Baterie słoneczne

Baterie słoneczne

2

2

Historia

Historia

1767

1767

szwajcarski uczony, 

szwajcarski uczony, 

Horace

Horace

de 

de 

Saussure

Saussure

, buduje pierwszy słoneczny 

, buduje pierwszy słoneczny 

kolektor 

kolektor 

http://

http://

solarcooking

solarcooking

.

.

org

org

/

/

saussure

saussure

.

.

htm

htm

1839  Edmund Becquerel, po raz pierwszy 
obserwuje efekt fotoelektryczny.

(E. Becquerel,"Mčmoire sur les effets électriques produits sous
l'influence des rayons solaires", C. R. Acad. Sci. Paris, 1839, 9, 
561-567)

3

3

Historia

Historia

„

„

Willoughby Smith, 1873

Willoughby Smith, 1873

: Pierwsza 

: Pierwsza 

obserwacja efektu fotoelektrycznego w 

obserwacja efektu fotoelektrycznego w 

ciele stałym.

ciele stałym.

4

4

Histor

Histor

ia

ia

1883

1883

Pierwsza bateria słoneczna:

Pierwsza bateria słoneczna:

Charles 

Charles 

Fritts

Fritts

1905

1905

Wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego:

Wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego:

Albert Einstein

Albert Einstein

1915

1915

Potwierdzenie wyjaśnienia zjawiska 

Potwierdzenie wyjaśnienia zjawiska 

fotoelektrycznego: 

fotoelektrycznego: 

Robert 

Robert 

Millikan 

Millikan 

1918

1918

Metoda wytwarzania monokryształów 

Metoda wytwarzania monokryształów 

krzemu:

krzemu:

Jan 

Jan 

Czochralski

Czochralski

1941 

1941 

~

~

Krzemowa bateria słoneczna: 

Krzemowa bateria słoneczna: 

Russell 

Russell 

Ohl

Ohl

5

5

Zasada działania

Zasada działania

6

6

Główne rodzaje ogniw 

Główne rodzaje ogniw 

słonecznych

słonecznych

„

„

Zbudowane na bazie monokrystalicznego 

Zbudowane na bazie monokrystalicznego 

krzemu

krzemu

„

„

Zbudowane na bazie 

Zbudowane na bazie 

polikrystalicznego

polikrystalicznego

krzemu

krzemu

„

„

Zbudowane na bazie amorficznego 

Zbudowane na bazie amorficznego 

krzemu

krzemu

7

7

Monokrystaliczny krzem

Monokrystaliczny krzem

„

„

Ogniwa zbudowane 

Ogniwa zbudowane 

na monokryształach 

na monokryształach 

mają dużą 

mają dużą 

sprawność, ale są 

sprawność, ale są 

drogie.

drogie.

8

8

Polikrystaliczny 

Polikrystaliczny 

krzem

krzem

Tańsze, nieco mniej 

Tańsze, nieco mniej 

wydajne.

wydajne.

Source: Kyocera Co. Japan

9

9

Amorficzny krzem

Amorficzny krzem

Jeszcze tańsze i 

Jeszcze tańsze i 

jeszcze mniej 

jeszcze mniej 

wydajne

wydajne

Source: GFa - Visolar

10

10

Porównanie

Porównanie

11

11

Porównanie

Porównanie

Typ

Typ

Wydajność 

Wydajność 

ogniwa w 

ogniwa w 

laboratorium

laboratorium

Wydajność seryjnego 

Wydajność seryjnego 

ogniwa

ogniwa

Mono

Mono

-

-

24

24

14

14

-

-

17

17

Pol

Pol

i

i

-

-

18

18

13

13

-

-

15

15

Amorficzne

Amorficzne

13

13

5

5

-

-

7

7

12

12

Od czego zależy 

Od czego zależy 

wydajność komórki?

wydajność komórki?

1. Od przezroczystości 

górnej elektrody.

Dlatego właśnie, 

elektrody mają kształt 

wąskich pasków.

13

13

Od czego zależy 

Od czego zależy 

wydajność komórki?

wydajność komórki?

Współczynnik odbicia światła od 

Współczynnik odbicia światła od 

powierzchni

powierzchni

Im mniej światła się odbije, tym lepiej.

Im mniej światła się odbije, tym lepiej.

