光伏效应形成机制的细节问题

光伏效应形成机制的细节问题

我想做III-V族化合物太阳能电池，现有不解之处，即少子扩散到了多子区。陈述如下：

无光照时，

p型和n型半导体接触后，在扩散和漂移的作用下，一般会形成p区、空间电荷区和n区三部分。

一般认为，在有光照时，

1、空间电荷区产生的空穴-电子对，在内建电场的作用下，电子会向n区运动而进入n区；空穴会向p 区运动而进入p区。

2、p区产生的在据空间电荷区一个扩散长度内的空穴-电子对，会向空间电荷区运动，其中电子逆着内建电场方向运动，可以穿越]空间电荷区而进入n区；空穴不能逆着内建电场的方向运动，就无法穿越空间电荷区，只能留在p区。也就是说，p区的少子-电子先扩散后漂移进入了n区。

3、类似，n区的少子-空穴会进入p区也就是说

a、少子扩散到了多子区，这有悖于扩散从高浓度向低浓度扩散的原理。

b、p区的电子进入空间电荷区的动力是什莫？要知道，首先空间电荷区外无电场，其次电子从p区进入空间电荷区首先要克服空间电荷区近p区的负电荷的斥力，难道扩散的动力大于斥力吗？

最后还想知道，p区、空间电荷区和n区三部分分别产生光电流，哪个最大？请给出计算过程，最好有实例

Ｐ－Ｎ结光电效应：

当Ｐ－Ｎ结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因Ｐ区产生的光生空穴，Ｎ区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有Ｐ区的光生电子和Ｎ区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向Ｎ区，光生空穴被拉向Ｐ区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在Ｎ区边界附近有光生电子积累，在Ｐ区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡Ｐ－Ｎ结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由Ｐ区指向Ｎ区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，Ｐ端正，Ｎ端负。于是有结电流由Ｐ区流向Ｎ区，其方向与光电流相反。

实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设Ｎ区中空穴在寿命τｐ的时间内扩散距离为Ｌｐ，Ｐ区中电子在寿命τｎ的时间内扩散距离为Ｌｎ。Ｌｎ＋Ｌｐ＝Ｌ远大于Ｐ－Ｎ结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离Ｌ内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过Ｌ的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对Ｐ－Ｎ结光电效应无贡献。

光照下的Ｐ－Ｎ结电流方程：

与热平衡时比较

有光照时，Ｐ－Ｎ结内将产生一个附加电流（光电流）Ｉｐ，其方向与Ｐ－Ｎ结反向饱和电流ＩＯ相同，一般Ｉｐ≥ＩＯ。此时

Ｉ＝ＩＯe qＵ/KT－(ＩＯ＋Ｉｐ)

令Ｉｐ＝ＳＥ，则

Ｉ＝ＩＯｅqＵ/KT－(ＩＯ＋ＳＥ)

开路电压Ｕｏｃ：

光照下的Ｐ－Ｎ结外电路开路时Ｐ端对Ｎ端的电压，即上述电流方程中Ｉ＝０时的Ｕ值：

０＝ＩＯｅqＵ/KT－(ＩＯ＋ＳＥ)

Ｕｏｃ＝(ＫＴ/q)ln(SE+I O)/I O

≈(KT/q)ln(SE/I O)

短路电流Ｉｓｃ：

光照下的Ｐ－Ｎ结，外电路短路时，从Ｐ端流出，经过外电路，从Ｎ端流入的电流称为短路电流Ｉｓｃ。即上述电流方程中Ｕ＝０时的Ｉ值，得Ｉｓｃ＝ＳＥ。

Ｕｏｃ与Ｉｓｃ是光照下Ｐ－Ｎ结的两个重要参数，在一定温度下，Ｕｏｃ与光照度Ｅ成对数关系，但最大值不超过接触电势差ＵＤ。弱光照下，Ｉｓｃ与Ｅ有线性关系。

ａ)无光照时热平衡态，ＮＰ型半导体有统一的费米能级，势垒高度为ｑＵＤ＝ＥＦＮ－ＥＦＰ。

ｂ)稳定光照下Ｐ－Ｎ结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Ｕｏｃ不再有统一费米能级，势垒高度为ｑ(ＵＤ－Ｕｏｃ)。

ｃ)稳定光照下Ｐ－Ｎ结外电路短路，Ｐ－Ｎ结两端无光生电压，势垒高度为ｑＵＤ，光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。

ｄ)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Ｕｆ，另一部分光电流被Ｐ－Ｎ结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为ｑ(ＵＤ－Ｕｆ)。