少数载流子寿命

概述

1. 半导体的光生载流子（少数载流子）寿命取决于复合率，而复合率又取决于少数载流子的浓度。
2. 材料的少数载流子寿命考虑了不同类型的复合。
3. 少数载流子寿命是太阳能电池效率的指标，因此也是选择太阳能电池材料的关键考虑因素。

如果少数载流子的数量由于某些瞬态外部刺激（例如太阳照射）而增加到平衡状态以上，则多余的少数载流子将经过复合过程衰减回到平衡载流子浓度。太阳能电池的一个关键参数是复合发生的速率。这种过程被称为“复合率”，取决于多余的少数载流子的数量。例如，如果没有多余的少数载流子，则复合率必定为零。复合率不可或缺的两个参数是少数载流子寿命和少数载流子扩散长度。这里将讨论第一个参数。

材料的少数载流子寿命用 τ_n 或 τ_p 表示，是载流子在电子空穴产生之后，复合之前可以处于激发态的平均时间。它通常被简称为“寿命”，与材料的稳定性无关。说“硅晶圆具有长寿命”通常意味着通过光或其他方式在晶圆主体中产生的少数载流子在复合之前将持续很长时间。根据结构的不同，由少数载流子寿命长的晶圆制成的太阳能电池通常比由少数载流子寿命短的晶圆制成的电池效率更高。术语“长寿命”和“高寿命”可互换使用。

在低掺杂材料（少数载流子数量小于掺杂量）中，寿命与复合率的关系如下：

$\tau =\frac{\mathrm{\Delta }n}{R}$

其中 τ 少数载流子寿命，Δn 是多余的少数载流子浓度，R是复合率。

 

$\frac{1}{{\tau }_{\text{bulk}}}=\frac{1}{{\tau }_{\text{Band}}}+\frac{1}{{\tau }_{\text{Auger}}}+\frac{1}{{\tau }_{Defect}}$

俄歇寿命是载流子浓度的函数，由下式给出：

${\tau }_{\text{Auger}}=\frac{1}{C{N}_A^2}$

其中硅的俄歇系数 C 通常为：1.66 × 10^-30cm⁶/s ^[Sinton1987], ^{[Altermatt2001]}

References

1. R.A. Sinton and R. Swanson, “Recombination in highly injected silicon,” Electron Devices, IEEE Transactions on, vol. 34, pp. 1380 - 1389, 1987.
2. P. Altermatt, R.A. Sinton and G. Heiser, “Improvements in numerical modelling of highly injected crystalline silicon solar cells,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 65, pp. 149-155(7), 2001. http://www.ingentaconnect.com/content/els/09270248/2001/00000065/00000001/art00089" doi = "doi:10.1016/S0927-0248(00)00089-1