14

14

Od czego zależy 

Od czego zależy 

wydajność komórki?

wydajność komórki?

Absorpcja

Fotony o energii mniejszej niż szerokość przerwy energetycznej nie 

są absorbowane;

Materiał o przerwie energetycznej 0.9 eV najbardziej efektywnie 

wykorzystywałby promieniowanie dochodzące do powierzchni 
Ziemi.

Krzem z przerwą 1.1 eV wykorzystuje około 44% energii padającego

promieniowania.

15

15

Od czego zależy 

Od czego zależy 

wydajność komórki?

wydajność komórki?

Straty powstałe przy zbieraniu nośników ładunku

Straty wynikają z rekombinacji nośników ładunku. Minimalizuje si

Straty wynikają z rekombinacji nośników ładunku. Minimalizuje si

ę je 

ę je 

używając materiałów dobrej jakości,

używając materiałów dobrej jakości,

tzn

tzn

takich, w których czas 

takich, w których czas 

życia mniejszościowych nośników ładunku jest długi. 

życia mniejszościowych nośników ładunku jest długi. 

16

16

Od czego zależy 

Od czego zależy 

wydajność komórki?

wydajność komórki?

Napięcie

Napięcie wytwarzane przez komórkę 
zależy od przerwy energetycznej.

Istnieje optymalna szerokość przerwy 
energetycznej, przy której komórka 
będzie pracować z największą 
sprawnością (przy oświetleniu danym 
rodzajem promieniowania). Dla 
promieniowania docierającego do 
powierzchni Ziemi jest to 1.4 eV  

17

17

Niektóre rozwiązania 

Niektóre rozwiązania 

Wpływ na właściwości odbijające powierzchni;

Nowe materiały (GaAs, CdTe, CuInSe

2

);

Podwójne komórki, układy komórek (każda 

odpowiadająca innemu zakresowi długości fali);
Skupianie światła;
Komórki zbudowane nie na złączu pn, ale złączu 

półprzewodnik-tlenek;
Komórki Grätzela;

18

18

Wpływ na właściwości 

Wpływ na właściwości 

odbijające powierzchni

odbijające powierzchni

19

19

Warstwy 

Warstwy 

antyrefleksyjne

antyrefleksyjne

„

„

Krzem jest srebrzystym, błyszczącym 

Krzem jest srebrzystym, błyszczącym 

materiałem. Odbija ponad 30% padającego 

materiałem. Odbija ponad 30% padającego 

światła.

światła.

„

„

Dlatego, na powierzchnię komórki nanosi się 

Dlatego, na powierzchnię komórki nanosi się 

warstwę lub warstwy 

warstwę lub warstwy 

antyrefleksyjne

antyrefleksyjne

. 

. 

20

20

Warstwy 

Warstwy 

antyrefleksyjne

antyrefleksyjne

„

„

Może to być np.:

Może to być np.:

–

–

Cienka warstwa 

Cienka warstwa 

SiO 

SiO 

(redukuje odbicie do 10%)

(redukuje odbicie do 10%)

–

–

Si

Si

3

3

N

N

4

4

–

–

TiO 

TiO 

i inne

i inne

21

21

Teksturowanie 

Teksturowanie 

powierzchni

powierzchni

„

„

Powierzchnia komórki ma 

Powierzchnia komórki ma 

strukturę albo piramidek, 

strukturę albo piramidek, 

albo sferycznych rowków. 

albo sferycznych rowków. 

Wskutek tego padające 

Wskutek tego padające 

światło odbija się od 

światło odbija się od 

powierzchni wielokrotnie.

powierzchni wielokrotnie.

Source: Kyosemi Company 

Japan.

22

22

Teksturowanie 

Teksturowanie 

powierzchni

powierzchni

Source: Key Center for PV Engineering - UNSW

23

23

Nowe materiały

Nowe materiały

24

24

Maksymalne wydajności dla 

Maksymalne wydajności dla 

różnych materiałów

różnych materiałów

25

25

CuInSe

CuInSe

2

2

„

„

Szerokość przerwy 

Szerokość przerwy 

energetycznej 

energetycznej 

1 eV

1 eV

Taka 

Taka 

przerwa jest o 

przerwa jest o 

0.5 eV 

0.5 eV 

mniejsza 

mniejsza 

niż optymalna. 

niż optymalna. 

