太陽能電池基礎與應用第一章課件

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎1、半導體的性質(zhì)

世界上的物體如果以導電的性能來區(qū)分，有的容易導電，有的不容易導電。容易導電的稱為導體，如金、銀、銅、鋁、鉛、錫等各種金屬；不容易導電的物體稱為絕緣體，常見的有玻璃、橡膠、塑料、石英等等；導電性能介于這兩者之間的物體稱為半導體，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)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)導電性。半導體內(nèi)有少量的自由電子，在一些特定條件下才能導電。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性1、半導體的性質(zhì)1第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎1、半導體的性質(zhì)

半導體可以是元素，如硅（Si）和鍺（Ge），也可以是化合物，如硫化鎘（OCLS）和砷化鎵（GaAs），還可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x為0-1之間的任意數(shù)。許多有機化合物，如蒽也是半導體。半導體的電阻率較大（約10-5<ρ<107Ω.m），而金屬的電阻率則很?。s10-8<ρ<10-6Ω.m），絕緣體的電阻率則很大（約ρ>108

Ω.m）。半導體的電阻率對溫度的反應靈敏，例如鍺的溫度從200C升高到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較小，例如銅的溫度每升高1000C，ρ增加40%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，但在半導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2.14×103Ω.m減小到0.004Ω.m左右。金屬的電阻率不受光照影響，但是半導體的電阻率在適當?shù)墓饩€照射下可以發(fā)生顯著的變化。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性1、半導體的性質(zhì)2第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎2、半導體物理基礎2.1、能帶結(jié)構(gòu)和導電性

半導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，每個原子的最外殼層上有4個電子，在硅晶體中每個原子有4個相鄰原子，并和每一個相鄰原子共有兩個價電子，形成穩(wěn)定的8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)則整齊排列的晶體中，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，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，允許帶與允許帶間不許可電子存在的范圍叫禁帶。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2、半導體物理基礎3第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎圖2.1原子間距和電子能級的關系

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖2.1原子間距4第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎在低溫時，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怼堇≒auli）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)在就可用電子能帶結(jié)構(gòu)來描述金屬、絕緣體和半導體之間的差別。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性在低溫時，晶體內(nèi)的5第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎電導現(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，而使電導率變得很大，這種物質(zhì)稱為導體。所謂半導體，即是天然具有和絕緣體一樣的能帶結(jié)構(gòu)，但禁帶寬度較小的物質(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帶成為自由電子，它們將有助于物質(zhì)的導電性。參與這種電導現(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。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性電導現(xiàn)象是隨電子填6第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎圖中省略了導帶的上部和價帶的下部。半導體結(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，電子將從價帶躍造到導帶，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。在半導體中，空穴和導帶中的自由電子一樣成為導電的帶電粒子（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，對電導率起迭加作用。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖中省略了導帶的上7第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎2.2、本征半導體、摻雜半導體

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)生并具有一定電導率的半導體叫本征半導體，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，就成為摻雜半導體。存在多余電子的稱為n型半導體，存在多余空穴的稱為P型半導體。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)。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.2、本征半導體8第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎圖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Ⅲ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，因此它也不在導帶內(nèi)?？梢灶A期，與束縛在共價鍵內(nèi)的自由電子相比，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。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖2.3一個V族9第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎自由電子位于導帶中，因此束縛于V族原子的多余電子位于低于導帶底的能量為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，Ⅲ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型半導體。這類可以向半導體提供自由電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性自由電子位于導帶中10第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎其能帶結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。在n型半導體中，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2.5n型半導體的能帶結(jié)構(gòu)圖2.6p型半導體的能帶結(jié)構(gòu)

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性其能帶結(jié)構(gòu)如圖2.11第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎把Ⅲ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，使半導體成為空穴過剩的P型半導體，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。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型半導體，因此稱為摻雜半導體。但為數(shù)很多的化合物半導體，根據(jù)構(gòu)成元素某種過剩或不足，有時導電類型發(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兩種導電類型的情況。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性把Ⅲ族元素（B、A12第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎2.3、載流子濃度

半導體處于熱平衡狀態(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)載流子的復合，企圖恢復到原來的平衡的狀態(tài)。設電子濃度為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)和導帶中可允許占據(jù)的能級數(shù)決定。然而，空穴少于導帶的允許能級時，不依賴于載流子數(shù)而成為定值。復合率正比于載流子濃度n與p的乘積，比例系數(shù)r表示復合幾率。平衡狀態(tài)時dp/dt=0,由此可導出

