<4D F736F F D208CF595A890AB F C1985F8BB389C88F913791BE977A E646F63>

Size: px

Start display at page:

Download "<4D F736F F D208CF595A890AB F C1985F8BB389C88F913791BE977A E646F63>"

ようたこけい
5 years ago
Views:

1 1. 光伝導効果と光伝導素子 2. 光起電力効果と太陽電池 3. 通信用フォトダイオード 1

2 1. 光伝導効果と光伝導素子半導体に禁制帯幅以上のエネルギーを持つ光子が入射した場合価電子帯の電子が伝導帯に励起されるこの結果価電子帯に正孔が伝導帯に電子が一対光生成される光生成したキャリアは半導体の外部から電界をかけることにより移動し電流として寄与するこれを光導電効果 ( あるいは内部光電効果 ) とよぶ光生成キャリアは半導体に電界が無い場合移動することができない半導体には熱平衡状態で定まる電子と正孔が存在するため光生成キャリアはキャリアの注入と見なされる従って光の照射の無い場合外部から印加した電界により半導体に流れる電流密度 J は J=σE であるここで導電率 σは σ= neμe + peμh である光照射によりΔn = Δp のキャリアの増加を生じる従って光照射下での導電率 σph は σph は = (n+δn)eμe + (p+δp)eμh である光照射による導電率の増加分 Δσは Δσ=σph-σ= Δneμe + Δpeμh である光生成した電子正孔対の数を g (cm -3 s -1 ) とすれば Δn = gτe Δp = gτh であるから Δσ=σph-σ= gτe eμe + gτh eμh =ge(μeτe +μhτh) と表され導電率の変化は移動度 μと寿命 τの積であるμτ( 通常 μτ 積とよぶ ) で決まる光による導電率変化 Δσが求まれば光電流 ΔIが求められる光導電体の長さを l 断面積を S 電界をE 印加電圧をVとすればΔIは ΔI=ΔσE x S =Δσ(V/l) x D =ΔσS(V/l) となる ΔI= ΔσS(V/l) = Ge(μeτe +μhτh)s(v/l) = (gs l)e(μeτe +μhτh) (V/l 2 ) = (g S l) e(μeτe +μhτh) (V/l) x (1/l) μe(v/l) =μe E = vde μe(v/l) x (1/l) = vde /l = 1/Te ここで l / vde = Te [ 電子走行時間 ] 同様に l / vdh = Th [ 正孔走行時間 ] であるよって ΔI= (g Sl) e(τe/ Te +τh/ Th) 光生成した電子正孔対の数 g(cm -3 s -1 ) に体積 Sl をかけた gsl は単位時間に半導体中に生成 2

3 した電子正孔対数である ΔI= (gsl) e(τe/ Te +τh/ Th) より走行時間に対する寿命 τe/ Te +τh/ Th が光導電体の光に対する感度特性をあらわす指数でありこれを光導電利得 G という G =τe/ Te +τh/ Th 大きな光電流を得るには利得係数が大きいことが重要で寿命が長く走行時間が短いことが必要である 3

2. 光起電力効果と太陽電池半導体に光が照射され光導電効果が生じていると仮定する半導体内部に電界が無ければ光生成されたキャリアは電界によるドリフトで光電流に寄与することができないしかしキャリアの空間的不均一分布がある場合や pn 接合の空乏層のような電界が存在している場合キャリアの拡散やドリフトにより電子正孔濃度の平衡がやぶれ起電力が発生するこの効果を光起電力効果とよぶ

