光伏发电技术3太阳能光伏电池

1、3.1.1 半导体基础知识（1）导体、绝缘体和半导体物质由大量的分子和原子构成。原子 原子核核外电子：受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。自由电子物质导电的基本电荷粒子受原子核的作用力较小，可以在物质内部的原子间自由运动的电子。自由电子浓度n单位体积中自由电子的数量。 是决定物体导电能力的主要因素之一。由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章的运动。电流：导体中自由电子在电场力作用下的定向运动形成电流。自由电子的迁移率：在单位电场强度（1V/cm）下，定向运动的自由电子的“直线速度”，是决定物体导电能力的主要因素之一。电导率 ：表征物体导电能力的物理量。 =en 电阻：导体中的自

2、由电子定向运动形成电流所受到的“阻力”，也表征物体的导电能力。导体的电阻特性用电阻率表示 =1/ 按材料的导电能力划分，物质可分为三类：导体：善于传导电流的物质，如铜、铝、铁等金属，它们的电阻率大约为10-910-6；绝缘体：不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的物质，如橡胶、玻璃、塑料和干木材，电阻率大约为1081020 ；半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、砷化镓、硫化镉等，电阻率大约为10-5107 。金属导体和半导体的导电机理金属导体导电：自由电子在电场力作用下的定向运动，其导电性能基本是恒定的。半导体导电：电子和空穴在电场力作用下的定向运动。电子和空穴的浓度随温度

3、、杂质含量、光照等变化较大，影响其导电性能。这是半导体材料的重要特征。（2）硅的晶体结构硅是最常见和应用最广泛的半导体材料，硅的原子序数是14，它的原子核外有14个电子，这些电子围绕着原子核做层状的轨道分布运动。4个电子排在最外层，称为价电子，硅的物理化学性质主要由它们决定。晶体：是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。所有的晶体都是由原子（或离子、分子）在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的晶格。单晶体：一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即长程有序，就称其为单晶体。多晶体：由许多小颗粒单晶杂乱的排列在一起的固体称为多晶体。非晶体：没

4、有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，这样的材料称为非晶体，也叫作无定形材料。硅的晶体：在硅的晶体中，每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间都有相互作用，称为共价键，正是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。（3）能级和能带电子在原子核周围运动时，每一层轨道上的电子都有确定的能量，轨道越高，能量越高。电子能级：为了形象地表示电子在原子中的运动状态，用一系列高低不同的水平横线来表示电子运动所取的能量值，这些横线就是标志电子能量高低的电子能级。每层电子轨道都有一个对应的能级。能带在晶体中，原子之间的距离很近，相邻原子的电子轨道相互交叠，互相作用。与轨道相对应的能级就会分裂成

5、能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，这些由很多能量相差很小的电子能级形成一个能带。外层的电子由于受相邻原子的影响较大，它所对应的能带较宽，内层电子互相影响小，它所对应的能带较窄。（4）禁带、价带和导带根据量子理论，晶体中的电子不存在两个能带中间的能量状态，即电子只能在各能带内运动，在能带之间的区域没有电子态，这个区域叫做“禁带”。受外电场作用，电子能量增大，有可能使电子从能带中较低的能带跃迁到较高的能带。完全被电子填满的能带叫做“满带”。最高的满带容纳价电子，称为“价带”。价带上面完全没有电子的能带称为“空带”。导带：没有被电子填满，处于最高满带上的一个能带称为“导带”。价电子要从价带越过

6、禁带跳跃到导带里去参与导电运动，必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量。Eg导带底部和价带顶部之间的能量差，称为“禁带宽度”或“带隙”。金属的能带：导带和价带重叠在一起，不存在禁带，即使接近绝对零度，电子在外电场作用下仍可以参与导电。半导体的能带：禁带宽度比金属大，却远小于绝缘体。半导体在绝对零度时，电子填满价带，导带是空的，此时与绝缘体一样不能导电。当温度高于热力学温度零度时，导体内部产生热运动，使价带中少量电子获得足够的能量，跳跃到导带，此时半导体就具有一定的导电能力。（5）电子和空穴本征半导体：晶格完整且不含杂质的半导体。当温度高于热力学温度零度时，价电子在热激发下有可能克服共价键束缚，

7、从价带跃迁到导带，使其价键断裂，电子从价带跃迁到导带后，在价带中留下一个空位，称为“空穴”。空穴可以被相邻满键上的电子填充而形成新的空穴，这样的重复过程，可看成空穴在晶体中移动，这种运动相当于电子在价带中的移动，空穴可以看成是带正电的粒子。如果存在电场，自由电子将沿着电场的相反方向运动，空穴则与电场同方向运动，半导体就是靠导带的电子和价带的空穴的定向移动来形成电流的。电子和空穴都被称为载流子。（6）掺杂半导体实际使用的半导体都掺有少量的某种杂质，这里的“杂质”是有选择的。例如，在纯净的硅中掺入少量的五价元素磷，这些磷原子在晶格中取代硅原子，并用它的四个价电子与相邻的硅原子进行共价结合，磷有5个