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.3、載流子濃13第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎它意味著多數(shù)載流子濃度和少數(shù)載流子濃度的乘積為確定值。這個關系式也適用于本征半導體，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——導帶底能量；NV——價帶頂?shù)挠行B(tài)密度NC——導帶底的有效態(tài)密度意義：假如知道半導體的禁帶亮度Eg，就可以很容易地計算出本征載流子濃度。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性它意味著多數(shù)載流子14第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎費米能級在描述半導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)半導體電中性條件求出，即：自由空穴濃度+電離施主濃度=自由電子濃度+電離受主濃度(2.5)費米能級在本征半導體中幾乎位于禁帶中央，而在n型半導體中靠近導帶。在P型半導體中靠近價帶。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型半導體中設施主濃度為Nd，可給出：P型半導體中設受主濃度為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。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性費米能級在描述半導15第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎2.4、載流子的傳輸

一、漂移在外加電場ζ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=ζ/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。導帶內(nèi)電子的漂移速度由下式得出：

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.4、載流子的16第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎電子載流子的遷移率定義為：來自導帶電子的相應的電流密度將是

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。因此半導體的電導率為其中ρ是電阻率。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性電子載流子的遷移率17第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎對于結(jié)晶質(zhì)量很好的比較純的半導體來說，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蟮摹鞍小保瑥亩档土藘纱闻鲎查g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。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性對于結(jié)晶質(zhì)量很好的18第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎二、擴散

除了漂移運動以外，半導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

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性二、擴散除了漂移19第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎從根本上講，漂移和擴散兩個過程是有關系的，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系相互聯(lián)系，即

kT/q是在與太陽電池有關的關系式中經(jīng)常出現(xiàn)的參數(shù)，它具有電壓的量綱，室溫時為26mv。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性從根本上講，漂移和20第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎2.5、半導體的吸收系數(shù)

半導體晶體的吸光程度由光的頻率ν和材料的禁帶寬度所決定。當頻率低、光子能量hν比半導體的禁帶寬度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λ的光的能力用吸收系數(shù)α（hν）來定義。半導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帶、價帶的態(tài)密度。光為價帶電子提供能量，使它躍遷到導帶，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。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.5、半導體的21第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎圖2.7直接帶隙半導體的能量－晶體動量圖圖2.8間接帶隙半導體的能量－晶體動量圖

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖2.7直接帶隙22第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎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20μm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2μm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系，當半導體摻雜時，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，應在半導體表面制備絨面和減反射層，以減少光在其表面的反射損失。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性硅屬于間接躍遷類型23第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎2.6、載流子的復合

一馳豫到平衡適當波長的光照射在半導體上會產(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合過程。下面將介紹幾種不同的復合機構(gòu)。二輻射復合輻射復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)都有相反的輻射復合過程。由于間接帶隙半導體需要包括聲子的兩級過程，所以輻射復合在直接帶隙半導體中比間接帶隙半導體中進行得快。

總的輻射復合速率RR與導帶中占有態(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對給定的半導體來說是一個常數(shù)。由于光吸收和這種復合過程之間的關系，由半導體的吸收系數(shù)能夠計算出B。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.6、載流子的24第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎熱平衡時，即np=ni2時，復合率由數(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，與上式相對應的凈復合率UR由總的復合率減去熱平衡時的產(chǎn)生率得到，即對任何復合機構(gòu)，都可定義有關載流子壽命（對電子）和（對空穴）它們分別為式中，U為凈復合率,Δn和Δp是相應載流子從它們熱平衡時的值n0和p0的擾動。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性熱平衡時，即np=25第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎對Δn=

Δ

p的輻射復合機構(gòu)而言，由式（2.17）確定的特征壽命是硅的B值約為2×10-15cm3/s。

正如前面所說的直接帶隙材料的復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體激光器和光發(fā)射二極管就是以輻射復合過程作為基礎的。但對硅來說，其它的復合機構(gòu)遠比這重要得多。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性對Δn=Δp26第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎三、俄歇復合在俄歇（Auger）效應中，電子與空穴復合時，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。俄歇復合就是更熟悉的碰撞電離效應的逆過程。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)。由于第二項的影響，高摻雜材料中俄歇復合尤其顯著。對于高質(zhì)量硅，摻雜濃度大于1017cm3時，俄歇復合處于支配地位。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性三、俄歇復合在每27第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎圖2.9俄歇復合過程（a）多余的能量傳給導帶中的電子（b）多余的能量傳給價帶中的電子第一章太陽能電池的工作原理和基本特性28第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎四、通過陷阱的復合

