05 第五章 光电材料.pptx

第1页：光电材料光能转变为电能的一类能量转换

光电材料光能转变为电能的一类能量转换功能材料。常用三种光电功能材料：（1）光电子发射材料（2）光电导材料（3）光电动势材料

第2页：光电子发射的原理

一、光电子发射的原理1、光电子发射现象光电子发射现象：当光照射到材料上，光被材料吸收产生发射电子的现象。光电子发射材料：具有光电子发射现象的材料。

第3页：第五章光电材料

§5.1光电子发射材料2、光能－－电子能的转换效应光电子发射材料又称之为外光电效应材料。光电子发射现象是光能与电子能量转换的结果。当光照射材料以后，光被材料吸收，吸收的能量克服电子结合能(E结合)和给予电子运动速度(V)。

根据能量守恒原理：hν=E结合+(1/2)mV2当V=0时，hν0=E结合光能完全用于克服电子的结合能。

第4页：能带结构电子的结合能E结合

3、能带结构电子的结合能E结合与能带结构有关。

Ee－静止自由电子能级Ec－导带底能级EF－费米能级（T=0K时电子具有的最高能量）EV－价带顶能级Eg－禁带宽度χ－电子亲和势，导带底端到静止自由电子能级的能量差（Ee-Ec)Φ－逸出功δ－价带顶端能级到费米能级的能量差

第5页：能带结构固体材料

3、能带结构固体材料，电子结合能E结合:E结合=χ+Eg=φ+δ（1）金属光电子发射材料金属没有禁带，导带和价带重叠，δ趋近于零。E结合主要取决于φ的大小。一般φ的大小为1～5eV。

第6页：能带结构固体材料

3、能带结构固体材料，电子结合能E结合:E结合=χ+Eg=φ+δ（2）半导体光电子发射材料E结合主要取决于χ与Eg之和。价电子逸出的必要条件：价电子吸收光子的能量E吸收大于E结合。E吸收＞E结合＝χ+Eg。

第7页：能带结构

3、能带结构（2）半导体光电子发射材料价电子逸出体外的步骤：第一步，从价带跃迁到导带第二步，从导带向表面扩散（3）热电子逸出热电子：能量大于Eg的电子。热电子逸出必须克服χ。χ为正时，正电子亲和势。χ为负时，负电子亲和势。

第8页：能带结构

3、能带结构（3）热电子逸出释热长度热电子在向表面的扩散过程中与晶格作用，作用时间大约为10-12s，电子可以扩散数10nm，作用的结果会损失一部分能量。这个能量损失的距离称为释热长度，记作为Lt。

热电子逸出条件：第一，热电子能量＞电子亲和势；第二，逸出深度LD＞释热长度Lt。

第9页：能带结构

3、能带结构（3）热电子逸出发射效率当光子入射深度大于释热长度Lt的情况下，两种亲和势逸出深度不同，负电子亲和势逸出深度(LD)大于正电子亲和势的逸出深度。负电子亲和势材料的发射效率比正电子亲和势材料的发射效率高得多。

光子入射深度小于释热长度时，则两种阴极的效率没有什么差别。

第10页：光电子发射材料的特征值

• 光电子发射材料的特征值1、临阈频率ν0(红限λ0)每种光电子发射材料都有其临阈频率ν0，ν0为光电子发射效应的频率下限(波长上限，即长波边界)。hν0=E结合，ν0=E结合/h，λ0=ch/E结合当ν＜ν0(λ＞λ0)时，无光电子发射效应。临阈频率ν0是光电子发射材料表征的特征值之一。
• 积分灵敏度S积分灵敏度也是光电子发射材料的特征值之一。

第11页：光吸收变为热量的损失

2.积分灵敏度S积分灵敏度S

定义为：S=Iφ/φIφ－最大光电流(μA)；φ－入射光通量(lm)。一般S=10%～20%，其中80%～90%损失掉。损失主要包括：（1）光反射损失；（2）光吸收变为热量的损失（3）光波长λ＞λ0部分的光能损失。

第12页：光谱灵敏度积分

• 光谱灵敏度积分灵敏度S与波长λ有关。S与λ关系如图5-2。可以找到S最高时的波长值。
• 灵敏阈接受光辐射的装置能够发现的最小光辐射量称为该装置的灵敏阈，单位为流明。

