太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用

1、太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1、半導(dǎo)體的性質(zhì)、半導(dǎo)體的性質(zhì) 世界上的物體如果以導(dǎo)電的性能來區(qū)分，有的容易導(dǎo)電，有的不容世界上的物體如果以導(dǎo)電的性能來區(qū)分，有的容易導(dǎo)電，有的不容 易導(dǎo)電。容易導(dǎo)電的稱為導(dǎo)體，如金、銀、銅、鋁、鉛、錫等各種金易導(dǎo)電。容易導(dǎo)電的稱為導(dǎo)體，如金、銀、銅、鋁、鉛、錫等各種金 屬；不容易導(dǎo)電的物體稱為絕緣體，常見的有玻璃、橡膠、塑料、石屬；不容易導(dǎo)電的物體稱為絕緣體，常見的有玻璃、橡膠、塑料、石 英等等；導(dǎo)電性能介于這兩者之間的物體稱為半導(dǎo)體，主要有鍺、硅、英等等；

2、導(dǎo)電性能介于這兩者之間的物體稱為半導(dǎo)體，主要有鍺、硅、 砷化鎵、硫化鎘等等。眾所周知，原子是由原子核及其周圍的電子構(gòu)砷化鎵、硫化鎘等等。眾所周知，原子是由原子核及其周圍的電子構(gòu) 成的，一些電子脫離原子核的束縛，能夠自由運動時，稱為自由電子。成的，一些電子脫離原子核的束縛，能夠自由運動時，稱為自由電子。 金屬之所以容易導(dǎo)電，是因為在金屬體內(nèi)有大量能夠自由運動的電子，金屬之所以容易導(dǎo)電，是因為在金屬體內(nèi)有大量能夠自由運動的電子， 在電場的作用下，這些電子有規(guī)則地沿著電場的相反方向流動，形成在電場的作用下，這些電子有規(guī)則地沿著電場的相反方向流動，形成 了電流。自由電子的數(shù)量越多，或者它們在電場的作用

3、下有規(guī)則流動了電流。自由電子的數(shù)量越多，或者它們在電場的作用下有規(guī)則流動 的平均速度越高，電流就越大。電子流動運載的是電量，我們把這種的平均速度越高，電流就越大。電子流動運載的是電量，我們把這種 運載電量的粒子，稱為載流子。在常溫下，絕緣體內(nèi)僅有極少量的自運載電量的粒子，稱為載流子。在常溫下，絕緣體內(nèi)僅有極少量的自 由電子，因此對外不呈現(xiàn)導(dǎo)電性。半導(dǎo)體內(nèi)有少量的自由電子，在一由電子，因此對外不呈現(xiàn)導(dǎo)電性。半導(dǎo)體內(nèi)有少量的自由電子，在一 些特定條件下才能導(dǎo)電。些特定條件下才能導(dǎo)電。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理

4、基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1、半導(dǎo)體的性質(zhì)、半導(dǎo)體的性質(zhì) 半導(dǎo)體可以是元素，如硅（半導(dǎo)體可以是元素，如硅（Si）和鍺（）和鍺（Ge），也可以是化合物，如硫），也可以是化合物，如硫 化鎘（化鎘（OCLS）和砷化鎵（）和砷化鎵（GaAs），還可以是合金，如），還可以是合金，如GaxAL1-xAs， 其中其中x為為0-1之間的任意數(shù)。許多有機化合物，如蒽也是半導(dǎo)體。之間的任意數(shù)。許多有機化合物，如蒽也是半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的電阻率較大（約半導(dǎo)體的電阻率較大（約10-5107.m），而金屬的電阻率則很小），而金屬的電阻率則很小 （約（約10-8108 .m ）。半導(dǎo)體的電阻率對溫度的反應(yīng)靈敏，例如鍺的溫度從）

5、。半導(dǎo)體的電阻率對溫度的反應(yīng)靈敏，例如鍺的溫度從200C升升 高到高到300C，電阻率就要降低一半左右。金屬的電阻率隨溫度的變化則，電阻率就要降低一半左右。金屬的電阻率隨溫度的變化則 較小，例如銅的溫度每升高較小，例如銅的溫度每升高1000C，增加增加40%左右。電阻率受雜質(zhì)的左右。電阻率受雜質(zhì)的 影響顯著。金屬中含有少量雜質(zhì)時，看不出電阻率有多大的變化，但影響顯著。金屬中含有少量雜質(zhì)時，看不出電阻率有多大的變化，但 在半導(dǎo)體里摻入微量的雜質(zhì)時，卻可以引起電阻率很大的變化，例如在半導(dǎo)體里摻入微量的雜質(zhì)時，卻可以引起電阻率很大的變化，例如 在純硅中摻入百萬分之一的硼，硅的電阻率就從在純硅中摻入百

6、萬分之一的硼，硅的電阻率就從2.14103 .m減小到減小到 0.004 .m左右。金屬的電阻率不受光照影響，但是半導(dǎo)體的電阻率左右。金屬的電阻率不受光照影響，但是半導(dǎo)體的電阻率 在適當?shù)墓饩€照射下可以發(fā)生顯著的變化。在適當?shù)墓饩€照射下可以發(fā)生顯著的變化。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2.1、能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性、能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性 半導(dǎo)體的許多電特性可以用一種簡單的模型來解釋。硅半導(dǎo)體的許多電特性可以用一種簡單的模型來解釋。硅 是四價元素，每個原子的最外殼

