1、4半導(dǎo)體光敏器件-太陽能電池,4.1內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的效應(yīng)叫做內(nèi)光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類： 1)光伏效應(yīng) 2 )光電導(dǎo)效應(yīng),1、光伏效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。分為勢壘效應(yīng)和側(cè)向光電效應(yīng)。 (1)勢壘效應(yīng)(結(jié)光電效應(yīng)) 光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在耗盡區(qū)內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢。 (2)側(cè)向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受不均勻光照時(shí)，光照

2、部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對，由此引起光照部分和未受光照部分間出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子要擴(kuò)散。已知電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射的部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電勢。,在光線作用下，電子吸收光子能量從束縛狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。,當(dāng)光照射到半導(dǎo)體光電導(dǎo)材料上時(shí)，若光輻射能量足夠強(qiáng)，材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶,從而使材料中的自由載流子增加，致使材料的電導(dǎo)變大。,2 、光電導(dǎo)效應(yīng),為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度，即,光電

3、導(dǎo)產(chǎn)生的條件,對于半導(dǎo)體材料，也存在一個(gè)長波長限制，只有比此波長短的入射光，才能使材料的電導(dǎo)率增加，產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。,4.2 半導(dǎo)體太陽能電池,4.2.1引言 傳統(tǒng)石化能源 能源枯竭 石油：42年，天然氣：67年，煤：200年 。 環(huán)境污染 每年排放的二氧化碳達(dá)210萬噸，并呈上升趨勢，造成全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴(yán)重影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境。 可再生能源： 風(fēng)能；水能；地?zé)幔怀毕?；太陽能?具有明顯的區(qū)域性,太陽能的利用,潔凈能源： 與 石 油、煤炭等礦物燃料不同，不會(huì) 導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，也不會(huì)造成環(huán)境污染,使用方便： 同水能、風(fēng)能等新能源相比，不受地域

4、 的限制，利用成本低。,資源豐富： 40分鐘照射地球輻射的能量全球人類 一年的能量需求,4.2.2太陽能電池(solar cell),太陽能電池是將太陽光的能量轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。其工作原理主要依據(jù)光生伏特效應(yīng)，因此也稱為光伏電池。,P-N結(jié)光電效應(yīng) 當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí)，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對（少子）擴(kuò)散到結(jié)電場附近時(shí)能在內(nèi)建電場作用下漂移過結(jié)。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電

5、子空穴對被內(nèi)建電場分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個(gè)與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負(fù)。于是有結(jié)電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。,實(shí)際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻(xiàn)。設(shè)N區(qū)中空穴在壽命p的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為Lp，P區(qū)中電子在壽命n的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為Ln。Ln+Lp=L遠(yuǎn)大于P-N結(jié)本身的寬度。故可以認(rèn)為在結(jié)附近平均擴(kuò)散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對光電流有貢獻(xiàn)。而產(chǎn)生的位置距離結(jié)區(qū)超過L的電子空穴對，在擴(kuò)散過程中將全部復(fù)合掉，對P-N

6、結(jié)光電效應(yīng)無貢獻(xiàn)。,光伏效應(yīng)的基本條件 1、半導(dǎo)體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量大于或等于材料禁帶寬度，使入射光能量能被材料吸收而產(chǎn)生非平衡電子空穴對。 2、具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場所對應(yīng)的勢壘區(qū)。,半導(dǎo)體中的光吸收,單色光入射半導(dǎo)體后，其光子流密度隨透入深度x的變化規(guī)律：,式中的()是材料的光吸收系數(shù)，其物理意義為：波長為的單色光在半導(dǎo)體內(nèi)透入1/深度時(shí)，光子流密度已經(jīng)衰減到原值的1/e。,幾種光伏結(jié)構(gòu)能帶圖,太陽能電池結(jié)構(gòu)上的一個(gè)特點(diǎn)：具有與進(jìn)光平面平行的大面積勢壘區(qū)。,太陽輻射光譜,太陽輻射經(jīng)過日地平均距離（1.5108km），傳播到大氣層外，垂直

