半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)

1、課程主要內(nèi)容：,第一章 半導(dǎo)體光電材料概述第二章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第三章 PN結(jié)第四章 金屬-半導(dǎo)體結(jié)第五章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)第六章 半導(dǎo)體太陽能電池和光電二極管第七章 發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器第八章 量子點(diǎn)生物熒光探針,第五章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu),5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,異質(zhì)結(jié)：由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料組成的結(jié)。異質(zhì)結(jié)具有許多同質(zhì)結(jié)所所不具有的特性，往往具有更高的注入效率。反型異質(zhì)結(jié)：由導(dǎo)電類型相反的

2、兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料構(gòu)成。如：p-nGe-GaAs（p型Ge與n型GaAs）同型異質(zhì)結(jié)：由導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料構(gòu)成。如：n-nGe-GaAs（n型Ge和n型GaAs）異質(zhì)結(jié)的能帶圖對其特性起著重要作用。在不考慮界面態(tài)的情況下，任何異質(zhì)結(jié)的能帶圖都取決于形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體的電子親和勢、禁帶寬度以及功函數(shù)。功函數(shù)隨雜質(zhì)濃度的不同而變化。,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,突變異質(zhì)結(jié)：從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的

3、過渡只發(fā)生于幾個原子距離范圍內(nèi)。緩變異質(zhì)結(jié)：從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡發(fā)生于幾個擴(kuò)散長度范圍內(nèi)。突變異質(zhì)結(jié)的能帶圖研究得比較成熟。異質(zhì)結(jié)的能帶圖比同質(zhì)結(jié)復(fù)雜（禁帶寬度，電子親合能，功函數(shù)，介電常數(shù)差異）。由于晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)不同，在異質(zhì)結(jié)交界面上形成的界面態(tài)增加了能帶圖的復(fù)雜性。,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,突變反型(pn)異質(zhì)結(jié)能帶圖（形成異質(zhì)結(jié)前）,P型,N型,,,,,,,?：電子

4、的親和能W：電子的功函數(shù)Eg：禁帶寬度,兩種半導(dǎo)體緊密接觸時，電子（空穴）將從n(p)型半導(dǎo)體流向p(n)型半導(dǎo)體，直至費(fèi)米能級相等為止。,,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,突變反型(pn)異質(zhì)結(jié)能帶圖（形成異質(zhì)結(jié)后）,交界面兩邊形成空間電荷區(qū)(x1-x2)，產(chǎn)生內(nèi)建電場。兩種半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)不同，因此內(nèi)建電場在交界面處(x0)不連續(xù)。空間電荷區(qū)中的能帶特點(diǎn)：1）能帶發(fā)生彎曲，尖峰和勢阱，2）能帶在交

5、界面處不連續(xù)，有一個突變。,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,突變反型(pn)異質(zhì)結(jié)能帶圖（形成異質(zhì)結(jié)后）,內(nèi)建電勢差VD,導(dǎo)帶階,價帶階,以上式子對所有突變異質(zhì)結(jié)普適,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,突變p-nGe-GaAs異質(zhì)結(jié)能帶圖,n-GaAs,交界面兩側(cè)半導(dǎo)體中的內(nèi)建電勢差VD1,VD2由摻雜濃度、空間電荷區(qū)（勢壘區(qū)）寬度和相對介電常數(shù)共同決定。,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（1）不

6、考慮界面態(tài)時的能帶圖,突變反型(np) 異質(zhì)結(jié)能帶圖,,,形成異質(zhì)結(jié)前,形成異質(zhì)結(jié)后,,,,,P型,N型,,P型,N型,,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,形成異質(zhì)結(jié)前,形成異質(zhì)結(jié)后,突變同型(nn)異質(zhì)結(jié)能帶圖,在同型異質(zhì)結(jié)中，一般必有一邊成為積累層，一邊為耗盡層。,,,,,,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,形成異質(zhì)結(jié)后,突變同型(pp)異質(zhì)結(jié)能帶圖,對于反型異質(zhì)結(jié)，當(dāng)?1=?2，Eg1=

