Lecture 8：PN 结在光电领域的应用

能量用的多->太阳能好啊用不完->利用率低，如何提高

基于 P-N 结的光伏 (PV) 电池 | P-N Junction-Based PV Cell

太阳能（光能）获取步骤

Photons are absorbed in the semiconductor resulting in the creation of electron-hole pairs | 光子在半导体中被吸收，从而产生电子-空穴对。
The photo-generated electron-hole pairs are physically separated at the p/n junction | 光生电子-空穴对在 p/n 结处发生物理分离。（耗尽区的内建电场分离电子空穴）
The photogenerated carriers are collected by the contacts on the front and rear of the cell | 光生载流子被电池正面和背面的接触电极收集。
The photocurrent can be delivered to an external load at an applied voltage to perform useful work | 光电流可以在一定的外加电压下输送到外部负载，从而做功。

太阳能电池：基本要求 | Solar Cell: Basic Requirement

转换效率：包括光吸收、材料带隙、复合/输运以及接触电阻。

可靠性：包括环境稳定性以及使用寿命。

热容：热量会降低光伏效率（特别是对于单晶硅电池）。

Conversion Efficiency
Light absorption
Material band-gap
Recombination/transportation
Contact Reliability
Environmental stability
Lifetime Heat Capacity
Heat degrades PV efficiency (especially for single crystalline silicon)

效率损失机制 | Efficiency loss mechanism

thermal loss $E_{ph} > E_g$ 时，多余能量以热能散失
junction loss 电池输出的电压无法达到理论上的最大值
contact loss 欧姆接触损失的能量
recombination loss 未收集就复合了

太阳光谱 | solar spectrum

提醒

具有固定带隙的半导体光伏（PV）电池仅能转换太阳光谱中一部分的能量 |A semiconductor PV cell with fixed band-gap only convertsenergy in a portion of solar spectrum

\text{Photon Energy (eV)} = \frac{hc}{\lambda} = \frac{1.24}{\lambda (\mu\text{m})}

只有当光子能量大于 $E_g$ 时，即 $\frac{hc}{\lambda}>E_g$ ，光子才能被吸收

$\lambda_{max}=\frac{hc}{E_g}=\frac{1.24}{E_g}$ 可以求到最大能够吸收的光的波长

光吸收 | light absorption

核心物理概念 $\alpha$

光强衰减规律：

\text{Light intensity }(x) \propto e^{-\alpha x}

这表示光进入材料后，强度随深度 $x$ 呈指数衰减。

吸收系数 ( $\alpha$ )：单位是 $\text{cm}^{-1}$ 。 $\alpha$ 越大，表示材料吸收光的能力越强，光衰减得越快。
光穿透深度 (Light penetration depth)：定义为 $1/\alpha$ 。它表示光强度衰减到入射强度的 $1/e$ （约 37%）时所穿透的距离。吸收系数越大，穿透深度越浅（光在表面就被吸收了）。
光子能量与波长的关系：

\text{Photon Energy (eV)} = \frac{hc}{\lambda} = \frac{1.24}{\lambda (\mu\text{m})}

这是一个非常实用的工程公式。它说明光子能量（eV）与波长（ $\mu\text{m}$ ）成反比。波长越短，能量越高。

图表分析

关键观察：

GaAs, InP (直接带隙半导体)： 我们可以看到 GaAs 的曲线在达到带隙能量（约 1.42 eV）后，吸收系数急剧上升（几乎是垂直的）。这意味着一旦光子能量足够，它们能极快地吸收光子。
Si (间接带隙半导体)： 硅的曲线虽然也上升，但显得比较平缓。这意味着硅在带隙附近的吸光能力较弱，需要更厚的材料才能充分吸收光。

核心结论

"A thinner layer of direct-gap semiconductor can absorb most of solar radiation than indirect-gap semiconductor."

