光生载流子

载流子种类

光生载流子，用光照射半导体时，若光子的能量等于或大于半导体的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子后进入导带，产生电子-空穴对。这种类型的载流子称为光生载流子。

光照在半导体的表面，会有吸收。光子吸收同时产生一个多数载流子和一个少数载流子。

在诸多光伏应用中，光生载流子的数目远少于太阳电池中本来就存在的由于掺杂而产生的多数载流子。

结果光照时半导体中的多数载流子数目基本不变，而少数载流子却显著增加。光生少数载流子数目远超过暗条件下太阳电池中本来存在的少数载流子，因而光照太阳电池中的少数载流子数可近似为光生载流子数。

光生载流子寿命

光生载流子寿命主要取决于半导体内的复合,大致可分为三种:

(1)Shoekley一Read复合;

(2)辐射复合;

(3)Auger复合。由于半导体对于能量大于禁带宽度的光子吸收系数较大,辐射复合放出的光子总可以被吸收,从太阳能电池的光电转换效率来看,辐射复合的影响可以忽略;Auger复合寿命主要由禁带宽度和热平衡载流子浓度来确定

有机太阳电池的光生载流子产生机理

虽然有机太阳电池和无机太阳电池一样是直接将太阳光的光子转换为电子空穴对发电的器件，但是它们的具体工作原理却有很大区别。学术界对于有机太阳电池中的光生载流子如何产生存在争论。组成有机太阳电池的有机半导体材料（包括共轭聚合物和共轭小分子）通常相对介电常数只有，远低于无机半导体（>10），导致电荷间的屏蔽效应远小于无机半导体。因此主流学说认为有机太阳电池的光生载流子的产生机理如下（简称为激子理论）：一个光子被有机半导体材料吸收后并不会像无机半导体那样直接形成一个自由电子和一个自由空穴，而是先形成由库仑力束缚在一起的一个电子空穴对，称为激子。一定时间后激子扩散到给体受体界面并通过界面的能级差(主要是给体和受体的最低占据分子轨道(LUMO)能级之差)发生电荷分离从而最终产生电子空穴对（学术界普遍认为有机半导体中不存在严格意义的自由电子和自由空穴，只有正极化子[positivepolaron]和负极化子[negative polaron]，

近年来的研究表明激子扩散到给体-受体界面也并不会直接分离为电子-空穴对，而会先转变为束缚度较小的电荷转移态（Charge Transfer State，简称CT态）。CT态是亚稳态的能级，其本质就是束缚在界面上的电子空穴对，它可以继续完成电荷分离产生光生载流子，也有可能因电子和空穴直接在界面上复合导致载流子的损失，还有可能转移到其他能量更低的能级上，比如给体或者受体材料的三线态能级上。

光生载流子衰减特征分析

当半导体材料受到光激发时,电子受激跃迁到导带,形成导带电子和价带空穴,通称光生载流子。载流子运动过程对半导体性能有非常重要的影响,是分析半导体微观动力学过程的重要概念。半导体中由于杂质、空位、隙间原子或位错在禁带中产生一些能级，这些能级或者起陷阱的作用，或者起复合中心的作用，还要看杂质、温度和其他掺杂情况而定。

微波吸收法最早用于测量半导体晶片的光生载流子的衰减过程。微波测量技术特别适合于测量纳米晶体发光材料、纳米光化学材料、纳米薄膜材料等的载流子运动过程,对揭示其发光机理具有重要意义。

通过研究自由光电子和浅束缚电子衰减动力学过程,有助于更好地了解半导体晶体材料的能带结构以及发光动力学机制,为研究和开发高发光效率的半导体材料提供科学依据。

材料的不同微观结构，形成不同浓度和类型的缺陷,对应不同的光生载流子俘获中心缺陷态。不同的缺陷态可能形成浅能级陷阱、深能级陷阱、辐射复合中心、非辐射复合中心等。因为Si C辐射复合的时间极短（皮秒至纳秒量级），且光致发光效率较低，所以辐射复合是引起光生载流子衰减的主要原因。

光生载流子在陷阱中的行为是可逆的，即同时存在俘获与反俘获过程，陷阱深浅决定了光生载流子衰减的快慢。光生载流子衰减过程中，前期的时间行为主要反映了浅陷阱的作用。随后，深陷阱和浅陷阱的光生载流子弛豫效应将共同作用，最终深陷阱的行为占优势。这种观点已在非晶及微晶硅薄膜的瞬态光电导测量中得到证实。

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