光的吸收

概述

  1. 当光子的能量等于或大于材料的带隙时，光子被材料吸收并激发电子进入导带。
  2. 当光子被吸收时，会同时产生少数载流子和多数载流子。
  3. 光子产生电荷载流子是光伏发电的基础。

入射到半导体表面的光子要么从表面被反射，要么被材料吸收。或者如果上述两个过程都失败了，则光子将透射穿过材料。对于光伏器件，因为未被吸收的光子不会发电，所以反射和透射通常被认为是损耗机制。如果光子被吸收，它就有可能将电子从价带激发到导带。决定光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。因此，只有光子有足够的能量，电子才会从价带被激发到导带。落在半导体材料上的光子可以根据其能量与半导体带隙的能量相比分为三组：

  • Eph < EG 能量 Eph 小于带隙能量 EG 的光子仅与半导体微弱地相互作用，光子穿材料，就好像材料是透明的一样。
  • Eph = EG 具有足够的能量来产生电子空穴对并被有效吸收。
  • Eph > EG 光子能量远大于带隙，其被材料强烈吸收。然而，对于光伏应用，大于带隙的光子能量会被浪费掉，因为电子会快速通过热能释放并回到导带边缘。

下面的两个动画显示了三类光子对半导体的影响。

full_screen.png 当光照射时产生电子空穴对 Eph = hf，其中 Eph > EG。

光子的吸收产生了多数载流子和少数载流子。在许多光伏应用中，由于掺杂，光生载流子的数量比太阳能电池中已存在的多数载流子的数量少几个数量级。因此，被照射的半导体中的多数载流子数量不会发生显著变化。然而，少数载流子的数量则相反。光生少数载流子的数量超过了黑暗时掺杂太阳能电池中的少数载流子的数量（因为在掺杂过程中，少数载流子浓度非常小），因此被照射的太阳能电池中的少数载流子数量可以由光生载流子的数量来近似。