7、于太陽輻射方向單位面積上的輻射功率基本為常數(shù):1.35kW/m2，稱為太陽常數(shù)。又稱AM0光譜。AM0光譜經(jīng)過大氣層的,吸收散射，到達(dá)地面會(huì)有30的衰減。光通過大氣層路程的長度是決定太陽輻射功率的重要參數(shù)。當(dāng)太陽位于天頂時(shí)，該長度最短。任一實(shí)際光通路長度與最短長度比，稱為大氣質(zhì)量AM。當(dāng)太陽位于天頂時(shí)，稱為稱為大氣質(zhì)量為1的輻射，記為AM1。當(dāng)太陽偏離天頂角，則大氣質(zhì)量：1/cos,太陽能電池的效率,太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率：,I,V,Voc,Isc,Vmp,Imp,式中：Vmp、Imp是最大輸出功率點(diǎn)對應(yīng)的電流和電壓，Voc、Isc是開路電壓和短路電流，Pin是入射總光功率。FF是填充因子，Uo

8、c是歸一化電壓：UocqVoc/kT。,理想情況下的效率,舍棄太陽光中波長大于長波限的光譜，在理想情況下，能量大于禁帶寬度的光子全部被材料吸收形成光電流，顯然，最大短路電流Isc僅與材料的帶隙有關(guān)。,理想情況下Voc為：,式中Iph為光生電流，I0為二極管飽和電流：,影響效率的因素,1、光學(xué)損失,光反射：,柵指電極遮光損失c：柵指電極面積占太陽電池總面積的百分比：一般415,透射損失：決定材料的最小厚度，間接帶隙材料比直接帶隙材料厚。,2、光生少子的收集幾率fc,光激發(fā)少子中對太陽電池的短路電流有貢獻(xiàn)的百分比數(shù)為收集率。收集率隨激發(fā)點(diǎn)離耗盡區(qū)邊緣距離的增大呈指數(shù)降低。耗盡區(qū)及其兩邊少子擴(kuò)散長度

9、范圍內(nèi)最有可能激發(fā)載流子，并對光電流有貢獻(xiàn)。,3、太陽電池光譜響應(yīng),太陽電池的光譜響應(yīng)是指短路電流與入射光波長的函數(shù)關(guān)系。實(shí)際上是指某一波長下，每一個(gè)射進(jìn)電池的光子，對應(yīng)所能收集到的平均載流子數(shù)目。,4、影響開路電壓的因素,決定開路電壓大小的主要物理過程是半導(dǎo)體的復(fù)合。半導(dǎo)體復(fù)合率越高，少子擴(kuò)散長度越短，開路電壓越低。體復(fù)合和表面復(fù)合同樣影響開路電壓。主要復(fù)合機(jī)理： 1、復(fù)合中心復(fù)合 2、俄歇復(fù)合 3、直接輻射復(fù)合,5、串連電阻與旁路電阻引起效率下降,由于材料體電阻、薄層電阻、電極接觸電阻等構(gòu)成的總串連電阻Rs的增加，或是旁路電阻Rsh的降低，會(huì)使器件的IV特性偏離理想曲線，F(xiàn)F減小，引起效率

10、下降。,6、溫度效應(yīng),太陽能電池用半導(dǎo)體的禁帶寬度的溫度系數(shù)為負(fù)，隨溫度上升帶隙變窄，會(huì)使短路電流略有上升，但同時(shí)會(huì)使I0增加，Voc下降。 綜合所有參數(shù)，轉(zhuǎn)換效率隨溫度上升而下降。,7、輻照效應(yīng) 作為衛(wèi)星和飛船的電源，太陽電池必然暴露在外層空間的高能粒子的輻照下。高能粒子輻照時(shí)通過與晶格原子的碰撞，將能量傳給晶格，當(dāng)傳遞的能量大于某一閾值時(shí)，便使晶格原子發(fā)生位移，產(chǎn)生晶格缺陷。這些缺陷將起復(fù)合中心的作用，從而降低少子壽命。大量研究工作表明，壽命參數(shù)對輻照缺陷最為靈敏，也正因?yàn)檩椪沼绊懥藟勖?，從而使太陽電池性能下降?4.2.3高效太陽電池的發(fā)展,淺結(jié)電池（紫電池）,常規(guī)電池采用普通擴(kuò)散法制