7、層上有是四價元素，每個原子的最外殼層上有4個電子，在硅晶體個電子，在硅晶體 中每個原子有中每個原子有4個相鄰原子，并和每一個相鄰原子共有兩個個相鄰原子，并和每一個相鄰原子共有兩個 價電子，形成穩(wěn)定的價電子，形成穩(wěn)定的8電子殼層。電子殼層。 自由空間的電子所能得到的能量值基本上是連續(xù)的，但在自由空間的電子所能得到的能量值基本上是連續(xù)的，但在 晶體中的情況就可能截然不同了，孤立原子中的電子占據(jù)晶體中的情況就可能截然不同了，孤立原子中的電子占據(jù) 非常固定的一組分立的能線，當孤立原子相互靠近，規(guī)則非常固定的一組分立的能線，當孤立原子相互靠近，規(guī)則 整齊排列的晶體中，由于各原子的核外電子相互作用，本整齊

8、排列的晶體中，由于各原子的核外電子相互作用，本 來在孤立原子狀態(tài)是分離的能級擴展，根據(jù)情況相互重疊，來在孤立原子狀態(tài)是分離的能級擴展，根據(jù)情況相互重疊， 變成如圖變成如圖2.1所示的帶狀。電子許可占據(jù)的能帶叫允許帶，所示的帶狀。電子許可占據(jù)的能帶叫允許帶， 允許帶與允許帶間不許可電子存在的范圍叫禁帶。允許帶與允許帶間不許可電子存在的范圍叫禁帶。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 圖圖2.1 原子間距和電子能級的關(guān)系原子間距和電子能級的關(guān)系 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工

9、作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 在低溫時，晶體內(nèi)的電子占有最低的可能能態(tài)。但是晶體的平衡狀態(tài)并 不是電子全都處在最低允許能級的一種狀態(tài)?；疚锢矶ɡ砼堇?（Pauli）不相容原理規(guī)定，每個允許能級最多只能被兩個自旋方向相反 的電子所占據(jù)。這意味著，在低溫下，晶體的某一能級以下的所有可能 能態(tài)都將被兩個電子占據(jù)，該能級稱為費米能級（EF）。隨著溫度的升 高， 一些電子得到超過費米能級的能量，考慮到泡利不相容原理的限制， 任一給定能量E 的一個所允許的電子能態(tài)的占有幾率可以根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律 計算，其結(jié)果是由下式給出的費米狄拉克分布函數(shù)f(E)，即 現(xiàn)在

10、就可用電子能帶結(jié)構(gòu)來描述金屬、絕緣體和半導(dǎo)體之間的差別。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 電導(dǎo)現(xiàn)象是隨電子填充允許帶的方式不同而不同。被電子完全 占據(jù)的允許帶（稱為滿帶）上方，隔著很寬的禁帶，存在完全 空的允許帶（稱為導(dǎo)帶），這時滿帶的電子即使加電場也不能 移動，所以這種物質(zhì)便成為絕緣體。允許帶不完全占滿的情況 下，電子在很小的電場作用下就能移動到離允許帶少許上方的 另一個能級，成為自由電子，而使電導(dǎo)率變得很大， 這種物質(zhì) 稱為導(dǎo)體。所謂半導(dǎo)體，即是天然具有和絕緣體一樣的能帶結(jié) 構(gòu)，但禁帶寬

11、度較小的物質(zhì)。在這種情況下，滿帶的電子獲得 室溫的熱能，就有可能越過禁帶跳到導(dǎo)帶成為自由電子，它們 將有助于物質(zhì)的導(dǎo)電性。參與這種電導(dǎo)現(xiàn)象的滿帶能級在大多 數(shù)情況下位于滿帶的最高能級，因此可將能帶結(jié)構(gòu)簡化為圖2.2 。 另外，因為這個滿帶的電子處于各原子的最外層，是參與原子 間結(jié)合的價電子，所以又把這個滿帶稱為價帶。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 圖中省略了導(dǎo)帶的上部和價帶 的下部。半導(dǎo)體結(jié)晶在相鄰原 子間存在著共用價電子的共價 鍵。如圖2.2 所示，一旦從外 部獲得能量，共價鍵被破壞后，

12、 電子將從價帶躍造到導(dǎo)帶，同 時在價帶中留出電子的一個空 位。這個空位可由價帶中鄰鍵 上的電子來占據(jù)，而這個電子 移動所留下的新的空位又可以 由其它電子來填補。 這樣，我們可以看成是空位在依次地移動，等效于帶正電荷的粒子朝著與電子 運動方向相反的方向移動，稱它為空穴。在半導(dǎo)體中，空穴和導(dǎo)帶中的自由電 子一樣成為導(dǎo)電的帶電粒子（即載流子）。電子和空穴在外電場作用下，朝相 反方向運動，但是由于電荷符號也相反，因此，作為電流流動方向則相同，對 電導(dǎo)率起迭加作用。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2

13、.2、本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體 圖2.2 所示的能帶結(jié)構(gòu)中，當禁帶寬度Eg比較小的情況下， 隨著溫度上升，從價帶躍遷到導(dǎo)帶的電子數(shù)增多，同時在價帶 產(chǎn)生同樣數(shù)目的空穴。這個過程叫電子空穴對的產(chǎn)生，把在 室溫條件下能進行這樣成對的產(chǎn)生并具有一定電導(dǎo)率的半導(dǎo)體 叫本征半導(dǎo)體，它只能在極純的材料情況下得到的。而通常情 況下，由于半導(dǎo)體內(nèi)含有雜質(zhì)或存在品格缺陷，作為自由載流 子的電子或空穴中任意一方增多，就成為摻雜半導(dǎo)體。存在多 余電子的稱為n型半導(dǎo)體，存在多余空穴的稱為P型半導(dǎo)體。 雜質(zhì)原子可通過兩種方式摻入晶體結(jié)構(gòu)：它們可以擠在基質(zhì)晶 體原子間的位置上，這種情況稱它們?yōu)殚g隙雜質(zhì)；另一種方式 是，它們