这句话总结了这张图的实际应用意义：

直接带隙半导体 (Direct-gap, 如 GaAs)： 吸光效率非常高。因此，在制造太阳能电池或光电探测器时，只需要很薄的一层材料（几微米甚至更薄）就能吸收大部分太阳光。
间接带隙半导体 (Indirect-gap, 如 Si)： 吸光效率较低（因为电子跃迁需要声子的参与，概率较低）。因此，硅基太阳能电池通常需要较厚的硅片（通常为几百微米）才能保证足够的光吸收。

直接带隙间接带隙 | direct indirect-gap

直接带隙 $\alpha$ 大
间接带隙 $\alpha$ 小

太阳能电池的 I-V 特性 |Solar Cell I-V Characteristics

机制

物理机制（左上图）

Light (光照): 光从左侧射入。

Short Circuit (短路): 电池的两端（N区和P区）被一根导线直接连接。在这种情况下，电压 $V=0$ ，电路中流过的电流被称为短路电流 ( $I_{sc}$ )。

核心方程:

I = I_0(e^{qV/kT} - 1) - I_{sc}

$I_0(e^{qV/kT}-1)$ : 二极管电流（暗电流）。它随电压 $V$ 指数增加。
$-I_{sc}$ : 光生电流。这一项是负值，表示光照产生的电流方向与二极管正向导通电流方向相反。正是这一项让曲线向下平移。

可以将暗电流理解为PN结发电的损失

关键定义

$I_{sc}$ (Short-circuit current): 短路电流。即当电压 $V=0$ 时流过的电流（对应图中曲线与 Y 轴的交点，值为 $-I_{sc}$ ）。它主要取决于光照强度和材料的吸光能力。

$V_{oc}$ (Open-circuit voltage): 开路电压。即当电流 $I=0$ 时电池两端的电压（对应图中曲线与 X 轴的交点）。这是太阳能电池如果不接负载时能产生的最大电压。

总结：光照产生了一个恒定的光生电流 ( $-I_{sc}$ )，这个电流叠加在普通的二极管 I-V 曲线上，使其向下平移，从而使器件具备了发电能力（在 $V_{oc}$ 和 $0$ 之间工作时输出功率）

太阳能电池的效率

填充因子

FF = \frac{\text{实际最大功率}}{\text{理论极限功率}} = \frac{(I \times V)_{max}}{I_{sc} \times V_{oc}}

输出功率的计算公式

\text{Output Power} = I_{sc} \times V_{oc} \times FF

太阳能电池效率 ( $\eta$ )

\eta = \frac{(I \times V)_{\text{max}}}{\text{input solar power}}

$I_{sc}$ 和 $V_{oc}$ 推导

这里的推导和PN结很像，应该不会考，直接给出结论

$I_{sc} = A q L_p G$ $I_{sc} = A q L_{p} G$
- $G$ : 光生载流子产生率
- $L_p$ : 扩散长度 G是不均匀的，材料的扩散长度 $L_p$ 必须足够大（大于光的穿透深度），这样光生载流子才能在死掉（复合）之前跑到 PN 结被收集起来。
$V_{oc} = \frac{kT}{q} \ln\left(\frac{\tau_p G N_d}{n_i^2}\right)$ $V_{oc} = \frac{k T}{q} ln (\frac{τ _{p} G N _{d}}{n _{i}^{2}})$
- $\tau_p$ : 少子寿命
  问题
  如何提高 $V_{oc}$ ？

增加 $G$ ：光照越强，电压越高（对数增长）。
增加 $N_d$ ：提高掺杂浓度。
增加 $\tau_p$ ：提高少子寿命（即提高材料质量，减少缺陷）。
减小 $n_i$ ：这通常意味着使用禁带宽度 ( $E_g$ ) 更大的材料（因为 $n_i$ 与 $E_g$ 呈指数反比关系）。 ::

小结

硅太阳能电池目前以 15-20% 的效率占据市场主导地位。
理论上，当禁带宽度在 $1.2 \text{ eV}$ 到 $1.9 \text{ eV}$ 之间时，可以获得最高效率（约 24%）。

禁带宽度 ( $E_G$ ) 过大：会导致光吸收率过低，从而使短路电流 ( $I_{sc}$ ) 太小。原因：只有能量 $h\nu > E_G$ 的光子才能被吸收。如果 $E_G$ 太高，大部分太阳光（能量较低的部分）都无法被吸收，直接穿透过去了，导致光生电流很小。
禁带宽度 ( $E_G$ ) 过小：会导致开路电压 ( $V_{oc}$ ) 太低。原因： $E_G$ 小， $n_i$ 大，根据上述的式子， $V_{oc}$ 小。或者可以理解成，带隙越小，内建电势差就越小，导致输出电压上不去。虽然吸收的光多了，但每个电子携带的能量（电压）很低。