8、价电子，用去4个还剩1个。这个多余的价电子虽然没有被束缚在价键里面，但仍受到磷原子核正电荷的吸引。不过这种吸引力很弱，只要很少的能量（约0.04eV）就可以使它摆脱磷原子到晶体内成为自由电子，从而产生电子导电运动；同时，磷原子由于缺少一个电子而变成带正电的磷离子。由于磷原子在晶体中起施放电子的作用，所以把磷等五价元素叫做施主型杂质（或叫n型杂质）。在掺有五价元素的半导体中，电子的数目远远大于空穴的数目，半导体的导电主要由电子来决定，导电方向与电场方向相反，这样的半导体叫做电子型或n型半导体。在纯净的硅中掺入少量的三价元素硼，它的原子只有三个价电子，当硼和相邻的四个硅原子作共价结合时，还缺少一个

9、电子，要从其中一个硅原子的价键中获取一个电子填补，这样就在硅中产生了一个空穴，而硼原子由于接受了一个电子而成为带负电的硼离子。硼原子在晶体中起着接受电子而产生空穴的作用，所以叫做受主型杂质（或叫p杂质）。在含有三价元素的半导体中，空穴的数目远远超过电子的数目，半导体的导电主要是由空穴决定的，导电方向与电场方向相同，这样的半导体叫做空穴型或p型半导体。在含有杂质和有晶格缺陷的半导体中，电子和空穴的浓度不相等，把数目较多的载流子叫做“多数载流子”，简称“多子”；把数目较少的载流子叫做“少数载流子”，简称“少子”。（7）载流子的产生与复合载流子产生的过程：由于晶格的热振动，电子不断从价带被激发到“导

10、带”，形成一对电子和空穴。载流子复合：不存在电场时，由于电子和空穴的运动时无规则的，在运动中，电子和空穴经常碰在一起，即电子跳到空穴的位置上，把空穴填补掉，这时电子空穴对随之消失，叫电子和空穴的复合。在外界因素作用下，例如n型硅受到光照，价带中的电子吸收光子能量跳入导带（这种电子称为光生电子），在价带中留下等量空穴，这种现象称为光激发，电子和空穴的产生率就大于复合率，这些多于平衡浓度的光生电子和空穴称为非平衡载流子（即光生载流子)。（8）载流子的输运半导体中存在能够导电的自由电子和空穴，这些载流子有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的运动称为漂移运

11、动。载流子在热平衡时，不断与晶格、杂质、缺陷发生碰撞，经过一次碰撞，改变一次方向，这种现象叫做散射。扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。p-n结是太阳能电池的核心，是太阳能电池赖以工作的基础。把一块n型半导体和一块p型半导体紧密的接触，在交界处n区中电子浓度高，要向p区扩散（净扩散），在n区一侧就形成一个正电荷的区域；同样，p区中空穴浓度高，要向n区扩散，p区一侧就形成一个负电荷的区域。这个n区和p区交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为“空间电荷区”，即通常所说的pn结。在pn结内，有一个从n区指向p区的电场，是由pn结内部电荷产生的，叫做

12、“内建电场”，由于存在内建电场，在空间电荷区将产生载流子的漂移运动，使电子由p区拉回n区，空穴由n区拉回p区，其运动方向正好和扩散运动的方向相反，起初，扩散运动占优势，空间电荷区两侧的电荷逐渐增加，空间电荷区增宽，内建电场增强。随着内建电场的增强，漂移运动也随之增强，阻止扩散运动的进行，使其逐步减弱。最后，扩散运动和漂移运动趋向平衡，扩散和漂移的载流子数目相等而运动方向相反达到动态平衡。此时，内建电场两边的电势，n区一边的高，p区一边的低，存在的这个电势差称作p-n结势垒，也叫内建电势差。当p-n结加上正向偏压（即p区接电源的正极，n区接负极），外加电场的方向与内建电场方向相反，是空间电荷区中的电场减弱，这样就打破了扩散运动和漂移运动的平相平衡，源源不断有电子从n区扩散到p区，有空穴从p区扩散到区n，使载流子的扩散运动超过漂移运动，由于n区电子和p区空穴均是多子，通过p-n结的电流很大。当p-n结加上反向偏压（即n区接电源的正极，p