14、可以替換基質(zhì)晶體的原子，保持晶體結(jié)構(gòu)中的有規(guī)律 的原子排列，這種情況下，它們被稱為替位雜質(zhì)。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 圖2.3 一個V族原子替代了一個硅原子的部分硅晶格 周期表中族和V族原子在硅 中充當替位雜質(zhì)，圖2.3示出 一個V族雜質(zhì)（如磷）替換了 一個硅原子的部分晶格。四個 價電子與周圍的硅原子組成共 價鍵，但第五個卻處于不同的 情況，它不在共價鍵內(nèi)，因此 不在價帶內(nèi)，它被束縛于V族 原子，所以不能穿過晶格自由 運動，因此它也不在導(dǎo)帶內(nèi)。 可以預(yù)期，與束縛在共價鍵內(nèi) 的自由電子

15、相比，釋放這個多 余電子只須較小的能量，比硅 的帶隙能量1.1eV小得多。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 自由電子位于導(dǎo)帶中，因此束縛于V族原子的多余電子位于低于導(dǎo)帶底的能 量為E的地方，如圖所示那樣。這就在“禁止的”晶隙中安置了一個允許的 能級， 族雜質(zhì)的分析與此類似。例如，把V族元素（Sb,As,P）作為雜質(zhì) 摻入單元素半導(dǎo)體硅單晶中時，這些雜質(zhì)替代硅原子的位置進入晶格點。它 的5個價電子除與相鄰的硅原子形成共價鍵外，還多余1個價電子，與共價鍵 相比，這個剩余價電子極松弛地結(jié)合于雜質(zhì)原

16、子。因此，只要雜質(zhì)原子得到 很小的能量，就可以釋放出電子形成自由電子，而本身變成1價正離子，但 因受晶格點陣的束縛，它不能運動。這種情況下，形成電子過剩的n型半導(dǎo) 體。這類可以向半導(dǎo)體提供自由電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 其能帶結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。在 n型半導(dǎo)體中，除存在從這些施主能級產(chǎn)生的 電子外，還存在從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶的電子。由于這個過程是電子-空穴成對 產(chǎn)生的，因此，也存在相同數(shù)目的空穴。我們把數(shù)量多的電子稱為多數(shù)載流 子，將數(shù)量少的空穴稱為少數(shù)載流子。 圖

17、2.5 n 型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 圖2.6 p 型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 把族元素（B、Al、Ga、In）作為雜質(zhì)摻入時，由于形成完整 的共價鍵上缺少一個電子。所以，就從相鄰的硅原子中奪取一個 價電子來形成完整的共價鍵。被奪走的電子留下一個空位，成為 空穴。結(jié)果，雜質(zhì)原子成為1 價負離子的同時，提供了束縛不緊 的空穴。這種結(jié)合用很小的能量就可以破壞，而形成自由空穴， 使半導(dǎo)體成為空穴過剩的P 型半導(dǎo)體， 可以接受電子的雜質(zhì)原子 稱為受主雜質(zhì)。其能帶結(jié)構(gòu)如圖2.6 所示

18、。這種情況下，多數(shù)載 流子為空穴，少數(shù)載流子為電子。 上述的例子都是由摻雜形成的n 型或P 型半導(dǎo)體，因此稱為摻雜 半導(dǎo)體。但為數(shù)很多的化合物半導(dǎo)體，根據(jù)構(gòu)成元素某種過?；?不足，有時導(dǎo)電類型發(fā)生變化。另外，也有由于構(gòu)成元素蒸氣壓 差過大等原因，造成即使摻入雜質(zhì)有時也得不到n、p 兩種導(dǎo)電類 型的情況。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2.3、 載流子濃度 半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子的濃度各自達到平衡值。 因某種原因，少數(shù)載流子一旦超過平衡值，就將發(fā)生與多數(shù)載流子的復(fù)合，

19、 企圖恢復(fù)到原來的平衡的狀態(tài)。設(shè)電子濃度為n，空穴濃度為p，則空穴濃度 隨時間的變化率由電子-空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合之差給出下式： 電子空穴對的產(chǎn)生幾率g 是由價帶中成為激發(fā)對象的電子數(shù)和導(dǎo)帶中 可允許占據(jù)的能級數(shù)決定。然而，空穴少于導(dǎo)帶的允許能級時，不依賴于 載流子數(shù)而成為定值。復(fù)合率正比于載流子濃度n 與p 的乘積，比例系數(shù)r 表示復(fù)合幾率。平衡狀態(tài)時dp/dt=0,由此可導(dǎo)出 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 它意味著多數(shù)載流子濃度和少數(shù)載流子濃度的乘積為確定值。這個關(guān)系 式也適用于本征半導(dǎo)

20、體，可得到 根據(jù)量子理論和量子統(tǒng)計理論可以得到 式中， k玻耳茲曼常數(shù)； h普朗克常數(shù)； m*n電子有效質(zhì)量； mp*空穴有效質(zhì)量； T絕對溫度； EV價帶頂能量； EC導(dǎo)帶底能量； NV價帶頂?shù)挠行B(tài)密度 NC導(dǎo)帶底的有效態(tài)密度 意義：假如知道半導(dǎo)體的 禁帶亮度Eg，就可以很容 易地計算出本征載流子濃 度。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 費米能級在描述半導(dǎo)體的能級圖上是重要的參量。所謂費米能級，即為 電子占據(jù)幾率為1/2 處的能級，可根據(jù)半導(dǎo)體電中性條件求出，即 ： 自由空穴濃度+電離施

