什么是光伏效應(yīng)？

光生伏特效應(yīng)簡(jiǎn)稱(chēng)為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。

產(chǎn)生這種電位差的機(jī)理有好幾種，主要的一種是由于阻擋層的存在。以下以P-N結(jié)為例說(shuō)明。

熱平衡態(tài)下的P-N結(jié)同質(zhì)結(jié)可用一塊半導(dǎo)體經(jīng)摻雜形成P區(qū)和N區(qū)。由于雜質(zhì)的激活能量ΔE很小，在室溫下雜質(zhì)差不多都電離成受主離子NA-和施主離子ND+。在PN區(qū)交界面處因存在載流子的濃度差，故彼此要向?qū)Ψ綌U(kuò)散。設(shè)想在結(jié)形成的一瞬間，在N區(qū)的電子為多子，在P區(qū)的電子為少子，使電子由N區(qū)流入P區(qū)，電子與空穴相遇又要發(fā)生復(fù)合，這樣在原來(lái)是N區(qū)的結(jié)面附近電子變得很少，剩下未經(jīng)中和的施主離子ND+形成正的空間電荷。同樣，空穴由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)后，由不能運(yùn)動(dòng)的受主離子NA-形成負(fù)的空間電荷。在P區(qū)與N區(qū)界面兩側(cè)產(chǎn)生不能移動(dòng)的離子區(qū)（也稱(chēng)耗盡區(qū)、空間電荷區(qū)、阻擋層），于是出現(xiàn)空間電偶層，形成內(nèi)電場(chǎng)（稱(chēng)內(nèi)建電場(chǎng)）此電場(chǎng)對(duì)兩區(qū)多子的擴(kuò)散有抵制作用，而對(duì)少子的漂移有幫助作用，直到擴(kuò)散流等于漂移流時(shí)達(dá)到平衡，在界面兩側(cè)建立起穩(wěn)定的內(nèi)建電場(chǎng)。

P-N結(jié)能帶與接觸電勢(shì)差：

在熱平衡條件下，結(jié)區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠(yuǎn)離結(jié)區(qū)的部位，EC、EF、Eν之間的關(guān)系與結(jié)形成前狀態(tài)相同。

從能帶圖看，N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)，EFN與EFP有一定差值。當(dāng)N型與P型兩者緊密接觸時(shí)，電子要從費(fèi)米能級(jí)高的一方向費(fèi)米能級(jí)低的一方流動(dòng)，空穴流動(dòng)的方向相反。同時(shí)產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)方向?yàn)閺腘區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，EFN將連同整個(gè)N區(qū)能帶一起下移，EFP將連同整個(gè)P區(qū)能帶一起上移，直至將費(fèi)米能級(jí)拉平為EFN=EFP，載流子停止流動(dòng)為止。在結(jié)區(qū)這時(shí)導(dǎo)帶與價(jià)帶則發(fā)生相應(yīng)的彎曲，形成勢(shì)壘。勢(shì)壘高度等于N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)費(fèi)米能級(jí)之差：

qUD=EFN-EFP

得 UD=(EFN-EFP)/q

q：電子電量

UD：接觸電勢(shì)差或內(nèi)建電勢(shì)

對(duì)于在耗盡區(qū)以外的狀態(tài)：

UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)

NA、ND、ni：受主、施主、本征載流子濃度。

可見(jiàn)UD與摻雜濃度有關(guān)。在一定溫度下，P-N結(jié)兩邊摻雜濃度越高，UD越大。

禁帶寬的材料，ni較小，故UD也大。

光照下的P-N結(jié)

P-N結(jié)光電效應(yīng)：

當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí)，樣品對(duì)光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢(shì)壘阻擋而不能過(guò)結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)（少子）擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)能在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過(guò)結(jié)。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個(gè)與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場(chǎng)使勢(shì)壘降低，其減小量即光生電勢(shì)差，P端正，N端負(fù)。于是有結(jié)電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。

實(shí)際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)。設(shè)N區(qū)中空穴在壽命τp的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為L(zhǎng)p，P區(qū)中電子在壽命τn的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為L(zhǎng)n。Ln+Lp=L遠(yuǎn)大于P-N結(jié)本身的寬度。故可以認(rèn)為在結(jié)附近平均擴(kuò)散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對(duì)光電流有貢獻(xiàn)。而產(chǎn)生的位置距離結(jié)區(qū)超過(guò)L的電子空穴對(duì)，在擴(kuò)散過(guò)程中將全部復(fù)合掉，對(duì)P-N結(jié)光電效應(yīng)無(wú)貢獻(xiàn)。

光照下的P-N結(jié)電流方程：

與熱平衡時(shí)比較，有光照時(shí)，P-N結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)附加電流（光電流）Ip，其方向與P-N結(jié)反向飽和電流I0相同，一般Ip≥I0。此時(shí)I=I0eqU/KT - (I0+Ip)

令I(lǐng)p=SE，則

I=I0eqU/KT - (I0+SE)

開(kāi)路電壓Uoc：

光照下的P-N結(jié)外電路開(kāi)路時(shí)P端對(duì)N端的電壓，即上述電流方程中I=0時(shí)的U值：

0=I0eqU/KT - (I0+SE)

Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)

短路電流Isc：

光照下的P-N結(jié)，外電路短路時(shí)，從P端流出，經(jīng)過(guò)外電路，從N端流入的電流稱(chēng)為短路電流Isc。即上述電流方程中U=0時(shí)的I值，得Isc=SE。

Uoc與Isc是光照下P-N結(jié)的兩個(gè)重要參數(shù)，在一定溫度下，Uoc與光照度E成對(duì)數(shù)關(guān)系，但最大值不超過(guò)接觸電勢(shì)差UD。弱光照下，Isc與E有線(xiàn)性關(guān)系。

a)無(wú)光照時(shí)熱平衡態(tài)，NP型半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，勢(shì)壘高度為qUD=EFN-EFP。

b)穩(wěn)定光照下P-N結(jié)外電路開(kāi)路，由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓Uoc不再有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)，勢(shì)壘高度為q(UD-Uoc)。

c)穩(wěn)定光照下P-N結(jié)外電路短路，P-N結(jié)兩端無(wú)光生電壓，勢(shì)壘高度為qUD，光生電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離后流入外電路形成短路電流。

d)有光照有負(fù)載，一部分光電流在負(fù)載上建立起電壓Uf，另一部分光電流被P-N結(jié)因正向偏壓引起的正向電流抵消，勢(shì)壘高度為q(UD-Uf)。