太陽(yáng)能電池(硅)的一些基本概念.ppt

太陽(yáng)能電池（硅）工作原理,太陽(yáng)能電池（硅）工作原理,太陽(yáng)能電池分類(lèi) 半導(dǎo)體及其主要特征 半導(dǎo)體物理有關(guān)概念 本證半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 PN結(jié) 太陽(yáng)能電池原理,1.太陽(yáng)能電池分類(lèi),按照結(jié)構(gòu)分類(lèi)：,同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池：同一半導(dǎo)體材料 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池：不同半導(dǎo)體材料 肖特基太陽(yáng)能電池：金屬與半導(dǎo)體界面肖特基勢(shì)壘 多結(jié)太陽(yáng)能電池：多個(gè)pn結(jié)，復(fù)合半導(dǎo)體電池 液結(jié)太陽(yáng)能電池：電解液和半導(dǎo)體,按照材料分類(lèi)：,硅太陽(yáng)能電池：?jiǎn)尉Ч?、多晶硅?化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池：具有半導(dǎo)體特性的化合物，砷化鎵、硫化鎘 有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池：含有一定數(shù)量炭-炭鍵的半導(dǎo)體材料做成的電池，如萘、芳烴-鹵素絡(luò)合物、高聚物等 薄膜太陽(yáng)能電池：用單質(zhì)、無(wú)機(jī)物、有機(jī)物等材料制作的薄膜作為機(jī)體材料的太陽(yáng)能電池，如非晶硅薄膜、單晶硅薄膜、納米晶薄膜太陽(yáng)能電池,2 半導(dǎo)體及其主要特征,在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。,導(dǎo)體：導(dǎo)電能力強(qiáng)，電阻率10-810-6m，如金銀銅鐵等 絕緣體：導(dǎo)電能力弱或基本不導(dǎo)電，電阻率1081020m，橡膠、塑料、木材、玻璃 半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力居中，電阻率10-5107m，鍺、硅、砷化鎵等 典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。,2.1 材料分類(lèi),2.2 半導(dǎo)體特性 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的，稱(chēng)之為半導(dǎo)體。 (1)熱敏性：導(dǎo)體的導(dǎo)電能力對(duì)溫度反應(yīng)靈敏，受溫度影響大。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，其導(dǎo)電能力增強(qiáng)，稱(chēng)為熱敏性。利用熱敏性可制成熱敏元件。 (2)光敏性：導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的不同而不同。當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，稱(chēng)為光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。 (3)摻雜性：導(dǎo)體更為獨(dú)特的導(dǎo)電性能體現(xiàn)在其導(dǎo)電能力受雜質(zhì)影響極大，稱(chēng)為摻雜性。 例如： 鍺的溫度從200升到300 ，電阻率下降一半 純硅中摻雜百萬(wàn)分之一的硼，電阻率2140降至0.004,晶體：具有明確熔點(diǎn)的物質(zhì) 非晶體：無(wú)明確熔點(diǎn)，加熱時(shí)逐漸軟化 所有晶體都是由原子、分子、離子或這些粒子集團(tuán)在空間按一定規(guī)則排列而成 的。這種對(duì)稱(chēng)的、有規(guī)則的排列，叫晶體的點(diǎn)陣或晶體格子，簡(jiǎn)稱(chēng)為晶格。 單晶體：整塊材料從頭到尾都按同一規(guī)則作周期性排列的晶體 多晶體：整個(gè)晶體由多個(gè)同樣成分、同樣晶體結(jié)構(gòu)的小晶體 組成的晶體,2.3半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),硅的原子序數(shù)為14，即其原子核周?chē)?4個(gè)電子，這些電子按照軌道層層分布：,2.4 晶體原子組成,典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。,硅原子,鍺原子,硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱(chēng)為價(jià)電子。,+14,Ge,+32,+4,一種元素的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)是由其原子結(jié)構(gòu)決定的，其中外層電子的數(shù)目起著最為重要的作用。 習(xí)慣上把外層電子稱(chēng)為價(jià)電子，一個(gè)原子有幾個(gè)外層電子就稱(chēng)它為幾價(jià)。 硅（Si）是第四族元素，稱(chēng)為價(jià)元素； 硼（B）、鋁、鎵、銦為價(jià)元素； 氮、磷（P）、砷為價(jià)元素。 原子和原子的結(jié)合，主要靠外層的互相交合以及價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的變化。,電子在原子核周?chē)D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每一層軌道上的電子都有確定的能量，最里層的軌道相應(yīng)于最低的能量，第二層軌道具有較大的能量，越是外層的電子受原子核的束縛越弱而能量越大。 