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利用硅光电池测量硅单晶半导体材料的禁带宽度
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物 理 实 验第28卷 第11期
PHYSICSEXPERIMENTATION2008年11月
Vol.28 No.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:以白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Eg的关系,即Eg=hc/λ,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()1 引 言 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[1]
Eg.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Subnikov2deHass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[223]. 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[425].文献[5]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
,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1.13eV与标准数据一致,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
ν大于硅材料的禁带宽时,如果入射光子的能量h
度Eg,则其可被半导体内原子吸收,而使之分裂成电子2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
ν>Eg池的发电原理.由此可知硅光电池只对h的入射光子产生响应,亦即入射光子所对应波长应满足:
λ<λ.C=
Eg
(1)
λC称为硅光电池的长波限.硅光电池的短路电流
ISC满足:
ISC=
ησ(λ)dλ.?
λ1
λ2
(2)
)为入射光的单色能流密度,η为等效转其中σ(λ 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η不变,则短路电流ISC和有效入射 )成正比,即光强Jeff(λ
收稿日期:2008206221;修改日期:2008209201
作者简介:唐 爽(1986-),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-),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.
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