„

„

Dodatek

Dodatek

Ga

Ga

zwiększa szerokość 

zwiększa szerokość 

przerwy do 

przerwy do 

1.2 eV

1.2 eV

, co zwiększa 

, co zwiększa 

wydajność o 15%

wydajność o 15%

„

„

Planowane jest dalsze 

Planowane jest dalsze 

zwiększenie szerokości przerwy 

zwiększenie szerokości przerwy 

do 

do 

1.4 

1.4 

i

i

1.6 eV 

1.6 eV 

poprzez dodanie 

poprzez dodanie 

większej ilości 

większej ilości 

Ga

Ga

i

i

/

/

lub

lub

S 

Source: Dünnschicht-Solarzellen 

S 

26

26

CdTe

CdTe

Theoretical maximum levels of efficiency of 

solar cells at standard condition.

Source: Solar Energy Ireland

Source: Asarco Specialty Metals

„

„

Duże problemy 

Duże problemy 

technologiczne, trudny do 

technologiczne, trudny do 

wytworzenia w sposób 

wytworzenia w sposób 

powtarzalny.

powtarzalny.

27

27

Podwójne komórki 

Podwójne komórki 

fotoelektryczne

fotoelektryczne

28

28

Podwójne komórki 

Podwójne komórki 

fotoelektryczne

fotoelektryczne

„

„

Różne materiały 

Różne materiały 

półprzewodnikowe ułożone 

półprzewodnikowe ułożone 

jeden nad drugim zmniejszają 

jeden nad drugim zmniejszają 

straty energii padającego 

straty energii padającego 

promieniowania. 

promieniowania. 

Source: National 

Renewable Energy 

Laboratory

29

29

Podwójne komórki 

Podwójne komórki 

fotoelektryczne

fotoelektryczne

Source: Triple Junction Technology.

Mogą to być potrójne komórki 

Mogą to być potrójne komórki 

30

30

Podwójne komórki 

Podwójne komórki 

fotoelektryczne

fotoelektryczne

Source: Triple Junction Technology

Komórki ustawione są w kolejności malejącej 

Komórki ustawione są w kolejności malejącej 

przerwy energetycznej.

przerwy energetycznej.

31

31

Skupianie światła

Skupianie światła

„

„

Światło o większej intensywności pada na 

Światło o większej intensywności pada na 

powierzchnię komórki dzięki układowi 

powierzchnię komórki dzięki układowi 

soczewek i zwierciadeł skupiających światło

soczewek i zwierciadeł skupiających światło

.

.

32

32

Komórki

Komórki

Gratzel

Gratzel

a

a

„

„

Fotoele

Fotoele

k

k

tryczna 

tryczna 

k

k

omórka 

omórka 

elektrochemiczna 

elektrochemiczna 

Source: University of Queensland – Soft 

Condensed Matter Physics

33

33

Komórki

Komórki

Gratzel

Gratzel

a

a

jedna  elektroda 

jedna  elektroda 

pokryta tlenkiem 

pokryta tlenkiem 

tytanu z dodatkiem 

tytanu z dodatkiem 

barwnika, 

barwnika, 

a druga metaliczna 

a druga metaliczna 

(szkło pokryte 

(szkło pokryte 

platyną). 

platyną). 

pom

pom

i

i

ędzy: ele

ędzy: ele

k

k

trol

trol

i

i

t

t

34

34

Komórki

Komórki

Gratzel

Gratzel

a: rola 

a: rola 

barwnika

barwnika

„

„

TiO

TiO

2

2

absorbuje w 

absorbuje w 

zakresie 

zakresie 

ultrafioleu

ultrafioleu

. 

. 

Możliwe jest jednak 

Możliwe jest jednak 

chemiczne 

chemiczne 

związanie 

związanie 

cząsteczki barwnika 

cząsteczki barwnika 

z TiO

z TiO

2

2

. Barwnik 

. Barwnik 

absorbuje w 

absorbuje w 

zakresie 

zakresie 

widzialnym. 

widzialnym. 

„

„

Światło wzbudza 

Światło wzbudza 

elektron w 

elektron w 

barwniku.

barwniku.

c.b.

v.b.

