第2章_太阳能光电材料及物理基础

1、刘亚兰光学材料及原理2.1 2.1 半导体材料和太阳能光电材半导体材料和太阳能光电材料料2.2 2.2 载流子和能带载流子和能带2.3 2.3 杂质和缺陷能级杂质和缺陷能级2.4 2.4 热平衡下的载流子热平衡下的载流子2.5 2.5 非平衡下的载流子非平衡下的载流子2.6 p-n2.6 p-n结结2.7 2.7 金属金属- -半导体接触和半导体接触和MISMIS结构结构2.8 2.8 太阳能光电转换原理太阳能光电转换原理- -光生伏特效应光生伏特效应2.1 半导体材料和太阳能光电材料半导体材料和太阳能光电材料半导体材料半导体材料分类分类特征特征按照成分分按照成分分按照晶体结构分按照晶体结构分

2、按照特性功能分按照特性功能分有机半导体、无机半导体（元素半导体和化合物半导体）有机半导体、无机半导体（元素半导体和化合物半导体）晶体半导体和非晶体半导体晶体半导体和非晶体半导体微电子材料、光电子材料、光电转换（光伏）材料、微波材微电子材料、光电子材料、光电转换（光伏）材料、微波材料、传感器材料等料、传感器材料等电阻率特性电阻率特性导电特性导电特性负的电阻率温度系数负的电阻率温度系数整流特性整流特性光电特性光电特性太阳能光电材料太阳能光电材料 太阳能光电材料是应用光伏特性制备太阳电池的半导体材料太阳能光电材料是应用光伏特性制备太阳电池的半导体材料，是半导体材，是半导体材料的一种应用，具有半导体材

3、料所有的基本物理性质。料的一种应用，具有半导体材料所有的基本物理性质。并不是所有半导体材料都能用并不是所有半导体材料都能用于实际太阳能光电材料于实际太阳能光电材料材料物理性质的限制材料物理性质的限制材料提纯、制备困难材料提纯、制备困难对材料和电池制备的成本问题对材料和电池制备的成本问题 硅晶体管、非晶硅、铸造多晶硅、薄膜多晶硅、硅晶体管、非晶硅、铸造多晶硅、薄膜多晶硅、GaAs基系基系-化合物半导化合物半导体材料、体材料、CdTe-化合物半导体被作为太阳能光电材料而广泛研究和应用。化合物半导体被作为太阳能光电材料而广泛研究和应用。2.2 载流子和能带载流子和能带载流子：载流子：半导体材料中导电

4、的电子、空穴，其浓度是半导体材料的基本参数。半导体材料中导电的电子、空穴，其浓度是半导体材料的基本参数。本征半导体：本征半导体：在超高纯没有掺入杂质，电子和空穴的浓度相等的半导体材料。在超高纯没有掺入杂质，电子和空穴的浓度相等的半导体材料。n型半导体型半导体:（n型掺杂剂）型掺杂剂）P型半导体：型半导体：在超高纯半导体材料中掺入某种杂质元素，使电子浓度大于空穴浓度。在超高纯半导体材料中掺入某种杂质元素，使电子浓度大于空穴浓度。电导率电导率能带结构能带结构（参考资料）（参考资料）周期性势场周期性势场电子共有化电子共有化能级形成能带结构能级形成能带结构导带导带禁带禁带价带价带半导体材料的禁带宽度是

5、一个决定电学和光学性能的重要参数。半导体材料的禁带宽度是一个决定电学和光学性能的重要参数。导体导体绝缘体绝缘体半导体半导体电子和空穴电子和空穴价电子价电子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对温度温度升高升高外电场外电场电子漂移电子漂移产生电流产生电流电子导电电子导电（电子为载流子）（电子为载流子）空穴导电同上空穴导电同上所以，在半导体材料中，有电所以，在半导体材料中，有电子和空穴两种载流子导电。子和空穴两种载流子导电。对于纯净半导体而言，在热平衡状态，其对于纯净半导体而言，在热平衡状态，其电子电子-空穴对的浓度主要取决于温度。空穴对的浓度主要取决于温度。2.3 杂质和缺陷能级杂质和缺陷能级杂质