前面已指出，半導體中的雜質(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級復合過程。如圖2.10（a）所示，在此過程中，電子從導帶能級弛豫到缺陷能級，然后再弛豫到價帶，結(jié)果與一個空穴復合。

（a）通過半導體禁帶中的陷阱能級的兩級復合過程（b）在半導體表面位于禁帶中的表面態(tài)

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性四、通過陷阱的復合29第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎對此過程進行動力學分析可得，通過陷阱的凈復合—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合速率與陷阱能Et的關系式：

式(2.22)在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n1≈p1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)是有效的復合中心。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性對此過程進行動力學30第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎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，復合很容易發(fā)生。單能級表面態(tài)每單位面積的凈復合率UA具有與2.21類似的形式，即五、表面復合

式中Se0和Sh0是表面復合速度。位于帶隙中央附近的表面態(tài)能級也是最有效的復合中心。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性表面可以說是晶體結(jié)31第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎2.7、半導體器件物理學基本方程

前面幾節(jié)中已經(jīng)概述了半導體的有關特性，這些內(nèi)容現(xiàn)在將被歸納為一組能描述半導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ρ之間的關系，在一維情況下，其形式為：

式中?是介電常數(shù)。ρ為電荷密度。在半導體中，ρ值為

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.7、半導體器32第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎式中，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。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性式中，p和n是33第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎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的表達式為遷移率和擴散系數(shù)的關系由愛因斯坦關系式[De=(kT/q)μe和Dh=(kT/q)μh]確定。

2、電流密度方程

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性電子和空穴通過漂移34第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎3、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，減去它們的復合率，寫成方程為：

圖2.11推導電子連續(xù)方程用的單元體積

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性3、連續(xù)方程參看35第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎式中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，對于空穴有第一章太陽能電池的工作原理和基本特性式中G是由于外部36第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎4、方程組

由上述方程，我們可得到應用于半導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。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性4、方程組由上述37第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎3、半導體pn結(jié)3.1、能帶圖

在一塊半導體晶體內(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。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性3、半導體pn38太陽能電池基礎與應用第一章。課件39第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎3.2、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V>0，加反向電壓時V<0。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性3.2、電流電壓40第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎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：

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性由于我們認為外加電41第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎總電流密度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2.13pn結(jié)的電流－電壓特性第一章太陽能電池的工作原理和基本特性總電流密度J具有42第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

1、太陽電池工作原理1.1、半導體的內(nèi)光電效應

當光照射到半導體上時，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（FreeCarrier）；（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帶的過程決定的光的吸收稱為本征或固有吸收。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性1、太陽電池工作43第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎是結(jié)的光生伏特效應。當光照射到pn結(jié)上時，產(chǎn)生電子一空穴對，在半導體內(nèi)部結(jié)附近生成的載流子沒有被復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。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。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性太陽電池能量轉(zhuǎn)換的44第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——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）之比稱為太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性1.2、太陽電池的45第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

圖2.14無光照及光照時電流－電壓特性第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖2.14無光照46第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——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。并假設除負載電阻R外，電路中無其它電阻成分。當具有hν（eV）（hν﹥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话阈∮?05/cm），導帶的能級幾乎都是空的，因此電子又馬上落在導帶底。這時電子及空穴將總的hν-Eg（ev）的多余能量以聲子（晶格振動）的形式傳給晶格。落到導帶底的電子有的向表面或結(jié)擴散，有的在半導體內(nèi)部或表面復合而消失了。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。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性下面我們把目光轉(zhuǎn)到47第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

這時，電子失去相當于空間電荷區(qū)的電位高度及導帶底和費米能級之間電位差的能量。設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=I0[exp(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，即等于光子能量hν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合，形成光電流第一章太陽能電池的工作原理和基本特性這時，電子失去相當48第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

2、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的電流，電池的總短路電流是全部光譜段貢獻的總和：

λ0——本征吸收波長限R(λ)——表面反射率F(λ)——太陽光譜中波長為λ～λ+d間隔內(nèi)的光子數(shù)。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2、太陽電池的基49第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

