光子學(xué)與光電子學(xué)第6章-光電效應(yīng)及應(yīng)用

第6章光電效應(yīng)及應(yīng)用光電效應(yīng)是半導(dǎo)體晶體材料吸收入射光子的能量后，產(chǎn)生電子的效應(yīng)，這種現(xiàn)象最早是由德國物理學(xué)家赫茲在1887年研究電磁波的性質(zhì)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的，但當(dāng)時(shí)人們用經(jīng)典電磁理論無法對(duì)實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果做出合理的解釋。直到1905年，愛因斯坦用光量子的概念，從理論上才成功地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象，因此愛因斯坦1912年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)的主要應(yīng)用是光探測器和光伏電池等。光探測器是吸收入射光子能量后把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，產(chǎn)生光生電流；而光伏電池是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。光子學(xué)與光電子學(xué)1第6章光電效應(yīng)及應(yīng)用6.1光探測概述

6.2光探測器6.3光伏電池光子學(xué)與光電子學(xué)26.1.1光探測原理如果把光子能量大于hv的光波照射到占據(jù)低能帶的電子上，則電子吸收該能量后被激勵(lì)躍遷到較高的能帶上。在半導(dǎo)體結(jié)上外加電場后，就可以在外電路上取出處于高能帶上的電子，使光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，如圖6.1.1（b）所示，這就是光探測器件。在PN結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子

空穴對(duì)，在電場的作用下，在外電路形成光生電流。當(dāng)入射功率變化時(shí)，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)。光子學(xué)與光電子學(xué)3假如入射光子的能量超過禁帶能量Eg，耗盡區(qū)每次吸收一個(gè)光子，將產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，發(fā)生受激吸收。光探測原理----受激吸收光子學(xué)與光電子學(xué)4在PN結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子

空穴對(duì)在電場的作用下,分別離開耗盡區(qū)，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，空穴和從負(fù)電極進(jìn)入的電子復(fù)合，電子則離開N區(qū)進(jìn)入正電極。從而在外電路形成光生電流。當(dāng)入射功率變化時(shí)，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)。圖6.1.2aPN結(jié)光檢測原理說明光子學(xué)與光電子學(xué)56.1.2響應(yīng)度和量子效率光子學(xué)與光電子學(xué)66.1.3響應(yīng)帶寬光子學(xué)與光電子學(xué)7光敏二極管響應(yīng)帶寬定義光子學(xué)與光電子學(xué)8受RC時(shí)間常數(shù)限制的帶寬光子學(xué)與光電子學(xué)9上升時(shí)間定義為輸入階躍光功率時(shí)，探測器輸出光電流最大值的10%到90%所需的時(shí)間。上升時(shí)間定義光子學(xué)與光電子學(xué)106.2光探測器6.2.1PIN光敏二極管6.2.2雪崩光敏二極管6.2.3單行載流子光敏探測器

6.2.4波導(dǎo)探測器（WD-PD）6.2.5行波探測器（TW-PD）6.2.6肖特基結(jié)光敏探測器6.2.7紫外光探測器6.2.8光敏晶體管6.2.9光敏二極管負(fù)載線及前置放大器光子學(xué)與光電子學(xué)11光探測器光子學(xué)與光電子學(xué)12一種43Gb/sDQPSK雙平衡接收機(jī)光子學(xué)與光電子學(xué)136.2.1PIN光敏二極管

1.工作原理 簡單的PN結(jié)光敏二極管具有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)。首先，它的結(jié)電容或耗盡區(qū)電容較大，RC時(shí)間常數(shù)較大，不利于高頻調(diào)制。其次，它的耗盡層寬度最大也只有幾微米，此時(shí)長波長的穿透深度比耗盡層寬度W還大，所以大多數(shù)光子沒有被耗盡層吸收，因此長波長的量子效率很低。光子學(xué)與光電子學(xué)14 為了克服PN管存在的問題，人們采用PIN光敏二極管PIN二極管與PN二極管的主要區(qū)別是，在P和N層之間加入了一個(gè)I層，作為耗盡層。I層的寬度較寬，約有5~50

m，可吸收絕大多數(shù)光子，使光生電流增加。圖6.2.1PIN光敏二極管光子學(xué)與光電子學(xué)15PIN光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間光子學(xué)與光電子學(xué)162.光敏二極管的響應(yīng)波長光子學(xué)與光電子學(xué)17圖6.2.2(a)PIN光敏二極管的波長響應(yīng)曲線光子學(xué)與光電子學(xué)18圖6.2.2（b）APD波長響應(yīng)曲線光子學(xué)與光電子學(xué)19半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)

和穿透深度

波長比截止波長短的入射光子，當(dāng)它們?cè)诎雽?dǎo)體內(nèi)傳輸時(shí)被吸收，所以與光子數(shù)成正比的光強(qiáng)在半導(dǎo)體內(nèi)隨距離的增加按指數(shù)式衰減。光強(qiáng)I與從半導(dǎo)體表面開始的距離x的關(guān)系是 （6.2.4）式中，I0是入射光的強(qiáng)度，

是吸收系數(shù)，它是材料的特性，與光子能量和波長有關(guān)。63%的光子吸收發(fā)生在距離1/

內(nèi)，所有稱1/

為穿透厚度或吸收深度

。圖6.3.7表示各種半導(dǎo)體材料吸收系數(shù)

與波長的關(guān)系，圖中也表示出各種典型半導(dǎo)體材料的截止波長。光子學(xué)與光電子學(xué)20圖6.3.7半導(dǎo)體材料吸收系數(shù)

與波長

的關(guān)系光子學(xué)與光電子學(xué)21光敏二極管上截止波長和下截止波長當(dāng)入射光波長太短時(shí)，光敏轉(zhuǎn)換效率也會(huì)大大下降，這是因?yàn)椴牧蠈?duì)光的吸收系數(shù)是波長的函數(shù)，如圖6.3.7所示。當(dāng)入射波長很短時(shí)，材料對(duì)光的吸收系數(shù)變得很大，結(jié)果使大量的入射光子在光敏二極管的表面層就被吸收。而反向偏壓主要是加在PN結(jié)的耗盡層里，光敏二極管的表面層里往往存在著一個(gè)零電場區(qū)域，如圖6.3.5所示。在零電場區(qū)域里產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)不能有效地轉(zhuǎn)換成光電流，從而使光電轉(zhuǎn)換效率降低。因此，用不同種類材料制作的光敏二極管對(duì)光波長的響應(yīng)也不同。Si光敏二極管的波長響應(yīng)范圍為0.6~1.0

m，適用于短波長波段；Ge和InGaAs光敏二極管的波長響應(yīng)范圍為1.1~1.6

m，適應(yīng)于長波長波段，各種光敏探測器的波長響應(yīng)曲線如圖6.2.2所示。光子學(xué)與光電子學(xué)22圖6.2.3光在不同種類半導(dǎo)體

