光伏技术中的半导体光吸收机制

在半导体中最主要的光的吸收机制就是我们前面已经述及的光照条件下非平衡载流子激发，或非平衡载流子光注入，这一小节专门介绍具体的激发（吸收）条件，吸收系数与入射光波长的定量关系等。注意半导体在光照下的非平衡载流子的激发与相应光子能量被半导体吸收是同一件事的两种表述，并不存在先吸收、后激发的前后或因果关系。

图3．15　半导体本征光吸收过程（电子跃迁）示意图。图中振动箭头表示被激发的电子和空穴以晶格振动（放热）方式释放多余能量，分别回到导带底与价带顶位置。

半导体中这种最主要的光吸收机制被称为本征吸收。能量守恒在此过程中被严格遵守。如图3．15所示，入射光子能量hν被价电子吸收，使其能量跃迁到导带，发生这种跃迁的条件是这一条件在半导体的吸收光谱上会有明确的体现——当光的波长大于某一水平λ0时，本征吸收不能发生，半导体吸收系数迅速下降。λ0被称为半导体的本征吸收限。显然波长为λ0的光子能量即为禁带宽度Eg，可推得

能量大于两倍禁带宽度的光子，一般不可能激发两对载流子，多余的能量只能消耗于发热。通过某种薄膜将它转换为两个能量较低的光子倒是可能的，可惜迄今它未能实现在光伏技术中的应用。(www.xing528.com)

就光子激发跃迁发生的几率，或吸收系数，随光子能量或光波长的关系来看，存在两种明显不同的情况，直接带隙与间接带隙，对应于直接跃迁和间接跃迁。它涉及半导体价电子能带在波矢（k）空间的结构。直接带隙就是价带顶与导带底恰好对应同样的波矢k，间接带隙则不然。波矢k可以看做是电子的动量（只需乘以普朗克常数）。如同能量守恒一样，动量守恒也是上述跃迁（吸收）过程必须满足的条件。由于光子的动量相对电子的动量可忽略不计，因此对于直接带隙的情况，电子无需改变动量，直接垂直跃迁即可在最小带隙处完成激发；而对于间接带隙的情况，在任何波矢处直接垂直跃迁都需要高于禁带宽度Eg一定水平的光子能量吸收才能实现；间接跃迁可以使满足式（3－32）的光子激发从价带到导带的电子跃迁（发生本征吸收）：过程所需要的电子动量变化由晶格振动变化提供，体现为吸收或发射一个声子，其能量很小可忽略不计，其动量弥补处于价带顶的电子跃迁到导带底后动量的差异，满足跃迁过程动量平衡。

属于直接带隙的半导体材料有GaAs，InSb，CdTe和非晶硅等，属于间接带隙的半导体材料有硅、锗等。前者只会发生直接跃迁，而后者则两种跃迁都有可能发生。图3．16给出了两类材料的吸收谱代表性实例。直接带隙的材料，其吸收谱范围较窄，在本征吸收限以上，随入射光光子能量提高（波长减小），其吸收系数迅速提高；而间接带隙材料的吸收系数随入射光子能量提高则有更宽的、更缓的提高范围。就光伏应用而言，这意味着直接带隙材料只需较薄就能完成吸收，而间接带隙材料则需要较厚，两者相差往往在百倍以上。

图3．16　直接带隙材料非晶硅与间接带隙材料晶体硅的吸收谱［8］

值得指出，对间接带隙材料如晶体硅而言，其载流子复合过程是载流子激发产生过程的逆过程，也存在吸收或发射声子的需求，这将减缓复合过程，对光伏应用而言应是有益的。

最后指出，虽然本征吸收限以外没有本征吸收，但是从实测半导体吸收谱上总能看到实际上此限之外还有吸收，显示还有其他吸收机制存在。它们包括激子吸收、自由载流子带内吸收、杂质吸收和晶格振动吸收。对光伏应用而言可以说它们都无关紧要，这里不进一步介绍。