6、半导体杂质半导体电子浓度空穴浓度电子浓度空穴浓度施主能级施主能级电子浓度空穴浓度电子浓度空穴浓度受主能级受主能级深能级：深能级：杂质能级的位置位于禁带中心附近，电离能较大，对半导体材料的载流子没杂质能级的位置位于禁带中心附近，电离能较大，对半导体材料的载流子没有贡献，但是电子和空穴的复合中心，影响非平衡少数载流子的寿命。有贡献，但是电子和空穴的复合中心，影响非平衡少数载流子的寿命。杂质能级：杂质能级：杂质能级的位置靠近导带底或价带顶，在室温下电离，对半导体材料提杂质能级的位置靠近导带底或价带顶，在室温下电离，对半导体材料提供额外的载流子。供额外的载流子。 对于硅太阳电池而言，深能级杂质直接影响

7、硅晶体少数载流子的寿命，是有害对于硅太阳电池而言，深能级杂质直接影响硅晶体少数载流子的寿命，是有害的，会直接影响太阳能光电转换效率。的，会直接影响太阳能光电转换效率。缺陷能级缺陷能级点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷体缺陷体缺陷2.4 热平衡下的载流子热平衡下的载流子本征激发：本征激发：载流子的复合：载流子的复合：半导体的平衡状态：半导体的平衡状态：无论是本征半导体还是杂质无论是本征半导体还是杂质半导体，随着温度的升高，半导体，随着温度的升高，不断有载流子产生。不断有载流子产生。费米分布函数：费米分布函数：P26 对于某种半导体材料，其禁带宽度对于某种半导体材料，其禁带宽度Eg固定，则在一定

8、温度下，其热平固定，则在一定温度下，其热平衡的载流子浓度乘积是一定的，与半导体的掺杂类型和掺杂浓度无关。衡的载流子浓度乘积是一定的，与半导体的掺杂类型和掺杂浓度无关。2.5 非平衡少数载流子非平衡少数载流子 在热平衡状态下，产生电子在热平衡状态下，产生电子-空穴的同时又复合，保持载流子浓度不变。空穴的同时又复合，保持载流子浓度不变。 当半导体材料处于光照条件下时，载流子浓度就会发生变化，处于非平衡当半导体材料处于光照条件下时，载流子浓度就会发生变化，处于非平衡状态，太阳能光电应用就是典型的半导体材料在非平衡状态下的应用。状态，太阳能光电应用就是典型的半导体材料在非平衡状态下的应用。 非平衡载流

9、子，对多数载流子影响不大，但严重影响少数载流子浓度及相非平衡载流子，对多数载流子影响不大，但严重影响少数载流子浓度及相关性质。关性质。直接复合：直接复合：间接复合：间接复合：非平衡载流子的产生或注入：非平衡载流子的产生或注入：半导体材料的寿命：半导体材料的寿命：小注入条件下，小注入条件下，大注入条件下，大注入条件下，2.6 p-n结结 p-n结是大多数半导体器件的核心，了解结是大多数半导体器件的核心，了解p-n结的性质是掌握太阳电池光电转化结的性质是掌握太阳电池光电转化工作原理的基础。工作原理的基础。p-n结的制备结的制备合金法合金法将铟晶体放置在将铟晶体放置在n型的锗单晶上，加温至型的锗单晶

10、上，加温至500600; 铟晶体逐渐熔化成液体，而在两者界面处的锗单晶原子会溶入晶体，在锗铟晶体逐渐熔化成液体，而在两者界面处的锗单晶原子会溶入晶体，在锗单晶的表面处形成一层合金液体，锗在其中的浓度在到饱和；单晶的表面处形成一层合金液体，锗在其中的浓度在到饱和；然后降低温度，合金液体和铟液体重新结晶，这是合金液体将会结晶成含然后降低温度，合金液体和铟液体重新结晶，这是合金液体将会结晶成含铟的锗单晶，这层单晶锗是铟的锗单晶，这层单晶锗是p型半导体，与型半导体，与n型的体锗单晶就构成了型的体锗单晶就构成了p-n结。结。扩散法扩散法（此方法是太阳电池制备工艺最常用方法）（此方法是太阳电池制备工艺最常

11、用方法）将硅单晶加热至将硅单晶加热至8001200; 然后通入然后通入P2O5气体，气体在硅表面分解，磷沉积在硅表面并扩散到体内气体，气体在硅表面分解，磷沉积在硅表面并扩散到体内; 在硅表面形成一层含高浓度磷的单晶硅，成为在硅表面形成一层含高浓度磷的单晶硅，成为n型半导体，其与型半导体，其与p型体硅材型体硅材料的交界处就构成了料的交界处就构成了p-n结。结。离子注入法离子注入法将将n型（或型（或p型）掺杂剂的离子束在静电场中加速，使之具有高动能型）掺杂剂的离子束在静电场中加速，使之具有高动能; 注入注入p型半导体（或型半导体（或n型半导体）的表面区域，在表面形成与体内相反的型半导体）的表面区域