F（λ）的值很大的程度上依賴于太陽天頂角。作為表示F（λ）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

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性F（λ）的值很50第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

在實際的半導體表面的反射率與入射光的波長有關，一般為30～50％。為防止表面的反射，在半導體表面制備折射率介于半導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（Antireflectivecoating）。設半導體、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)θ=2πn1d1/λλ－波長第一章太陽能電池的工作原理和基本特性在實際的半導體表面51第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——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=3.4～4.0，使式（2.43）為零，則n1的值為1.8≤n1≤2.0。設λ'=4800埃，則600?！躣1≤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30～40%。此外，采用的減反射膜SiO2（n1≈1.5）、Al2O3(n1≈1.9)、Sb2O3（n1≈1.9）、TiO2、Ta2O5（n1≈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.第一章太陽能電池的工作原理和基本特性顯然，減反射膜的厚52第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——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I=0（開路），Iph＝ISC，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，ISC<<I0，因此其中第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.2開路電壓53第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

在很強的陽光下，ISC>>I0，

由此可見，在較弱陽光時，硅太陽電池的開路電壓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體，VOC也愈大。圖2.15開路電壓與短路電流的關系

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性在很強的陽光下，I54第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——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p—n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。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.3太陽電池的55第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

圖2.16pn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，由圖可見第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖2.16pn56第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——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之間的關系.其中暗電流Ibk應為結(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

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.3.2輸出特57第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

圖2.17太陽電池的輸出特性

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖2.17太陽電58第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

2.4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Voc×Isc之比，所以轉(zhuǎn)換效率可表示為第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.4轉(zhuǎn)換效率59第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

2.5太陽電池的光譜響應太陽電池的光譜響應是指光電流與入射光波長的關系，設單位時間波長為λ的光入射到單位面積的光子數(shù)為Φ0（λ），表面反射系數(shù)為ρ（λ），產(chǎn)生的光電流為JL，則光譜響應SR（λ）定義為理想吸收材料的光譜響應應該是：當光子能量hν<Eg時，SR＝0；hν>Eg時，SR＝1。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.5太陽電池的60第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

2.6、太陽電池的溫度效應

載流子的擴散系數(shù)隨溫度的增高而增大，所以少數(shù)載流子的擴散長度也隨溫度的升高稍有增大，因此，光生電流JL也隨溫度的升高有所增加。但是J0隨溫度的升高是指數(shù)增大，因而VOC隨溫度的升高急劇下降。當溫度升高時，I—V曲線形狀改變，填充因子下降，所以轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。

2.7、太陽電池的輻照效應

作為人造衛(wèi)星和宇宙飛船的電源，太陽電池已獲得了廣泛的應用。但是在外層空間存在著高能粒子，如電子、質(zhì)子、粒子等。高能粒子輻照時通過與晶格原子的碰撞，將能量傳給晶格，當傳遞的能量大于某一閾值時，便使晶格原子發(fā)生位移，產(chǎn)生晶格缺陷，如填隙原子、空位、缺陷簇、空位一雜質(zhì)復合體等。這些缺陷將起復合中心的作用，從而降低少子壽命。大量研究工作表明，壽命參數(shù)對輻照缺陷最為靈敏，也正因為輻照影響了壽命值，從而使太陽電池性能下降。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2.6、太陽電池61第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

3影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素3.1、禁帶亮度VOC隨Eg的增大而增大，但另一方面，JSC隨Eg的增大而減小。結(jié)果是可期望在某一個確定的Eg隨處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。

3.2、溫度

隨溫度的增加，效率η下降。ISC對溫度T很敏感，溫度還對VOC起主要作用。對于Si，溫度每增加10C，VOC下降室溫值的0.4%，也因而降低約同樣的百分數(shù)。例如，一個硅電池在200C時的效率為20%，當溫度升到1200C時，效率僅為12％。又如GaAs電池，溫度每升高10C，VOC降低1.7mv或降低0.2%。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性3影響太陽電池62第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

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3.3、復合壽命希望載流子的復合壽命越長越好，這主要是因為這樣做ISC大。在間接帶隙半導體材料如Si中，離結(jié)100μm處也產(chǎn)生相當多的載流子，所以希望它們的壽命能大于1μs。在直接帶隙材料，如GaAs或Gu2S中，只要10ns的復合壽命就已足夠長了。長壽命也會減小暗電流并增大VOC。達到長壽命的關鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過程中，要避免形成復合中心。在加工過程中，適當而且經(jīng)常進行工藝處理，可以使復合中心移走，因而延長壽命。

