太阳能电池工作原理、技术和系统应用的教学课件太阳能电池教学课件

1、太阳能电池工作原理、技术及应用课件第1页，共276页。一、课程内容简介与教学目的（一）内容简介 太阳能电池概论是能源化学工程专业的选修课程，通过本课程的学习，使学生能够在掌握半导体材料的各项性质的基础上，重点掌握太阳能电池基本工作原理、设计和工艺方面的基础知识，对太阳能电池有全面的认识，为学生毕业后从事光电子及其相关学科的工作和学习奠定扎实的理论基础，主要包括以下内容：第2页，共276页。（二）课程要求： 本课程要求学生上课不迟到、不早退、不旷课，请假需要有正规假条；能够按照要求认真完成作业。课程教学中提倡学生积极参与。二、成绩考核成绩考核由以下部分组成：（一）平时成绩：出勤及课堂表现（20%

2、）、作业（10%）。（二）期末考试成绩：考试（70%），采用百分制。（三）最终成绩=平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%）。第3页，共276页。（一）教材Martin A.Green，太阳能电池工作原理、技术和系统应用，上海交通大学出版社，2010年。（二）参考资料施钰川 主编，太阳能原理与技术，西安交通大学出版社，2009年；熊绍珍 等主编，太阳电池基础与应用，科学出版社，2009年；钱伯章 主编，太阳能技术与应用/新能源技术丛书，科学出版社，2010年；赵雨等 主编，太阳能电池技术及应用，中国铁道出版社，2013年。三、教材及参考资料第4页，共276页。第一章太阳能电池和太阳光第5页，

3、共276页。主要内容1.1 引言1.2 太阳能电池工作原理及发展概况1.3 阳光的物理来源1.4 太阳常数1.5 地球表面的日照强度1.6太阳的视运动第6页，共276页。1.1引言第7页，共276页。第8页，共276页。第9页，共276页。预计2040年太阳能电池占25%太阳能电池风力生物质能水力20012010202020302040第10页，共276页。基本工作原理：光伏效应（Photovoltaic effect）太阳能电能半导体材料太阳能电池1.2 太阳能电池工作原理及发展概况1.2.1太阳能电池工作原理第11页，共276页。光伏效应：光照使不均匀半导体不同部位之间产生电位差的现象（P

4、-N结）。光吸收：光照射到物体上，有一部分会被物体吸收，如果入射光的能量为I0，则在距离物体表面x处的光的能量为：I=I0e-ax半导体对光的吸收？第12页，共276页。价带： 0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导 带价 带Eg第13页，共276页。带隙第14页，共276页。每个原子的价电子分别与相邻的四个原子的价电子组成共价键，在空间形成排列有序的单晶体结构 纯净的单晶半导体称为本征半导体。本征半导体不均匀半导体（P-N结）？第15页，共276页。价电子（热激发）自由电

5、子-空穴对复合平衡本征半导体中本征半导体第16页，共276页。在外电场作用下，电子的定向移动形成电流+-第17页，共276页。在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流+-第18页，共276页。(1) 在半导体中有两种载流子a. 电阻率大(2) 本征半导体的特点b. 导电性能随温度变化大带正电的空穴带负电的自由电子本征半导体第19页，共276页。本征半导体缺点 1、电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！ 不适宜制造半导体器件，通常要掺入一些杂质来提高导电能力。此外，产生电子-空穴对后，由于导电性差和缺乏将电子-空穴继续分开的能量，电子-空穴会很快复合，不实用。本征半导体一般不

6、能在半导体器件中直接使用第20页，共276页。杂质半导体n型半导体 SiSiSiSiSiSiSiP 图中掺入的五价P原子在晶体中替代Si的位置，构成与Si相同的四电子结构，多出的一个电子在杂质离子的电场范围内运动。 第21页，共276页。杂质半导体磷原子硅原子SiPSiSi多余电子第22页，共276页。（1）N型半导体形成：本征半导体中掺入五价杂质原子 ，如磷（P）。载流子：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。简化图 杂质半导体第23页，共276页。杂质半导体(2) P型半导体 四价的本征半导体 Si、Ge等，掺入少量三价的杂质元素(如B、Ga、In等)形成空穴型半导体，也称p型半导体。S