材料帶隙中的吸收在直接帶隙半導(dǎo)體中，吸收光子能量hv后，只要Eg≤hv

，電子從價(jià)帶上就直接激發(fā)到導(dǎo)帶上。但在間接帶隙半導(dǎo)體中，由于價(jià)帶的峰值能量與導(dǎo)帶的低谷能量并不像圖6.2.3（a）表示的直接帶隙半導(dǎo)體材料那樣直接對(duì)應(yīng)，所以電子從價(jià)帶峰值點(diǎn)躍遷到導(dǎo)帶的低谷點(diǎn)所需的光子能量hv大于Eg，其能量差要有聲子能量h

來填充，即hv=Eg±h

。光子學(xué)與光電子學(xué)23PIN光敏二極管的性能參數(shù)量子效率

響應(yīng)度R暗電流,表示無光照時(shí)出現(xiàn)的反向電流，它影響接收機(jī)的信噪比;響應(yīng)速度,它表示對(duì)光信號(hào)的反應(yīng)能力，常用對(duì)光脈沖響應(yīng)的上升或下降沿表示;結(jié)電容(pF),它影響響應(yīng)速度。光子學(xué)與光電子學(xué)246.2.2雪崩光敏二極管雪崩光敏二極管（APD）是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度探測器。APD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使它能承受高的反向偏壓，從而在PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場區(qū)。APD能提供內(nèi)部增益工作速度高 已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中光子學(xué)與光電子學(xué)25與光敏二極管不同，APD的光敏面是N+區(qū)，緊接著是摻雜濃度逐漸加大的三個(gè)P區(qū)，分別標(biāo)記為P、

和P+，如圖6.2.4（a）所示。APD的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使它能承受高的反向偏壓，從而在PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場區(qū)，如圖6.2.4（c）所示。

APD結(jié)構(gòu)

光子學(xué)與光電子學(xué)26圖6.2.5APD雪崩倍增原理圖光生的電子

空穴對(duì)經(jīng)過高電場區(qū)時(shí)被加速。從而獲得足夠的能量，它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)中與P區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子電離，從而產(chǎn)生新的電子

空穴對(duì)。這種通過碰撞電離產(chǎn)生的電子

空穴對(duì)，稱為二次電子

空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子和空穴在高電場區(qū)里運(yùn)動(dòng)時(shí)又被加速，又可能碰撞別的原子，這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)。光子學(xué)與光電子學(xué)272.平均雪崩增益光子學(xué)與光電子學(xué)28光電混裝模塊照片光子學(xué)與光電子學(xué)296.2.3單行載流子光敏探測器在PIN光敏二極管中，對(duì)光電流作出貢獻(xiàn)的包括電子和空穴兩種載流子。在耗盡層（吸收層）中的電子和空穴各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)都會(huì)影響光響應(yīng)，由于各自速度不同，電子很快掠過吸收層，而空穴則要停留很長時(shí)間，因而總的載流子遷移時(shí)間主要取決于空穴。另外，當(dāng)輸出電流或功率增大時(shí)，其響應(yīng)速度和帶寬會(huì)進(jìn)一步下降，這是因?yàn)榈瓦w移率的空穴在輸運(yùn)過程中形成堆積，產(chǎn)生空間電荷效益，進(jìn)一步使電位分布發(fā)生變形，從而阻礙載流子從吸收層向外運(yùn)動(dòng)。為此，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)的單行載流子光敏探測器（UTC-PD）。在這種結(jié)構(gòu)中，只有電子充當(dāng)載流子，空穴不參與導(dǎo)電，電子的遷移率遠(yuǎn)高于空穴，因而其載流子渡越時(shí)間比PIN的小。光子學(xué)與光電子學(xué)30圖6.2.6電子載流子光敏探測器（UTC-PD）

（a）PIN能帶結(jié)構(gòu)圖（b）UTC-PD能帶結(jié)構(gòu)圖由于外加電壓的作用，在收集層產(chǎn)生強(qiáng)電場，有利于光生電子從吸收層向收集層的運(yùn)動(dòng)。在收集層，光電流完全由從吸收層漂移擴(kuò)散過來的電子產(chǎn)生。在吸收層，電子由于擴(kuò)散阻擋層（勢壘層）的阻擋，只有極少數(shù)電子越過勢壘層，而空穴不能擴(kuò)散形成光生電流。因此稱這種探測器為單行光敏探測器。光子學(xué)與光電子學(xué)316.2.4波導(dǎo)光敏探測器（WG-PD）按光的入射方式，探測器可以分為:面入射光敏探測器(a),如一般的PIN,響應(yīng)速度慢；邊耦合光敏探測器(c)，如UTC-PD/TW-PD,效應(yīng)速度快。光子學(xué)與光電子學(xué)32100GHz波導(dǎo)光敏探測器光子學(xué)與光電子學(xué)33在面入射光探測器中，光從正面或背面入射到探測器的光吸收層中，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，并激發(fā)價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光電流，如圖6.2.7(a)和(b)。所以，在面入射光探測器中，光行進(jìn)方向與載流子的渡越方向平行，如一般的PIN探測器。PIN的響應(yīng)速度受到PN結(jié)RC數(shù)值、I吸收層厚度和載流子渡越時(shí)間等的限制。最高光響應(yīng)速率小于20Gb/s。為此提出了高速光探測器解決方案—邊耦合光探測器。面入射光探測器

光子學(xué)與光電子學(xué)34在（側(cè)）邊耦合光探測器中，光行進(jìn)方向與載流子的渡越方向互相垂直；很好地解決了吸收效率和電學(xué)帶寬之間對(duì)吸收區(qū)厚度要求的矛盾。

邊耦合探測器比面入射探測器可以獲得更高的3dB響應(yīng)帶寬。邊耦合探測器分：波導(dǎo)型探測器（WG-PD）行波型探測器（TW-PD）。

邊入射光探測器光子學(xué)與光電子學(xué)35波導(dǎo)探測器(WD-PD)波導(dǎo)探測器正好解除了PIN探測器的內(nèi)量子效率和響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系;極大地改善了其性能，在一定程度上滿足了光通信對(duì)高性能探測器的要求面入射光探測器的固有弱點(diǎn)是量子效率和響應(yīng)速度相互制約；一方面可以采用減小其結(jié)面積來提高它的響應(yīng)速度，但是這會(huì)降低器件的耦合效率。另一方面也可以采用減小本征層（吸收層）的厚度來提高器件的響應(yīng)速度。但是這會(huì)減小光吸收長度，降低內(nèi)量子效率，因此這些參數(shù)需折衷考慮。光子學(xué)與光電子學(xué)36波導(dǎo)探測器光垂直于電流方向入射到探測器的光波導(dǎo)中，然后在波導(dǎo)中傳播，傳播過程中光不斷被吸收，光強(qiáng)逐漸減弱，同時(shí)激發(fā)價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)的探測。

