什么是光伏效應？

光生伏特效應簡稱為光伏效應，指光照使不均勻半導體或半導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結為例說明。

熱平衡態(tài)下的P-N結同質(zhì)結可用一塊半導體經(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散。設想在結形成的一瞬間，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)生復合，這樣在原來是N區(qū)的結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)擴散到N區(qū)后，由不能運動的受主離子NA-形成負的空間電荷。在P區(qū)與N區(qū)界面兩側(cè)產(chǎn)生不能移動的離子區(qū)（也稱耗盡區(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（稱內(nèi)建電場）此電場對兩區(qū)多子的擴散有抵制作用，而對少子的漂移有幫助作用，直到擴散流等于漂移流時達到平衡，在界面兩側(cè)建立起穩(wěn)定的內(nèi)建電場。

P-N結能帶與接觸電勢差：

在熱平衡條件下，結區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠離結區(qū)的部位，EC、EF、Eν之間的關系與結形成前狀態(tài)相同。

從能帶圖看，N型、P型半導體單獨存在時，EFN與EFP有一定差值。當N型與P型兩者緊密接觸時，電子要從費米能級高的一方向費米能級低的一方流動，空穴流動的方向相反。同時產(chǎn)生內(nèi)建電場，內(nèi)建電場方向為從N區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)建電場作用下，EFN將連同整個N區(qū)能帶一起下移，EFP將連同整個P區(qū)能帶一起上移，直至將費米能級拉平為EFN=EFP，載流子停止流動為止。在結區(qū)這時導帶與價帶則發(fā)生相應的彎曲，形成勢壘。勢壘高度等于N型、P型半導體單獨存在時費米能級之差：

qUD=EFN-EFP

得 UD=(EFN-EFP)/q

q：電子電量

UD：接觸電勢差或內(nèi)建電勢

對于在耗盡區(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UD與摻雜濃度有關。在一定溫度下，P-N結兩邊摻雜濃度越高，UD越大。

禁帶寬的材料，ni較小，故UD也大。

光照下的P-N結

P-N結光電效應：

當P-N結受光照時，樣品對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，都被勢壘阻擋而不能過結。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結電場附近時能在內(nèi)建電場作用下漂移過結。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對被內(nèi)建電場分離。這導致在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)生一個與熱平衡P-N結的內(nèi)建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負。于是有結電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。

實際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。設N區(qū)中空穴在壽命τp的時間內(nèi)擴散距離為Lp，P區(qū)中電子在壽命τn的時間內(nèi)擴散距離為Ln。Ln+Lp=L遠大于P-N結本身的寬度。故可以認為在結附近平均擴散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對光電流有貢獻。而產(chǎn)生的位置距離結區(qū)超過L的電子空穴對，在擴散過程中將全部復合掉，對P-N結光電效應無貢獻。

光照下的P-N結電流方程：

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

令Ip=SE，則

I=I0eqU/KT - (I0+SE)

開路電壓Uoc：

光照下的P-N結外電路開路時P端對N端的電壓，即上述電流方程中I=0時的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，外電路短路時，從P端流出，經(jīng)過外電路，從N端流入的電流稱為短路電流Isc。即上述電流方程中U=0時的I值，得Isc=SE。

Uoc與Isc是光照下P-N結的兩個重要參數(shù)，在一定溫度下，Uoc與光照度E成對數(shù)關系，但最大值不超過接觸電勢差UD。弱光照下，Isc與E有線性關系。

a)無光照時熱平衡態(tài)，NP型半導體有統(tǒng)一的費米能級，勢壘高度為qUD=EFN-EFP。

b)穩(wěn)定光照下P-N結外電路開路，由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓Uoc不再有統(tǒng)一費米能級，勢壘高度為q(UD-Uoc)。

c)穩(wěn)定光照下P-N結外電路短路，P-N結兩端無光生電壓，勢壘高度為qUD，光生電子空穴對被內(nèi)建電場分離后流入外電路形成短路電流。

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