7、iSiSiSiSiSiSi+B 图中在硅晶体中掺入少量的硼，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。第24页，共276页。P型半导体形成：本征半导体中掺入三价杂质原子 ，如硼（B）等。载流子：空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。简化图 （a）结构示意图 图1-5 P型半导体的结构杂质半导体第25页，共276页。P-N结的形成 在半导体内，由于掺杂的不同，使部分区域是n型，另一部分区域是p型，它们交界处的结构称为P-N结(P-N junction)。在交

8、界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。PN第26页，共276页。在交界面，由于扩散运动，经过复合,出现空间电荷区。空间电荷区耗尽层PNP-N结的形成过程第27页，共276页。P-N结当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成P-N结。P-N结的形成过程不均匀半导体形成NP第28页，共276页。由于区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在p型半导体和n型半导体的交界面附近产生了一个由n p的电场，称为内建场。 当P型半导体和N型半导体结合在一起，形成P-N结时，由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从N型半导体指向P型半导体的内建电场，导致多数载流子反向漂移。达

9、到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等。第29页，共276页。光生伏特效应 当光照在P-N结上，而且光能大于P-N结的禁带宽度（带隙），则在P-N结附近将产生电子-空穴对。由于内建电场的存在，产生的非平衡载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势（电压），破坏了原来的平衡。这时如果将P-N结与外电路相连，则电路中出现电流，称为光生伏特现象或光生伏特效应。第30页，共276页。太阳能电池工作原理： 由光照射，基于光生伏特效应，使p-n结产生电动势，使之形成电压。将电池与一个负载连接起来，就会形成电流回路。第31页，共276页。第32页，共276页。1.2.2 太阳能电池发展概况20世纪50

10、年代 第一个实用的光伏器件（硅电池）60年代 应用于空间技术70年代 石油危机推动光伏产业发展 80年代 发电效率不断提高（新工艺）1839年，贝克勒尔首先发现光伏效应第33页，共276页。 法国物理学家Edmond Becquerel（贝克勒尔）于1839首先观察到，把光照到浸在电解液中且覆有感光材料AgCl的电极上产生光致电压，进而检测到电流，这就是光伏效应，当时他仅19岁。第34页，共276页。 1877年，Adams和Day研究了玻璃硒的光伏效应。 将铂作为电极被放置在透明硒的两端，只需光照就能使玻璃状的硒产生电流。这是首次全部利用固体来演示光电效应的试验。他们认为光照使得硒条的表明结

11、晶化了。第35页，共276页。 1883年美国科学家Charles Fritts（弗里茨）制造了第一个太阳能电池。他用两种不同材料的金属板来压制融化的硒，硒与其中一块板（如黄铜）仅仅黏住，形成薄片。然后再将金箔压在硒薄片的另一面，于是，历史上第一块光伏器件就制成了。这个薄膜器件有30cm2大，当时转换效率仅1%。 他也是第一个认识到光伏器件有巨大潜力的人。他知道光伏器件制作成本低，并且如果不是马上使用产生的电流，可以用蓄电池储存起来，或者传送到另外一个地方。第36页，共276页。 1927年，人们研究在铜Cu表面生长氧化亚铜Cu2O层的光伏效应时，发现了铜-氧化亚铜交界处的整流效应。提出了利用

12、金属铜及半导体氧化亚铜接合所形成的太阳能电池，促进了大面积光电池的发展。 这是基于铜-氧化亚铜结的早期光电池的简单结构图。一圈圈的铅线作为电极连接在电池接收光的表面。后来改为在表面溅射金属层，然后移走一部分，形成由金属线构成的网格。第37页，共276页。 1939年，Nix发明铊-硫化物光电池。下图展示了由硒、铊-硫化物和Cu-Cu2O共同组成的电池。 硒制电池及氧化铜电池被应用在一些对光线敏感的仪器上，如亮度计、照相机的曝光计等。但这些早期电池的太阳能转换效率都在1%以下。第38页，共276页。1941年Ohl展示了一种基于天然p-n结的光伏器件。硅铸锭中，杂质在熔融时分离形成天然的p-n结