21、主濃度=自由電子濃度+電離受主濃度 (2.5) 費米能級在本征半導(dǎo)體中幾乎位于禁帶中央，而在n 型半導(dǎo)體中靠近導(dǎo)帶。在P 型半導(dǎo)體中靠近價帶。同時費米能級將根據(jù)摻雜濃度的不同，發(fā)生如圖2.6 所 示的變化。例如， n 型半導(dǎo)體中設(shè)施主濃度為Nd，可給出： P 型半導(dǎo)體中設(shè)受主濃度為Na，則可給出： 如果知道了雜質(zhì)濃度就可以通過計算求得 費米能級。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2.4 、載流子的傳輸 一、漂移 在外加電場 的影響下，一個隨機運動的自由電子在與電場相反的方向上有 一個加速度a

22、= /m，在此方向上，它的速度隨時間不斷地增加。晶體內(nèi)的電 子處于一種不同的情況， 它運動時的質(zhì)量不同于自由電子的質(zhì)量，它不會 長久持續(xù)地加速，最終將與晶格原子、雜質(zhì)原子或晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的缺陷相碰撞。 這種碰撞將造成電子運動的雜亂無章，換句話說，它將降低電子從外加電場 得到附加速度，兩次碰撞之間的“平均”時間稱為弛豫時間tr，由電子無規(guī) 則熱運動的速度來決定。此速度通常要比電場給與的速度大得多，在兩次碰 撞之間由電場所引起的電子平均速度的增量稱為漂移速度。導(dǎo)帶內(nèi)電子的漂 移速度由下式得出： 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)

23、體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 電子載流子的遷移率定義為： 來自導(dǎo)帶電子的相應(yīng)的電流密度將是 對于價帶內(nèi)的空穴，其類似公式為 總電流就是這兩部分的和。因此半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為 其中 是電阻率。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 對于結(jié)晶質(zhì)量很好的比較純的半導(dǎo)體來說，使載流子速度變 得紊亂的碰撞是由晶體的原子引起的。然而，電離了的摻雜 劑是有效的散射體，因為它們帶有凈電荷。因此，隨著半導(dǎo) 體摻雜的加重，兩次碰撞間的平均時間以及遷移率都將降低。 當溫度升高時，基體原子的振動更劇烈，它們變?yōu)楦蟮?“靶”，

24、從而降低了兩次碰撞間的平均時間及遷移率。重摻 雜時，這個影響就得不太顯著，因為此時電離了的摻雜劑是 有效的載流子的散射體。 電場強度的提高，最終將使載流子的漂移速度增加到可與無 規(guī)則熱速度相比。因此， 電子的總速度歸根結(jié)底將隨著電場 強度的增加而增加。電場的增加使碰撞之間的時間及遷移率 減小了。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 二、擴散 除了漂移運動以外，半導(dǎo)體中的載流子也可以由于擴散而流動。象氣體 分子那樣的任何粒子過分集中時，若不受到限制，它們就會自己散開。 此現(xiàn)象的基本原因是這些粒子的

25、無規(guī)則的熱速度。 粒子流與濃度梯度的負值成正比。因為電流與荷電粒子流成正比，所以 對應(yīng)于電子的一維濃度梯度的電流密度是 其中De是擴散常數(shù)。同樣對于空穴，有 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 從根本上講，漂移和擴散兩個過程是有關(guān)系的，因而，遷移率和擴散 常數(shù)不是獨立的，它們通過愛因斯坦關(guān)系相互聯(lián)系，即 kT/q 是在與太陽電池有關(guān)的關(guān)系式中經(jīng)常出現(xiàn)的參數(shù)，它具有電 壓的量綱，室溫時為26mv。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性

26、 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2.5、 半導(dǎo)體的吸收系數(shù) 半導(dǎo)體晶體的吸光程度由光的頻率和材料的禁帶寬度所決定。 當頻率低、光子能量h比半導(dǎo)體的禁帶寬度 Eg 小時，大部 分光都能穿透；隨著頻率變高，吸收光的能力急劇增強。吸 收某個波長 的光的能力用吸收系數(shù)（h ）來定義。半 導(dǎo)體的光吸收由各種因素決定，這里僅考慮到在太陽電池上 用到的電子能帶間的躍遷。一般禁帶寬度越寬，對某個波長 的吸收系數(shù)就越小。除此以外，光的吸收還依賴于導(dǎo)帶、價 帶的態(tài)密度。 光為價帶電子提供能量，使它躍遷到導(dǎo)帶，在躍遷過程中， 能量和動量守恒，對沒有聲子參與的情況，即不伴隨有動量 變化的躍遷稱為直接躍遷，其吸收過

27、程的形式示于圖2.7， 而伴隨聲子的躍遷稱為間接躍遷，其吸收躍遷過程示于圖2.8。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 圖2.7 直接帶隙半導(dǎo)體的能量晶體動量圖 圖2.8 間接帶隙半導(dǎo)體的能量晶體動量圖 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 硅屬于間接躍遷類型，其吸收系數(shù)上升非常平緩，所以在太陽 光照射下，光可到達距表面20m 以上相當深的地方，在此還能 產(chǎn)生電子一空穴對。與此相反，對直接躍遷型材料

28、GaAs，在其 禁帶寬度附近吸收系數(shù)急劇增加，對能量大于禁帶寬度的光子 的吸收緩慢增加， 此時，光吸收和電子一空穴對的產(chǎn)生，大部 分是在距表面2m 左右的極薄區(qū)域中發(fā)生。簡言之，制造太陽 電池時，用直接躍遷型材料，即使厚度很薄，也能充分的吸收 太陽光，而用間接躍遷型材料，沒有一定的厚度，就不能保證 光的充分吸收。但是作為太陽電池必要的厚度，并不是僅僅由 吸收系數(shù)來決定的，與少數(shù)載流子的壽命也有關(guān)系，當半導(dǎo)體 摻雜時，吸收系數(shù)將向高能量一側(cè)發(fā)生偏移。 由于一部分光在半導(dǎo)體表面被反射掉，因此，進入內(nèi)部的光實 際上等于扣除反射后所剩部分。為了充分利用太陽光，應(yīng)在半 導(dǎo)體表面制備絨面和減反射層，以減少