11、作PN結(jié)，其結(jié)深在0.5um。由于表層的重?fù)诫s效應(yīng)和嚴(yán)重的晶格缺陷和畸變，使該層少子壽命極低。采用淺結(jié)工藝，使結(jié)深在0.1-0.25um，提高光生空穴的收集率，同時(shí)配合Ta2O3增透膜，效果更好。,表面工藝技術(shù),將電極作成手指狀， 以增加入射光的面積(圖一)。,圖一,將表面制成金字塔型的組織結(jié)構(gòu)，以減少光的反射量。 將金屬電極埋入基板中，以減少串聯(lián)電阻。(圖二),圖二,減少背電極與硅的接觸面積，以減少因金屬與硅的接合處引入的缺陷， (圖三) 點(diǎn)接觸式太陽電池 (圖四)，此電池的特點(diǎn)為電極均做在同一面，如此可增加入射光的面積，且易于焊線。,圖三,圖四,1、硅太陽能電池； 單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率

12、最高，技術(shù)也最為成熟。是光伏市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品。國際公認(rèn)最高效率在AM1.5條件下為24，空間用高質(zhì)量的效率在AMO條件約為13.518，地面用大量生產(chǎn)的在AM1條件下多在1118之間。,4.2.4太陽能電池材料,aSi（非晶硅）采用高頻輝光放電法使硅烷分解沉積。由于沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積約1m厚的薄膜，易于大面積化，成本低，多采用pin結(jié)構(gòu)。全球市場用量每月在1千萬片左右，居薄膜電池首位。小面積轉(zhuǎn)換效率提高到 14.6，大面積大量生產(chǎn)的為810，疊層結(jié)構(gòu)的最高效率為21。,PSi（多晶硅）光電池沒有光致衰退，材料質(zhì)量下降時(shí)也不會(huì)影響光電池，是國際上的前沿性研究

13、熱點(diǎn)。在單晶硅襯底上用液相外延制備的pSi光電池轉(zhuǎn)換效率為15.3，經(jīng)減薄襯底，加強(qiáng)陷光等加工，可提高到23.7%，微晶硅薄膜生長與asi工藝相容，光電性能和穩(wěn)定性很高，研究受到很大重視，理論計(jì)算表明其效率可在28以上。,2、無機(jī)鹽多元化合物薄膜太陽電池 多元化合物薄膜太陽能電池主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘及銅銦硒薄膜電池等。 硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜電池效率高，成本較單晶硅電池低，且易于大規(guī)模生產(chǎn)，但鎘有劇毒，對環(huán)境有嚴(yán)重污染，因此并不是晶體硅最理想的替代品。,砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率受到人們的普遍重視。GaAs能隙為1.4

14、eV，正好為高吸收率太陽光的值。1998年德國費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為24.2。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs，GaSb電池，電池效率達(dá)到31.1。 銅銦硒CuInSe2簡稱CIS。CIS材料的能隙為1.leV，且不存在光致衰退問題。1995年美國可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率為17.l的CIS太陽能電池。CIS電池具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個(gè)重要方向。但由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。,3、納米晶太陽能電池,納米晶化學(xué)太陽能電池（簡稱NPC電池）是由一種在窄帶半導(dǎo)體材料修飾、

15、組裝到另一種寬帶隙半導(dǎo)體材料上形成的，窄禁帶半導(dǎo)體材料采用過渡金屬Ru等的有機(jī)化合物敏化染料，寬帶隙半導(dǎo)體材料為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當(dāng)?shù)难趸€原電解質(zhì)。納米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。,納米晶TiO2太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10壽命能達(dá)到2O年以上。,4、功能高分子材料制備的太陽能電池,在太陽能電池中以聚合物代替無機(jī)材料是一個(gè)新的太陽能電池研究方向。其原理是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢，在導(dǎo)電材料（電極）表面進(jìn)行多層復(fù)合，制成類似無機(jī)PN結(jié)的單向?qū)щ娧b置。 其中一個(gè)電極的內(nèi)層由還原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的還原電位較高，電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移；另一個(gè)電極的修飾正好相反，并且第一個(gè)電極上兩種聚合物的還原電位均高于后者的兩種聚合物的還原電位。當(dāng)兩個(gè)修飾