WG-PD的光吸收是沿波導(dǎo)方向進(jìn)行的，其光吸收長度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)型光探測器。WG-PD的吸收長度是探測器波導(dǎo)的長度，一般可大于10

m，而傳統(tǒng)型探測器的吸收長度是InGaAs本征層的厚度，僅為1

m。所以WG-PD結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率高于傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)PD的。另外，WG-PD還很容易與其他器件集成。但是，和面入射探測器相比，WD-PD的光耦合面積非常小，導(dǎo)致光耦合效率較低，同時(shí)也增加了和光纖耦合的難度?？刹捎眯边吶肷浞种Р▽?dǎo)結(jié)構(gòu)克服。光子學(xué)與光電子學(xué)37分支波導(dǎo)探測器(TaperedWG-PD)

光進(jìn)入折射率為n1的單模波導(dǎo)，當(dāng)傳輸?shù)絥2光匹配層的下面時(shí)，由于n2>n1，所以光向多模波導(dǎo)匹配層偏轉(zhuǎn)（見2.3.1節(jié)）;又因n3>n2，所以光就進(jìn)入PD的吸收層，轉(zhuǎn)入光生電子的過程。光子學(xué)與光電子學(xué)38分支波導(dǎo)探測器各層折射率的這種安排正好和漸變多模光纖的折射率結(jié)構(gòu)相反（見圖2.3.1）漸變多模光纖是把入射光局限在纖芯內(nèi)傳輸，很容易理解，分支波導(dǎo)探測器就應(yīng)該把光從入射波導(dǎo)中擴(kuò)散出去。在這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。光子學(xué)與光電子學(xué)39圖6.2.9邊入射平面折射波導(dǎo)RFUTC-PD光入射到斜面上產(chǎn)生折射，改變方向后到達(dá)吸收光敏區(qū)。耦合面積非常大，垂直方向和水平方向的耦合長度分別達(dá)到了9.5

m和47

m，即使在沒有偏壓的情況下，外部量子效率也達(dá)到了91%。在0.5V偏壓下，它的響應(yīng)度達(dá)到了0.96A/W。RF-PD和WG-PD相比，前者的耦合面積要遠(yuǎn)大于后者，外量子效率也要比后者高。從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，器件的另外一個(gè)顯著特征是光在斜面上折射后斜入射到光吸收區(qū)，增大了光吸收長度和光吸收面積，提高了內(nèi)量子效率，同時(shí)分散光吸收可以增大探測器的飽和光電流。光子學(xué)與光電子學(xué)405.2.5行波探測器（TW-PD）行波探測器是在波導(dǎo)探測器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的響應(yīng)不受與有源面積有關(guān)的RC常數(shù)的限制。響應(yīng)主要由光的吸收系數(shù)以及光的群速度和電的相速度不匹配決定。這種器件的長度遠(yuǎn)大于吸收長度，但它的帶寬基本與器件長度無關(guān)，所以具有更大的響應(yīng)帶寬積。光子學(xué)與光電子學(xué)41串行光饋送TW-PD能克服TW-PD高速和大飽和光電流相互之間的制約。光串行饋送速度匹配周期分布式

行波探測器（VMPTW-PD）光子學(xué)與光電子學(xué)42圖6.2.10光串行饋送速度匹配

周期分布式行波探測器（VMPTW-PD）串行和并行光饋送TW-PD能克服TW-PD高速和大飽和光電流相互之間的制約。光串行饋送速度匹配周期分布式TW-PD（VMPTW-PD）由一個(gè)輸入光波導(dǎo)、多個(gè)分布在光波導(dǎo)上的UTC-PD和共面微帶傳輸線組成。單個(gè)UTC-PD的帶寬為116GHz，響應(yīng)度為0.15A/W。光子學(xué)與光電子學(xué)43圖6.2.11由4個(gè)PIN構(gòu)成光并行饋送

行波陣列光探測器（TW-PD）可用的不飽和光電流變化范圍直接由TW-PD內(nèi)的PIN數(shù)量決定，帶寬不受RC時(shí)間常數(shù)的限制。該TW-PD芯片的頻率響應(yīng)為：

3dB帶寬為80GHz，

7dB為150GHz。響應(yīng)度R=0.24A/W。4個(gè)PINPD并行構(gòu)成TW-PD，輸入光經(jīng)過多模干涉分光器(MMI)后分成幾乎相等的4份光，分別饋送到4個(gè)并行波導(dǎo)集成PIN光敏二極管;PIN管產(chǎn)生的光生電流同相復(fù)合，4個(gè)PINPD被共平面波導(dǎo)（CPW）微帶傳輸線連接。光子學(xué)與光電子學(xué)44(c)多模干涉分光器（MMI）原理該TW-PD芯片設(shè)計(jì)采用模場轉(zhuǎn)換器，以便實(shí)現(xiàn)光纖和芯片的有效耦合MMI將輸入光分成4路輸出光各路輸出光的偏差為0.4dB附加損耗1dB極化相關(guān)損耗（PDL）為0.2dB。光子學(xué)與光電子學(xué)45(a)TW-PD的微觀結(jié)構(gòu)(刻蝕立體圖)光子學(xué)與光電子學(xué)46TW-PD芯片刻蝕顯微圖

(由4個(gè)PIN并聯(lián)構(gòu)成)TW-PD芯片的頻率響應(yīng)為：

3dB帶寬為80GHz

7dB為150GHz響應(yīng)度R=0.24A/W。光子學(xué)與光電子學(xué)476.2.6肖特基結(jié)光敏探測器肖特基結(jié)型光敏探測器是一種由金屬和半導(dǎo)體接觸所制成的光探測器。它的光電轉(zhuǎn)換基本原理與PIN光敏二極管的仍然相同，即入射光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)的流動(dòng)就產(chǎn)生了光電流。

肖特基結(jié)光敏二極管的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間比PN結(jié)和PIN結(jié)光探測器的快,更適合探測短波長光。

光子學(xué)與光電子學(xué)48假如金屬的功函數(shù)

m比半導(dǎo)體的功函數(shù)

n大,當(dāng)金屬和N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，由于金屬的費(fèi)米能級(jí)EFm比半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EFn低，n型半導(dǎo)體內(nèi)的電子便向金屬內(nèi)移動(dòng)。圖6.2.13肖特基結(jié)型光敏探測器

（a）金屬和n型半導(dǎo)體接觸前光子學(xué)與光電子學(xué)49圖6.1.13（b）金屬和n型半導(dǎo)體接觸后形成勢壘結(jié)果是金屬一側(cè)帶負(fù)電，半導(dǎo)體一側(cè)帶正電，在結(jié)區(qū)形成從正電荷到負(fù)電荷的內(nèi)部電場Eo，在這一區(qū)域，電子大部分已遷移到金屬那邊，成為電子已耗盡的高阻區(qū)，稱為耗盡區(qū)。因?yàn)楹谋M區(qū)的內(nèi)電場將阻檔電子遷移到金屬，因此又稱為阻擋層，即形成接觸勢壘，稱為肖特基勢壘