3.4、光強

將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。設想光強被濃縮了X倍，單位電池面積的輸入功率和JSC都將增加X倍，同時VOC也隨著增加(kT/q)lnX倍。因而輸出功率的增加將大大超過X倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性3.3、復合壽命63第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

3.5、摻雜濃度及剖面分布

對VOC有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。雖然Nd和Na出現(xiàn)在Voc定義的對數(shù)項中，它們的數(shù)量級也是很容易改變的。摻雜濃度愈高，Voc愈高。一種稱為重摻雜效應的現(xiàn)象近年來已引起較多的關注，在高摻雜濃度下，由于能帶結(jié)構(gòu)變形及電子統(tǒng)計規(guī)律的變化，所有方程中的Nd和Na都應以（Nd）eff和（Na）eff代替。如圖2.18。既然（Nd）eff和（Na）eff顯現(xiàn)出峰值，那么用很高的Nd和Na不會再有好處，特別是在高摻雜濃度下壽命還會減小。上圖（b）說明了這一點。

圖2.18高摻雜效應。隨摻雜濃度增加有效摻雜濃度飽和，甚至會下降第一章太陽能電池的工作原理和基本特性3.5、摻雜濃度及64第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

目前，在Si太陽電池中，摻雜濃度大約為1016cm-3，在直接帶隙材料制做的太陽電池中約為1017cm-3，為了減小串聯(lián)電阻，前擴散區(qū)的摻雜濃度經(jīng)常高于1019cm-3，因此重摻雜效應在擴散區(qū)是較為重要的。當Nd和Na或（Nd）eff和（Na）eff不均勻且朝著結(jié)的方向降低時，就會建立起一個電場，其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改善了ISC。這種不均勻摻雜的剖面分布，在電池基區(qū)中通常是做不到的；而在擴散區(qū)中是很自然的。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性目前，在Si太陽電65第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

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3.7、表面復合速率

低的表面復合速率有助于提高ISC，并由于I0的減小而使VOC改善。前表面的復合速率測量起來很困難，經(jīng)常被假設為無窮大。一種稱為背表面場（BSF）電池設計為，在沉積金屬接觸之前，電池的背面先擴散一層P＋附加層。圖2.19表示了這種結(jié)構(gòu)圖2.19背表面場電池。在P/P+結(jié)處的電場妨礙電子朝背表面流動

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性3.7、表面復合速66第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

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圖2.19表示了這種結(jié)構(gòu)，在P/P＋界面存在一個電子勢壘，它容易做到歐姆接觸，在這里電子也被復合，在P/P＋界面處的復合速率可表示為:其中N+a，Dn＋和Ln+分別是P＋區(qū)中的摻雜濃度、擴散系數(shù)和擴散長度。如果Wp+=0，則Sn=∞，正如前面提到的。如果Wp+與Ln+能比擬，且N+a>>Na，則Sn可以估計零，Sn對JSC、VOC和η的影響見圖2.20。當Sn很小時，JSC和η都呈現(xiàn)出一個峰。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖2.19表示了這67第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

圖2.20背表面復合速率對電場參數(shù)的影響。注意，Sn較小時，在某個電池厚度出現(xiàn)η峰第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖2.20背表面68第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

3.7、串聯(lián)電阻

在任何一個實際的太陽電池中，都存在著串聯(lián)電阻，其來源可以是引線、金屬接觸柵或電池體電阻。不過通常情況下，串聯(lián)電阻主要來自薄擴散層。PN結(jié)收集的電流必須經(jīng)過表面薄層再流入最靠近的金屬導線，這就是一條存在電阻的路線，顯然通過金屬線的密布可以使串聯(lián)電阻減小。一定的串聯(lián)電阻RS的影響是改變I－V曲線的位置。3.8、金屬柵和光反射在前表面上的金屬柵線不能透過陽光。為了使ISC最大，金屬柵占有的面積應最小。為了使RS小，一般是使金屬柵做成又密又細的形狀。因為有太陽光反射的存在，不是全部光線都能進入Si中。裸Si表面的反射率約為40%。使用減反射膜可降低反射率。對于垂直地投射到電池上的單波長的光，用一種厚為1/4波長、折射率等于n1/2（n為Si的折射率）的涂層能使反射率降為零。對太陽光，采用多層涂層能得到更好的效果。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性3.7、串聯(lián)電阻69第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之太陽電池工作原理