29、光在其表面的反射損失。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2.6、 載流子的復(fù)合 一 馳豫到平衡 適當波長的光照射在半導(dǎo)體上會產(chǎn)生電子空穴對。因此，光照射時材料的載 流子濃度將超過無光照時的值。如果切斷光源，則載流子濃度就衰減到它們平 衡時的值。這個衰減過程通稱為復(fù)合過程。下面將介紹幾種不同的復(fù)合機構(gòu)。 二 輻射復(fù)合 輻射復(fù)合就是光吸收過程的逆過程。占據(jù)比熱平衡時更高能態(tài)的電子有可能躍 遷到空的低能態(tài)，其全部（或大部分）初末態(tài)間的能量差以光的方式發(fā)射。所 有已考慮到的吸收機構(gòu)都有相反的輻射復(fù)合

30、過程。由于間接帶隙半導(dǎo)體需要包 括聲子的兩級過程，所以輻射復(fù)合在直接帶隙半導(dǎo)體中比間接帶隙半導(dǎo)體中進 行得快。 總的輻射復(fù)合速率RR與導(dǎo)帶中占有態(tài)（電子）的濃度和價帶中未占有態(tài) （空穴）的濃度的乘積成正比，即 式中，B 對給定的半導(dǎo)體來說是一個常數(shù)。由于光吸收和這種復(fù)合過程之間 的關(guān)系，由半導(dǎo)體的吸收系數(shù)能夠計算出B。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 熱平衡時，即np=ni2時，復(fù)合率由數(shù)目相等但過程相反的產(chǎn)生率所平衡。 在不存在由外部激勵源產(chǎn)生載流子對的情況下，與上式相對應(yīng)的凈復(fù)合率 UR

31、 由總的復(fù)合率減去熱平衡時的產(chǎn)生率得到，即 對任何復(fù)合機構(gòu)，都可定義有關(guān)載流子壽命（對電子）和（對空穴） 它們分別為 式中，U 為凈復(fù)合率, n 和p 是相應(yīng)載流子從它們熱平衡時的值n0和p0 的擾動。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 對n= p 的輻射復(fù)合機構(gòu)而言，由式（2.17）確定的特征壽命是 硅的B 值約為210-15cm3/s。 正如前面所說的直接帶隙材料的復(fù)合壽命比間接帶隙材料的小得多。利 用GaAs 及其合金為材料的商用半導(dǎo)體激光器和光發(fā)射二極管就是以輻 射復(fù)合過程作為基礎(chǔ)的。

32、但對硅來說，其它的復(fù)合機構(gòu)遠比這重要得多。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 三、俄歇復(fù)合三、俄歇復(fù)合 在俄歇（Auger）效應(yīng)中，電子與空穴復(fù)合時，將多余的能量傳給第二個 電子而不是發(fā)射光。圖2.9 示出了這個過程。然后，第二個電子通過發(fā)射 聲子弛豫回到它初始所在的能級。俄歇復(fù)合就是更熟悉的碰撞電離效應(yīng) 的逆過程。對具有充足的電子和空穴的材料來說， 與俄歇過程有關(guān)的特 征壽命?分別是 在每種情況下，右邊的第一項描述少數(shù)載流子能帶的電子激發(fā)，第二項描 述多數(shù)載流子能帶的電子激發(fā)。由于第二項的影

33、響，高摻雜材料中俄歇復(fù) 合尤其顯著。對于高質(zhì)量硅，摻雜濃度大于1017cm3時，俄歇復(fù)合處于支 配地位。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 圖2.9 俄歇復(fù)合過程 （a） 多余的能量傳給導(dǎo)帶中的電子 （b） 多余的能量傳給價帶中的電子 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 四、通過陷阱的復(fù)合四、通過陷阱的復(fù)合 前面已指出，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷會在禁帶中產(chǎn)生允許能級。這些缺陷能 級引起一種很有效的兩

34、級復(fù)合過程。如圖2.10（a）所示，在此過程中，電 子從導(dǎo)帶能級弛豫到缺陷能級，然后再弛豫到價帶，結(jié)果與一個空穴復(fù)合。 （a） 通過半導(dǎo)體禁帶中的陷阱能級的兩級復(fù)合過程 （b） 在半導(dǎo)體表面位于禁帶中的表面態(tài) 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 對此過程進行動力學分析可得，通過陷阱的凈復(fù)合產(chǎn)生率UT可寫為 式中，?h0和 ?e0 是壽命參數(shù)，它們的大小取決于陷阱的類型和陷阱缺 陷的體密度，n1 和p1 是分析過程中產(chǎn)生的參數(shù)，此分析過程還引入 一個復(fù)合速率與陷阱能Et的關(guān)系式： 式(2.22)在

35、形式上與用費米能級表示電子濃度的公式很相似。如果?e0和?h0數(shù)量 級相同，可知當n1p1 時，U 有其峰值。當缺陷能級位于禁帶間中央附近時， 就出現(xiàn)這種情況。因此， 在帶隙中央引入能級的雜質(zhì)是有效的復(fù)合中心。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 表面可以說是晶體結(jié)構(gòu)中有相當嚴重缺陷的地方。如圖2.10（b） 所示，在表面處存在許多能量位于禁帶中的允許能態(tài)。因此由 上面所敘述的機構(gòu)，在表面處，復(fù)合很容易發(fā)生。單能級表面 態(tài)每單位面積的凈復(fù)合率UA 具有與2.21 類似的形式，即 五、表面復(fù)合五、