D/D+

D*/D+

sensitiser

semiconductor

Ef

photovoltage

hole conductor

-

-

-

-

+ +
+ +

35

35

Komórki

Komórki

Gratzel

Gratzel

a: rola 

a: rola 

barwnika

barwnika

„

„

Jeśli elektron ten 

Jeśli elektron ten 

ma energię 

ma energię 

wyższą niż dno 

wyższą niż dno 

pasma 

pasma 

przewodnictwa 

przewodnictwa 

w TiO

w TiO

2

2

, to może 

, to może 

on przejść do 

on przejść do 

tego pasma i 

tego pasma i 

uczestniczyć w 

uczestniczyć w 

procesie 

procesie 

przewodzenia.

c.b.

v.b.

D/D+

D*/D+

sensitiser

semiconductor

Ef

photovoltage

hole conductor

-

-

-

-

+ +
+ +

przewodzenia.

36

36

Komórki

Komórki

Gratzel

Gratzel

a: 

a: 

działanie

działanie

„

„

Światło padając na komórkę 

Światło padając na komórkę 

wzbudza elektron w barwniku;

wzbudza elektron w barwniku;

„

„

Elektron w warstwie TiO

Elektron w warstwie TiO

2

2

wędruje do elektrody;

wędruje do elektrody;

„

„

Jednocześnie przy drugiej 

Jednocześnie przy drugiej 

elektrodzie elektron jest 

elektrodzie elektron jest 

przekazywany cząsteczce 

przekazywany cząsteczce 

elektrolitu;

elektrolitu;

„

„

Jon elektrolitu wędruje do 

Jon elektrolitu wędruje do 

elektrody; 

elektrody; 

„

„

Po dojściu do elektrody 

Po dojściu do elektrody 

przekazuje elektron barwnikowi;

przekazuje elektron barwnikowi;

„

„

Itd. Itd. 

Itd. Itd. 

37

37

Materiały

Materiały

Barwnik

Elektrolit: np. 

LiI(C

2

H

5

OH)

4

–I

2

półprzewodnik

38

38

Komórki MIS

Komórki MIS

„

„

Zbudowane nie na złączu p

Zbudowane nie na złączu p

-

-

n, ale 

n, ale 

złączu izolator

złączu izolator

-

-

półprzewodnik. Zasada 

półprzewodnik. Zasada 

działania nie różni się.

działania nie różni się.

39

39

Organiczne komórki 

Organiczne komórki 

fotoelektryczne

fotoelektryczne

40

40

Materiały

Materiały

–

–

Półprzewodzące polimery

Półprzewodzące polimery

–

–

Przewodzące małe molekuły

Przewodzące małe molekuły

–

–

barwniki

barwniki

–

–

fulleren

fulleren

y

y

–

–

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy

41

41

Naturalne komórki 

Naturalne komórki 

fotoelektryczne

fotoelektryczne

42

42

Przewodzące pol

Przewodzące pol

i

i

mery

mery

„

„

Przewodzące pol

Przewodzące polimery mają najczęściej 

przerwę energetyczną 1.5 – 3 eV, czyli

odpowiednią do wykorzystania w 

urządzeniach fotoelektrycznych. 

„

Zjawisko fotoelektryczne jest w nich bardziej 

skomplikowane niż w półprzewodnikach 

nieorganicznych.

43

43

Zasada działania

Zasada działania

1. Padający foton 

powoduje powstanie  

pary elektron-dziura.

2. Jest to jednak para 

związana: ekscytonu

44

44

Zasada działania

Zasada działania

3. Ekscyton dysocjuje na  

elektron i dziurę w pobliżu 

granicy między 

materiałami

Dziury są zbierane na 

elektrodzie o wyższej 
pracy wyjścia (ITO), a 
elektrony na elektrodzie o 

mniejszej pracy wyjścia 
(aluminium).

45

45

Zasada działania

Zasada działania

0

1

2

3

4

5

0

1

2

3

4

5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

EQ

E (

%

) 

Energy / eV

OC1C10

CN PPV

OC1C10-CN PPV

OC1C10-MCP

Blend

Blend

single
polymers

Blends

Single polymer

A.M.Biswas, J.J.M. Halls 1999

Yu et al, Science 1995

„

„

Proces 

Proces 

rozdz

rozdz

i

i

elen

elen

i

i

a ładunku przy elektrodach jest mało 

a ładunku przy elektrodach jest mało 

efektywny. 

efektywny. 