許多結(jié)構(gòu)，如PN結(jié)和金屬半導體結(jié)，具有明顯的單向?qū)щ姷腎-V特性。在照明條件下，它們的I-V曲線沿電流軸平移，接上負載后，該器件在正電壓和正電流象限工作，給負載提供功率。一個太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是其輸出功率與輸入功率之比。為獲取高效率，希望有大的短路電流，高的開路電壓和大的填充因子，如果太陽電池用禁帶寬度（Eg）小的材料做成，則短路電流較大。好的制造工藝及好的電池設計因載流子復合最小，也能使短路電流提高。太陽電池若用Eg大的材料做成，則具有較高的開路電壓。填充因子是I－V曲線拐點處陡度的量度，串聯(lián)電阻可使它變小。通常開路電壓較高時，F(xiàn)F也較大。轉(zhuǎn)換效率隨光強增大而增大，隨溫度降低也增大。用Eg值介于1.2～1.6eV的材料做成太陽電池，可望達到最高效率。薄膜電池用直接帶隙半導體更為可取，因為它能在表面附近吸收光子。

小結(jié)第一章太陽能電池的工作原理和基本特性許多結(jié)構(gòu)，如PN結(jié)70第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎1、半導體的性質(zhì)

世界上的物體如果以導電的性能來區(qū)分，有的容易導電，有的不容易導電。容易導電的稱為導體，如金、銀、銅、鋁、鉛、錫等各種金屬；不容易導電的物體稱為絕緣體，常見的有玻璃、橡膠、塑料、石英等等；導電性能介于這兩者之間的物體稱為半導體，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)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)導電性。半導體內(nèi)有少量的自由電子，在一些特定條件下才能導電。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性1、半導體的性質(zhì)71第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎1、半導體的性質(zhì)

半導體可以是元素，如硅（Si）和鍺（Ge），也可以是化合物，如硫化鎘（OCLS）和砷化鎵（GaAs），還可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x為0-1之間的任意數(shù)。許多有機化合物，如蒽也是半導體。半導體的電阻率較大（約10-5<ρ<107Ω.m），而金屬的電阻率則很?。s10-8<ρ<10-6Ω.m），絕緣體的電阻率則很大（約ρ>108

Ω.m）。半導體的電阻率對溫度的反應靈敏，例如鍺的溫度從200C升高到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較小，例如銅的溫度每升高1000C，ρ增加40%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，但在半導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2.14×103Ω.m減小到0.004Ω.m左右。金屬的電阻率不受光照影響，但是半導體的電阻率在適當?shù)墓饩€照射下可以發(fā)生顯著的變化。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性1、半導體的性質(zhì)72第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎2、半導體物理基礎2.1、能帶結(jié)構(gòu)和導電性

半導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，每個原子的最外殼層上有4個電子，在硅晶體中每個原子有4個相鄰原子，并和每一個相鄰原子共有兩個價電子，形成穩(wěn)定的8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)則整齊排列的晶體中，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，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，允許帶與允許帶間不許可電子存在的范圍叫禁帶。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性2、半導體物理基礎73第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎圖2.1原子間距和電子能級的關系

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖2.1原子間距74第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎在低溫時，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怼堇≒auli）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)在就可用電子能帶結(jié)構(gòu)來描述金屬、絕緣體和半導體之間的差別。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性在低溫時，晶體內(nèi)的75第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎電導現(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，而使電導率變得很大，這種物質(zhì)稱為導體。所謂半導體，即是天然具有和絕緣體一樣的能帶結(jié)構(gòu)，但禁帶寬度較小的物質(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帶成為自由電子，它們將有助于物質(zhì)的導電性。參與這種電導現(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。第一章太陽能電池的工作原理和基本特性電導現(xiàn)象是隨電子填76第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎圖中省略了導帶的上部和價帶的下部。半導體結(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，電子將從價帶躍造到導帶，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。在半導體中，空穴和導帶中的自由電子一樣成為導電的帶電粒子（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，對電導率起迭加作用。

第一章太陽能電池的工作原理和基本特性圖中省略了導帶的上77第一章太陽能電池的工作原理和基本特性

——之半導體物理基礎2.2、本征半導體、摻雜半導體