12、，在表面形成与体内相反的n型型（或（或p型）半导体，最终形成型）半导体，最终形成p-n结。结。薄膜生长法薄膜生长法将单晶硅材料加热至将单晶硅材料加热至6001200; 然后加入硅烷（然后加入硅烷（SiH4）气体，同时通入适量的）气体，同时通入适量的P2O5气体气体; 它们在晶体硅表面遇热分解，在晶体硅表面形成一层含磷的它们在晶体硅表面遇热分解，在晶体硅表面形成一层含磷的n型单晶硅薄型单晶硅薄膜，与膜，与p型单晶硅材料接触形成型单晶硅材料接触形成p-n结结;。突变结：突变结：线性缓变结：线性缓变结：由于在由于在n型和型和p型半导体中的杂质类型是不同的，因此对某种杂质而言，型半导体中的杂质类型是不

13、同的，因此对某种杂质而言，在在p-n结附近其浓度必然有变化，如果这种变化是突然陡直的，这种结附近其浓度必然有变化，如果这种变化是突然陡直的，这种p-n结就称为突变结。结就称为突变结。如果这种变化是呈线性缓慢变化的，如图所示。如果这种变化是呈线性缓慢变化的，如图所示。p-n结的能带结构结的能带结构当当p型半导体材料型半导体材料和和n型半导体材料型半导体材料放在一起时放在一起时浓度差浓度差电子、空穴电子、空穴向浓度低的向浓度低的方向扩散方向扩散交界面附近交界面附近形成形成p-n结结空间电荷区空间电荷区内建内建电场电场载流子受到载流子受到与扩散方向与扩散方向相反的作用相反的作用力，扩散运力，扩散运动

14、的同时又动的同时又产生漂移产生漂移在空间电荷区，在空间电荷区，电子、空穴的电子、空穴的扩散和漂移达扩散和漂移达到平衡，此时到平衡，此时达到达到p-n结的热结的热平衡状态平衡状态在没有外在没有外加电场时加电场时动画演示p-n结形成前后的能带结构图结形成前后的能带结构图当当n型半导体和型半导体和p型半导型半导体材料组成体材料组成p-n结时，由结时，由于空间电荷区导致的电于空间电荷区导致的电场，在场，在p-n结处能带发生结处能带发生弯曲，此时导带底能级、弯曲，此时导带底能级、价带顶能级、价带顶能级、本征费米本征费米能级能级和缺陷能级都发生和缺陷能级都发生了相同幅度的弯曲。了相同幅度的弯曲。p-n结的

15、电流电压特性结的电流电压特性（整流特性（整流特性or伏伏-安特性）安特性）当电压为正向偏置（当电压为正向偏置（p型半导体为正，型半导体为正，n型半导型半导体为负）时，电流基本随电压呈指数上升，称体为负）时，电流基本随电压呈指数上升，称为正向电流；为正向电流；当电压为反向偏置（当电压为反向偏置（n型半导体为正，型半导体为正，p型半导体型半导体为负）时，通过的电流很小，称为反向电流；为负）时，通过的电流很小，称为反向电流；当反向电压大到一定数值时，电流就会快速增当反向电压大到一定数值时，电流就会快速增大，此时大，此时p-n结被击穿，此时的反向偏压称为击结被击穿，此时的反向偏压称为击穿电压；穿电压；

16、 PN结反向偏置时的情况2.7 金属半导体接触和金属半导体接触和MIS结构结构金属金属-半导体接触半导体接触金属的功函数：金属的功函数：半导体的功函数：半导体的功函数：一个电子要从金属跃迁到体外所需的最小能量。一个电子要从金属跃迁到体外所需的最小能量。Wm=E0-Efm一个电子要从半导体跃迁到体外所需的最小能量。一个电子要从半导体跃迁到体外所需的最小能量。Ws=E0-Efs金属的功函数金属的功函数大于大于半导体的功函数时，金属和半导体的功函数时，金属和n型半导体接触前后能带的变化情况型半导体接触前后能带的变化情况金属金属-半导体的接半导体的接触势差，等于金触势差，等于金属、半导体接触属、半导体

