光生伏特效应及原理.ppt
光生伏特效应及原理ppt课件
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
1.P-N结电流方程
qV
I IL IF IL IS (e kT 1)
I：负载电流；
IL：光生电流； Is：P-N结反向饱和电流； V：P-N结两端电压；
光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。即将p-n结与外电路接通，只要光照不停止， 就会有源源不断的电流流过电路，p-n结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
2.开路电压 ➢ 负载电流I=0,即IL=IF： 3.短路电流
Voc kT ln( I L 1) q IS
I I ➢ 将p-n短路V=0,则IF=0，所得电流为短路电流ISC：
SC
L
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
4.特性曲线
9/总页数
e P e e n e 浅结
太阳光
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，
而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研 究光生少数载流子的运动.
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光生伏特效应
P-N结的内建电场：
p
n
e e
e e
空穴
电子
p 耗尽层 n
---- ---- ++++ ++++
x0
U0
x
x0
动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化
光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
5.光电池的实际结构
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
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光生伏特效应原理
光生伏特效应原理一、引言光生伏特效应是指在半导体中，当光照射到PN结处时，由于光子的能量被电子吸收后转化为电能而产生的现象。
它是半导体光电转换技术中最基本的原理之一。
本文将从以下几个方面详细介绍光生伏特效应的原理。
二、PN结PN结是指由P型半导体和N型半导体通过扩散、熔合等方法制成的结构。
在PN结中，P区和N区形成了一个电势差，因此会产生漂移运动的载流子，在PN结两侧形成空间电荷区。
三、光子吸收当光照射到PN结处时，光子与半导体中的电子发生相互作用，使得部分电子获得足够能量跃迁到导带中成为自由电子。
这个过程称为“光致激发”。
四、载流子漂移在PN结两侧形成空间电荷区后，当有外加电压时，空间电荷区内的载流子会受到外场力作用而向对面运动。
在这个过程中，如果遇到了被激发出来的自由电子，则会被加速并形成电流。
这个过程称为“载流子漂移”。
五、光生伏特效应当光照射到PN结处时，由于光子的能量被电子吸收后转化为电能，使得PN结处的电势差发生变化，形成了一个外场力。
这个外场力可以加速空间电荷区内的载流子，从而形成电流。
这个现象就是光生伏特效应。
六、影响因素1. 光强度：光强度越大，激发出的自由电子数量越多，从而产生的电流也会增大。
2. 光波长：不同波长的光子对半导体中的载流子激发程度不同，因此会影响到产生的电流大小。
3. 温度：温度升高会导致半导体中载流子数量增多，从而影响到产生的电流大小。
七、应用领域1. 光伏发电：利用太阳能通过光生伏特效应转化为电能。
2. 光通信：利用光纤传输信息时需要将信息转换为光信号，然后通过半导体器件进行调制和解调。
3. 其他领域：如太阳能热水器、光电传感器等。
八、总结光生伏特效应是一种基本的半导体光电转换原理，可以将光子能量转化为电能。
它不仅在光伏发电领域有着广泛的应用，还在其他领域如光通信、太阳能热水器等方面也有着重要的作用。
对于理解半导体器件的工作原理和应用具有重要意义。
光生伏特效应的工作原理
光生伏特效应的工作原理光生伏特效应（Photovoltaic Effect）是指在特定材料中，当光照射到其上时，会引发电荷的分离和产生电流的现象。
这一效应是太阳能电池及其他光电器件运转的基础，其工作原理的理解对于光伏发电等领域的研究和应用具有重要意义。
光生伏特效应的工作原理可以通过以下几个方面来解释。
1. 半导体特性在解释光生伏特效应之前，有必要了解半导体材料的基本特性。
半导体属于介于导体和绝缘体之间的一类材料，其导电特性可以通过控制材料中的杂质和缺陷来改变。
常用的半导体材料有硅和锗。
2. 光的能量转化当光照射到半导体材料的表面时，光子的能量会被材料中的原子或分子吸收，并促使电子跃迁到更高能级。
这个过程涉及到光子的能量大于电子与原子结合所需的能量。
3. 电子的分离与漂移在光照射后，能量较高的电子和空穴（所谓的缺电子位）被激发出来。
电子和空穴以不同的方式分离并朝相反的方向运动。
这个分离过程发生在材料内部的PN结，其中P区富含空穴，N区富含自由电子。
4. 电势差的产生当电子和空穴分离后，由于它们分别位于不同的区域，就形成了电荷堆积和电势差。
这个电势差会引导形成电流，并产生电压差，即光生电动势。
根据奥姆定律，电流与电压成正比。
5. 界面效应光生伏特效应还与半导体与其他电子器件之间的界面有关。
当光生电荷流经半导体与外部电路之间的接触面时，界面效应会影响电流和电压的传输，并可能导致功率损耗或效率降低。
总结回顾：光生伏特效应是光电效应的基础，通过光照射到半导体材料中，产生电子与空穴的分离和漂移，从而产生电流和电势差。
这个效应在太阳能电池及其他光电器件中被利用，通过光的能量转化为电力。
在应用上，光生伏特效应的工作原理可以用来解释太阳能发电、太阳能电池及其他光电器件的运行原理，以及如何提高其效率和稳定性。
我的观点和理解：光生伏特效应的工作原理深入浅出地阐述了光照射到半导体材料时产生的电势差和电流的产生过程。
这一理论对于我个人对于太阳能发电和光电器件的了解提供了重要基础。
光生伏特效应与原理
光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
5.光电池的实际结构
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
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谢谢观看！ 2020
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光生伏特效应
培训人：
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光生伏特效应