晶體中，原子電場(chǎng)相互疊加，軌道對(duì)應(yīng)的能級(jí)由單個(gè)能級(jí)變?yōu)槟芰拷咏植煌哪芗?jí)，稱(chēng)為能帶。 外層：能帶寬 有的填滿(mǎn) 內(nèi)層：能帶窄 被電子填滿(mǎn),金屬：無(wú)禁帶，導(dǎo)帶和價(jià)帶重合，即使溫度0K，照樣導(dǎo)電 半導(dǎo)體：禁帶寬度零點(diǎn)幾eV到4eV之間，0K時(shí)，電子充滿(mǎn)價(jià)帶，導(dǎo)帶為空，不導(dǎo)電，溫度升高后電子從價(jià)帶跳到導(dǎo)帶，可以導(dǎo)電 絕緣體：禁帶寬度510eV，難以激發(fā)電子,本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),束縛電子,在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。,4. 本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱(chēng)為“九個(gè)9”。,這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)，也稱(chēng)熱激發(fā)。,當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以?huà)昝撛雍说氖`，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。,自由電子,空穴,自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。,可見(jiàn)本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。 外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。,與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象復(fù)合,在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。,常溫300K時(shí)：,電子空穴對(duì),自由電子 帶負(fù)電荷 電子流,總電流,空穴 帶正電荷 空穴流,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量： 溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。,導(dǎo)電機(jī)制,5. 雜質(zhì)半導(dǎo)體,為了獲得特殊性能的材料，需要人為將雜質(zhì)加到半導(dǎo)體中，這個(gè)過(guò)程叫摻雜。通過(guò)擴(kuò)散或離子注入完成。材料的性能取決于雜質(zhì)種類(lèi)和數(shù)量,5.1. N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱(chēng)為N型半導(dǎo)體。,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,多余電子,磷原子,硅原子,電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)目，導(dǎo)電主要由自由電子決定導(dǎo)電方向與電場(chǎng)方向相反的半導(dǎo)體，稱(chēng)N型半導(dǎo)體（Negitive）,少數(shù)載流子 空穴,施主離子,自由電子,電子空穴對(duì),多數(shù)載流子 電子,在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。,空穴,硼原子,硅原子,多數(shù)載流子 空穴,少數(shù)載流子自由電子,受主離子,空穴,電子空穴對(duì),5.2 P型半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖,多子電子,少子空穴,多子空穴,少子電子,少子濃度與溫度有關(guān),多子濃度與溫度無(wú)關(guān),5.3 載流子,在半導(dǎo)體的導(dǎo)電過(guò)程中，運(yùn)載電流的粒子，可以是帶負(fù)電荷的電子，也可以是帶正電荷的空穴，這些電子或空穴叫做載流子,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與載流子的數(shù)目有關(guān)。單位體積的載流子數(shù)目，叫做載流子濃度。 半導(dǎo)體的載流子濃度隨其中雜質(zhì)的含量和外界條件（如加熱、光照等）而顯著變化。,在本征半導(dǎo)體中，電子和空穴的濃度是相等的。 在含有雜質(zhì)和晶格缺陷的半導(dǎo)體中，電子和空穴的濃度則不相等。 占多數(shù)的載流子叫多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)多子 占少數(shù)的載流子叫少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)少子,載流子產(chǎn)生和復(fù)合,半導(dǎo)體中由于晶格的熱運(yùn)動(dòng)，電子不斷從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成一對(duì)電子和空穴，這就是載流子產(chǎn)生,在不存在外電場(chǎng)時(shí)，在運(yùn)動(dòng)中電子和空穴常常碰在一起，即電子跳到空穴的位置上把空穴填補(bǔ)掉-載流子復(fù)合,在一定的溫度下，半導(dǎo)體內(nèi)電子和空穴不斷產(chǎn)生和復(fù)合 沒(méi)有外表的光和電的影響，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生和復(fù)合的電子與空穴即達(dá)到相對(duì)平衡，稱(chēng)為平衡載流子 在這種情況下，電子濃度和空穴濃度的乘積等于本征半導(dǎo)體載流子濃度。 