17、接触前的费米能级之前的费米能级之差差金属的功函数金属的功函数小于小于半导体的功函数时，金属和半导体的功函数时，金属和n型半导体接触前后能带的变化情况型半导体接触前后能带的变化情况 如果在金属和如果在金属和n型半导体之间加上外电压，将会影响内建电场和表面势垒型半导体之间加上外电压，将会影响内建电场和表面势垒的作用，表现出金属和半导体接触的整流效应。的作用，表现出金属和半导体接触的整流效应。 当金属接正极，半导体接负极时，当金属接正极，半导体接负极时， 当金属接负极，半导体接正极时，当金属接负极，半导体接正极时，肖特基接触：肖特基接触：肖特基二级管：肖特基二级管：具有整流效应的金属和半导体接触。具

18、有整流效应的金属和半导体接触。具有整流效应的金属和半导体接触制成的二极管。具有整流效应的金属和半导体接触制成的二极管。欧姆接触欧姆接触欧姆接触欧姆接触:没有整流效应的金属和半导体的接触。没有整流效应的金属和半导体的接触。形成欧姆接触条件：形成欧姆接触条件： 金属的功函数必须小于金属的功函数必须小于n型半导体的功函数，或大于型半导体的功函数，或大于p型半导型半导体的功函数；体的功函数；当半导体具有高表面太密度时，金属功函数的影响甚至将不再当半导体具有高表面太密度时，金属功函数的影响甚至将不再重要。重要。常用的欧姆接触制备技术：常用的欧姆接触制备技术：低势垒接触；低势垒接触；高复合接触；高复合接触

19、；高掺杂接触；高掺杂接触；MIS结构结构在金属和半导体之间插入一层绝缘层，就形成了在金属和半导体之间插入一层绝缘层，就形成了金属金属-绝缘层绝缘层-半导体（半导体（MIS）结构）结构。当当MIS结构加上外加电场时，随着外加电场和结构加上外加电场时，随着外加电场和空间电荷区的变化，会出现多数载流子、多数空间电荷区的变化，会出现多数载流子、多数载流子耗尽和少数载流子反型三种情况。载流子耗尽和少数载流子反型三种情况。2.8 太阳能光电转换原理太阳能光电转换原理-光生伏特效应光生伏特效应半导体材料的光吸收半导体材料的光吸收 如果吸收的能量大于半导体材料的禁带宽度，就有可能使电子从价带跃迁到导如果吸收的

20、能量大于半导体材料的禁带宽度，就有可能使电子从价带跃迁到导带，从而产生电子带，从而产生电子-空穴对，这种吸收称为空穴对，这种吸收称为本征吸收本征吸收。 半导体材料中光的吸收导致了非平衡载流子产生，总的载流子浓度增加，电导半导体材料中光的吸收导致了非平衡载流子产生，总的载流子浓度增加，电导率增大，称为率增大，称为半导体材料的光电导现象半导体材料的光电导现象。 光能等于禁带宽度时的波长和频率分别为光能等于禁带宽度时的波长和频率分别为0和和0，称为，称为半导体的本征吸收限半导体的本征吸收限。也。也就是说，只有当波长小于就是说，只有当波长小于0时，本征吸收才产生，导致吸收系数的大幅增加。时，本征吸收才

21、产生，导致吸收系数的大幅增加。 对于晶体硅，禁带宽度为对于晶体硅，禁带宽度为1.12eV, 0 =1.1m;而砷化镓的禁带宽度为而砷化镓的禁带宽度为1.12eV, 0 =0.867m。直接跃迁：直接跃迁：直接带隙半导体：直接带隙半导体：间接跃迁：间接跃迁：间接带隙半导体：间接带隙半导体： 间接跃迁不仅取决于电子和光子的作用，而且要考虑电子和晶格的作用，导致间接跃迁不仅取决于电子和光子的作用，而且要考虑电子和晶格的作用，导致吸收系数大大降低。吸收系数大大降低。 对于间接禁带半导体硅而言，需要对于间接禁带半导体硅而言，需要几百微米以上的厚度几百微米以上的厚度，才能完全吸收太阳光，才能完全吸收太阳光中大于其禁带宽度的光波的能量；而对于直接禁带的中大于其禁带宽度的光波的能量；而对于直接禁带的GaAs半导体，仅仅需要半导体，仅仅需要几个几个微米的厚度微米的厚度就可以完全吸收太阳光中大于其禁带宽度的光波的能量。就可以完全吸