光生伏特效應

1、光生伏特效應：光生伏特效應：光照在半導體光照在半導體p-n結或金屬結或金屬半導體接觸面上時，會在半導體接觸面上時，會在p-n結或金屬結或金屬半導半導體接觸的兩側產生光生電動勢；體接觸的兩側產生光生電動勢； p-n結的光生伏特效應：結的光生伏特效應：當用適當波長的光照當用適當波長的光照射射p-n結時，由于內建場的作用（不加外電結時，由于內建場的作用（不加外電場），光生電子拉向場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，區(qū)，相當于相當于p-n結上加一個正電壓；結上加一個正電壓；半導體內部產生電動勢（半導體內部產生電動勢（光生電壓光生電壓）；如將）；如將p-n結短路，則會出現(xiàn)電流（結短

2、路，則會出現(xiàn)電流（光生電流光生電流）。）。6 6. .2 2 半導體的光生伏特效應半導體的光生伏特效應Pneeee太陽光太陽光 在光激發(fā)下多數(shù)載流子濃度一般改變很小，而在光激發(fā)下多數(shù)載流子濃度一般改變很小，而少數(shù)載流子濃度卻變化很大，少數(shù)載流子濃度卻變化很大，因此應主要研究光生因此應主要研究光生少數(shù)載流子的運動少數(shù)載流子的運動.6.2.1 p-n結的光生伏特效應淺結淺結eeeep np 耗盡層耗盡層 n- - - - - -+ + + + + +0 x空穴空穴電子電子0Ux0 x動平衡時動平衡時 p 型與型與 n 型接觸區(qū)域的電勢變化型接觸區(qū)域的電勢變化1.p-n結的內建電場無光照無光照P型N

3、型P型N型EfpEfnEf能級彎曲的原因：在熱平衡條件下，同一體系具有相同的費米能級2.p-n結的能帶圖光照時光照時n區(qū)產生少子空穴，區(qū)產生少子空穴，p區(qū)產生少子電子；區(qū)產生少子電子；在內建電場的作用下，在內建電場的作用下，n區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向p區(qū)運動，而區(qū)運動，而p區(qū)的電子向區(qū)的電子向n區(qū)運動，使區(qū)運動，使p端電勢升高，端電勢升高，n端電勢降低；端電勢降低；所以，光生電場由所以，光生電場由p端指向端指向n端，使勢壘降低，產生正向電流端，使勢壘降低，產生正向電流IF；由于空穴向由于空穴向p區(qū)運動，所以在區(qū)運動，所以在p-n結內部形成自結內部形成自n區(qū)向區(qū)向p區(qū)的光生區(qū)的光生電流電流IL有光照

4、有光照6.2.2 光電池的電流電壓特性光電池：光電池：利用半導體的光生伏特效應，而將光利用半導體的光生伏特效應，而將光能轉換成電能的裝置。即將能轉換成電能的裝置。即將p-n結與外電路接結與外電路接通，只要光照不停止，就會有源源不斷的電流通，只要光照不停止，就會有源源不斷的電流流過電路，流過電路，p-n結起到了電源的作用。這類裝結起到了電源的作用。這類裝置叫光電池。置叫光電池。1.p-n結電流方程) 1(kTqVSLFLeIIIII(6.18) I I：負載電流；：負載電流； I IL L：光生電流；：光生電流； I Is s：p-np-n結反向飽和電流；結反向飽和電流； V V：p-np-n結

5、兩端電壓結兩端電壓2.開路電壓 負載電流負載電流I=0,即即IL=IF：) 1ln(SLIIqkTVoc(6.20)3.短路電流 將將p-n短路短路V=0,則則IF=0，所得電流為短路電流，所得電流為短路電流ISC：LSCII(6.21)4.特性曲線5.光電池的實際結構柵指形狀（減少接觸電阻，盡量少擋住陽光） 哈勃望遠哈勃望遠鏡上兩側的光鏡上兩側的光電池板將太陽電池板將太陽能轉變?yōu)殡娔苣苻D變?yōu)殡娔転橥h鏡提供為望遠鏡提供能源能源6.光電池的應用n硅太陽能電池硅太陽能電池 硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。非

6、晶硅太陽能電池。 單晶硅太陽能電池在實驗室里最高的轉換效率接近單晶硅太陽能電池在實驗室里最高的轉換效率接近25%,25%,而而規(guī)模生產的單晶硅太陽能電池規(guī)模生產的單晶硅太陽能電池, ,其效率為其效率為17%17%。 多晶硅半導體材料的價格比較低廉多晶硅半導體材料的價格比較低廉, ,但是由于它存在著較多但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點。多晶硅太陽能電池的實驗室的晶粒間界而有較多的弱點。多晶硅太陽能電池的實驗室最高轉換效率為最高轉換效率為18%,18%,工業(yè)規(guī)模生產的轉換效率為工業(yè)規(guī)模生產的轉換效率為16%16%。 非晶硅薄膜太陽能電池組件的制造采用薄膜工藝非晶硅薄膜太陽能電池組件的制

7、造采用薄膜工藝, , 具有具有較多的優(yōu)點較多的優(yōu)點, ,例如例如: :沉積溫度低、襯底材料價格較低廉沉積溫度低、襯底材料價格較低廉, ,能能夠實現(xiàn)大面積沉積。夠實現(xiàn)大面積沉積。 非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大, ,是單晶硅的是單晶硅的4040倍倍,1 ,1微米厚的非晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜, ,可以吸引大約可以吸引大約90%90%有用的太陽有用的太陽光能。光能。 非晶硅太陽能電池的穩(wěn)定性較差非晶硅太陽能電池的穩(wěn)定性較差, , 從而影響了它的迅速從而影響了它的迅速發(fā)展發(fā)展。 n非晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池n化合物太陽能電池化合物太陽能電池 三五族化合物電池

8、和二六族化合物電池。三五族化合物電池和二六族化合物電池。 三五族化合物電池主要有三五族化合物電池主要有GaAsGaAs電池、電池、InPInP電池、電池、GaSbGaSb電池電池等等; ; 二六族化合物電池主要有二六族化合物電池主要有CaS/CuInSeCaS/CuInSe電池、電池、CaS/CdTeCaS/CdTe電池電池等。等。 在三五族化合物太陽能電池中在三五族化合物太陽能電池中,GaAs,GaAs電池的轉換效率最高電池的轉換效率最高, ,可達可達28%;28%;GaAs 化合物太陽能電池化合物太陽能電池 GaGa是其它產品的副產品是其它產品的副產品, ,非常稀少珍貴非常稀少珍貴;As

9、;As 不是稀有元素不是稀有元素, ,有毒。有毒。 GaAsGaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結電池化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結電池, ,這是由于這是由于GaAsGaAs具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率。效率。 GaAs GaAs 化合物太陽能電池雖然具有諸多優(yōu)點化合物太陽能電池雖然具有諸多優(yōu)點, ,但是但是GaAsGaAs材材料的價格不菲料的價格不菲, ,因而在很大程度上限制了用因而在很大程度上限制了用GaAsGaAs電池的電池的普及。普及。 n太陽能太陽能 太陽能特點：太陽能特點： 無枯竭危險；絕對干凈；不受資源分布地域的限制；無枯竭危險；絕對干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電；能源質量高；使用者從感情可在用電處就近發(fā)電；能源質量高；使用者從感