„

„

Rozw

Rozw

i

i

ązan

ązan

i

i

e: przen

e: przenikająca się sieć 

pol

pol

i

i

merów  będących 

merów  będących 

donoram

donoram

i

i

i

i

akceptoram

akceptoram

i

i

elektronów

elektronów

46

46

Materiały

Materiały

politiofen

(p)

cyanopochodna

poli-fenyleno 

vinylenu (n)

47

47

Materiały

Materiały

Polimer transportuje dziury

Fulleren transportuje elektrony

48

48

Stru

Stru

k

k

tura ogn

tura ogn

i

i

wa 

wa 

organ

organ

i

i

cznego

cznego

49

49

Porównan

Porównan

i

i

e 

e 

k

k

omóre

omóre

k

k

M

ATERIAL SYSTEM

 

J

SC 

 

(mA cm

-2

) 

V

OC

 

 

(V) 

F

ILL 

F

ACTOR

 

E

FFICIENCY

 

(%) 

P

EAK 

QE, & 

WAVELENGTH 

(nm) 

PT:PCBM (???) 

 

 

 

5?? 

 

P3HT:PCBM 
(Padinger, 2003) 

8.5 

0.55 

0.6 

3.5 

70% at 500nm 

MDMO-PPV:PCBM 
(Shaheen, 2001) 

5.25 

0.82 

0.61 

2.5 

50% at 470nm 

Dye sensitised solar 
cell with OMeTAD  
(Kruger, 2001) 

5 

0.90 

0.56 

2.56 

38% at 520nm 

Cu phthalocyanine 
/C60 bi-layer cell 
(Peumans, 2001) 

~10 

0.53 

0.52 

3.6 

18% at 620nm 
35% at 400nm 

Doped pentacene 
heterojunction 
(Schon, 2001) 
(homojunction) 

 
7.7 
 
(5.3) 

 
0.90 
 
(0.97) 

 
0.66 
 
(0.47) 

 
4.5 
 
(2.4) 

 
 
 
36% at 650nm 

Amorphous silicon 
 

19.4 

0.887 

0.74 

12.7 

~90%  

Monocrystalline 
silicon (UNSW) 

42.2 

0.706 

0.83 

24.7 

>90% 

50

50

Baterie fotoelektryczne: 

Baterie fotoelektryczne: 

ekonmia

ekonmia

„

„

Moc baterii fotoelektrycznych 

Moc baterii fotoelektrycznych 

zainstalowanych na świecie

zainstalowanych na świecie

: 

: 

około

około

800 

800 

MW

MW

„

„

Czas, po jakim zwróci się inwestycja: 

Czas, po jakim zwróci się inwestycja: 

do 70 lat.

do 70 lat.

51

51

Kolektory energii 

Kolektory energii 

słonecznej

słonecznej

Energia termiczna jest wyłapywana przez kolektor. Krążący 

Energia termiczna jest wyłapywana przez kolektor. Krążący 

płyn transportuje energię cieplną do zbiornika. Zbiornik 

płyn transportuje energię cieplną do zbiornika. Zbiornik 

ogrzewa wodę.

ogrzewa wodę.

52

52

Materiały

Materiały

Główną częścią kolektora jest absorber, 

zbudowany z wąskich metalowych 

pasków. Typowo, absorbery zrobione są 

z miedzi i aluminium.

Absorbery są czarne (absorpcja = ponad 
90%. Mogą to być farby, ale lepsze 
właściwości mają galwanicznie 
nanoszone warstwy: czarnego chromu, 
niklu, tlenku aluminium z niklem.
Nowość: azotek tytanu. 

Nie tylko baterie i 

Nie tylko baterie i 

kolektory słoneczne

kolektory słoneczne

DETEKTORY

DETEKTORY

54

54

Detektory: podstawy

Detektory: podstawy

E

C

E

V

E

G

dziura

generacja

E

C

E

V

E

G

rekombinacja

55

55

Fotorezystory

Fotorezystory

„

„

Foton padając na półprzewodnik  

Foton padając na półprzewodnik  

generuje parę elektron

generuje parę elektron

-

-

dziura. Wskutek 

dziura. Wskutek 

tego, zwiększa się ilość swobodnych 

tego, zwiększa się ilość swobodnych 

nośników ładunku w półprzewodniku.

nośników ładunku w półprzewodniku.

