PN结光生伏特效应光谱特性研究

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,PN,结光生伏特效应光谱特性研究（,实验六）,实验概述,基本原理,实验系统,实验步骤,数据处理,实验重难点,1,光生伏特效应是半导体中重要的物理效应,只要有内建电势存在就会产生此效应。,光伏效应是太阳电池和多种光伏敏感器件的物理基础，测量光伏响应特性的方法有直流法和交流法。本实验采用直流法测量。,实验目的,：通过硅电池直流法光谱响应测量及其数据处理，掌握其实验方法，体会影响光伏效应的种种因素，以增强实验研究能力。,实验概述,2,实验原理,一,.,光电池的基本结构,1,如右图，面积为,22,cm,2,，这种结构是为提高光电转换效率而设计的,2,栅型电极,是为了增加光注入,3,减反射膜,厚度为光谱响应峰值波长的1/4，目的是减少硅表面光反射损失反射膜折射率为,:,4,层,(,向光面,),厚度,0.3um,左右,近似为,P-N,结深度,. Pn,结为浅结是为了提高电池高能光谱效应,5,金属底电极,(,欧姆接触,),在其表面镀一层减反膜可减少反射损失,.,3,实验原理,二,.,光谱响应,半导体,GaAs,和,Si,对各种不同波长,的光的吸收系数,有如图所示的分布,.,势垒区两侧一个扩散长度范围内光产生的电子-空穴对才可以被电极收集，形成光电流,.,如右图,.,光谱响应范围,:400-1000nm.,输出特性,:Voc,随光强增加很快趋于饱和,与面积无关,.,Isc,与光强和光照面积成正比,.,4,如图设电池光照面为,X=0，,并设少子扩散长度,L,n,H,光生少子全部被,PN,结吸收并收集,.,同时定义两个重要参数,:,等量子光谱响应,：一个一定波长的入射光子所能产生并被收集的电子数为,:,等能量光谱响应,：单位能量某一波长的光照到电池上所产生的光电流,:,5,这样我们得到光电流密度为,:,(6.5-6.6),其中 是阳光中波长为,带宽为 的入射光子数,.,从以上两式可以得到电池光电流由,太阳光谱分布,和,电池光谱的响应,两大因素决定,.,独立于太阳光谱外的电池光谱响应,是电池自身所有影响光生非子产生和收集的诸因素的概括,.,这些因素的定量分析,必须依赖单色光电流的理论描述,通过连续性方程可求解,.,6,具体推导过程请参考课本,54-55,页,.,在给定波长下，单位光谱带宽的电池光电流由,三部分,组成,:,1. N,区少子空穴电流,(54-6.11),2. P,区少子电子电流,(54-6.15),3.,势垒区光产生非子电流,(54-6.16),从表达式中可以看到光电池单色光电流响应是其,材料参数（禁带宽度，扩散系数，寿命，电阻率，吸收系数），结构参数和表面复合速度的函数,参考,56,页,6.1-6.4,图可以看出各个参数的影响。,其中6.4图表明表面复合对电池光谱响应影响很大，尤其是高能光谱响应。,7,实验系统,系统由光源,分光光度计,微安表组成,.,1,光源,:,钨灯提供,2,分光光度计,:,提供准单色光,.,利用,分光棱镜,的色散作用,把复色光分解成单色光,.,3,微安表,:,读出单色光短路电流值,(,注意极性的正负,).,8,实验步骤,1.,打开光源稳流稳压源,(,已选钨灯。其他无需打开,),。,2,将太阳电池样品夹于暗室内，处于光路中，外接微安表；让波长（,转动旋钮,1,）为,500-600,nm,的范围，使光斑正射于电池上。若微安表指针反转，应及时换接电极。（,注：用电流表判断电池极性,）,3,选择适当的狭缝宽度（,实验一般选,1.11.3,）,。一般短波段选较大狭缝，长波段选较小,由狭缝、波长值，查表并记录各单色光光能量值。上机做数据处理,。,4,从波长,400,nm,开始，以,25,nm,间隔,，旋波长臌轮（,1,）选择波长,。,5,.,选定波长后，即可读出对应的微安,Jsc,值。记录选定狭缝下的波长及,Jsc,。,6,由狭缝、波长值，查表并记录各单色光光能量值。上机做数据处理。,9,数据处理,1.等量子光谱响应 ，等能量光谱响应,由所测得的单色光能量,E(),除以其光子能量，可得到入射光子数：,等量子光谱响应：,等能量光谱响应：,10,2.基区少子扩散长度,Ln。,有三种方法可以求出,Ln。,具体方法见课本的58页。,3.电池背面复合速度,Sn。,由式615恒等变换可得到,n/p,电池背面复合速度,Sn,的显示表达式。见620式。,4.电池表面复合速度,Sp。,同样用611式可以推导出,Sp,的表达式，见621式。,5.依实验结果综合分析光谱响应特性及其成因。,11,实验重难点,请同学们认真阅读,55-56,页的文字,理解每个电池结构参数对电池光谱响应的影响,这部分是太阳电池结构设计的重要依据,.,请同学思考,56-6-4,图,:,为什么在高能区域电池的光谱响应反而,下降,?,结合,56-,图,6.3,理解影响电池光谱响应的因素,.,12,