想的情况下，百分之百地被收集起来。光电子技术研究所 在上述理想的假设下，最大短路在上述理想的假设下，最大短路电流值显然仅与材料带隙电流值显然仅与材料带隙E Eg g有关。有关。其计算结果如图所示。其计算

45、结果如图所示。太阳电池太阳电池Isc的上限值与材料的上限值与材料Eg的关系的关系光电子技术研究所 式式中中I Iphph是是光光生生电电流流，在在理理想想情情况况下下即即为为图图中中所所对对应应的最大短路电流。的最大短路电流。I Io o是二极管饱和电流，用下式计算：是二极管饱和电流，用下式计算：Voc最大值，在理想情况下由下式定：最大值，在理想情况下由下式定：光电子技术研究所 显显然然Io取取决决于于Eg、Ln，Lp、NA、ND和和绝绝对对温温度度T之之高高低低，也与光伏结构有关。也与光伏结构有关。综合上述结果，作为带隙综合上述结果，作为带隙Eg的的函数所计算的最大光电转换效函数所计算的最大

46、光电转换效率画于图中。率画于图中。太阳电池光电转换效率太阳电池光电转换效率与材料带隙与材料带隙Eg的关系的关系通过分析看出，为提高通过分析看出，为提高Voc，常，常常采用常采用Eg大，少子寿命长及低电大，少子寿命长及低电阻率阻率(例如对硅单晶片选用例如对硅单晶片选用02-cm)的材料，代入合适的的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的最半导体参数的数值，给出硅的最大大Voc值约值约700mV左右。左右。Voc最大值确定之后，可计算最大值确定之后，可计算得到得到FF的最大值。的最大值。光电子技术研究所 太太阳阳电电池池在在光光电电能能量量转转换换过过程程中中，由由于于存存在在各各种种附附加加

47、的的能能量量损损失失，实实际际效效率率比比上述的理论极限效率低。上述的理论极限效率低。下下面面以以pn结结硅硅太太阳阳电电池池为为例例,来来阐阐述述各各种种能能量量损损失失之之机机理理，作作为为改改进进太太阳阳电电池池的的设计及工艺，提高其效率的基础。设计及工艺，提高其效率的基础。影响太阳电池效率的一些因素影响太阳电池效率的一些因素光电子技术研究所 太太阳阳电电池池效效率率损损失失中中，有有三三种种是是属属于于“光光学学损损失失”，其主要影响是降低了光生电流值。，其主要影响是降低了光生电流值。（1）反反射射损损失失R()：从从空空气气(或或真真空空)垂垂直直入入射射到到媒媒质质(如半导体材料如

48、半导体材料)的单色光的反射率：的单色光的反射率：1光生电流的光学损失光生电流的光学损失式中式中n为半导体材料复数折射为半导体材料复数折射率率N之实部，即普通折射率，之实部，即普通折射率，k是其虚部，称为消光系数。是其虚部，称为消光系数。光电子技术研究所 每每种种材材料料的的n和和k都都与与入入射射光光之之波波长长有有关关。对对硅硅来来说说，其其关关系系曲曲线线如如图图所所示示。把把n、k的的结结果果代代入入式式中中，发发现现在在感感兴兴趣趣的太阳光谱中，超过的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露硅表面反射掉了。的光能被裸露硅表面反射掉了。硅折射率的实部硅折射率的实部n与虚与虚部部k与光子能量的关

49、系与光子能量的关系光电子技术研究所(3)透透射射损损失失：如如果果电电池池厚厚度度不不足足够够大大，某某些些能能量量合合适适能能被被吸吸收收的的光光子子可可能能从从电电池池背背面面穿穿出出。这这决决定定了了半半导导体体材材料料之之最最小厚度。小厚度。(2)栅指电极遮光损失栅指电极遮光损失c，定义为栅指电极遮光面积在太定义为栅指电极遮光面积在太阳电池总面积中所占的百分比。阳电池总面积中所占的百分比。对一般电池来说，对一般电池来说，c约为约为4%15%。Pn结硅太阳电池的截面图结硅太阳电池的截面图间接带隙半导体要求材料的厚间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。对于硅和度比直接带隙的厚。对于硅

50、和砷化镓的计算结果示于图中。砷化镓的计算结果示于图中。光生载流子的定向运动形成光光生载流子的定向运动形成光生电流生电流Iph最大光生电流值为：最大光生电流值为：光电子技术研究所 式式中中N Nphph(E Eg g)为为每每秒秒钟钟投投射射到到电电池池上上能能量量大大于于E Eg g的的总光子数。总光子数。Iphmax=qNph（Eg）)式中式中()为投射在电池上、波长为投射在电池上、波长为为，单位带宽的光子数；，单位带宽的光子数；i为量为量子产额，即一个能量大于带隙子产额，即一个能量大于带隙Eg的光子产生一对光生电子空穴对的光子产生一对光生电子空穴对的几率，通常可令的几率，通常可令i=1；d