7、Eg2,?1=?2時，成為普通的PN結(jié)。,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,制造突變異質(zhì)結(jié)時，通常在一種半導(dǎo)體材料上生長另一種半導(dǎo)體單晶材料，或采用真空蒸發(fā)技術(shù)。兩種半導(dǎo)體材料之間的晶格失配：2(a2-a1)/(a1+a2)，a1,a2為兩種半導(dǎo)體的晶格常數(shù)。異質(zhì)結(jié)中的晶格失配導(dǎo)致兩種半導(dǎo)體材料的交界面處產(chǎn)生了懸掛鍵，引入了界面態(tài)。,接觸前,接觸后,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,若兩種半導(dǎo)

8、體材料在交界面處的鍵密度分別為Ns1,Ns2，形成異質(zhì)結(jié)后，晶格常數(shù)小的材料表面出現(xiàn)部分未飽和鍵，突變異質(zhì)結(jié)交界面處的懸掛鍵密度：對于兩種相同晶體結(jié)構(gòu)材料形成的異質(zhì)結(jié)，交界面處懸掛鍵密度?Ns取決于晶格常數(shù)和作為交界面的晶面。,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,對于n型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作用，受主型界面態(tài)施放空穴后帶上負(fù)電荷，因此表面能帶向上彎曲。,對于p型半導(dǎo)體，懸掛鍵起施主作用，施主型界面態(tài)施放電子后帶上正

9、電荷，因此表面能帶向下彎曲。,N型,P型,表面能級密度大的半導(dǎo)體能帶圖,-,+,+,-,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,當(dāng)懸掛鍵（或界面態(tài)）的密度很高時，界面態(tài)電荷產(chǎn)生的電場往往大于由兩種半導(dǎo)體材料接觸而產(chǎn)生的電勢差，在這樣情況下，異質(zhì)結(jié)的能帶圖往往由界面態(tài)所引起的能帶的彎曲來決定。,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,pn,pn,np,np,nn,pp,懸掛鍵起施主作用時,懸掛鍵起受主作用時,（

10、界面態(tài)密度很大時）,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,當(dāng)兩種半導(dǎo)體的晶格常數(shù)極為接近時，晶格間匹配較好，一般可以不考慮界面態(tài)的影響。但在實(shí)際中，即使兩種半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)在室溫時相同，但如果它們的熱膨脹系數(shù)不同，在高溫下，也將發(fā)生晶格失配，從而產(chǎn)生懸掛鍵，在交界面處引入界面態(tài)。化合物半導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)中，由于化合物半導(dǎo)體中成分元素互擴(kuò)散，也會引入界面態(tài)。,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（3）突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢

11、差及勢壘區(qū)寬度,P型,N型,,,,,,,,不考慮界面態(tài)，以突變pn異質(zhì)結(jié)為例。設(shè)p型和n型半導(dǎo)體中雜質(zhì)均勻分布，濃度分別為NA1和ND2. 勢壘區(qū)正負(fù)空間電荷區(qū)寬度：d1=x0-x1, d2=x2-x0,求解交界面x0兩邊的泊松方程，得到勢壘區(qū)兩側(cè)內(nèi)建電勢差為：,,?1,?2分別為p型和n型半導(dǎo)體的介電常數(shù)。,,XD,5.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖,（3）突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢差及勢壘區(qū)寬度,P型,N型,,,,,,,,勢壘區(qū)內(nèi)的正負(fù)電荷總

12、量相等，,,,,,XD,勢壘區(qū)寬度：,，,5.2 突變異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性,異質(zhì)結(jié)由兩種不同材料形成，交界面處能帶不連續(xù)，存在界面態(tài)，因此異質(zhì)結(jié)的電流電壓關(guān)系比同質(zhì)結(jié)復(fù)雜得多。異質(zhì)pn結(jié)按勢壘尖峰高低的不同，有兩種情況，分別采用不同的模型來處理電流電壓特性。低勢壘尖峰：勢壘尖峰頂?shù)陀趐區(qū)導(dǎo)帶底，采用擴(kuò)散模型。高勢壘尖峰：勢壘尖峰較p區(qū)導(dǎo)帶底高得多，采用發(fā)射模型。,P,N,P,N,5.2 突變異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性,（1）低勢