Maleje jego opór

Maleje jego opór

56

56

Fotorezystory

Fotorezystory

57

57

Fotorezystory

Fotorezystory

„

„

Zmiana oporu może być bardzo duża: 

Zmiana oporu może być bardzo duża: 

od setek kiloomów w stanie 

od setek kiloomów w stanie 

nieoświetlonym do stu omów w świetle 

nieoświetlonym do stu omów w świetle 

słonecznym. 

słonecznym. 

58

58

Fotorezystory

Fotorezystory

„

„

Najczęściej są to cienkie warstwy 

Najczęściej są to cienkie warstwy 

poli

poli

-

-

lub monokrystalicznego 

lub monokrystalicznego 

półprzewodnika

półprzewodnika

. 

. 

Najpowszechniejsze 

Najpowszechniejsze 

są to warstwy 

są to warstwy 

CdS

CdS

, 

, 

który jest czuły na 

który jest czuły na 

światło w zakresie widzialnym

światło w zakresie widzialnym

.

.

59

59

Fotorezystory

Fotorezystory

„

„

Fotorezystory 

Fotorezystory 

CdS

CdS

stosowane są 

stosowane są 

praktycznie wszędzie: w 

praktycznie wszędzie: w 

światłomierzach, 

światłomierzach, 

alarmach, światłach 

alarmach, światłach 

ulicznych.

ulicznych.

60

60

Fotorezystory

Fotorezystory

„

„

Inne materiały to 

Inne materiały to 

PbS

PbS

, 

, 

PbSe

PbSe

i 

i 

PbT

PbT

e. Z 

e. Z 

tym, że są one czułe na 

tym, że są one czułe na 

promieniowanie elektromagnetyczne w 

promieniowanie elektromagnetyczne w 

zakresie podczerwieni. 

zakresie podczerwieni. 

61

61

Fotorezystory

Fotorezystory

Jeszcze inne materiały: 

Ge

:

Cu

. Są one 

najlepszymi (i najdroższymi) 
detektorami w dalekiej podczerwieni. Są 
stosowane w astronomii i spektroskopii.

62

62

Fotod

Fotod

i

i

oda 

oda 

-

-

złącze 

złącze 

PN

PN

P

N

Dyfuzja dziur

Dyfuzja elektronów

P         --

++

N

D

w równowadze:

Barrier Field

63

63

Fotodiody

Fotodiody

Zasada działania: diodę p-n polaryzujemy 

w kierunku zaporowym: prąd nie płynie 

(lub płynie bardzo mały prąd).

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

Electrons

Holes

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

Electrons

Holes

P        ---

+++

N

-

+ 

D

64

64

Fotodiody

Fotodiody

Zasada działania: światło pada na obszar 

złącza, generuje pary elektron-dziura.

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

Electrons

Holes

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

Electrons

Holes

+

-

Prąd płynie

P        ---

+++

N

-

+ 

D

65

65

Fotodiody

Fotodiody

nieoświetlona

oświetlona

66

66

Fotodiody

Fotodiody

„

„

Istnieją różne rodzaje tych urządzeń. 

Istnieją różne rodzaje tych urządzeń. 

Główne, to:

Główne, to:

–

–

Fotodiody typu 

Fotodiody typu 

pin 

pin 

(złącze p

(złącze p

-

-

obszar 

obszar 

samoistny

samoistny

-

-

n);

n);

–

–

Fotodiody lawinowe;

Fotodiody lawinowe;

67

67

Fotodiody

Fotodiody

Fotodioda typu pin:

68

68

Fotodiody

Fotodiody

Celem takiej konfiguracji 

diody jest zmniejszenie 

niekorzystnej rekombinacji 

(jeżeli elektron i dziura 

zrekombinują zanim dotrą 

do elektrod, to prąd 

fotodiody nie wzrośnie). 

69

69

Fotodiody

Fotodiody

Fotodioda lawinowa:
Padający foton generuje 

parę elektron-dziura. 