叠层太阳能电池 (Tandem solar cells) 通过使用针对太阳光中短波长和长波长定制的大带隙和小带隙材料，可以获得 35% 的效率。

太阳能光伏（PV）电池的四代技术 | Four Generations of Solar PV Cell

感觉这个发展历程了解就行吧

翻译上述内容

早期工作

1839 年：发现阳光照射在固体材料上可以产生电流
1921 年：爱因斯坦因解释光伏（PV）效应而获得诺贝尔奖
1941 年：第一块太阳能电池被发明 技术代际：
第一代（自 20 世纪 70 年代起）
- 晶体硅（Si）光伏技术
  - 单晶硅、多晶硅、（此处写作）多晶/聚晶硅
第二代（自 20 世纪 80 年代中期起）
- 无机薄膜半导体
  - 非晶硅（a-Si）、多晶硅薄膜（poly-Si）、碲化镉（CdTe）、CIS/CIGS（铜铟硒/铜铟镓硒）、III-V 族化合物半导体
第三代（开始进入市场）
- 有机/聚合物与纳米技术路线
  - 染料敏化、纳米晶/量子点、给体-受体异质结
第四代（to come）
- 从生物学汲取灵感

主要光伏（PV）机理 | Major PV Mechanisms

翻译上面内容

旧机理：半导体 P-N 结（第一代与第二代）
- 晶体硅 c-Si、非晶硅 a-Si、多晶硅 poly-Si
- III-V 族化合物半导体
- CdTe（碲化镉）
- CIS/CIGS（铜铟硒 / 铜铟镓硒）
新机理：给体-受体（D-A）结（第三代——纳米技术）
- 塑料、有机聚合物
- 分子（材料）

第一代：晶体硅（Si）光伏电池

块体/晶圆型 vs 薄膜型光伏电池 | Bulk vs. Thin-Film PV Cells

块体晶圆型（Bulk Wafer）光伏电池以一整片较厚的晶体硅晶圆为主体，在晶圆内部形成 P-N 结。光照进入硅体后产生电子-空穴对，由结区内建电场分离载流子，电流通过金属电极与外电路输出。它的典型特征是结构较厚、材料用量较大、工艺偏“晶圆加工”，整体技术成熟、稳定性强。

薄膜型（Thin-Film）光伏电池不靠厚晶圆，而是把功能材料一层层沉积在基底上（如玻璃等），形成包括盖板、减反层、集电电极、P/N 型半导体层和背电极等“层状堆叠”结构，同样依靠结区/界面完成载流子分离并输出电流。它的典型特征是结构更薄、材料用量更少、可实现大面积与多种基底形态（更灵活），但不同薄膜体系在效率与稳定性上与晶圆硅路线各有取舍。

高效率硅太阳电池 | High-Efficiency Silicon PV Cell

为了把硅电池效率做高，需要同时从光学吸收、载流子复合损失、以及电极遮挡/电阻损失三方面进行优化。

表面织构增强“陷光” | Texture surface design to enhance light trapping 上表面做成类似“倒金字塔（inverted pyramids）”的微结构。作用：让入射光在表面多次反射、路径变长，减少反射、增加吸收，等于“把光留在电池里更久”。
表面钝化 | Surface passivation 表面会有缺陷/悬挂键，容易让电子-空穴复合，造成损失。通过在表面覆盖 氧化层/钝化层，减少表面复合，提升载流子寿命，从而提高电压与效率。
背接触减少遮挡损失 | Back contacts to prevent shading losses 传统电池正面有金属栅线，会遮住部分光（shading loss）。因此把电极尽量放到背面（rear contact / back contact），正面更干净，能接收更多光。
实验室最佳效率约 25% | Efficiency: best 25% (lab)