13、壘尖峰情況——擴(kuò)散模型,P,N,P,N,外加正向偏壓V,（V1,V2分別為加在p區(qū)和n區(qū)的電壓）,零偏壓,正偏壓,通過異質(zhì)pn結(jié)的總電流密度：,5.2 突變異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性,（1）低勢壘尖峰情況——擴(kuò)散模型,外加正向偏壓V,,由窄帶隙p型半導(dǎo)體和寬帶隙n型半導(dǎo)體形成的異質(zhì)pn結(jié)，?Ec>0, ?Ev>0, 且比室溫下k0T大得多。,P,N,,通過結(jié)的電流主要由電子電流組成，空穴電流占比很小。,由于導(dǎo)帶階?Ec 的存在

14、，n區(qū)電子面臨的勢壘高度由qVD下降至qVD-?Ec，而空穴面臨的勢壘高度升高了?Ev，導(dǎo)致電子電流大大超過空穴電流。,5.2 突變異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性,（2）高勢壘尖峰情況——熱電子發(fā)射模型,外加正向偏壓V,P,N,由n區(qū)擴(kuò)散向結(jié)處的電子，只有能量高于勢壘尖峰的才能通過發(fā)射機(jī)制進(jìn)入p區(qū)。,正向電流主要由從n區(qū)注入p區(qū)的電子流形成。,發(fā)射模型也得到正向電流隨電壓按指數(shù)關(guān)系增加。,EFn,EFp,5.3 異質(zhì)pn結(jié)的注入特性,（1）

15、異質(zhì)pn結(jié)的高注入特性,異質(zhì)pn結(jié)（低勢壘尖峰）電子電流與空穴電流的注入比為：,（飽和雜質(zhì)電離時）,電子、空穴擴(kuò)散系數(shù)D 和擴(kuò)散長度L 在同一數(shù)量級，而,可遠(yuǎn)大于1。即使ND2 <NA1,仍可得到很大的注入比。,5.3 異質(zhì)pn結(jié)的注入特性,（1） 異質(zhì)pn結(jié)的高注入特性,表明即使禁帶寬n區(qū)摻雜濃度比p區(qū)低近兩個數(shù)量級，但注入比仍可高達(dá) 。,例如：寬禁帶n型 和窄禁帶p型GaAs組成異質(zhì)p

16、n結(jié)。,p區(qū)摻雜濃度為：,，n區(qū)摻雜濃度為：,可得，,異質(zhì)pn結(jié)的這一高注入特性是區(qū)別于同質(zhì)pn結(jié)的主要特點(diǎn)之一，也因此得到重要應(yīng)用。,5.3 異質(zhì)pn結(jié)的注入特性,（2） 異質(zhì)pn結(jié)的超注入現(xiàn)象,超注入現(xiàn)象：在異質(zhì)pn結(jié)中由寬禁帶半導(dǎo)體注入到窄禁帶半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子濃度可超過寬帶半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度。這一現(xiàn)象首先在p-nGaAs- 異質(zhì)結(jié)中觀察到。,加正向電壓時n區(qū)導(dǎo)帶底相對p區(qū)導(dǎo)帶底隨所

17、加電壓的增加而上升，當(dāng)電壓足夠大時，n區(qū)導(dǎo)帶底甚至高于p區(qū)導(dǎo)帶底。p區(qū)電子準(zhǔn)費(fèi)米能級隨電子濃度的上升很快，正向大電流,穩(wěn)態(tài)時，結(jié)兩邊電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級可達(dá)到一致。,由于p區(qū)導(dǎo)帶底距EFn 較n區(qū)導(dǎo)帶底更近，故p區(qū)導(dǎo)帶電子濃度高于n區(qū)。,5.3 異質(zhì)pn結(jié)的注入特性,（2） 異質(zhì)pn結(jié)的超注入現(xiàn)象,p區(qū)和n區(qū)電子濃度之比：,只要n區(qū)導(dǎo)帶底比p區(qū)導(dǎo)帶底高出的值較k0T 大一倍，則n1比n2大近一個數(shù)量級。,超注入現(xiàn)象是異質(zhì)結(jié)特有的另一重要