36、表面復(fù)合 式中Se0和Sh0是表面復(fù)合速度。位于帶隙中央附近的表面態(tài)能級 也是最有效的復(fù)合中心。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2.7、 半導(dǎo)體器件物理學基本方程半導(dǎo)體器件物理學基本方程 前面幾節(jié)中已經(jīng)概述了半導(dǎo)體的有關(guān)特性，這些內(nèi)容現(xiàn)在將被歸納為 一組能描述半導(dǎo)體器件工作的基本方程。這些方程的解使我們能夠確 定包括太陽電池在內(nèi)的大部分半導(dǎo)體器件的理想特性。忽略其余兩維 空間的變化，方程組將寫成一維的形式。 1、 泊松方程 它描述了電場散度與空間電荷密度之間的關(guān)系，在一維情況下，其形式為：

37、 式中是介電常數(shù)。 為電荷密度。在半導(dǎo)體中， 值為 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 式中，p 和n 是空穴和電子的濃度，ND+和NA-分別是已電離的 施主和受主的濃度。在正常情況下，大部分施主和受主都被 電離，因此 式中ND和NA為施主和受主雜質(zhì)的總濃度。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 電子和空穴通過漂移和擴散過程可對電流作出貢獻。因此， 電子和空穴的總電流密度Je和Jh的表達式為 遷移

38、率和擴散系數(shù)的關(guān)系由愛因斯坦關(guān)系式De=(kT/q)e 和Dh=(kT/q)h確定。 2、電流密度方程、電流密度方程 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 3、連續(xù)方程、連續(xù)方程 參看圖2.11 中長為x、橫截面積為A 的單元體積，可以說這個體 積中電子的凈增加幾率等于它們進入的速率減去它們出去的速率， 加上該體積中它們的產(chǎn)生率，減去它們的復(fù)合率，寫成方程為： 圖2.11 推導(dǎo)電子連續(xù)方程用的單元體積 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本

39、特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 式中G 是由于外部作用（如光照）所一引起的凈產(chǎn)生率，U 是凈復(fù)合率。 在穩(wěn)態(tài)情況下，凈增加率必須為0，這樣就有 同樣，對于空穴有 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 4、方程組、方程組 由上述方程，我們可得到應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的基本方程組： 利用計算機，通過引入一些考慮周詳?shù)慕铺幚?，可能極簡單地就可求得這些方程的解。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 3

40、、半導(dǎo)體、半導(dǎo)體pn 結(jié)結(jié) 3.1、 能帶圖能帶圖 在一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)，P 型和n 型緊接在一起時，將它們交界處稱為pn 結(jié)。當p 型， n 型單獨存在時，費米能級如圖2.12（a）所示，分別位于 介帶和導(dǎo)帶附近. 一旦形成pn 結(jié)，由于結(jié)兩邊的電子和空穴的濃度不同， 電子就強烈地要從n 區(qū)向p 區(qū)擴散，空穴則要向相反方向擴散，其結(jié)果 在n 型一邊出現(xiàn)正電荷，在p 型一邊出現(xiàn)負電荷，這兩種電荷層在半導(dǎo) 體內(nèi)部建立了一個內(nèi)建電場，這個電場反過來又在結(jié)處產(chǎn)生一個內(nèi)部電 位降，阻擋了電子和空穴的進一步擴散，包含這兩種電荷層的空間稱為 耗盡區(qū)或空間電荷區(qū)。通過這個空間電荷區(qū)的作用，使費米能級成同一 水

41、平，達到平衡狀態(tài)。圖2.12（b）表示pn 結(jié)的能帶圖及從p 區(qū)向n 區(qū)變 化的空間電荷區(qū)。內(nèi)建電場從n 區(qū)指向p 區(qū)，形成勢壘。在平衡狀態(tài)下， 由于擴散，從p 區(qū)越過勢壘向n 區(qū)移動的空穴數(shù)目等同于空間電荷區(qū)附 近n 區(qū)中由于熱運動產(chǎn)生的少數(shù)載流子空穴在空間電荷區(qū)內(nèi)建電場的作 用下漂移到p 區(qū)的數(shù)目，因此沒有電流流過。對于電子也可做同樣的論 述。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 3.2、 電流電壓特性電流電壓特性 在pn 結(jié)上加偏置電壓時，由于空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流

42、子（又稱為耗盡區(qū)） 形成高阻區(qū)，因此，電壓幾乎全部跨落在空間電荷區(qū)上。當外加電壓使 得p 區(qū)為正時，勢壘高度減小， 空穴從p 區(qū)向n 區(qū)的移動以及電子從n 區(qū) 向p 區(qū)的移動變得容易，在兩個區(qū)內(nèi)有少數(shù)載流子注入，因此電流容易流 動（稱為正向）。當外加電壓使得n 區(qū)為正時，勢壘高度增加，載流子的 移動就變得困難，幾乎沒有電流流過（此時稱為反向）。當存在外加電 壓時，空間電荷區(qū)的n 區(qū)邊界和p 區(qū)邊界的空穴濃度pn 及電子濃度np 如 下： 當加正向電壓時V0，加反向電壓時V0。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

43、之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 由于我們認為外加電壓僅跨越在空間電荷區(qū)，所以可視為n 區(qū)內(nèi)沒有電場，由 空穴構(gòu)成的電流只是由于它的濃度梯度形成的擴散電流。電流密度Jp為 同樣，注入到p 區(qū)的少數(shù)載流子電子的電流密度Jn為 因加編壓V 而產(chǎn)生的總電流是空穴電流與電子電流之和，故總電流密度J 為： 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 總電流密度J 具有如圖2.13 所示的整流特性。正向時，在電壓較大 的區(qū)域，電流密度與exp(qV/kT)成正比；反向時則趨近于-J0。稱J0 為飽和電流密度。 圖2.13 pn 結(jié)