B，利用肖特基勢壘制成的光敏探測器稱為肖特基光敏探測器。在熱平衡狀態(tài)下,金屬和半導(dǎo)體組成一體的費(fèi)米能級(jí)必須相同，即EFm=EFn，所以兩條能級(jí)線必須對(duì)齊；同時(shí)，因?yàn)?/p>

m>

n，所以相應(yīng)的能帶對(duì)齊時(shí)，就出現(xiàn)了如圖6.1.12（b）所示的形狀。

光子學(xué)與光電子學(xué)50圖6.2.14正向偏置肖特基結(jié)

圖6.2.15肖特基結(jié)型器件的I-V特性肖特基結(jié)正向偏置時(shí)，外加的偏置電壓U與內(nèi)建電壓Uo相反，與無偏壓的情況相比，內(nèi)建電壓減小為Uo

U，

B保持不變。因?yàn)閺膎型半導(dǎo)體注入到金屬的電流與exp[

e(Uo

U)/(kBT)]有關(guān)（kB為玻爾茲曼常數(shù)），所以正向偏置時(shí)的電流I很大，且隨U成指數(shù)式增長，如圖6.2.15所示。光子學(xué)與光電子學(xué)51圖6.2.16反偏肖特基結(jié)光敏探測器（a）金屬電子跨越勢壘產(chǎn)生暗電流（b）在耗盡區(qū)光生電子（c）肖特基結(jié)光敏探測器作為光敏二極管，肖特基結(jié)處于反偏狀態(tài)，耗盡區(qū)的電場（Uo+Ur）就大些。光從金屬一側(cè)入射，當(dāng)光子能量hv>Eg

，半導(dǎo)體的耗盡區(qū)將產(chǎn)生電子-空穴對(duì)（EHP），如圖6.2.16（b）和（c）所示，該區(qū)的電場將把EHP分開，并使電子向半導(dǎo)體漂移，空穴向金屬漂移。在耗盡區(qū)，電子的能量處于電子勢能的斜坡，就像斜坡上的球沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)一樣，該電子沿勢能斜坡也快速滾下。因?yàn)閁r>>Uo，所以漂移速度很快，導(dǎo)致這種器件的響應(yīng)速度很快。光子學(xué)與光電子學(xué)52圖6.2.17MSM探測器

（a）A和B兩個(gè)金屬電極沉淀在半導(dǎo)體表面，施加足夠大的電壓（b）指狀電極肖特基結(jié)面對(duì)面連接，這就是說，不管是加正電壓，還是加負(fù)電壓，總有一個(gè)是反向偏置，另一個(gè)是正向偏置。光子學(xué)與光電子學(xué)53（c）A和B兩個(gè)方向相反的肖特基結(jié)端對(duì)端連接在一起，無偏置時(shí)能帶圖對(duì)稱，光生電子-空穴對(duì)不能漂移（d）偏置電壓足夠大，A、B的SCL連在一起，在合在一起的耗盡區(qū)完成光生電子-空穴對(duì)分開、漂移，產(chǎn)生光電流光子學(xué)與光電子學(xué)546.2.7紫外光探測器波長在10nm到390nm波段的光稱為紫外光，它處于紅外光和X射線之間。紫外光與其他光波一樣，在物理學(xué)與應(yīng)用光學(xué)方面具有共性，即具有波動(dòng)和粒子的二象性，遵循經(jīng)典的干涉、衍射公式，符合反射、折射定律等。然而，由于紫外所處波段不同，它又有自己異樣的特性，例如，可識(shí)別物質(zhì)真假和偽劣的熒光效應(yīng)，可對(duì)水、空氣和食物進(jìn)行滅菌與消毒的生物滅菌效應(yīng)，還可利用紫外光提高光信息存儲(chǔ)密度和存儲(chǔ)容量等。另外，紫外光在軍事上的應(yīng)用也十分廣泛，如導(dǎo)彈紫外告警、紫外通信、紫外制導(dǎo)、紫外干涉和紫外成像偵察等。光子學(xué)與光電子學(xué)55圖6.2.18PIN紫外光敏二極管（a）探測元的典型結(jié)構(gòu)（b）光譜響應(yīng)曲線紫外器件所用的半導(dǎo)體材料為氮化鎵（GaN）、氮化銦（InN）、氮化鋁（AIN）和氮鎵鋁（AlxGa1–xN），覆蓋了從可見光到紫外光波段。GaN同質(zhì)結(jié)PIN紫外探測器的典型結(jié)構(gòu)和光譜響應(yīng)曲線分別如圖6.2.13（a）和（b）所示。光子學(xué)與光電子學(xué)566.2.8光敏晶體管光敏晶體管也稱光敏晶體管，它是利用光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的半導(dǎo)體器件，用于汽車點(diǎn)火系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量的傳感器，并廣泛用于光信號(hào)檢測和光信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中。光敏晶體管由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，是一個(gè)雙結(jié)晶體管，如圖6.2.19（a）所示，當(dāng)光照射基極時(shí)，產(chǎn)生微小的基極電流，經(jīng)過晶體管放大，可產(chǎn)生很大的集電極電流，所以，它是具有光電流增益的光敏探測器。光子學(xué)與光電子學(xué)57圖6.2.19光敏晶體管在基極和集電極間的空間電荷層（SCL）入射光子被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，然后被SCL中的電場E分開，電子向集電極漂移，空穴向基極漂移。這種從集電極流向基極的初始光生電流構(gòu)成了基極電流。當(dāng)漂移電子到達(dá)集電極時(shí)，它被電池收集（被正電荷中和）。另一方面，當(dāng)空穴進(jìn)入中性的基極區(qū)時(shí)，被大量從發(fā)射極進(jìn)入基極的電子中和。通常，在基極，空穴和電子的復(fù)合時(shí)間與電子漂移到基極的時(shí)間相比很長，這就是說，只有很少從發(fā)射極進(jìn)入基極的電子與進(jìn)入基極的光生空穴復(fù)合。于是，發(fā)射極必須注入大量的電子，以便中和在基極富余的空穴。這些電子漂移通過基極，到達(dá)集電極，從而構(gòu)成放大了的光電流Iph。光子學(xué)與光電子學(xué)58外電路流動(dòng)的光電流因?yàn)楣庾赢a(chǎn)生的最初光電流Iph0被放大了，好像晶體管的偏流被放大一樣，所以在外電路流動(dòng)的光電流是 （6.2.6）式中，

是晶體管的電流增益（或hFE）。光子學(xué)與光電子學(xué)59（b）擴(kuò)大輸出電流電路

（c）提高輸出電壓電路光子學(xué)與光電子學(xué)606.2.9光敏二極管負(fù)載線及前置放大器（a）光照反偏光敏二極管（b）光敏二極管的I-U特性曲線和負(fù)載線圖6.2.20光敏二極管的反向偏置及其特性曲線和負(fù)載線光子學(xué)與光電子學(xué)61圖6.2.21利用電流-電壓變換器

直接

將光生電流轉(zhuǎn)換成電壓圖6.2.21表示利用一個(gè)電流-電壓變換器直接將光生電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓Uout=RfIph，以便測量微小的光生電流，反饋電阻直接決定了該電路的增益（Rf=