18、特性，可實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)激光器所要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器中得到重要應(yīng)用。,課程主要內(nèi)容：,第一章 半導(dǎo)體光電材料概述第二章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第三章 PN結(jié)第四章 金屬-半導(dǎo)體結(jié)第五章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)第六章 半導(dǎo)體太陽能電池和光電二極管第七章 發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器第八章 量子點(diǎn)生物熒光探針,第六章 半導(dǎo)體太陽能電池和光電二極管,引言,半導(dǎo)體太陽能電池是直接把太陽能轉(zhuǎn)換成電能的器件。光電二極管

19、用于檢測各種光輻射信號，是一種重要的光探測器。光電二極管和半導(dǎo)體太陽電池的基本工作原理相同，都是利用光生伏打效應(yīng)工作的器件。,6.1 半導(dǎo)體中光吸收,,,,6.1 半導(dǎo)體中光吸收,本征吸收：電子由價帶到導(dǎo)帶之間的躍遷所形成的吸收。如(a)和(b)。相應(yīng)的電子躍遷過程稱為本征躍遷或帶-帶躍遷。本征吸收條件：hv?Eg本征吸收限波長：hv>Eg時，除產(chǎn)生一個電子-空穴對外，多余的能量hv-Eg將以熱的形式耗散掉。,非本征躍遷

20、：如果hv<Eg，則只有當(dāng)禁帶內(nèi)存在合適的化學(xué)雜質(zhì)或物理缺陷引起的能態(tài)時，光子才會被吸收。如(c).,6.1 半導(dǎo)體中光吸收,吸收系數(shù),假設(shè)半導(dǎo)體被一光源照射，沿光傳播方向上，在距離表面x處的光通量（單位時間垂直通過單位面積的光子數(shù)）為：,吸收系數(shù)?是光子能量h? 的函數(shù)，稱為吸收曲線。吸收系數(shù)在截止波長?c處急劇下降，截止波長附近的吸收曲線稱為吸收邊。,,直接躍遷,6.1 半導(dǎo)體中光吸收 — 本征吸收,hk’ – hk = 光子

21、動量 但一般半導(dǎo)體吸收的光子，其動量遠(yuǎn)小于能帶中的電子的動量，光子動量可忽略不計(jì)， k’ ? k ，電子吸收光子產(chǎn)生躍遷時波矢保持不變，如價帶中狀態(tài)A的電子只能躍遷到導(dǎo)帶中的狀態(tài)B，這種躍遷稱為直接躍遷，屬于本征躍遷。,光照下，電子吸收光子的躍遷過程，除滿足能量守恒外，還必須滿足動量守恒。,直接躍遷,任何一個k值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收的光子最小能量應(yīng)等于禁帶寬度。,直接帶隙半導(dǎo)體：半導(dǎo)體的導(dǎo)帶極小值和價帶

22、極大值對應(yīng)于相同的波矢。在本征吸收過程中，產(chǎn)生電子的直接躍遷。,6.1 半導(dǎo)體中光吸收 — 本征吸收,6.1 半導(dǎo)體中光吸收 — 本征吸收,直接帶隙半導(dǎo)體帶隙的測定,理論計(jì)算表明，直接躍遷中吸收系數(shù)和光子能量的關(guān)系為,A為常數(shù),,,Eg,吸收譜,,?,6.1 半導(dǎo)體中光吸收 — 本征吸收,間接躍遷,間接帶隙半導(dǎo)體：Ge、Si一類半導(dǎo)體，價帶頂和導(dǎo)帶底對應(yīng)于不同的波矢k。,,間接躍遷：電子不僅吸收光子，同時還和晶格交換一定的振動動量，即放

23、出或吸收一個聲子。聲子的能量非常小，可以忽略不計(jì)。間接躍遷的概率（光吸收系數(shù)）比直接躍遷的概率（光吸收系數(shù)）小得多。,間接帶隙半導(dǎo)體帶隙的測定,間接躍遷中吸收系數(shù)和光子能量的關(guān)系為,只要對 作圖，并將直線部分外推到與 hv 軸相交，即可得到帶隙值Eg。,6.1 半導(dǎo)體中光吸收 — 本征吸收,A’為常數(shù),6.1 半導(dǎo)體中光吸收 — 其他吸收過程,激子：受激電子和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個新的系