44、的電流電壓特性 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 1 、太陽電池工作原理、太陽電池工作原理 1.1、半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng) 當光照射到半導(dǎo)體上時，光子將能量提供給電子，電子將躍遷到更高的能 態(tài)，在這些電子中，作為實際使用的光電器件里可利用的電子有： （1） 價帶電子； （2） 自由電子或空穴（Free Carrier）； （3） 存在于雜質(zhì)能級上的電子。 太陽電池可利用的電子主要是價帶電子。由價帶電子得到光的能量躍遷到 導(dǎo)帶的過程決定的光的吸收稱為本征或固有吸收。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第

45、一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當光照射到pn結(jié)上時， 產(chǎn)生電子一空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)附近生成的載流子沒有被復(fù)合而到 達空間電荷區(qū)，受內(nèi)建電場的吸引，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結(jié) 果使n區(qū)儲存了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。它們在pn結(jié)附近形成 與勢壘方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外， 還使p區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢， 這就是光生伏特效應(yīng)。此時，如果將外電路短路，則外電路中就有與入 射光能量成正比的光電流流過，這個

46、電流稱作短路電流，另一方面，若 將PN結(jié)兩端開路，則由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)的費 米能級比P區(qū)的費米能級高，在這兩個費米能級之間就產(chǎn)生了電位差 VOC?？梢詼y得這個值，并稱為開路電壓。由于此時結(jié)處于正向偏置， 因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定VOC 的值。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 1.2、太陽電池的能量轉(zhuǎn)換過程 太陽電池是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的 PN結(jié)組成。此外，異質(zhì)結(jié)、肖特基勢壘等也可以得到較好的光電轉(zhuǎn)換

47、效率。 本節(jié)以最普通的硅PN結(jié)太陽電池為例，詳細地觀察光能轉(zhuǎn)換成電能的情況。 首先研究使太陽電池工作時，在外部觀測到的特性。圖2.14表示了無光照時 典型的電流電壓特性（暗電流）。當太陽光照射到這個太陽電池上時，將有 和暗電流方向相反的光電流Iph流過。 當給太陽電池連結(jié)負載R，并用太陽光照射時，則負載上的電流Im 和電壓Vm 將由圖中有光照時的電流一電壓特性曲線與V=-IR 表示的直線的交點來確定。 此時負載上有Pout=RIm2 的功率消耗，它清楚地表明正在進行著光電能量的轉(zhuǎn) 換。通過調(diào)整負載的大小，可以在一個最佳的工作點上得到最大輸出功率。 輸出功率（電能）與輸入功率（光能）之比稱為太陽

48、電池的能量轉(zhuǎn)換效率。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 圖2.14 無光照及光照時電流電壓特性 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 下面我們把目光轉(zhuǎn)到太陽電池的內(nèi)部，詳細研究能量轉(zhuǎn)換過程。太陽 電池由硅pn 結(jié)構(gòu)成，在表面及背面形成無整流特性的歐姆接觸。并假 設(shè)除負載電阻R 外，電路中無其它電阻成分。當具有h（eV）（h Eg，Eg 為硅的禁帶寬度）能量的光子照射在太陽電池上時， 產(chǎn)生電

49、 子空穴對。由于光子的能量比硅的禁帶寬度大，因此電子被激發(fā)到 比導(dǎo)帶底還高的能級處。對于p 型硅來說，少數(shù)載流子濃度np極?。ㄒ?般小于105/cm），導(dǎo)帶的能級幾乎都是空的，因此電子又馬上落在導(dǎo) 帶底。這時電子及空穴將總的h- Eg（ev）的多余能量以聲子（晶格振 動）的形式傳給晶格。落到導(dǎo)帶底的電子有的向表面或結(jié)擴散，有的 在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面復(fù)合而消失了。但有一部分到達結(jié)的載流子，受 結(jié)處的內(nèi)建電場加速而流入n 型硅中。在n 型硅中，由于電子是多數(shù)載 流子，流入的電子按介電馳豫時間的順序傳播，同時為滿足n 型硅內(nèi) 的載流子電中性條件，與流入的電子相同數(shù)目的電子從連接n 型硅的 電極流出。

50、太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 這時，電子失去相當于空間電荷區(qū)的電位高度及導(dǎo)帶底和費米能級之間 電位差的能量。設(shè)負載電阻上每秒每立方厘米流入N 個電子，則加在負 載電阻上的電壓V=QNr=IR 表示。由于電路中無電源，電壓V=IR 實際 加在太陽電池的結(jié)上，即結(jié)處于正向偏置。一旦結(jié)處于正向偏置時，二 極管電流Id=I0exp(qV/nkT)-1朝著與光激發(fā)產(chǎn)生的載流子形成的光電流 Iph 相反的方向流動，因而流入負載電阻的電流值為 在負載電阻上，一個電子失去一個qV 的能量，即等于光子能

51、量h 轉(zhuǎn)換成 電能qV。流過負載電阻的電子到達p 型硅表面電極處，在P 型硅中成為過 剩載流子，于是和被掃出來的空穴復(fù)合，形成光電流 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 2、 太陽電池的基本特性太陽電池的基本特性 2.1 短路電流 太陽電池的短路電流等于其光生電流。分析短路電流的最方便的方法 是將太陽光譜劃分成許多段，每一段只有很窄的波長范圍，并找出每 一段光譜所對應(yīng)的電流，電池的總短路電流是全部光譜段貢獻的總和： 0 本征吸收波長限 R( )表面反射率 F( )太陽光譜中波長為 +d間隔內(nèi)

52、的光子數(shù)。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 F（ ）的值很大的程度上依賴于太陽天頂角。作為表示F（ ）分 布的參數(shù)是AM（AirMass）。AM 表示入射到地球大氣的太陽直射光 所通過的路程長度，定義為 式中： b0標準大氣壓 b測定時的大氣壓 Z太陽天頂距離 一般情況下，b b0，例如，AM1 相當于太陽在天頂位置時的情況，AM2 相當于太陽高度角為30時的情況，AM0 則表示在宇宙空間中的分布 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理

