第8章 太阳电池和光电二极管ppt课件.ppt

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1、第八章太阳电池和光电二极管有人统计,全球已探明的石油储量只能用到2020年左右，天然气能用到2040年左右，煤炭只能维持200-300年。如不尽快解决化石能源的替代能源，人类迟早会面临化石能源枯竭的危机局面。因此，人们很早就开始重视太阳能的开发和利用。太阳能具有储量无限性（40亿年）、存在普遍性、清洁性、经济性。到目前为止，使用太阳能还没有收税，一次性投入不再花钱。第八章太阳电池和光电二极管半导体太阳电池,直接把太阳能转换成电能器件。利用各种势垒的光生伏打效应，也称光生伏打电池，简称光电池。1839年，光生伏打效应首先是贝克勒尔（Becquerel）在电解槽中发现。1883年，弗里

2、茨（Fritts）首次用硒制造光生伏打电池。1941年，奥勒（Ohl）制作出了单晶硅光电池。1954年，贝尔实验室制作出第一个实用的硅太阳能电池。第八章太阳电池和光电二极管太阳电池直接把太阳能转换成电能。太阳电池具有寿命长、效率高、性能可靠、成本低、无污染等优点。单晶硅太阳电池效率已达到近24%，非晶硅电池达13.2%，InGaPAs/GaAs叠层电池已达到30.28%。光电二极管和太阳电池基本工作原理相同，用于检测各种光辐射信号，一种重要的光探测器。8.1半导体中的光吸收第八章太阳电池和光电二极管P250图8-2，半导体受到光照射，光子可能被吸收。若光子的能量等于禁带宽带，则价带

3、电子吸收光子跃迁到导带；若光子的能量大于禁带宽带，除产生电子空穴对外，多余能量将以热的形式耗散掉；若光子的能量小于禁带宽带，只有当禁带内存在合适杂质或物理缺陷引起的能态时，光子才会被吸收。8.1半导体中的光吸收图7-1从紫外区到红外区的电磁波谱图人眼检测光波长范围0.4-0.7um8.1半导体中的光吸收假设半导体被一光子能量大于禁带宽度的光源均匀照射。光子通量为。（P252图8-3)光子在半导体中传播，距表面x处,单位时间单位距离上被吸收的光子数应正比于该处的光子通量吸收系数光子能量的函数。光吸收在截止波长处急降。（7-1）（7-2）（7-4）8.1半导体中的光吸收图7-4几种半导

4、体的吸收系数吸收系数光吸收在截止波长处急降能带间光吸收可略8.1半导体中的光吸收教学要求作业：8.1、8.38.2P-N结的光生伏打效应第八章太阳电池和光电二极管P251图8-5太阳电池的结构背面接触一般采用大面积蒸镀金属形成欧姆接触，以减小串联电阻；正面电极，既要减小接触电阻，又要尽量减少对阳光的遮挡，故常做成栅格形状。为了减少光反射，光照面上蒸镀一层薄介质膜，称增透膜或减反射膜。8.2P-N结的光生伏打效应P-N结光生伏打效应就是半导体吸收光能后在P-N结上产生光生电动势的效应。光生伏打效应涉及三个主要物理过程第一、半导体材料吸收光能产生非平衡电子-空穴对；第二、非平衡电子和空

5、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；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。非均匀势场可以是PN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。8.2P-N结的光生伏打效应光生伏打效应涉及物理过程第三、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。在P侧积累了空穴，在N侧积累了电子，建立了电势差。如果PN结开路，该电势差（开路电压）即电动势，称光生电动势。如果PN结两端接负载，就会有电流通过，该电流称光电流。PN结短路时的电流称短路光电流。光照PN结实现了光能向电能转换。8.2P-N结的光生伏打效应

6、图7-5PN结能带图：（a）无光照平衡P-N结，（b）光照PN结开路状态，（c）光照PN结有串联电阻时的状态。P-N结光生伏打效应(小结234)8.2P-N结的光生伏打效应整个器件中均匀吸收情形，短路光电流光照电子空穴对的产生率PN结面积光生载流子体积短路光电流取决于光照强度和PN结的性质。（7-5）P-N结光生伏打效应(小结5)8.2P-N结的光生伏打效应小结半导体吸收光能后在PN结上产生光生电动势的效应称为PN结的光生伏打效应。从能带图上看，如果PN结处于开路状态，光生载流子只能积累于PN结两侧。非平衡载流子的出现意味着N区电子的费米能级升高，P区空穴的费米能级降低。P区和N

7、区费米能级分开的距离就等于。PN结势垒高度将由降低为。8.2P-N结的光生伏打效应小结3.如果把PN结从外部短路，这时非平衡载流子不再积累在PN结两侧，光生电动势为零。P区和N区费米能级相等，能带图恢复为图7-6a.4.一般情况下，PN结材料和引线总有一定电阻，这时有电流通过时，光生载流子只有一部分积累于PN结上，使势垒降低qV，V是电流流过时,在上产生的电压降。8.2P-N结的光生伏打效应小结5.半导体均匀吸收情况，短路光电流串联电阻和负载电阻上的电压降加在PN结，