第13页：光电子发射材料的种类

• 光电子发射材料的种类1、正电子亲和势阴极材料(χ＞O)2、负电子亲和势阴极材料(χ＜O)负电子亲和势材料比正电子亲和势材料的光电转换效率高，光谱响应宽，暗电流低以及光电子结合能小，积分灵敏度可以达到～8300μA/lm。负电子亲和势材料的性能显著优于正电子亲和势材料。这也是光电子发射材料的发展方向。
• 光电子发射材料的应用利用光电子发射原理，光电子发射材料做成光电阴极。光电子发射阴极通过电场并配以荧光屏成像可做成光电转换器。

第14页：光电导原理

• 光电导原理1、光电导现象光电导现象：受光照射电导急剧上升的现象。光电导材料：具有光电导现象的材料，又称作内光电效应材料或光敏材料。
• 光电导光照到半导体(或绝缘体)上，价带的电子接受能量，电子脱离共价键。当光的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，在晶体中产生一个自由电子和一个空穴，这两种载流子参与导电。光电导：光的作用产生的附加电导。

第15页：本征光电导附加

3、本征光电导附加的光电导来自附加的载流子，载流子可以来自带间跃迁,也可以来自杂质的激发。光电导有本征光电导和杂质光电导之分。

本征光电导，电导率为:σ=e(no+△n)μn+e(po+△p)μpno和po－电子和空穴的浓度；μn和μp－电子和空穴的迁移率；△n和△p－电子和空穴在光激发时所附加的浓度。

第16页：本征光电导

3、本征光电导本征光电导，电导率为:σ=e(no+Δn)μn+e(po+Δp)μp无光照时的电导率为:σ0=noeμn+poeμp附加光电导为:Δσ=σ-σ0电子与空穴迁移率之比:b=μn/μp；Δn=Δp

第17页：光电导材料的特征值

• 光电导材料的特征值1、积分灵敏度S光电导材料的积分灵敏度S代表光电导产生的灵敏度，即单位光入射通量产生的电导率的附加值的大小。积分灵敏度定义为：S=σ/φφ为光入射通量，σ为电导率。
• “红限”或长波限光电导不存在明显的长波限，定义光电导数值降到最大值一半的波长为长波限也称为“红限”，代表产生光电导的波长上限。

第18页：光谱灵敏度

• 光谱灵敏度光谱灵敏度用S～λ光谱曲线表示。图５－３表示典型的半导体本征光电导的光谱分布。
• 灵敏阈能够测出光电导材料光电导的最小光辐射量称为灵敏阈。

第19页：光电导材料的种类

• 光电导材料的种类1、按材料种类分类(3种)(1)光电导半导体光电导半导体包括单体(Ge,Si)，氧化物(Zn0,PbO)，镉化物(CdS,CdSe,CdTe)，铅化物(PbS,PbSe,PbTe)，其他(Sb2S3,InSb)等。
• 光电导陶瓷CdS陶瓷、CdSe陶瓷等是光电导陶瓷材料。
• 有机高分子光导体如聚氯乙烯基咔唑(PNVC)和2,4,7-三硝基芴酮(TNF)组成的传荷络合物(CT)等属此类。

第20页：按用途分类（5种）

• 按用途分类（5种）（1）远红外区光导体例如：InSb、HgTe等；
• 近红外区光导体例如：PbS等；
• 可见区光导体例如：Sb2S3,PbO,Ge等（4）X射线光导体（5）电子射线光导体

第21页：光电动势原理光生伏特的机理有好几

光生伏特效应在光照下，半导体（p-n结）或半导体与金属组合的不同部位之间的两端产生电位差的现象，简称为光伏效应。光生伏特材料具有光生伏特效应的材料，又称光电动势材料。一、光电动势原理光生伏特的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。

在光照下，光电动势材料上形成阻挡层，两面可以产生电动势。以P-N结为例说明。

第22页：热平衡态下的P-N结

1、热平衡态下的P-N结（1）P-N结的形成§5.3光电动势材料同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。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+。PN区交界面处存在载流子浓度差，彼此要向对方扩散。

