【doc】利用硅光电池测量硅单晶半导体材料的禁带宽度

【doc】利用硅光电池测量硅单晶半导体的禁带宽度 利用硅光电池测量硅单晶半导体材料的禁 带宽度 第28卷第11期 2008年11月 物理实验 PHYSICSEXPERIMENTAT10N V01.28NO.11 NOV.,2008 利用硅光电池测量硅单晶半导体材料的禁带宽度 唐爽,岑剡 (复旦大学物理学系,上海200433) 摘要:以自炽灯为光源照射单晶硅光电池,测量在硅光电池前加不同截止波长的滤 色片时的短路电流.通过短路 电流和截止波长的关系,经拟合得到单晶硅材料的长波限,再利用半导体材料的长 波限与半导体的禁带宽度的关系, 即E=hc/A,计算得出其禁带宽度. 关键词:硅光电池;短路电流;截止波长;禁带宽度 中图分类号:TM914.41文献标识码:A文章编号:1005—4642(2008)11-0006—03 1引言 禁带宽度是征半导体材料物理特性的重要 参量.所谓禁带是指价带和导带之间,电子不能 占据的能量范围,其间隔宽度即是禁带宽度 E[1]. 在实际科研和应用中,对禁带宽度的测量 是研究半导体材料性质的基本手段,各种测量方 法历来都较为复杂,如Subnikov-deHass效应, 带间磁反射或磁吸收,回旋共振和非共振吸收,载 流子浓度谱,红外光吸收谱等l_2]. 硅是目前应用最为广泛的半导体材料,以硅 材料作为物质载体的信息产业深刻地改变了世界 的产业结构和人类的生活方式,而其在能源工程, 照明技术,生物医疗等领域的全新应用也正方兴 未艾.其中,硅光电池即是以硅材料为基础的一 种最普遍,最常用的太阳能电池.利用不同波长 范围光照下,硅光电池产生光生电流的特性,既可 以发电,也可以作为测量手段.由于其广泛的应 用,现在已经有学校开设了太阳能电池基本特性 测量实验及硅太阳能电池光谱响应曲线测定研究 性实验等,以使得学生更好地掌握太阳能电池的 工作原理[4].文献E5]介绍了利用硅光电池测量 单晶硅的长波限和禁带宽度,但其利用的线型模 型过于粗糙,导致实验结果的重复性差,而且不确 定性很大,测量时稍有偏差即会对测量到的禁带 宽度带来量级上的改变.本文介绍一种更可靠的 方法,引进了更精确的模型.利用白炽灯的黑体 辐射模型,借助Matlab进行数据拟合,提高了测 量精度和测量结果的可靠性.得到的单晶硅禁带 宽度l_13eV与数据一致,可重复性很强且 受测量中的偶然因素干扰很小,在不同的时间和 环境中多次测量得到的结果间偏差仅为0.01eV. 2实验原理 硅光电池实际上就是利用扩散技术制造的硅 同质PN结.当光波照射到硅光电池接受面上 时,如果入射光子的能量v大于硅材料的禁带宽 度E,则其可被半导体内原子吸收,而使之分裂 成电子一空穴对.当电子和空穴扩散到PN结附近 时,电子将移向N区,而空穴将移向P区,从而在 PN结形成电动势.此即光生伏达效应,是硅光电 池的发电原理.由此可知硅光电池只对hv>E 的入射光子产生响应,亦即入射光子所对应波长 应满足: <爰.(1) c称为硅光电池的长波限.硅光电池的短路电流 ,sc满足: Isc—l叩()d.(2)Jl' 其中口()为入射光的单色能流密度,刁为等效转 换率.用白炽灯作为光源照射硅光电池,在有效 范围内可认为不变,则短路电流k和有效入射 光强J"()成正比,即 收稿日期:2008—06—21;修改日期:2008—09—01 作者简介:唐~(1986一),四川成都人,复旦大学物理学系2005级本科生. 指导教师:岑剡(1980一),海南万宁人,复旦大学物理学系助理工程师,硕士,从事物 理实验教学与研究工作. 第11期唐爽,等:利用硅光电池测量硅单晶半导体材料的禁带宽度 k一"().(3) 有效入射光强由下式给出: .,ff()一I.()dA.(4) 实验时选用不同截止波长的滤色片对入射光 进行过滤,波长小于的光都不能通过,则被滤 去的光强可以由下式给出: Jf(f)一I().(5) 于是,k可以表示为Jf()的线函数L6],即 k一(()dA(,),(6) 亦即 Isc一一kJf+b.(7) 由于白炽灯发光为热辐射,故可用黑体辐射模型, 其单色能流密度为 )一丁2nhc2南.(8) 其中r为到光源距离,故有: Jf)一丁27rhc2.(9) 因此,测量用不同截止波长的滤色片过滤白 炽灯的入射光,并测量硅光电池在该入射光条件 下的短路电流.,即可外推得到硅光电池的长波 限,从而求得其禁带宽度E. 