24、統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱為激子。激子吸收：光子能量hv<Eg，價帶電子受激發(fā)后雖然躍出了價帶，但還不足以進(jìn)入導(dǎo)帶而成為自由電子，仍然受到空穴的庫侖場作用，這種吸收即激子吸收。,6.1 半導(dǎo)體中光吸收 — 其他吸收過程,自由載流子吸收：入射光子能量小于帶隙時，自由載流子在同一帶內(nèi)的躍遷。,,雜質(zhì)吸收：束縛在雜質(zhì)能級上的電子或空穴的吸收。電子可以吸收光子躍遷到導(dǎo)帶能級；空穴也同樣可以吸收光子而躍遷到價帶。晶格振動吸收：遠(yuǎn)紅外區(qū)，光子能量直接

25、轉(zhuǎn)換為晶格振動動能。,6.1 半導(dǎo)體中光吸收 — 其他吸收過程,,,,,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。潔凈能源：不會導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，不會造成環(huán)境污染。使用方便：同水能、風(fēng)能等新能源相比，不受地域的限制， 成本低。,,6.2 半導(dǎo)體太陽能電池,6.2 半導(dǎo)體太陽能電池,半導(dǎo)體太陽能電池是直接把太陽能轉(zhuǎn)換成電能的器件。利用各種勢壘的光生伏打效應(yīng)

26、（Photovoltaic effect），也稱為光生伏打電池，簡稱光電池。1883年，弗里茨首次用硒制造了光生伏打電池。1941年，奧勒制作了單晶硅光電池。1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室制作了第一個實(shí)用的硅太陽能電池。,太陽電池的優(yōu)點(diǎn)：壽命長、效率高、性能可靠、成本低、無污染。幾乎所有空間設(shè)備和裝置均使用太陽電池。在地面上，太陽電池作為無人氣象站、無人燈塔、微波中繼站的電源盒自控系統(tǒng)的光電元件。目前，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率已相當(dāng)可

27、觀。在AM1.5條件下，單晶硅電池的效率達(dá)到近24%，非晶硅電池為13.2%，而InGaPAs/GaAs疊層電池已達(dá)到41.4%。,6.2 半導(dǎo)體太陽能電池,太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示：,PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)是指半導(dǎo)體吸收光能后在PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢。,,,,（大面積蒸鍍金屬）,減少陽光反射,,6.2 半導(dǎo)體太陽能電池,PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)主要涉及三個主要的物理過程：（1）半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生非平衡的電子-空穴對；（2）產(chǎn)生的非

28、平衡電子和空穴從產(chǎn)生處以擴(kuò)散或漂移 的方式向勢場區(qū)（PN結(jié)的空間電荷區(qū)）運(yùn)動，這種勢場也可以是金屬－半導(dǎo)體的肖特基勢壘或異質(zhì)結(jié)的勢壘等；（3）進(jìn)入勢場區(qū)的非平衡電子和空穴在勢場的作用下向相反方向運(yùn)動而分離，在P側(cè)積累空穴，在N側(cè)積累電子，建立起電勢差。,6.2 半導(dǎo)體太陽能電池,開路電壓Ｖoc：PN結(jié)開路時，兩端的電勢差。光電流：PN結(jié)兩端連接負(fù)載時，通過的電流。短路光電流IL：PN結(jié)短路時的電流，是PN結(jié)太陽能電池能提供的最大電

29、流。光照下，在PN結(jié)擴(kuò)散區(qū)以內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對，一旦進(jìn)入PN結(jié)的空間電荷區(qū)，就會被內(nèi)建電場所分離，在P（N）區(qū)邊界將積累非平衡空穴（電子），產(chǎn)生一個與平衡PN結(jié)內(nèi)建電場方向相反的光生電場。,6.2 半導(dǎo)體太陽能電池,開路狀態(tài)下，光生載流子積累于PN結(jié)兩側(cè)。PN結(jié)兩端的電位差（即開路電壓）就是光生電動勢Voc。非平衡載流子的出現(xiàn)意味著N（P）區(qū)電子（空穴）準(zhǔn)費(fèi)米能級升高（降低），二者直接的距離等于qVoc。PN結(jié)勢壘高度比熱平衡時