在P－N结形成的一瞬间，在N区的电子为多子（多数载流子），在P区的电子为少子。电子由N区流入P区，电子与空穴相遇发生复合。

第23页：光电动势材料同样

这样，在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子ND+形成正的空间电荷。

第24页：光电动势材料在偶极层

由此出现空间电荷偶极层，形成一个自N区指向P区的电场（称内建电场）。内建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。

第25页：P-N结能带与接触电势差在热平衡

（2）P-N结能带与接触电势差在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、EV之间的关系与结形成前状态相同。从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。

第26页：光电动势材料势垒高度等于N型

在内建电场作用下，EFN连同整个N区能带一起下移，EFP连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。这时在结区导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。

第27页：光照下的P-N结（

2、光照下的P-N结（P-N结光电效应）热平衡态下的P-N结。尽管有内建电场存在，但是在整个结中没有剩余的空穴和电子，结中并产生外场电动势，外电场为零。当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都产生光生载流子。

但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能通过P-N结。非本征激发P区只产生空穴，N区只产生电子。

第28页：光电动势材料

只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移通过P-N结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。

这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。空间净电荷积累产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，方向由P区指向N区。光生电场使势垒降低，减小量即光生电势差，P端正，N端负。

这样，有结电流由P区流向N区，方向与光电流相反。

第29页：光电动势材料

实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。

在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子－空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。

第30页：光照下的P-N结电流方程与热平衡

• 光照下的P-N结电流方程与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与P-N结反向饱和电流I0相同，一般Ip≥I0。I=I0eqU/KT-(I0+Ip)；令Ip=SΦ，则：I=I0eqU/KT-(I0+SΦ)U－P-N结电势差；Φ－光照度；S－相关灵敏度。
• 开路电压Uo光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值。

第31页：光电动势材料

光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值。

0=I0eqU/KT-(I0+SΦ)Uoc=(KT/q)ln[(SΦ+I0)/I0]≈(KT/q)ln(SΦ/I0)（2）短路电流Isc光照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流Isc。

即电流方程I=I0eqU/KT-(I0+SΦ)中U=0时的I值，Isc=SΦ。

第32页：光照下的P-N结电流方程

• 光照下的P-N结电流方程§5.3光电动势材料Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数。在一定温度下，Uoc与光照度Φ成对数关系，但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下，Isc与Φ有线性关系。
• 不同状态下的P-N结能带（1）无光照时热平衡态，N－P型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD=EFN-EFP。

第33页：稳定光照下P-N结外电路开路

• 稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc不再有统一费米能级，势垒高度为q(UD-Uoc)。
• 稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。

第34页：有光照有负载，一部分光电流在负载

（4）有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Uf，另一部分光电流被P-N结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q(UD-Uf)。

第35页：光电池的特征值1.开路电压Uoc

二、光电池的特征值1.开路电压Uoc光电池在外电路开路时的电压，即最大输出电压。2.短路电流Isc光电池在外电路短路时的电流，即最大电流。3.转换效率η光电池的最大输出功率与入射到光电池结面上的辐射功率之比，即

第36页：第五章光电材料

§5.3光电动势材料I―光电流；U－光电动势；S－相关灵敏度；Φ－光入射通量。η与禁带宽度有关，当禁带宽度Eg=0.9～1.5eV时，η最高。

第37页：第五章光电材料

§5.3光电动势材料η是表征光生电动势转换效率的参数，图5-6示出各种半导体太阳能电池的转换效率η。GdAs、AlSb、CdTe为材料制成的太阳能电池可以达到最高的转换效率。

但是，AlSb易潮解，CdTe不易制成大面积的太阳能电池，而GaAs以及其固溶体是比较理想的光电池材料。

第38页：光电动势材料的种类光电池中最活跃

• 4.光谱响应曲线光谱响应曲线是表示Uoc-λ，Isc－λ，η-λ的关系曲线，可表示在某波长下的开路电压、短路电流以及转换效率。这些曲线也是表示光电池特征值的曲线。
• 光电动势材料的种类光电池中最活跃的领域是太阳能电池，太阳能电池所用的材料主要有十几种。
• 光电动势材料的应用前景太阳每年射向地表的能量高达60亿亿度，一万倍于全世界能耗。