Uout/Iph）。光子學(xué)與光電子學(xué)62圖6.2.22具有熱電制冷的APD

及前置放大器

圖6.2.22表示為獲得高增益和高靈敏度，在商用APD中，把熱電制冷器和低噪聲前置放大器集成電路也封裝在一起。光子學(xué)與光電子學(xué)63圖6.2.23光接收機(jī)前置放大器（a）雙極晶體管放大器（b）場效應(yīng)晶體管(FET)放大器前置放大器的設(shè)計(jì)要求在帶寬和靈敏度之間進(jìn)行折中。光敏二極管產(chǎn)生的信號(hào)光電流在流經(jīng)前置放大器的輸入阻抗時(shí)，將產(chǎn)生信號(hào)光電壓。最簡單的前置放大器是雙極晶體管放大器和場效應(yīng)晶體管放大器

光子學(xué)與光電子學(xué)64圖6.2.23光接收機(jī)前置放大器（c）高阻抗放大器（d）轉(zhuǎn)移阻抗放大器使用大的負(fù)載電阻，可使光生信號(hào)電壓增大，可減小熱噪聲和提高接收機(jī)靈敏度，因此常常使用高阻抗型前置放大器，高輸入阻抗前置放大器的主要缺點(diǎn)是它的帶寬窄。轉(zhuǎn)移阻抗型前置放大器具有高靈敏度、寬頻帶的特性，它的動(dòng)態(tài)范圍比高阻抗型前置放大器的大。光子學(xué)與光電子學(xué)656.3光伏電池6.3.1光伏電池概述6.3.2光伏電池發(fā)展歷史6.3.3光伏電池工作原理6.3.4光伏電池I-U特性6.3.5光伏電池的等效電路6.3.6光伏電池的并聯(lián)和串聯(lián)6.3.7溫度對(duì)光伏電池的影響6.3.8光伏電池材料、器件和提高效率的措施6.3.9聚光太陽能電池6.3.10商用光伏電池技術(shù)指標(biāo)和特性曲線光子學(xué)與光電子學(xué)666.3.1光伏電池概述光伏器件（簡稱光伏電池）常用于把太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，所以又稱為太陽能電池。通常，定義光的強(qiáng)度為單位時(shí)間單位面積的能量流（W/m2），而光譜強(qiáng)度I

定義為單位波長單位面積的光強(qiáng)。因此I

是一小段波長范圍內(nèi)的光強(qiáng)，如果對(duì)整個(gè)光譜的光強(qiáng)I

積分，則可以得到太陽光整個(gè)光譜的強(qiáng)度I。光子學(xué)與光電子學(xué)67圖6.3.1

輻射到地球表面（AM1.5）與大氣層表面（AM0）的太陽能光譜強(qiáng)度和波長的關(guān)系圖中表示三種不同入射情況太陽光的光譜強(qiáng)度與波長的關(guān)系，AM0為入射到大氣層上的情況，AM1為垂直入射到地球表面的情況，AM1.5為斜射光線的情況，如圖6.3.2所示。考慮到太陽氣團(tuán)、Fraunhofer吸收（氫氣吸收）和太陽表面溫度變化的影響，已對(duì)光譜強(qiáng)度進(jìn)行了修正。光子學(xué)與光電子學(xué)68圖6.3.2太陽光線入射角度

對(duì)光線路徑長度的影響對(duì)地球大氣層上光強(qiáng)的積分就給出垂直太陽方向的單位面積的總功率流量，稱該值為太陽輻射常數(shù)（AM0），大約為1.353kW/m2。地球表面實(shí)際的光譜強(qiáng)度取決于大氣吸收和散射的影響，以及大氣成分和通過大氣輻射的路徑長度。這些大氣的影響還與波長有關(guān)。云層增加了對(duì)太陽光的吸收和散射，因此，也就減少了入射強(qiáng)度。在晴朗的天氣，到達(dá)地球表面的的光強(qiáng)約為到達(dá)大氣層上光強(qiáng)的70%。光子學(xué)與光電子學(xué)69圖6.3.3運(yùn)行中的光伏電站和光伏組件地面光伏系統(tǒng)大量使用的是以硅為基底的硅光伏電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅光伏電池。光伏組件是根據(jù)應(yīng)用需求，將光伏電池組合成額定輸出功率和輸出電壓的一組光伏電池。光伏組件，采用高效單晶硅或多晶硅光伏電池、高透光率鋼化玻璃、抗腐蝕鋁合金邊框材料，使用先進(jìn)的真空層壓及脈沖焊接工藝制造，即使在最嚴(yán)酷的環(huán)境中，也能保證長的使用壽命。光子學(xué)與光電子學(xué)70光伏電池的優(yōu)缺點(diǎn)利用太陽能的光伏電池不受資源分布地域的限制，無枯竭危險(xiǎn)，無污染，可在用電處就近快速發(fā)電，供電系統(tǒng)工作可靠。但缺點(diǎn)是照射能量分布密度小，獲得的能源與四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)，造價(jià)比較高。夜間不能發(fā)電是光伏電池的一大缺點(diǎn)，為此，把光伏電池當(dāng)作補(bǔ)充電力，由于日間電力需求較大，光伏電池在日間提供服務(wù)可以讓電廠電源負(fù)載更均勻，也減少電網(wǎng)的尖峰負(fù)載。把白天的太陽光能轉(zhuǎn)成其他的能量形式加以儲(chǔ)存，例如蓄電池、飛輪裝置、壓縮空氣、抽蓄發(fā)電廠等，到夜間再把儲(chǔ)存的能量釋放出來。目前，光伏電池成本還較高，無法以合理成本提供大量需求。不過隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏電池的效率逐漸提高，光伏電站單位成本逐年下降，光伏電池的成本可望大幅降低。光子學(xué)與光電子學(xué)716.3.2光伏電池發(fā)展歷史1839年，光生伏特效應(yīng)第一次由法國物理學(xué)家A.E.Becquerel發(fā)現(xiàn)。1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，在硅中摻入少量雜質(zhì)后，硅對(duì)光更加敏感，第一個(gè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的光伏電池于1954年誕生。太陽電池技術(shù)的時(shí)代終于到來。第一代硅光伏電池，轉(zhuǎn)換效率約為18%，由于發(fā)展早，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，占應(yīng)用市場約80%的份額；第二代薄膜光伏電池，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的主要有薄膜硅電池、銅銦鎵硒（CIGS）電池和碲化鎘碲化鎘（CdTe）電池等，占應(yīng)用市場約19%的份額，由于生產(chǎn)成本較低，預(yù)計(jì)到2015年市場占有率將超過20%；第三代光伏電池主要包括聚光和有機(jī)光伏電池等。聚光光伏組件最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到40%，但由于技術(shù)尚不成熟，聚光光伏電池僅占市場份額的1%（見6.3.9節(jié)）。光子學(xué)與光電子學(xué)726.3.3光伏電池工作原理光伏電池是通過光電效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。與普通光敏探測器一樣，光伏電池也是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，但是光敏探測器要加反向偏壓，N端加正電壓，P端加負(fù)電壓，如圖6.1.2所示，工作在光導(dǎo)模式；而光電池不加偏壓，工作在光伏模式。光子學(xué)與光電子學(xué)73圖6.3.4光伏電池有光照時(shí)吸收光子能量hv后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子向N區(qū)移動(dòng)，空穴向P區(qū)移動(dòng)當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上時(shí)，假如入射光子的能量超過半導(dǎo)體材料的禁帶能量（也叫帶隙能量）Eg，PN結(jié)每次吸收一個(gè)光子，就從價(jià)帶（VB）上激發(fā)一個(gè)電子到導(dǎo)帶（CB）上，從而產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，在P-N結(jié)內(nèi)部電場的作用下，電子由P區(qū)流向N區(qū)，空穴由N區(qū)流向P區(qū)，如圖6.3.4（b）和圖6.3.5（a）所示。光子學(xué)與光電子學(xué)74圖6.3.5光伏電池的工作原理在耗盡區(qū)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，立即被內(nèi)部建立的電場Eo分開，電子漂移到N區(qū)，于是，由于大量電子在N區(qū)的堆積而變負(fù)；與此類似，空穴漂移到P區(qū)，使P區(qū)變正。這樣使P區(qū)的電勢高于N區(qū)的電勢，在PN結(jié)外部產(chǎn)生的電場Uoc正好和內(nèi)部電場Eo的方向相反，相當(dāng)于在PN結(jié)上加了正向偏壓，這一正向偏壓就會(huì)引起PN結(jié)的正向電流，這一電流的方向正好與漂移光生電流的方向相反。如果外接一個(gè)負(fù)載電阻，則N區(qū)的過剩電子就通過外部電路做功后，到達(dá)P區(qū)，與P區(qū)的過?？昭◤?fù)合。光子學(xué)與光電子學(xué)75（a）典型的光伏電池PN結(jié)