13、。切割硅锭便可制备太阳能电池。1946年Ohl研发出了硅制太阳能电池。早期太阳能电池结构示意图第39页，共276页。 1954年贝尔实验室的三位科学家发现，在硅中掺杂一些杂质后，硅对光更加敏感。他们共同研制出了第一块现代太阳能电池，转换效率达到6%。这是太阳能电池发展史上一个重要里程碑，为人造卫星提供了可贵的能源。利用扩散方式制备的单晶硅p-n结第40页，共276页。太阳能电池的发展41 1957年和1958年，苏联与美国相继发射了第一颗人造卫星。 20世纪60年代，用在人造卫星上的太阳能电池都是采用类似的结构。这样的结构沿用了10年以上。第41页，共276页。 1973年，第一次石油危机后，

14、太阳能应用转移到一般民用，如手表、小型计算器。这些设备通常是利用太阳能给镍镉电池充电。 1974年Haynos在硅结晶面蚀刻出许多类似金字塔的几何形状，可以有效地降低太阳光反射，转换效率达到17%。 1976年出现第一块多晶硅太阳能电池。第42页，共276页。1985年，在太阳能电池表面做出微沟槽的PESC(钝化发射区Passivation emitter solar cells)型太阳能电池，转换效率超过20%。第43页，共276页。德国弗赖堡1990年以后，太阳能电池发电与民用发电相结合。第44页，共276页。第45页，共276页。 德国是世界上太阳能电池最普及的国家，其次是日本和美国。中

15、国是太阳能电池生产大国。2009年3月，中国宣布了太阳能补贴计划。继美国之后，2012年9月，欧盟对中国发起光伏反倾销。第46页，共276页。2013年6月14日，日本太阳能电池龙头厂夏普(Sharp)宣布已采用聚光三结化合物研发出转换效率高达44.4%的太阳能电池。目前商用的太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率不足25%。中国尚德的电池片早在2012年3月12日就宣布通过采用其专利Pluto(冥王星)技术已将多晶硅光伏电池的转换效率提升至20.3%。现在应该更高了。2013年中电光伏单晶电池转换率达到20.26%，刷新纪录。第47页，共276页。1.3 阳光的物理来源光是一种电磁波，具有波粒

16、二象性热物体发出的电磁辐射，光谱或波长与物体的温度有关。第48页，共276页。光子的能量光子的能量：h为普朗克常数，f为频率，c为光速，为真空中的波长。光的能量与波长成反比。能量的单位：电子伏特（eV）能量与波长的关系：其中的单位为 nm49第49页，共276页。1.4 太阳常数-太阳光内核：核聚变反应氢离子层：强烈吸收辐射光球层，温度6000K热对流太阳是一个充满气体的热球地球辐射Glass prismlow energy photonsHigh energy photons第50页，共276页。黑体与光照度许多常见的光源如太阳和白炽灯都是相似的黑体模型。一个黑体能够吸收所有入射到它表面的电

17、磁波，并基于温度的不同辐射出不同的电磁波。黑体：式中，是光的波长，T分别为黑体的温度，k为玻尔兹曼常数。F的单位为W/ (m2m) ，W/m2指的是波长为（m）光的光强（功率密度）。黑体发射的电磁辐射的辐射功率F（光照度）与波长的关系公式由普朗克辐射定律给出：光照度：第51页，共276页。不同温度下，黑体的光照度与波长的关系温度波长丰富波峰移动光照度增加第52页，共276页。总的功率强度 黑体发出的总的功率强度（单位W/ m2）为：式中为Stefan-Boltzmann常数，T为黑体温度(K)。 =5.6710-8 Wm-2K-4第53页，共276页。峰值波长p54峰值波长p是光照度最高时对应

18、的波长。该波长的光辐射出的能量最高。将光照度方程对进行求导，导数为零处的波长就是峰值波长p 。这就是Wien定律，对应方程为：第54页，共276页。 太阳的表面辐射功率强度Isun相当于6000K（5762 K 50K）黑体的辐射强度，其总的功率等于Isun乘于太阳表面积4R2，R为太阳的半径。 越远离太阳表面，太阳总的功率强度就被扩散到越大的表面。 随着太空中物体与太阳距离D的增加，照射到表面的太阳光强减小。第55页，共276页。 太阳光照射在距离D处的球面面积为4D2 ，入射到物体的光强为：第56页，共276页。第57页，共276页。太阳常数AM0 地球以椭圆形轨道围绕太阳公转。由椭圆形轨

