硅光电池特性研究

综合设计实验小论文

硅光电池特性研究

摘要:当今世界能源日益短缺，开发太阳能资源成为世界各国能源发展的主要课题。硅光电池可将太阳能转换为电能，实现太阳能的利用。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，测量太阳能电池下述特性：1、在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。2、测量太阳能电池在光照时的输出特性并求得它的短路电流( I SC)、开路电压( U OC)、最大输出功率 P m及填充因子 FF，填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。3、光照效应：（1）测量短路电流 I SC和相对光强度J /J0之间关系，画出 I SC与相对光强J /J0之间的关系图。（2）测量开路电压U OC和相对光强度J /J0之间的关系，画出U OC与相对光强J /J0之间的关系图

关键字:硅光电池 PN结相对光强开路电压短路电流

1 实验原理

目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深入学习硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池的机理。

1.1 PN结的形成及单向导电性

如果采用某种工艺，使一块硅片的一边成为P型半导体，另一边为N型半导体，由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。同样，N区的自由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的，因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，如图1所示。空间电荷区的内电场一个方面对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，另一方面对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）起推动作用，使它们越过空间电荷区进入对方区域。少数载流子在内电场作用下的定向运动称为漂移运动。在一定条

件下，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡。达到平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN 结就处于相对稳定的状态。

若在PN 结上加正向电压，即外电源的正极接P 区，负极接N 区，也称为正向偏置。此时外加电压在PN 结中产生的外电场和内电场方向相反，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流），PN 结处于导通状态。在一定范围内，外电场愈强，正向电流（由P 区流向N 区的电流）愈大。正向偏置时，PN 结呈现的电阻很低，一般为几欧到几百欧。

图1

若在PN 结上加反向电压，即外电源的正极接N 区，负极接P 区，也称为反向偏置。此时外加电压在PN 结中产生的外电场和内电场方向一致，也破坏了扩散和漂移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移动，使得空间电荷增强，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动很难进行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN 结呈现的反向电阻很高，可以认为PN 结基本上不导电，处于截至状态。反向电阻一般为几千欧到十几兆欧。由于少数载流子是由于价电子获得热能（热激发）挣脱共价键的束缚而产生的。环境温度愈高，少数载流子的数量愈多，所以温度对反向电流的影响较大。由以上分析可知，PN 结具有单向导电性。在PN 结上加正向电压时，PN 结电阻很低，正向电流较大，PN 结处于正向导通状态；加反向电压时，PN 结电阻很高，反向电流很小，PN 结处于截至状态。

图1是半导体PN 结在零偏﹑负偏﹑正偏下的耗尽区。扩散的结果使得结合区两侧的P 型区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个势垒，

由此而产生的内电场

P

N

空间电荷区

E 内电场

将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN结的单向导电性,电流方向是从P指向N。

1.2 硅光电池的工作原理

光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。光电二极管是典型的光电效应探测器。当PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。在入射光强度的很大动态范围内这种变化能保持较好的线性关系。

图2

1.3 硅光电池的伏安特性

硅光电池是一个大面积的光电二极管，其基本结构如图2所示，当半导体PN结处于零偏或负偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。当没有光照射

时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是

1eV kT

s I I e ⎛⎫=- ⎪⎝⎭

（1）

式(1)中I 为流过二极管的总电流,Is 为反向饱和电流，e 为电子电荷，k 为玻耳兹曼常量，T 为工作绝对温度，V 为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压，I 随V 指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N 型区和P 型区，当在PN 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过PN 结两端的电流可由式（2）确定：

1eV kT

s p I I e I ⎛⎫=-- ⎪⎝⎭

（2）

此式表示硅光电池的伏安特性。式（2）中I 为流过硅光电池的总电流,Is 为反向饱和电流，V 为PN 结两端电压，T 为工作绝对温度，Ip 为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN 结的电流I=Ip ；当光电池处于负偏时流过PN 结的电流I=Ip-Is 。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。

1.4 硅光电池的负载特性

光电池作为电池使用如下图所示。在内 电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较

大；当负载很大时，电流较大而电压较小。 图3 实验的值来测定硅光电池的负载特性。