光子學(xué)與光電子學(xué)76圖6.3.6在距離（體積）Lh+W+Le內(nèi)光生電子的漂移產(chǎn)生光生電流Iph，圖上方也表示出光生電子-空穴對(duì)與距離的關(guān)系，

是給定波長的吸收系數(shù)在擴(kuò)散長度Lh內(nèi)光生的空穴可以到達(dá)耗盡區(qū)，然后在內(nèi)部電場的作用下漂移到P區(qū)。因此，貢獻(xiàn)給光伏效應(yīng)的光生電子-空穴對(duì)的總距離（體積）是Lh+W+Le。如果使光伏器件的電極短路，如圖6.3.6所示，N側(cè)的過剩電子可以通過外電路流到P側(cè)，與P側(cè)的過?？昭ㄖ泻?。這種由于光生電子的流動(dòng)產(chǎn)生的電流就叫做光生電流。光子學(xué)與光電子學(xué)77結(jié)區(qū)內(nèi)部電場Eo

的建立P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸處會(huì)形成PN結(jié)，在熱平衡狀態(tài)下，N側(cè)的電子和P側(cè)的空穴是多數(shù)載流子，而N側(cè)的空穴和P側(cè)的電子則是少數(shù)載流子。在PN結(jié)中，由于結(jié)區(qū)兩邊的載流子濃度不同，便引發(fā)載流子擴(kuò)散，P區(qū)的空穴擴(kuò)散進(jìn)PN結(jié)的N側(cè)，而N區(qū)的電子也擴(kuò)散進(jìn)PN結(jié)的P側(cè)，如圖6.3.5（b）所示，結(jié)果在結(jié)區(qū)形成了一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場Eo。光子學(xué)與光電子學(xué)78圖6.3.7半導(dǎo)體材料吸收系數(shù)

與波長

的關(guān)系任何一種材料制作的光伏電池都有上截止波長[見式（6.2.3）]。但是，當(dāng)入射光波長太短（頻率太高）時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)大大下降，這是因?yàn)椴牧蠈?duì)光的吸收系數(shù)是波長的函數(shù)，如圖6.3.7所示。當(dāng)入射波長很短時(shí)，材料對(duì)光的吸收系數(shù)變得很大，結(jié)果使大量的入射光子在光伏電池的表面層里被吸收。光子學(xué)與光電子學(xué)796.3.4光伏電池I-U特性 I-U特性很重要：從特性曲線可以得到工作點(diǎn)，它是負(fù)載線與光伏電池特性曲線的交點(diǎn)；從工作點(diǎn)，可以求得光伏電池的工作電流和工作電壓；輸送給負(fù)載的功率是工作電流I和工作電壓U坐標(biāo)圍起來的矩形面積。光子學(xué)與光電子學(xué)80圖6.3.8入射光使光伏電池產(chǎn)生光生電流（a）對(duì)正向電壓和正向電流的定義（b）短路的光伏電池，短路電流Isc等于光生電流Iph

（c）開路時(shí)（d）接負(fù)載的光伏電池光子學(xué)與光電子學(xué)81光伏電池的短路電流考慮一個(gè)理想的PN結(jié)光伏器件連接一個(gè)負(fù)載電阻的情況，如果負(fù)載是一個(gè)短路電路，此時(shí)電路中只有入射光產(chǎn)生的電流，如圖6.3.8（b）所示，稱該電流為光電流Iph

，其大小取決于光生的電子-空穴對(duì)數(shù)量（見圖6.3.5）。光照越強(qiáng)，產(chǎn)生的光子數(shù)就越多，光電流Iph也就越大。假如光強(qiáng)是ILi，那么短路電流是

(6.3.6)式中，K是與器件有關(guān)的常數(shù)，由式（6.3.6）可見，光電流與光強(qiáng)成正比，而與PN結(jié)電壓U無關(guān)，因?yàn)榭偸怯幸恍﹥?nèi)部電場Eo使光生電子-空穴對(duì)漂移（見圖6.3.5）。因此，即使器件兩端沒有電壓，也有光電流在流動(dòng)。

光子學(xué)與光電子學(xué)82圖6.3.9光照時(shí)光伏電池I-U曲線

通過光伏電池的總電流是光伏電池典型的I-U特性曲線，如圖6.3.9所示，它工作在第四象限，由圖可見，它對(duì)應(yīng)一條正常二極管的暗電流Id特性曲線和向下移動(dòng)一定距離的兩條光電流Iph特性曲線，光電流曲線移動(dòng)的距離則取決于光強(qiáng)（光生電流與輸入光強(qiáng)成正比）。光伏電池開路輸出電壓Uoc（I=0）由I-U曲線與電壓軸交會(huì)點(diǎn)決定。光子學(xué)與光電子學(xué)83圖6.3.10光伏電池的伏安特性負(fù)載線是一條直線，斜率是–1/R