光生伏特效应：当阳光照射到PN结上，产生电子——空穴对，在半导体内部结附生成载流子没有被复合而达到空间电 荷区，受内建电场的吸引（不加外电场），电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区存储了过剩的电子，P区有过剩的 空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了抵消势垒电场作用外，还使P区带正电，N区带 负电，在N区和P区之前就的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
2.开路电压 ➢ 负载电流I=0,即IL=IF： 3.短路电流
Voc kT ln( I L 1) q IS
I I ➢ 将p-n短路V=0,则IF=0，所得电流为短路电流ISC：
SC
L
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
4.特性曲线
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此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能成正比的电流流过，这个电流称作短路电流。另一方面，若 将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区费米能级比P区费米能级高，在这两个费米能级之间 就产生了电位差Voc，可以测得这个值，值称为开路电压。
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光生伏特效应
P-N的结光生伏特效应：
e P e e n e 浅结
太阳光
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，
而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研 究光生少数载流子的运动.
21光生伏特效应讲解
Id
v
二极管伏安特性
反向饱和电流：
I0
扩散电流：
eU I1 I0 exp( kT )
(2 2)
(结电流)
I
j
I
0
(exp(
eV kT
)
1)
(2 3)
qV I I p I0 (exp( kT ) 1) 短路电流为： Isc Is
。I 。v
开路电压： Voc
kT q
ln( I p I0
二极管的伏安特性电流：
P
Is
N N
I0
＋
V －
Ij
I
0
(exp(
qV kT
) 1)
I
那么流过PN结的电流为：
qV I I p I0 (exp( kT ) 1)
光伏效应的根本原因：
光照引起了光生载流子对，光生载流子对 多数载流子的浓度影响不大，对少数载流 子的浓度影响明显。
少子漂移（反偏下更强），P区积累空穴， N区积累电子，产生光电势，且使得结电势 降低。
型光电探测器有确定的正负极，加电压或不加电 压。 3.光电导探测器弛豫时间长，响应速度慢，响应 频率带宽小，结型光电探测器响应速度快，频率 特性好，另外，雪崩光电二极管与光电三极管都 有较大的增益，灵敏度高。
(1)半导体的PN结
P型
N型
P型
N型
Efp
Efn
Ef
能级弯曲的原因：
在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级 能级是相对于电子来说的，在经过PN结时电场力做功，电势能降低
2.1 光生伏特效应
光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使 不均匀半导体或半导体与金属组合的不同 部位之间相接触形成势垒，在光照下，激 发光生载流子，注入到势垒附近，产生光 生电压的现象。
光生伏特效应
铁电光伏效应的机制
（1）体光伏效应 （2）畴壁理论
光伏效应
ห้องสมุดไป่ตู้
P－N结的形成
光电效应
P－N结的形成
同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量很小，在室温下杂质差不多都电离成受主 离子NA－和施主离子ND+。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬 间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原 来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的离子ND+形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后， 由不能运动的受主离子NA－形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间 电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而 对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。
而 Alexe等人认为，在 BFO中电畴内部载流子的复合并没有预想的快。作者用光电 -原子力显微镜和压电 力原子显微镜研究了 BFO单晶中的光伏效应，发现在畴壁内部和外部都能观察到比较大的光生电流，表明在电畴 内部载流子的复合是比较弱的。进一步研究发现，在 BFO内光生载流子的寿命达 ～ 75μs，与在畴壁处所得到 的结果相当。虽然用畴壁理论可以很好地说明反常光伏效应，即光生电压可以远大于禁带宽度，然而，有一些实 验现象仅仅用磁畴壁理论是根本无法解释的，必须考虑到体光伏效应理论。
光伏发电原理PPT
CHAPTER 05
光伏发电的应用场景
住宅用电
太阳能电池板
住宅区通常具有较大的空地，可以安装太阳能电池板，利 用太阳能转化为电能，满足日常用电需求。
储能系统
为了解决阴雨天等恶劣天气下无法发电的问题，住宅区可 以配备储能系统，如电池、超级电容器等，将晴天多余的 电能储存起来，供阴雨天使用。
并网系统
光伏发电的发电量与太阳光的强度和照射时间成正比，因 此其发电量具有不确定性。为了解决这一问题，需要配备 储能设备或者与其他能源进行互补。
光伏发电的历史与发展
光伏发电技术自20世纪50年代以来不断发展，已经逐渐成为一种重要的可再生能源。随着技术的进 步和成本的降低，光伏发电的应用范围也不断扩大，从偏远地区的小型电站到大型的集中式电站都有 涉及。
飞轮储能等。
作用
储能设备的主要作用是在夜间或 阴雨天等光照不足的情况下为负 载供电，同时稳定系统电压和频 率，提高系统的可靠性和稳定性
。
充电与放电
当太阳能电池板有足够的阳光照 射时，储能设备开始充电。当光 照不足或负载需求增加时，储能 设备开始放电，为负载提供稳定
的电力供应。
CHAPTER 03
光伏发电的工作原理
发展多结太阳能电池
多结太阳能电池是利用不同能级的多结结构实现 更高光电转换效率的电池。这种电池结构可以更 好地利用太阳光谱，提高光电转换效率。
集成储能技术
将光伏发电与储能技术相结合，可以解决光伏发 电的间歇性问题，提高电力系统的稳定性。
市场发展前景
1 2 3
建筑集成光伏（BIPV）
BIPV是将光伏发电与建筑相结合的一种应用形式 ，具有节能、环保、美观等优点，市场需求不断 增长。
光伏发电原理
光生伏特效应
光生伏特效应英文名称：Photovoltaic effect。