4 2. 光起電力効果と太陽電池半導体に光が照射され光導電効果が生じていると仮定する半導体内部に電界が無ければ光生成されたキャリアは電界によるドリフトで光電流に寄与することができないしかしキャリアの空間的不均一分布がある場合や pn 接合の空乏層のような電界が存在している場合キャリアの拡散やドリフトにより電子正孔濃度の平衡がやぶれ起電力が発生するこの効果を光起電力効果とよぶ光が照射された半導体中に電界が存在する場合電子は電界と逆方向に正孔は電界と同じ方向にドリフトする従って電子と正孔は電界により反対方向に分離される電界によって生じたキャリアの移動により半導体に光起電力が生じるこのように電子と正孔を分離する内蔵電界を生じさせる例としては人工的に作製されたpn 接合金属半導体接触や半導体電解液界面などの界面を有するもののほかに表面結晶粒界など自然に存在するものがあるこれらはいずれもフェルミレベルや電子親和力の違いにより非常に強い内蔵電界を生じさせるたとえばpn 接合の空乏層では 10 4 ~10 5 V/cm もの大きな電界が存在する 2.1 太陽電池の原理実用化されている太陽電池は広い面積を持ったpn 接合ダイオードであり光起電力効果を引き起こす為の電界はpn 接合の空乏層の電界である図 1は単結晶シリコン太陽電池の模式図である p 形のSi 基板の表面に薄いn 形層が形成されている光照射により電子はn 形層上部の電極に正孔はp 形基板下部の電極図 1 単結晶シリコン太陽電池に集められ両電極間には内蔵電界できまる電圧が発生する上が負極に下が正極になるまた照射フォトン数に比例する電流が外部に取り出される 2.2 太陽電池のエネルギー変換効率太陽電池のエネルギー変換効率は入力となる太陽輻射光のエネルギーと太陽電池から取り出せる電気エネルギーの比として定義されパーセント表示される変換効率 ηは [ 太陽電池の電気出力 ] η = x 100 (%)(1) [ 太陽電池の入射太陽光のエネルギー ] として定義される地上用太陽電池について太陽輻射光の空気質量透過条件がAM1. 5で入射光電力が 100 mw/cm 2 という条件での最大負荷時での電力を太陽電池の電気出力として定義された変換効率が公称効率とよばれる 4

5 図 2に太陽電池のpn 接合を示す表面から深さdに接合が存在し電子の拡散長を Le 正孔の拡散長を Lh 空乏層の幅をWとする表面から x の位置における電子正孔対の生成率 g(x) は Φを光束密度とすれば位置 x の光吸収 -dφ/dx に比例する光吸収係数をαとすれば Φ=Φ0 exp-αx (2) であるから光吸収の割合は -dφ/dx=φ0αexpαx (3) である光電量子効率をγとすれば電子正孔対の生成率 g(x) は g(x) =γφ0αexpαx (4) である光起電力効果に寄与するキャリアは空乏層の端から少数キャリアの拡散長の範囲にあるものが収集される n 領域では g(x) に exp[-(d-x)/lh] を乗じたものを x=0 から d まで積分して ʃ 0d g(x) exp[-(d-x)/lh]dx (5) 同様にp 領域に対して d+le ʃ d g(x) exp[-(x-d)/le]dx (6) 図 2 太陽電池のpn 接合この和をとることにより光電流を求めることができる実際の太陽電池では光の侵入深さに対してdを浅くとり αle 1 αlh 1 としてキャリアの収集を有効にしている半導体のpn 接合を太陽電池として利用する場合光感度スペクトルと太陽輻射エネルギーのスペクトル分布とのマッチングが重要でこれらの重なりが大きいほど変換効率が高くなる pn 接合の光感度の長波長は半導体の禁制帯幅で決まり感度スペクトルの形状は素子構造と半導体の物性定数である拡散定数およびに光吸収スペクトルで決まる従ってこれらが変換効率の理論限界を決める短絡光電流は Isc = ʃ 0 IL(λ)dλ = eaγ(le+lh) ʃ 0 Φ(λ)α(λ)e - α(λ)ddλ (7) となる 5

6 pn 接合中では電流はn 側からp 側へ流れる p 側を正とすれば太陽電池の電圧 - 電流特性は I=Io[exp(eV/nkT)-1] - Isc (8) と表されるここで Io は逆方向飽和電流である太陽電池を開放にしたとき光電流の大きさにより光起電力が生じるこれを開放電圧とよび (8) 式で I=0 としたとき V = Voc として次式で表される Voc = (nkt/e) ln{isc/i0 + 1} (9) (8) 式を図示すれば図 3に示すようになる太陽電池から負荷に供給する電力が最大の電圧を Vmax 電流を Imax としこれを最適負荷点 ( 図 3 中のP 点 ) としてこの電力を Pmax とする Pmax を求める太陽電池から負荷へ供給される電力 Pout は Pout = V I = V {Isc - Io[exp(eV/nkT)-1]} (10) 最適負荷点は dpout/dv = 0 (11) 図 3 pn 接合太陽電池の電圧 - 電で与えられ最適動作電圧 Vmax および最適動作電流流特性 Imax は次式で与えられる exp(evmax/nkt) (1+eVmax/nkT) = (Isc/I0) + 1 (12) Imax = (Isc + I0)( evmax/nkt)/{1 + ( evmax/nkt)} (13) 受光面積をSとすれば η0 = Vmax Imax/PinS x 100 (%) = Voc Isc FF/PinS x 100 (%) で与えられるただし FF は曲線因子と呼ばれ FF = Vmax Imax / Voc Isc (14) で定義される 2.3 太陽電池の等価回路太陽電池の等価回路は図 4で表されるようにpn 接合ダイオードと電流源の並列回路で表されるここで電流源は太陽光による光電流であり短絡電流である従って太陽電池の出力特性は pn 接合ダイオードの電圧電流特性と類似しておりこれを短絡電流だけ電流をシフトして得られることがわかる実際にはこれに直列抵抗 Rs がありこれが pn 接合から電極を通して外部に流れ出る出力電流を制限するまた pn 接合部の漏れ 6