19、道引起的改变大概在3.4%左右，一月份时太阳光照度达到最大，最小时为七月份。太阳常数，也叫作大气光学质量零辐射（optical air mass-zero radiation），记作AM0（书图1.3）：地球大气层之外，地球-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射功率基本为一常数。在光伏应用中，采用的太阳常数为：1.3661 kW/m2第58页，共276页。1.5 地球表面的日照常数 当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳定时，影响地球表面辐射的主要因素是（穿过大气层衰减30%）:（1）大气效应，包括吸收和散射；（2）当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染；（3）纬度位置不同，使得一

20、年中季节不同；（4）一天里时间的不同。第59页，共276页。第60页，共276页。第61页，共276页。大气光学质量 大气光学质量（AM）定义为光穿过大气层路径的长度与最短路程之比。当太阳处在头顶正上方时，长度最短时，大气光学质量为1，这时的辐射称为大气光学质量1（AM1）的辐射。 “大气光学质量”描绘了太阳光到达地面前的路程与太阳处在头顶处时的路程的比值，也等于Y/X。 大气光学质量量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。当太阳和头顶正上方成角度时，大气光学质量为：第62页，共276页。大气光学质量估算63 估算大气质量的一个最简单的方法就是，测量一个垂直立着的标杆长度h和它

21、投影长度s。大气光学质量等于斜边的长度除以标杆的高度h:Sh第63页，共276页。 地球表面的标准光谱 太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了对不同地点测得的太阳能电池的性能比较，人们定义了地球表面的光谱和功率强度的标准值。 地球表面的标准光谱称为AM1.5。 地球大气层外的标准光谱称为AM0，因为光没有穿过任何大气。 这个光谱通常被用来检测太空中太阳能电池的表现。 第64页，共276页。1.6 太阳视运动 太阳视运动是由地球自转引起的，它改变着射入地球光线的角度。从地面的一个固定位置来看，太阳横跨整个天空运动。 太阳相对于地球上某一固定的观察者所作的运动称为视运动。 刻画地

22、球上某固定地点的太阳高度角需要纬度、经度、一年中的日期和一天中的时间。第65页，共276页。太阳视运动对日照、太阳能电池收集的影响 太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收集器件获得的能量。(3) 对于0o和90o之间的角，它们相对的功率强度为Iincos，其中为太阳光与器件平面法线之间的夹角。(2) 当平面与太阳光平行时 (=90o)，功率强度变为零。(1) 当太阳光垂直入射(=0)到吸收平面时，平面上的功率强度等于入射光的功率强度Iin。第66页，共276页。本章完第67页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学68第二章：半导体与PN结&2.1简介&2.2基本原理&2.3载流子的

23、产生&2.4载流子的复合&2.5载流子的运动&2.6 PN结第68页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学69&2.1简介 一直以来，太阳能电池与其它的电子器件都被紧密地联系在一起。接下来的几节将讲述半导体材料的基本问题和物理原理，这些都是光伏器件的核心知识。这些物理原理可以用来解释 PN结的运作机制。PN结不仅是太阳能电池的核心基础，还是绝大多数其它电子器件如激光和二极管的重要基础。 右图是一个硅锭，由一个大的单晶硅组成，这样一个硅锭可以被切割成薄片然后被制成不同半导体器件，包括太阳能电池和电脑芯片。第69页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学70&2.2.1基

24、本原理 -半导体的结构 半导体是由许多单原子组成的，它们以有规律的周期性的结构键合在一起，然后排列成型，借此，每个原子都被8个电子包围着。一个单原子由原子核和电子构成，原子核则包括了质子（带正电荷的粒子）和中子（电中性的粒子），而电子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量，因此一个原子的整体是显电中性的。基于原子内的电子数目（元素周期表中的每个元素都是不同的），每个电子都占据着特定的能级。下图展示了一种半导体的结构. 硅晶格中的共价键示意图。硅原子共价键第70页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学71&2.2.1基本原理 -半导体的结构 半导体材料可以来自元素周期表中的族