，負(fù)載線與光伏電池特性曲線的交點(diǎn)是P點(diǎn)，代表了光伏電池電路的工作點(diǎn)，由P點(diǎn)可求得電路的工作電流Iop和工作電壓Uop。輸送給負(fù)載的功率是它是圖6.3.10（b）中的兩條虛線和電流I、電壓U坐標(biāo)圍起來的矩形面積。當(dāng)Iop

=Im，Uop=Um時(shí)，矩形面積最大，送給負(fù)載的功率也最大，這可以通過改變負(fù)載和照射強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。

光子學(xué)與光電子學(xué)84填充因子FF（FillFactor）因?yàn)樽畲罂赡艿碾娏魇嵌搪冯娏鱅sc，而最大可能的電壓是開路電壓Uoc，因此數(shù)值Isc

Uoc代表了給定光伏電池送給負(fù)載所希望的目標(biāo)功率。因此，把ImUm與Isc

Uoc比較是有用的，定義填充因子FF（FillFactor）為送給負(fù)載的最大功率與目標(biāo)功率之比（6.3.11）它是衡量光伏電池優(yōu)劣的指數(shù)。由式（6.3.11）可知，F(xiàn)F應(yīng)盡可能接近1，但是，PN結(jié)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的指數(shù)特性（見圖6.3.6）使FF

1很困難，通常該值只有70～85%，其大小由器件材料和結(jié)構(gòu)決定。

光子學(xué)與光電子學(xué)856.3.5光伏電池的等效電路

圖6.3.11實(shí)際的光伏電池，存在串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rp光子學(xué)與光電子學(xué)86圖6.3.12光伏電池的等效電路在理想的PN結(jié)光伏電池的等效電路中，光生電流過程用一個(gè)恒流源發(fā)生器Iph表示，光生電流Iph與入射的光強(qiáng)成正比。光生載流子通過PN結(jié)的流動(dòng)在PN結(jié)產(chǎn)生了光伏電壓差U，該電壓又導(dǎo)致如式（6.3.7）表示的正向偏置二極管暗電流Id的產(chǎn)生。顯然，光生電流Iph與暗電流Id流動(dòng)方向相反，因此，開路時(shí)（不接負(fù)載）光伏電壓使Iph和Id幅度相等，而相互抵消。光子學(xué)與光電子學(xué)87b）

實(shí)際的光伏電池光伏電池的等效電路可以表示為一個(gè)光生電流源Iph并聯(lián)一個(gè)二極管和一個(gè)分流電阻Rp、一個(gè)串聯(lián)電阻Rs。Rs表示由于電池襯底材料及其金屬導(dǎo)線和接觸點(diǎn)中存在的材料缺陷和歐姆接觸產(chǎn)生的損耗。串聯(lián)電阻Rs是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)樗拗屏斯夥姵氐淖畲罂捎霉β蔖max和短路電流Isc，在理想情況下，串聯(lián)電阻應(yīng)該為零。并聯(lián)電阻Rp表示由于沿電池邊緣的表面漏電或晶格缺陷造成的損耗，在理想情況下，并聯(lián)電阻應(yīng)該為無窮大。光子學(xué)與光電子學(xué)88圖6.3.13串聯(lián)電阻展寬了光伏電池I-U特性曲線的彎曲部分，減小了最大可用功率和效率光伏電池的性能主要由串聯(lián)電阻Rs決定，如圖6.3.13所示，圖中Rs=0是光伏電池最好的情況。由圖顯見，串聯(lián)電阻減小了可用的最大功率，因此也就減小了電池的效率。另外，當(dāng)Rs足夠大時(shí)，它限制了電池電路的短路電流。雖然Rs沒有影響開路電壓Uoc

，但小的Rp導(dǎo)致Uoc也減小了。光子學(xué)與光電子學(xué)896.3.6光伏電池的并聯(lián)和串聯(lián)要求光伏電池提供最大的電功率輸出，除要求選擇最佳的負(fù)載電阻外，還要串聯(lián)或（和）并聯(lián)多個(gè)單片光伏電池。單片光電池的輸出很低，輸出電流很小，所以必須把它們組裝成光電池組，才能作為電源使用。又因?yàn)樵谝欢ǖ墓庹障拢瑔纹怆姵氐拈_路電壓是定值，與光電池的面積無關(guān)；而光電流則與光電池面積成正比，所以可串聯(lián)光電池以提高輸出電壓，并聯(lián)光電池以提高輸出電流。光子學(xué)與光電子學(xué)90圖6.3.14單個(gè)光伏電池和兩個(gè)光伏電池并聯(lián)時(shí)的I-U特性和P-I特性電池并聯(lián)后串聯(lián)電阻Rs減小了一半，光生電流Iph卻加倍了，二極管的反向飽和電流Io也加倍了。這是顯然可見的，因?yàn)椴⒙?lián)后器件總面積加倍了。圖6.3.14給出器件的I-U特性和P-I特性，同時(shí)也畫出負(fù)載線和工作點(diǎn)。當(dāng)工作電流I

16mA，工作電壓U

0.27V時(shí)，輸出功率最大，P=4.4mW（UI=0.27

16mW），此時(shí)的負(fù)載RL必須是17

（U/I=0.27/0.016

）。很清楚，電池并聯(lián)后增加了可用的電流，而且減小了要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電阻。光子學(xué)與光電子學(xué)91圖6.3.15兩個(gè)相同的光伏電池并聯(lián)在一起共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載電阻的等效電路在同樣的光照情況下，共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載電阻RL的等效電路，現(xiàn)在I和U是兩個(gè)器件并聯(lián)后構(gòu)成系統(tǒng)的總電流和電壓。單個(gè)電池的二極管電壓是Ud–Rs（I/2），于是單個(gè)電池供給負(fù)載的電流和負(fù)載總電流分別是式（6.3.14）。光子學(xué)與光電子學(xué)92圖6.3.16光伏電池的級(jí)（串）聯(lián)使用兩個(gè)或多個(gè)光伏電池級(jí)（串）聯(lián)，可以增加吸收入射光子的能力。第一個(gè)電池由寬帶隙材料制成，只吸收光子能量大于Eg1的光子（hv>Eg1

）；第二個(gè)電池吸收通過電池1進(jìn)入電池2且光子能量大于Eg2的光子（hv>Eg2

）。使用晶格匹配的晶體層在單個(gè)晶體上生長整個(gè)單片集成的級(jí)聯(lián)器件。光子學(xué)與光電子學(xué)93圖6.3.17兩個(gè)光伏電池串聯(lián)的特性曲線考慮用兩個(gè)相同的光伏電池片串聯(lián)，與并聯(lián)時(shí)的一樣，Io=25

10–6

mA，n=1.5，Rs=20

，假如受到相同的光照，Iph=10mA。兩個(gè)電池串聯(lián)后，開路電壓Uoc是1V，短路電流Isc將與光生電流Iph相同，且Iph1=Iph2=10mA，由負(fù)載線得到工作電流約為8mA，工作電壓為0.55V，最大輸出功率將是4.4mW（UI=0.55