Elektrony i dziury 

przyspieszane są w polu 

elektrycznym. Zderzają się 

z neutralnymi atomami 

wzbudzając kolejne 

elektrony (elektrony 

wtórne)

70

70

Fotodiody

Fotodiody

Typowy współczynnik 

wzmocnienia wynosi od 10 

do kilkuset. Np. czynnik 80 

oznacza, że jeden foton 

światła spowodował 

przepływ 80-ciu 

elektronów.

71

71

Fotodiody

Fotodiody

Figure 4 – APD

Diody lawinowe wymagają

zasilania stosunkowo 

wysokim napięciem. Np. od 

30 do 70 V dla InGaAs APDs

do ponad  300 V dla Si 

72

72

Fotodiody: porównanie

Fotodiody: porównanie

Parametr

Fotodiody PIN 

Fotodiody 

lawinowe

Materiał

Si, Ge, InGaAs

Si, Ge, InGaAs

Zakres f

DC do 40+ GHz

DC do 40+ GHz

Długość fali

0.6 to 1.8 µm

0.6 to 1.8 µm

Efektywność

0.5 to 1.0 

Amps/Watt

0.5 to 100 

Amps/Watt

Wymagania

Brak

Napięcie i 

temperatura

Cena

$1 to $500

$100 to $2,000

73

73

Materiały 

Materiały 

i

i

technolog

technolog

i

i

a

a

„

„

Si

Si

w zakresie do 0.8 

w zakresie do 0.8 

µ

µ

m

m

„

„

Ge 

Ge 

do 

do 

1.8

1.8

µ

µ

m, 

m, 

„

„

Z

Z

łą

łą

cza metal

cza metal

-

-

p

p

ó

ó

ł

ł

przewodnik

przewodnik

„

„

Heteroz

Heteroz

łą

łą

cza

cza

74

74

Materiały 

Materiały 

i

i

technolog

technolog

i

i

a

a

„

„

Problem:

Problem:

–

–

Współczynn

Współczynn

ik

ik

absorbcj

absorbcj

i

i

mater

mater

i

i

ału

ału

‚

‚

na 

na 

k

k

tóry pada św

tóry pada św

i

i

atło 

atło 

jest duży (

jest duży (

α

α

> 10

> 10

6

6

m

m

-

-

1

1

)

)

. 

. 

–

–

Mater

Mater

i

i

ał mus

ał mus

i

i

być c

być c

i

i

en

en

ki

ki

.

.

–

–

Zatem

Zatem

‚

‚

pary ele

pary ele

k

k

tron

tron

-

-

dz

dz

i

i

ura 

ura 

powstają bl

powstają bl

i

i

s

s

k

k

o pow

o pow

i

i

erzchn

erzchn

i

i

.  

.  

Bl

Bl

i

i

s

s

k

k

ość pow

ość pow

i

i

erzchn

erzchn

i

i

przysp

przysp

i

i

esza 

esza 

re

re

k

k

omb

omb

i

i

nację.

nację.

75

75

Materiały 

Materiały 

i

i

technolog

technolog

i

i

a

a

„

„

Rozw

Rozw

i

i

ązan

ązan

i

i

e problemu:

e problemu:

–

–

(a) D

(a) D

i

i

ody metal

ody metal

-

-

półprzewodn

półprzewodn

ik

ik

–

–

(b) 

(b) 

Heterozłącza

Heterozłącza

a)

b)

76

76

Materiały 

Materiały 

i

i

technolog

technolog

i

i

a

a

„

„

D

D

i

i

ody

ody

Schottky

Schottky

’

’

ego 

ego 

–

–

d

d

i

i

ody 

ody 

metal 

metal 

–

–

p

p

ó

ó

ł

ł

przewodn

przewodn

k

k

i

i

te

te

ż

ż

maj

maj

ą

ą

w

w

ł

ł

a

a

ś

ś

c

c

i

i

wo

wo

ś

ś

c

c

i

i

prostuj

prostuj

ą

ą

ce 

ce 

pr

pr

ą

ą

d. Dz

d. Dz

i

i

a

a

ł

ł

aj

aj

ą

ą

‚

‚

zatem 

zatem 

i

i

dentyczn

dentyczn

i

i

e jak 

e jak 

zwy

zwy

k

k

ł

ł

e

e

fotod

fotod

i

i

ody. 

ody. 