3实验方法及数据处理 3.1实验装置及短路电流的测量 如图1所示将白炽灯,滤色片,硅光电池安放 在光具座上,并保证其处于同水平高度. 白炽灯滤色片硅光电池 图1实验装置示意图 更换不同截止波长的滤色片,测量对应的 硅光电池短路电流k.另外,通过改变光源和硅 光电池的相对距离r,即可在不同相对光强下,对 f和J进行多组测量. 3.2滤去光强的计算 实验采用的光源为钨丝白炽灯,100W钨丝 在发光正常时温度为2750KE,其单色能密度随 波长的分布如图2所示. 言 . g ? b 图2黑体模型下白炽灯正常发光辐射单色能流密度图 由于在有效波长范围内,e》1,因此可 以近似有: Jf)?丁2nhc2一 2是T兀(^.C.+3AkTh.C+6忌f+6T3k3.) h.C2.e/' (10) 用Matlab进行计算,可以得到滤去光强-,r和截 止波长的对应关系. 3.3数据处理及实验结果 由上述实验测量和Matlab的积分计算,在不 同距离d下得到滤色片截止波长r,滤去光强t 和硅光电池短路电流Isc的关系.用多次测量的 数据做k一线性拟合,其结果如图3所示. \ /W.mm-2 图3Isc—Jf数据拟合图 各次拟合的相关系数以及由此求得的硅光电 池长波限和单晶硅禁带宽度如表1所示. 8物理实验第28卷 表l硅光电池长波限及单晶硅的禁带宽度4结束语 计算得到的单晶硅禁带宽度E与公认值 1.13eV相吻合. 由计算得到的单晶硅的长波限一1.10× 10.nm,可以计算其有效光强J(),从而得到 Isc—f的关系如图4所示. j U /nm 图4归一化后的k—A图 以普通白炽灯为光源,在加滤色片的情况下 通过对硅光电池短路电流的测量可以精确计算出 单晶硅的禁带宽度.该方法的测量原理清晰,器 材简单,准确度高,重复性好,测得值1.13eV与 公认值1.13eV(1.128eV)完全符合.除单晶硅 外,这种方法还可推广到其他太阳能电池中半导 体材料禁带宽度的测量. 参考文献: Eli陆栋,蒋平.固体物理学EM].上海:上海科学技术 [2] [3] [4] [5] [6] [7] 图4中数据点为实测短路电流Jsc归一化后[8] 的值,实线为用Matlab做积分计算得到的曲线. 可见,实验结果与理论计算符合得很好. 出版社,2003:165—168. 褚君浩.窄禁带半导体物理学[M].北京:科学出 版社,2005:142-155. 电子工业生产技术手册编委会.电子工业生产技术 手册(8)——半导体与集成卷[M].北京:国防 工业出版社,1992:247—250. 王殿元,王庆凯,彭丹,等.硅太阳能电池光谱响应 曲线测定研究性实验[J].物理实验,2007,27(9): 8-10. 茅倾青,潘立栋,陈骏逸,等.太阳能电池基本特性 测定实验[J].物理实验,2004,24(11):6-18. 杨之昌,马秀芳.物理光学实验[M].上海:复旦大 学出版社,1993:156—223. 安其霖.太阳电池原理与工艺[M].上海:上海科 学技术出版社,1984:13—55,73—89. 张三慧.量子物理[M].北京:清华大学出版社, 2000:3—40. Measuringthebandgapofsiliconusingsiliconphotocells TANGShuang,CENYan (DepartmentofPhysics,FudanUniversity,Shanghai200433,China) Abstract:Thecrystallinesiliconphotocellisilluminatedbyanincandescentlamp,andthesho rt, circuitcurrentofthephotocellisdetectedwhenfiltersofdifferentcut— offwavelengthareputinfront ofit.Consequently,thelongwavelengthlimitviatherelationbetweenshort— circuitcurrentandcut, offwavelengthiscalculated,thenthebandgapofsilicon(1.13eV)isgivenaccordingtotheequ ation —hc/A. Keywords:siliconphotocell;short—circuitcurrent;cut—offwavelength;bandgap [责任编辑:任德香]