30、下降qVoc。,6.2 半導(dǎo)體太陽能電池,外部短路時，短路電流在PN結(jié)內(nèi)部從N區(qū)指向P區(qū)。非平衡載流子不再積累在PN結(jié)兩側(cè)，光電壓為零。能帶圖恢復(fù)為（a，無光照平衡PN結(jié)情形）。一般情況下，即使無負(fù)載，也存在等效串聯(lián)電阻Rs。光生載流子只有一部分積累于PN結(jié)上，使勢壘降低qV。P、N區(qū)費(fèi)米能級相差qV。,與電注入相比，光生電流方向相當(dāng)于普通二極管反向電流的方向。,6.2 半導(dǎo)體太陽能電池,暗電流：光照使PN結(jié)勢壘降低等效于外加正向偏壓

31、，同樣能引起P區(qū)空穴和N區(qū)電子向?qū)Ψ阶⑷?，形成PN結(jié)正向注入電流，方向與光生電流方向相反。是太陽電池的不利因素，應(yīng)設(shè)法減小。,6.2 半導(dǎo)體太陽能電池,太陽電池的I－V特性,串聯(lián)電阻Rs=0的理想情況：,RL為負(fù)載電阻，IL為短路光電流，ID為暗電流（即PN結(jié)正向電流）,,肖克利方程,,6.2 半導(dǎo)體太陽能電池,結(jié)飽和電流,,6.3 太陽電池的I－V特性,串聯(lián)電阻Rs=0的理想情況：,PN結(jié)上的電壓為：,開路情況下，I=0，得到開路電壓

32、為：,這是太陽電池能夠提供的最大電壓。,短路情況下，V=0，得到短路電流為：I=IL,這是太陽電池能夠提供的最大電流。,GL:光生電子-空穴對的產(chǎn)生率，A:PN結(jié)的面積，A(Ln+Lp):光生載流子的體積。,短路電流取決于光照強(qiáng)度和PN結(jié)的性質(zhì)。,整個器件均勻吸收太陽光的情況下：,6.3 太陽電池的I－V特性,串聯(lián)電阻Rs=0的理想情況：,AM1：一級氣團(tuán)條件，即太陽在天頂，測試器件在晴朗天空下的海平面上。到達(dá)太陽電池的太陽能量略高10

33、0mW/cm2。AM0：器件放在大氣層外（如衛(wèi)星上），此時太陽能量約為135mW/cm2。大氣對太陽光的衰減來自于臭氧層對紫外光的吸收、塵埃對太陽光的散射等。,典型的太陽電池在一級氣團(tuán)光照下的I-V特性,6.3 太陽電池的I－V特性,考慮存在串聯(lián)電阻和分流電阻,串聯(lián)電阻Rs：接觸電阻和薄層電阻的總和。分流電阻RSh：PN結(jié)漏泄電流。太陽電池的I-V特性方程為：,,,6.4 太陽電池的效率,太陽電池的效率是指太陽電池的功率轉(zhuǎn)換效率

34、，是太陽電池最大輸出功率與輸入光功率的百分比，表示為,Pin為輸入光功率，是各種頻率的入射光功率的總和。,Pm,IL,單色光電轉(zhuǎn)化效率,即入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率 (monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency，用縮寫IPCE表示)，也叫外量子效率。即單位時間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù)Ne與單位時間內(nèi)的入射單色光子數(shù)Np之比。,ISC為短路光電流密度(A&#

35、183;m-2)，NA為阿佛加德羅常數(shù)(6.022?1023mol-1)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)(96485C·mol-1)。,?為單色光波長(m)， Pin為入射單色光的功率(W·m-2)，h為普朗克常數(shù)(6.626?10-34J·s)，c為光速(3?108m·s-1)。,6.4 太陽電池的效率,6.4 太陽電池的效率,填充因子(Fill Factor, FF)：電池具有最大輸出功率 (Pm) 時的電流