25、元素，或者是族元素与族元素相结合（叫做 -型半导体 ），还可以是族元素与族元素相结合（叫做 -型半导体 ）。硅是使用最为广泛的半导体材料，它是集成电路（IC）芯片的基础，也是最为成熟的技术，而大多数的太阳能电池也是以硅作为基本材料的。硅的相关材料性能将在硅的材料性质一节给出。 右图给出了元素周期表的一部分，蓝色字幕显示了更多的半导体材料。半导体可以由单原子构成，如Si或Ge，键合如GaAs、InP、CdTe，还可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。 第71页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学72&2.2.1基本原理 -半导体的结构 半导体的价键结构决定

26、了半导体材料的性能。其中一个关键影响就是限制了电子能占据的能级和电子在晶格之间的移动。半导体中，围绕在每个原子的电子都是共价键的一部分。共价键就是两个相邻的原子都拿出自己的一个电子来与之共用，这样，每个原子便被8个电子包围着。共价键中的电子被共价键的力量束缚着，因此它们总是限制在原子周围的某个地方。因为它们不能移动或者自行改变能量，所以共价键中的电子不能被认为是自由的，也不能够参与电流的流动、能量的吸收以及其它与太阳能电池相关的物理过程。然而，只有在绝对零度的时候才会让全部电子都束缚在价键中。在高温下，电子能够获得足够的能量摆脱共价键，而当它成功摆脱后，便能自由地在晶格之间运动并参与导电。在室

27、温下，半导体拥有足够的自由电子使其导电，然而在到达或接近绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。 价键的存在导致了电子有两个不同能量状态。电子的最低能量第72页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学73&2.2.1基本原理 -半导体的结构 态是其处在价带的时候。然而，如果电子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将进入导带成为自由电子。电子不能处在这两个能带之间的能量区域。它要么束缚在价键中除于低能量状态，要么获得足够能量摆脱共价键，但它吸收的能量有个最低限度，这个最低能量值被叫做半导体的“禁带”。自由电子的数量和能量是研究电子器件性能的基础。 电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从一

28、个电子移动到另一个电子，也因此出现了正电荷在晶格中运动的现象。这个留下的空位置通常被叫做“空穴”，它与电子相似但是带正电荷。 右边动画展示了当电子能够逃脱共价键时自由电子和空穴是如何形成的第73页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学74&2.2.1基本原理 -半导体的结构 对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是：禁带宽度能参与导电的自由载流子的数目当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复合。 关于这些参数的更详细描述将在下面几页给出。第74页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学75&2.2.2基本原理-禁带 半导体的禁带宽度是指一个电子从价带运动到能参与导

29、电的自由状态所需要吸收的最低能量值。半导体的价键结构显示了（y轴）电子的能量，此图也被叫做“能带图”。半导体中比较低的能级被叫做“价带”（Ev），而处于其中的电子能被看成自由电子的能级叫“导带”（Ec）。处于导带和价带之间的便是禁带（EG）了。 固体中电子的能带示意图第75页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学76&2.2.2基本原理-禁带 一旦进入导带，电子将自由地在半导体中运动并参与导电。然而，电子在导带中的运动也会导致另外一种导电过程的发生。电子从原本的共价键移动到导带必然会留下一个空位。来自周围原子的电子能移动到这个空位上，然后又留下了另外一个空位，这种留给电子的不断运

30、动的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格间运动的正电荷。因此，电子移向导带的运动不仅导致了电子本身的移动，还产生了空穴在价带中的运动。电子和空穴都能参与导电并都称为“载流子”。 移动的“空穴”这一概念有点类似于液体中的气泡。尽管实际上是液体在流动，但是把它想象成是液体中的气泡往相反的方向运动更容易理解些。第76页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学77&2.2.3基本原理 -本征载流子浓度 把电子从价带移向导带的热激发使得价带和导带都产生载流子。这些载流子的浓度叫做本征载流子浓度，用符号ni表示。没有注入能改变载流子浓度的杂质的半导体材料叫做本征材料。本征载流子浓度就是指本征材