„

„

Zbudowane s

Zbudowane s

ą

ą

z 

z 

p

p

ó

ó

ł

ł

przewodn

przewodn

i

i

k

k

a (

a (

GaAs

GaAs

)

)

‚

‚

na 

na 

k

k

t

t

ó

ó

rym

rym

nan

nan

i

i

es

es

i

i

ona jest 

ona jest 

c

c

i

i

en

en

k

k

a 

a 

warstwa metalu (10 

warstwa metalu (10 

nm

nm

). 

). 

Materiały i technologia

Materiały i technologia

0.25 

µm I-GaP

50 nm p-GaP doped 1*10^18cm^-3 Be

0.1 

µm I-GaP

1.0 

µm n-GaP doped 5*10^18 cm^-3 Si

GaP n+ Substrate

Metal

•

•

D

D

i

i

ody

ody

Schottky

Schottky

’

’

ego: 

ego: 

problemem techicznym

jest to, że metal powinien być jak 

najbardziej przezroczysty.

78

78

Materiały 

Materiały 

i

i

technolog

technolog

i

i

a

a

„

„

Heteroz

Heteroz

łą

łą

cza

cza

:

:

–

–

P

P

ó

ó

ł

ł

przewodn

przewodn

ik

ik

na pow

na pow

i

i

erzchn

erzchn

i

i

ma 

ma 

szero

szero

k

k

ą

ą

przerw

przerw

ę

ę

energetyczn

energetyczn

ą

ą

i

i

s

s

ł

ł

abo absorbuje 

abo absorbuje 

ś

ś

w

w

i

i

at

at

ł

ł

o.

o.

–

–

Gdy 

Gdy 

ś

ś

w

w

i

i

at

at

ł

ł

o doc

o doc

i

i

era do mater

era do mater

i

i

a

a

ł

ł

u o 

u o 

w

w

ęż

ęż

szej przerw

szej przerw

i

i

e

e

, 

, 

absor

absor

bcja

bcja

staje s

staje s

i

i

ę

ę

s

s

i

i

lna. 

lna. 

Jednocze

Jednocze

ś

ś

n

n

i

i

e w tym obszarze 

e w tym obszarze 

jest du

jest du

ż

ż

e pole ele

e pole ele

k

k

tryczne. Je

tryczne. Je

ś

ś

l

l

i

i

re

re

k

k

omb

omb

i

i

nacja n

nacja n

i

i

e jest zbyt s

e jest zbyt s

i

i

lna

lna

, 

, 

mo

mo

ż

ż

na os

na os

i

i

ą

ą

gn

gn

ąć

ąć

du

du

żą

żą

wydajno

wydajno

ść

ść

. 

. 

–

–

Mater

Mater

i

i

a

a

ł

ł

y:

y:

–

–

(

(

InGaAsP

InGaAsP

)

)

1

1

/(

/(

InGaAsP

InGaAsP

)

)

2

2

/

/

InP

InP

–

–

(

(

GaAlAsSb

GaAlAsSb

)

)

1

1

/(

/(

GaAlAsSb

GaAlAsSb

)

)

2

2

/

/

GaSb

GaSb

79

79

Fotoelektryczne detektory dymu

Fotoelektryczne detektory dymu

80

80

Fotoelektryczne detektory cząste

Fotoelektryczne detektory cząste

k

k

81

81

Fotoelektryczne detektory cząste

Fotoelektryczne detektory cząste

k

k

+

+

+

+

_

_

_

_

–

–

Padająca cząst

Padająca cząst

k

k

a

a

powoduje powstan

powoduje powstan

i

i

e 

e 

par  

par  

ele

ele

k

k

tron

tron

-

-

dz

dz

i

i

ura

ura

82

82

Literatura 

Literatura 

„

„

Sandrio Elim

Sandrio Elim

, 

, 

Portland State University

Portland State University

„

„

Małgorzata 

Małgorzata 

Pociask

Pociask

, 

, 

Institute of Physics

Institute of Physics

, 

, 

University of

University of

Rzeszów, 

Rzeszów, 

Poland

Poland

„

„

David Marx

David Marx

, 

, 

Illinois State University

Illinois State University

„

„

Jenny Nelson

Jenny Nelson

, 

, 

Department of Physics

Department of Physics

, 

, 

Imperial College 

Imperial College 

London

London