光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。
光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器）；侧向光生伏特效应（殿巴效应）--(可制作半导体位置敏感器件（反转光敏二极管）传感器）；PN结光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器）。
光电伏特效应概述1.P-N结太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。
在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性的。
如将P型硅或N型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。
尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子－空穴对，但在很短的时间内（在μS范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。
这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。
N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。
达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是P－N结。
至今为止，大多数太阳能电池太阳能电池厂家都是通过扩散工艺，在P型硅片上形成N型区，在两个区交界就形成了一个P －N结（即N+／P）。
太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P－N结。
2.光生伏特效应如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。
界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。
电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。
通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。
此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。
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光生伏特效应
光生伏特效应： 当阳光照射到 PN结上，产生电子——空穴对，在半导体内部结附生成载流子没有被复合而达到空间电 荷区，受内建电场的吸引（不加外电场），电子流入 N区，空穴流入 P区，结果使 N区存储了过剩的电子， P区有过剩的 空穴。它们在 PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了抵消势垒电场作用外，还使 P区带正电， N区带 负电，在 N区和P区之前就的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
2.开路电压 ? 负载电流I=0,即IL=IF：
3.短路电流
Voc ? kT ln(I L ? 1) q IS
I ? I ? 将p-n短路V=0,则IF=0，所得电流为短路电流ISC：
SC
L
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
4.特性曲线
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
5.光电池的实际结构
此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能成正比的电流流过，个电流称作 短路电流 。另一方面，若 将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入 N区和P区，使 N区费米能级比 P区费米能级高，在这两个费米能级之间 就产生了电位差 Voc，可以测得这个值，值称为 开路电压 。
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光生伏特效应
n区运动，使 p端电势升高， n端电势降低； ? 所以，光生电场由 p端指向 n端，使势垒降低，产生正向电流 IF； ? 由于空穴向 p区运动，所以在 p-n结内部形成自 n区向p区的光
生电流 IL
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
1.P-N结电流方程
qV
I ? IL ? IF ? IL ? IS(ekT ?1)
x0
U0
x
x0
动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化
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光生伏特效应
P-N结的能带图：
P型
N型
P型
N型
Ef
Efp
Efn
能级弯曲的原因： ? 在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级
无光照
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光生伏特效应
P-N结的能带图：
有光照
? 光照时 n区产生少子空穴， p区产生少子电子； ? 在内建电场的作用下， n区的空穴向 p区运动，而 p区的电子向
I：负载电流；
IL：光生电流； Is：P-N结反向饱和电流； V：P-N结两端电压；
? 光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。即将 p-n结与外电路接通，只要光照不停止， 就会有源源不断的电流流过电路， p-n结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
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P-N的结光生伏特效应：
?e P ?e ? e n ? e 浅结
太阳光
?
?
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小， 而少数载流子浓度却变化很大， 因此应主要研 究光生少数载流子的运动 .
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光生伏特效应
P-N结的内建电场：
p
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空穴
n
?e ?e
电子
p 耗尽层 n
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