7 電流に起因した並列抵抗 Rsh があり等価回路ではpn 接合と並列回路として示される光電流の一部は Rsh を流れるため Rsh が小さい場合負荷時の電流が小さくなる図 4の等価回路に基づいて太陽電池の電圧電流特性を求めると (8) 式を参考にして次式で表されるただし負荷特性を示す為に電流の向きは (8) 式と反対にとってある I= Isc - [ Ioexp{(eV+RsI)/nkT}-1] (V+RsI)/Rsh (15) 太陽光の強度が小さく光電流が小さいときはダイオード電流 Id と漏れ電流 Vd/Rsh が同レベルとなるため電流は並列抵抗 Rsh の影響を受けやすいこの場合太陽電池の電圧電流特性は (15) 式において直列抵抗 Rs をゼロと近似して次式で与えられる I= Isc { Ioexp(eV/nkT)-1} V/Rsh (16) 太陽光の強度が強く光電流が大きいときは Id>>Vd/Rsh となるため並列抵抗 Rsh の影響を受けにくいこの場合太陽電池の電圧電流特性は (15) 式において並列抵抗 Rsh を無限大と近似して次式で与えられる I= Isc - [ Ioexp{(eV+RsI)/nkT}-1] (17) これらの結果から以下のことが定性的にわかる直列抵抗 Rs は開放電圧 Voc にほとんど影響を与えないが短絡電流 Isc を低下させる一方で並列抵抗 Rsh は短絡電流 Isc にほとんど影響を与えないが開放電圧 Voc を低下させる図 4 太陽電池の等価回路 7

8 並列抵抗 Rsh の影響直列抵抗 Rs の影響図 5 太陽電池の出力特性に与える並列抵抗 Rsh の影響図 6 太陽電池の出力特性に与える直列抵抗 Rs の影響 8

9 2.4 太陽電池の変換効率太陽電池の変換効率を半導体の光吸収スペクトルから求めた短絡電流 Isc を用いて太陽電池の感度スペクトルと太陽光のスペクトルの整合により制限されるすなわち太陽光のスペクトルと太陽電池の整合が半導体の光吸収スペクトルのみにより制限されると仮定した場合の変換効率が理論限界効率と呼ばれる図 7に太陽電池の輻射スペクトルを示す図 8に太陽電池に用いられる主な半導体の光吸収スペクトルを示す光吸収スペクトルから計算した理論限界効率を図 9に示す理論限界効率は単一のホモ接合に対する理論限界であることに注意したいまた図 8に示す理論限界効率は入射光の条件がエアマス1. 5(AM1.5) の太陽光スペクトルのもとで 100 mw/cm 2 強度の太陽光に対して計算されたものであるこれからわかることは禁制帯幅が約 1.5eV 付近で理論限界効率は最大値をとりその値は約 30% であることがわかる禁制帯幅が約 1.5eV の半導体の一例としては GaAs(Eg=1.43 ev, 直接遷移 ) があり理論限界効率の 28.5% に対して研究段階で 25% の変換効率が得られている太陽電池で最も多く生産されているシリコン太陽電池 (Si:Eg=1.1 ev, 間接遷移 ) では理論限界効率の 28.0% に対して研究段階で 24.2% の変換効率が得られている薄膜太陽電池の一例であるアモルファスシリコン太陽電池では理論限界効率の 25.5% に対して pin 形の単一接合素子に対して研究段階で 13% の変換効率が得られている図 7 太陽電池の輻射スペクトル図 8 太陽電池に用いられる主な半導体の光吸収スペクトル図 8 太陽電池の変換効率と禁制帯幅 9