8），該功率將需要約34

的負(fù)載，[U/I=0.55/(8

10–3)]。

光子學(xué)與光電子學(xué)94圖6.3.18提高光伏電池輸出功率的

兩種組裝方式（a）單片光電池分組串聯(lián)后再并聯(lián)（b）單片光電池分組并聯(lián)后再串聯(lián)光子學(xué)與光電子學(xué)956.3.7溫度對(duì)光伏電池的影響光伏電池的輸出電壓和效率隨溫度的下降而增加，因此它最好是工作在低溫下。如果假定電池的吸收特性不變，光生電流Iph也保持不變，則光伏電池的效率至少也要降低14%。另外，在強(qiáng)光照射或聚光照射下，必須要考慮光電池的工作溫度和散熱措施。如果光電池結(jié)溫太高，例如硒光電池的結(jié)溫超過50oC，硅光電池的結(jié)溫超過200oC，就會(huì)破壞它們的晶體結(jié)構(gòu)，造成損壞。因此，通常硅光電池使用溫度不允許超過125

oC。光子學(xué)與光電子學(xué)966.3.8光伏電池材料、器件和

提高效率的措施光伏電池的轉(zhuǎn)換效率是最重要的參數(shù)，它是與其他能量轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的最重要指標(biāo)。光伏電池的效率是指入射的太陽光能量有多少轉(zhuǎn)換成電能。對(duì)于某地的太陽光譜，該轉(zhuǎn)換效率取決于半導(dǎo)體材料的特性和器件結(jié)構(gòu)。大多數(shù)光伏電池是硅光電池，因?yàn)楣璋雽?dǎo)體材料制造技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成熟，可以制造出成本效率高的器件。典型的硅光伏電池的效率，多晶硅器件約為18%，單晶硅器件約為22~24%。光子學(xué)與光電子學(xué)97圖6.3.19計(jì)算高效率的硅光電池中的各種損耗當(dāng)有100%的光能入射到電池表面時(shí)，首先約有26%的光伏被浪費(fèi)了，因?yàn)楣庾記]有足夠的能量來產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。接著在太陽光譜的低端，短波長高能量光子在晶體表面被吸收后，光生電子-空穴對(duì)因再復(fù)合而丟失，因此引起41%的能量損失。另外，電池必須盡可能多的吸收有用光子，這種光子收集效率取決于器件結(jié)構(gòu)，通常有5%的損失。最大的電輸出功率用電池開路電壓Uoc和優(yōu)劣指數(shù)FF衡量，分別也有40%和15%的損失。其結(jié)果是所謂高效硅光電池的整個(gè)效率也只有21%。光子學(xué)與光電子學(xué)98光伏電池的材料多晶硅，由于多晶硅材料多以澆鑄代替了單晶硅的拉制過程，因而生產(chǎn)時(shí)間縮短，制造成本大幅度降低。單晶硅，呈圓柱狀，用它制作的光伏電池也是圓片，因而組成光伏組件后平面利用率較低。與單晶硅光伏電池相比，多晶硅光伏電池就顯得具有一定競爭優(yōu)勢。非晶體硅，用有機(jī)半導(dǎo)體為原料制成的一種新型薄膜電池。用它制作的光伏電池厚度只有1微米，相當(dāng)于單晶硅光伏電池的1/300。它的工藝制造過程與單晶硅和多晶硅相比大大簡化，但非晶硅的禁帶能量寬度大約為1.7eV，比結(jié)晶硅的1.1eV要大得多，因此非晶硅可吸收光的波長局限于700

m以下。另外，非晶硅還存在光致劣化問題，即它受到光的持續(xù)照射后，由于材料缺陷增加，致使電池轉(zhuǎn)換效率下降了20%。

光子學(xué)與光電子學(xué)99光伏器件結(jié)構(gòu)同質(zhì)結(jié)光伏電池，在同一塊晶體上制作PN結(jié)的光伏電池，最好的硅同質(zhì)結(jié)單晶硅光伏是一種鈍化反射后部本地漂移結(jié)構(gòu)，如圖6.3.20所示。異質(zhì)結(jié)光伏電池，由不同材料構(gòu)成的PN結(jié)光伏電池，如在GaAs

材料PN結(jié)上，涂覆一層很薄的AlGaAs材料作為窗口層，可克服表面光生電子-空穴對(duì)再復(fù)合的局限性，從而也就提高了電池的效率，這種結(jié)構(gòu)的電池具有約24%的效率。光子學(xué)與光電子學(xué)100圖6.3.20倒立角錐結(jié)構(gòu)光伏電池表面可以顯著地減小反射損耗和增加器件的光子吸收概率它有一種刻蝕進(jìn)晶體表面的倒立角錐（倒金字塔）結(jié)構(gòu)陣列表面，以便盡可能多地捕獲入射光。從平坦晶體表面的正常反射導(dǎo)致光能損失，但是這種角錐結(jié)構(gòu)的內(nèi)部反射提供光子的第二次甚至第三次吸收。再說，反射后的光子可能以傾斜的角度進(jìn)入半導(dǎo)體材料，這就是說，它們將在有利于在光生電子體積內(nèi)（Le）被吸收。光子學(xué)與光電子學(xué)101圖6.3.21

同質(zhì)結(jié)

光伏電池結(jié)構(gòu)

在鈍化的GaAs表面涂覆一層AlGaAs窗口

使短波長光生電子空穴效率提高在同一塊晶體上制作PN結(jié)的光伏電池叫同質(zhì)結(jié)光伏電池。光子學(xué)與光電子學(xué)102圖6.3.22

異質(zhì)結(jié)光伏電池結(jié)構(gòu)可以充分吸收不同波長太陽光的光子

使效率提高N區(qū)是AlGaAs材料，P區(qū)是GaAs材料，N區(qū)的帶隙（Eg=2eV）比P區(qū)的（Eg=1.4eV）大。能量大于2eV的光子（hv>2eV）在N區(qū)被吸收；能量小于2eV而大于1.4eV的光子（1.4eV<hv<2eV）在P區(qū)被吸收。這樣就可以充分吸收不同波長太陽光的光子使效率提高。光子學(xué)與光電子學(xué)103圖6.3.23光電池級(jí)聯(lián)可以提高入射太陽光光譜的利用率和轉(zhuǎn)換效率

a）2個(gè)異質(zhì)結(jié)電池的級(jí)聯(lián)第1個(gè)電池由寬帶隙材料制成，只吸收hv>Eg1的光子；第2個(gè)電池吸收穿過第1個(gè)電池、能量hv>Eg2的光子。2個(gè)電池采用很薄的隧道結(jié)連在一起。光子學(xué)與光電子學(xué)104最有效的級(jí)聯(lián)是3個(gè)電池級(jí)聯(lián),在Ge襯底上生長，每個(gè)電池都是PN結(jié)。使用2個(gè)隧道結(jié)將3個(gè)電池聯(lián)在一起。第1個(gè)PN結(jié)中的材料為GaInP2，吸收640nm的入射光；第2