第二代：薄膜/柔性光伏（PV）电池 | 2nd Generation: Thin-Film/Flexible PV

翻译如图

成本、重量与柔性

用料更少（厚度 1–10 微米）；可进行大面积制程；可用柔性/可弯曲基底（玻璃、不锈钢或塑料）。

材料（无机半导体）

非晶硅 a-Si、多晶硅 poly-Si、III-V 族（GeAs、InN）、碲化镉 CdTe、CIS/CIGS（铜铟硒 / 铜铟镓硒）

制造工艺

物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、卷对卷印刷（roll-to-roll）

市场

不仅进入传统市场（屋顶光伏），同时也创造新应用：建筑一体化产品，消费电子（手机等），一次性电子产品。

薄膜非晶硅光伏电池 |Thin-Film Amorphous Silicon PV Cell

非晶硅薄膜电池用气体沉积薄膜的方式减少对硅晶圆的依赖，从而降低成本、支持大面积/柔性形态；代价是单结效率通常较低，但它在温度变化下的发电表现更稳定。

翻译

降低光伏成本的方法

以 SiH₄（硅烷）气体作为硅源，不与半导体行业争夺硅晶圆资源。

特点

缺点：光伏效率较低：单结电池通常只有 6%～8%
优点：对发热/温度不太敏感：发电更稳定、更一致

硅太阳电池效率 | Silicon Cell Efficiency

上述表格把硅电池按材料分成三类：单晶硅、多晶硅、非晶硅。整体效率大小关系是单晶硅 > 多晶硅 > 非晶硅。

实验室效率通常来自小面积、工艺精细、材料质量高、测试与封装条件受控的样品，因此能逼近材料/结构的上限。量产效率需要考虑：大面积均匀性、成本约束、缺陷与杂质控制难度、电极/封装带来的额外损失、生产良率等，所以通常低于实验室记录。

在太阳光下：太阳光包含大量近红外能量，而 c-Si（晶体硅）的响应范围更宽，能延伸到更长的近红外波段，所以更适合做高效率的户外发电。

在室内光/荧光灯下：室内光谱更偏可见光、且与人眼亮度敏感区更接近；a-Si（非晶硅）的响应也更集中在可见光，因此在一些低照度/室内供电的小功率场景（例如小型电子、计算器等）往往更更适合，但是它在标准太阳光下的面积效率不如晶体硅。

其他材料：带隙与效率 | Other Materials: Band-Gap & Efficiency

约 1.4 eV 的带隙与太阳光谱强度最强的那部分光子的能量相匹配，而硅的带隙是 1.1 eV，并非最优；但由于晶体质量高，仍能实现较高效率（14–17%），下面介绍其他材料的带隙和效率。

纯了解吧，要考的话，scy吃粑粑

砷化镓（GaAs）

带隙：1.4 eV（处在最优范围）
效率：>30%碲化镉（Cadmium Telluride, CdTe）
带隙：1.5 eV
效率：8–10%Cu(InGe)Se₂（铜铟锗硒，常见同族为 CIGS/CIS 路线）
带隙：可变 1.0–1.2 eV
效率：9–11%
抗辐照能力强 In₁₋ₓGaₓN（铟镓氮，可调组分合金）
带隙：0.7–3.4 eV（可调）
- 这意味着可以用多层结构去吸收不同波长的光，并且晶体结构不会失配（不容易出现晶格不匹配问题）

结结构 | Junction Structure

同质结（Homo-junction） 指同一种半导体材料内部形成的结（最典型就是同一块硅里做 p 区和 n 区形成 p–n 结）。应用案例：晶体硅（c-Si）太阳电池。
异质结（Hetero-junction） 指由两种不同半导体材料接触形成的结（材料不同，带隙/能带结构不同）。应用案例：CdS/CdTe、CdS/CIGS 太阳电池
p-i-n 与 n-i-p 结 在 p 与 n 之间加入一层本征层 i（intrinsic），形成 p-i-n；反过来沉积顺序也可以是 n-i-p。这种结构在薄膜材料（尤其是 a-Si 非晶硅）很常见：因为薄膜里缺陷多、载流子寿命短，用 i 层和较强内建电场来帮助光生载流子的产生，降低复合损失。应用案例：非晶硅（a-Si）、多晶硅（poly-Si）太阳电池。
多结（Multi-junction） 把多个“子电池”垂直叠层，每一层用不同带隙材料，分别吸收太阳光谱的不同部分。（见上右图）。应用案例：III-V、a-Si、CIS 太阳电池。

单结电池只能用一个带隙：要么吸不到低能光（透过损失），要么高能光多余能量变热（热化损失）。

多结通过分层吸收（光谱分割），能同时减少这两类损失，所以整体效率更高。

III-V 族半导体光伏电池 | III-V Semiconductor PV Cells

III-V 族半导体（如 GaAs、GaInP 等）太阳电池的两种路线：单结与多结（叠层）。其中多结能更高效、但也更昂贵且对材料匹配要求更苛刻。

Lecture 8：PN 结在光电领域的应用

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