10 太陽電池の変換効率を決める要因太陽電池の効率を決める要因としてまず考えなければいけないことに半導体の光吸収特性があるこれは真性的な損失であり次の2つにより損失が生じる 1 禁制帯幅以下のエネルギーの光子が吸収できない ( 半導体を透過する為に利用できない ) 2 禁制帯幅以上のエネルギー (hν) の光子を吸収した場合 1 光子あたりバンドギャップとのエネルギー差 (hν-eg) を生じるしたがって太陽光スペクトルを考えた場合太陽光に含まれる光子の中で禁制帯幅以上のエネルギーの光子に対して hνのエネルギーを持つ光子数とエネルギー差 (hν-eg) に対する損失の両方を考慮して得られる理論的効率はショックレイクワイサー限界効率と呼ばれる太陽電池に入射するすべての光子が吸収される ( 表面での反射や散乱が無い ) したがって1つのホモpn 接合を持つ太陽電池の変換効率はこの限界効率をこえることは決してできない実際の太陽電池はこれらの2つの損失に加えて次の損失を有する 1 禁制帯幅以上のエネルギーの光子が太陽電池表面での反射や散乱で失われることによる損失これは太陽電池が感度を持たない短波長領域での光の反射や散乱による損失であり低減できない損失であるこれは太陽電池の感度スペクトルの短波長での応答をきめる要因の一つである一方で太陽電池のスペクトル感度を有する波長の光に対してスペクトル感度スペクトルと太陽光スペクトルとのマッチングは重要である太陽電池のスペクトル感度を有する波長の光の反射による損失は無反射コーティングにより低減させることができる 2 キャリアの表面再結合による損失これは吸収された光子により生じたキャリアが半導体表面あるいは背面電極との境界面で再結合することにより光電流に寄与できないことによる損失である 3キャリアの界面再結合による損失これは吸収された光子により生じたキャリアがヘテロ接合の界面で再結合することにより光電流に寄与できないことによる損失である 4キャリアのバルク再結合による損失これは吸収された光子により生じたキャリアが半導体の光吸収層内部で再結合することにより光電流に寄与できないことによる損失である結晶の不完全性や不純物による深い欠陥不純物準位による間接再結合が要因と考えられるショックレイリードホール統計を用いて計算されることが多いこのときに少数キャリアの寿命が再結合の目安として用いられる 5 直列抵抗による損失太陽電池から負荷へ電流を供給する際に半導体のバルク抵抗や電極内の抵抗においてジュール損として失われるエネルギーである 6 電圧低下による損失開放電圧がpn 接合において不純物濃度で決まる拡散電位に達することができないことおよびキャリア濃度が低い為に拡散電位が禁制帯幅に比べて低く 10

11 なることによる損失である一般的にキャリアの再結合により開放電圧が低下する太陽電池からの電気出力は電圧と電流の積である電流は入射した光子により生成されたキャリアがpn 接合の電界で分離されて生じる為量子効率できまる値となるしかし電圧はpn 接合の特性できまる電流の従属変数であるため pn 接合の特性自身を良くすることが電圧の向上に必要でありこれが従って出力および変換効率の向上に重要な要素である特に薄膜系の太陽電池の開放電圧は禁制帯幅と比べて低く開放電圧の向上が変換効率の向上にむすびついている 11

12 2.5 太陽電池とバンド図ホモpn 接合太陽電池 pin 接合太陽電池ヘテロ接合太陽電池 12

13 2.6キャリア収集効率太陽電池に理想的な白色光が照射されたときの光生成キャリアの収集に基づいて太陽電池の感度スペクトルを内部量子効率であらわしたスペクトルをキャリア収集効率スペクトルとよぶキャリア収集効率は素子のバンドプロファイルについて光生成により生じる少数キャリア連続の方程式を解いて pn 接合に集められるキャリア数を求めることにより計算される図 2.6 は光生成キャリア数 ( 波線 ) と収集される光励起キャリア ( 実線 ) を (a) はホモ接合と (b) はヘテロ接合に対して示したものである図 2.6 光生成キャリア数 ( 波線 ) と収集される光励起キャリア ( 実線 ) (a) はホモ接合 (b) はヘテロ接合の例である 13

14 図 8 ヘテロ接合の窓効果 14

<4D F736F F D208CF595A890AB F C1985F8BB389C88F CF58C9F8F6F8AED2E646F63>

<4D F736F F D208CF595A890AB F C1985F8BB389C88F CF58C9F8F6F8AED2E646F63> 光検出器 pin-pd 数 GHzまでの高速応答する光検出器に pin-フォトダイオードとアバランシェフォトダイオードがある pin-フォトダイオードは図 1に示すように n + 基板と低ドーピングi 層と 0.3μm 程度に薄くした p + 層からなる逆バイアスを印加して空乏層を i 層全体に広げ接合容量を小さくしながら光吸収領域を拡大して高感度にする表面より入射した光は光吸収係数 αによって指数関数的に減衰しながら光励起キャリアを生成する