對(duì)于每種材料，本征半導(dǎo)體載流子濃度取決于溫度。只要溫度一定，則電子濃度和空穴濃度的乘積即是一個(gè)與摻雜無(wú)關(guān)的常數(shù)。,載流子注入,外界條件下，如光照，半導(dǎo)體中電子和空穴的產(chǎn)生率大于復(fù)合率，產(chǎn)生非平衡載流子，這一過(guò)程稱(chēng)為載流子注入,光注入：光照產(chǎn)生 電注入：電學(xué)方法,低注入注入的非平衡載流子濃度原低于平衡載流子濃度 高注入注入的非平衡載流子濃度相當(dāng)于平衡載流子濃度,太陽(yáng)能電池： 一般為低注入 強(qiáng)輻照條件下（100倍陽(yáng)光）下工作的聚光太陽(yáng)能電池為高注入,載流子輸運(yùn),電子和空穴發(fā)生地凈位移，叫載流子的輸運(yùn) 兩種輸運(yùn)方式：漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),漂移運(yùn)動(dòng)：外加電場(chǎng)作用下，載流子熱運(yùn)動(dòng)將疊加一個(gè)附加速度，稱(chēng)為漂移速度 電子：漂移速度與電場(chǎng)反向 空穴：漂移速度與電場(chǎng)同向,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)： 微粒的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象稱(chēng)為擴(kuò)散 主要由濃度差引起，從濃度高處向濃度低處擴(kuò)散，直到相同，濃度差越大、微粒質(zhì)量愈小、溫度愈高，擴(kuò)散速度越快 半導(dǎo)體中載流子因濃度不均勻而引起的從濃度高處向濃度低處的遷移運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體,本節(jié)中的有關(guān)概念,自由電子、空穴,N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體,多數(shù)載流子、少數(shù)載流子,施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì),6. PN結(jié),p-n結(jié)：一塊半導(dǎo)體上，通過(guò)特殊工藝，使一部分呈p型，一部分呈n型，則p型和n型界面附近區(qū)域稱(chēng)為p-n結(jié),同質(zhì)結(jié)：同一半導(dǎo)體材料上形成 異質(zhì)結(jié)：不同半導(dǎo)體材料上形成,生成工藝：成長(zhǎng)、合金、外延、注入 p-n結(jié)： 單向?qū)щ娦?是太陽(yáng)能電池的核心，是其賴(lài)以工作的基礎(chǔ),因多子濃度差,形成內(nèi)電場(chǎng),多子的擴(kuò)散,空間電荷區(qū),阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。,PN結(jié)合,空間電荷區(qū),多子擴(kuò)散電流,少子漂移電流,耗盡層,6.1 . PN結(jié)的形成,動(dòng)態(tài)平衡：,擴(kuò)散電流 漂移電流,總電流0,6.2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(1) 加正向電壓（正偏）電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū),外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。 外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng),耗盡層變窄,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng),多子擴(kuò)散形成正向電流I F,(2) 加反向電壓電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū),外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。 外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng),耗盡層變寬,漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),少子漂移形成反向電流I R,在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無(wú)關(guān)，所以稱(chēng)為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?7.太陽(yáng)能電池原理,原理：半導(dǎo)體pn結(jié)的光生伏特效應(yīng) 物體受陽(yáng)光照射時(shí)，體內(nèi)電荷分布發(fā)生變化而產(chǎn)生電勢(shì)和電流的效應(yīng) 氣體、液體、固體中均可產(chǎn)生 固體中，尤其是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男首罡摺?半導(dǎo)體電池發(fā)電過(guò)程： 吸收太陽(yáng)光，照射在太陽(yáng)能電池表面 太陽(yáng)能電池吸收具有一定能量的光子，激發(fā)非平衡載流子（電子-空穴對(duì)） 光生載流子在pn結(jié)內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，電子-空穴對(duì)被分離 Pn結(jié)兩端引出電極，接上負(fù)載，有電流通過(guò)，獲得功率。 太陽(yáng)能電能,小結(jié),1.半導(dǎo)體材料中有兩種載流子