53、和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 在實際的半導(dǎo)體表面的反射率與入射光的波長有關(guān)，一般為3050。為 防止表面的反射，在半導(dǎo)體表面制備折射率介于半導(dǎo)體和空氣折射率之間 的透明薄膜層。這個薄膜層稱為減反射膜（Antireflective coating）。 設(shè)半導(dǎo)體、減反射膜、空氣的折射率分別為n2、n1、n0，減反射膜厚度為d1， 則反射率R 為 式中： r1=(n0 - n1)/(n0 + n1) r2=(n1 - n2)/(n1 + n2) =2 n1d1/ 波長 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池

54、工作原理之太陽電池工作原理 顯然，減反射膜的厚度d1為1/4 波長時，R 為最小。即 一般在太陽光譜的峰值波長處，使得R 變?yōu)樽钚?，以此來決定d1 的值。 以硅電池為例，因為在可見光至紅外光范圍內(nèi)，硅的折射率為n2 = 3.44.0， 使式（2.43） 為零，則n1 的值為1.8 n12.0。設(shè) =4800 埃，則600 埃 d1 667 埃，滿足這些條件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波長處，反射率達 到1%左右。由于制備了減反射膜，短路電流可以增加3040%。此外，采用 的減反射膜SiO2（n11.5）、Al2O3(n1 1.9)、Sb2O3（n1 1.9）、TiO2、 Ta2O5（n1

55、2.25）。將具有不同折射率的氧化膜重疊二層， 在滿足一定的條 件下，就可以在更寬的的波長范圍內(nèi)減少折射率。此外也可以將表面加工成棱 錐體狀的方法，來防止表面反射. 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 2.2 開路電壓 當太陽電池處于開路狀態(tài)時，對應(yīng)光電流的大小產(chǎn)生電動勢，這就 是開路電壓。在式（2.39）中，設(shè)I=0（開路），IphISC，則 在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時，ISC 為與入射光強度成正比的值， 在很弱的陽光下， ISCI0， 由此可見，在較弱陽光時，硅太陽電 池的開路電壓

56、隨光的強度作近似直線 的變化。而當有較強的陽光時，VOC 則與入射光的強度的對數(shù)成正比。圖 2.15 表示具有代表性的硅和GaAs 太 陽電池的ISC與Voc之間的關(guān)系。Si 與 GaAs 比較，因GaAs 的禁帶寬度寬， 故I0 值比Si 的小幾個數(shù)量級，GaAs 的VOC 值比Si 的高0.45 伏左右。假 如結(jié)形成的很好，禁帶寬度愈寬的半 導(dǎo)體，VOC也愈大。 圖2.15 開路電壓與短路電流的關(guān)系 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 2.3 太陽電池的輸出特性 2.3.1 等效電路 為

57、了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負載系統(tǒng)用一等效電路來模擬。 在恒定光照下，一個處于工作狀態(tài)的太陽電池，其光電流不隨工作狀態(tài) 而變化，在等效電路中可把它看作是恒流源。光電流一部分流經(jīng)負載RL， 在負載兩端建立起端電壓V，反過來它又正向偏置于pn 結(jié)二極管，引 起一股與光電流方向相反的暗電流Ibk，這樣，一個理想的PN 同質(zhì)結(jié)太陽 電池的等效電路就被繪制成如圖2.16(a)所示。但是，由于前面和背面的 電極和接觸， 以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免 的要引入附加電阻。流經(jīng)負載的電流，經(jīng)過它們時，必然引起損耗。在 等效電路中，可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻RS來表示。由于電池邊

58、 沿的漏電和制作金屬化電極時，在電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬 橋漏電等，使一部分本應(yīng)通過負載的電流短路，這種作用的大小可用一 并聯(lián)電阻RSh來等效。 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 圖2.16 pn 同質(zhì)結(jié)太陽電池等效電路 （a）不考慮串并聯(lián)電阻 （b）考慮串并聯(lián)電阻 其等效電路就繪制成上 圖2.16（b） 的形式。其中暗電流等于總面積AT 與Jbk乘積，而光電流IL為電池的有 效受光面積AE與JL的乘積，這時的 結(jié)電壓不等于負載的端電壓，由圖 可見 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章

59、第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 2.3.2 輸出特性 根據(jù)上圖就可以寫出輸出電流I 和輸出電壓V 之間的關(guān)系.其中暗電流Ibk 應(yīng)為結(jié)電壓Vj的函數(shù)，而Vj 又是通過式（2.47）與 輸出電壓V 相聯(lián)系的。 當負載RL從0 變化到無窮大時，輸出電壓V 則從0 變到VOC，同時輸出電 流便從ISC變到0，由此得到電池的輸出特性曲線，如圖2.17 所示。曲線 上任何一點都可以作為工作點, 工作點所對應(yīng)的縱橫坐標，即為工作電 流和工作電壓,其乘積 P=IV 為電池的輸出功率 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池

60、的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 圖2.17 太陽電池的輸出特性 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本特性太陽能電池的工作原理和基本特性 之太陽電池工作原理之太陽電池工作原理 2.4 轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率 轉(zhuǎn)換效率表示在外電路連接最佳負載電阻R 時，得到的最大能量轉(zhuǎn)換效率， 其定義為 即電池的最大功率輸出與入射功率之比， 這里我們定義一個填充因子 FF 為 填充因子正好是I-V 曲線下最大長方形面積與乘積VocIsc 之比，所以 轉(zhuǎn)換效率可表示為 太陽能電池基礎(chǔ)和科學應(yīng)用 第一章第一章 太陽能電池的工作原理和基本