31、料中导带中的电子数目或价带中的空穴数目。载流子的数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度。宽禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的本征载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。 右图显示了两个温度下的半导体本征载流子浓度。需要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数目都是相等的。室温高温导带价带第77页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学78&2.2.4基本原理-掺杂 通过掺入其它原子可以改变硅晶格中电子与空穴的平衡。比硅原子多一个价电子的原子可以用来制成n型半导体材料，这种原子把一个电子注入到导带中，因此

32、增加了导带中电子的数目。相对的，比硅原少一个电子的原子可以制成p型半导体材料。在p型半导体材料中，被束缚在共价键中的电子数目比本征半导体要高，因此显著地提高了空穴的数目。在已掺杂的材料中，总是有一种载流子的数目比另一种载流子高，而这种浓度更高的载流子就叫“多子”，相反，浓度低的载流子就叫“少子”。 右边的示意图描述了单晶硅掺杂后制成n型和p型半导体。第78页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学79&2.2.4基本原理-掺杂下表总结了不同类型半导体的特性P型（正）N型（负）掺杂族元素（如硼）族元素（如磷）价键失去一个电子（空穴）多出一个电子多子空穴电子少子电子空穴第79页，共27

33、6页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学80&2.2.4基本原理-掺杂 下面的动画展示了p型硅与n型硅。在一块典型的半导体中，多子的浓度可能达到1017cm-3，少子的浓度则为106cm-3。这是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个人与地球总的人口数目的比还要小。少子既可以通过热激发又可以通过光照产生。 N型半导体。之所以叫n型是因为多子是带负电（negatively）的电子 P型半导体。之所以叫p型是因为多子是带正电（positively)的空穴第80页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学81&2.2.5基本原理-平衡载流子浓度 在没有外加偏压的情况下，导带和价带

34、中的载流子浓度就叫本征载流子浓度。对于多子来说，其平衡载流子浓度等于本征载流子浓度加上掺杂入半导体的自由载流子的浓度。在多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度要比本征载流子浓度高出几个数量级，因此多子的浓度几乎等于掺杂载流子的浓度。 在平衡状态下，多子和少子的浓度为常数，由质量作用定律可得其数学表达式。 n0p0=n2i 式中ni表示本征载流子浓度，n0和p0分别为电子和空穴的平衡载流子浓度。使用上面的质量作用定律，可得多子和少子的浓度： n型 n0=NDP0=n2i/ND p型 P0=NAn0=n2i/NA第81页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学82&2.2.5基本原理

35、-平衡载流子浓度 上面的方程显示少子的浓度随着掺杂水平的增加而减少。例如，在n型材料中，一些额外的电子随着掺杂的过程而加入到材料当中并占据价带中的空穴，空穴的数目随之下降。 右图描述了低掺杂和高掺杂情况下的平衡载流子浓度。并显示，当掺杂水平提高时，少子的浓度减小。N型半导体材料低掺杂高掺杂价带价带导带导带第82页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学83&2.3.1载流子的产生-光的吸收 入射到半导体表面的光子要么在表面被反射，要么被半导体材料所吸收，或者两者都不是，即只是从此材料透射而过。对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失部分，就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子

36、被吸收，将在价带产生一个电子并运动到导带。决定一个光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导体材料的光子可以分为三种：EphEg 光子能量Eph小于禁带宽度Eg，光子与半导体的相互作用很弱，只是穿过，似乎半导体是透明的一样。EphEg 光子的能量刚刚好足够激发出一个电子-空穴对，能量被完全吸收。EphEg 光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。 第83页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学84&2.3.1载流子的产生-光的吸收 右边的动画展示了三种不同能量层次的光子在半导体内产生的效应。对光的吸收即产生了多子又产生少子。在很多光伏应

37、用中，光生载流子的数目要比由于掺杂而产生的多子的数目低几个数量级。因此，在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产生的少子的数目要远高于原本无光照时的光子数目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目几乎等于光产生的少子数目。第84页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学85&2.3.2载流子的产生-吸收系数 吸收系数决定着一个给定波长的光子在被吸收之前能在材料走多远的距离。如果某种材料的吸收系数很低，那么光将很少被吸收，并且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透明的。吸收系数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。在半导体的吸收系数曲线图中出

38、现了一个很清晰的边缘，这是因为能量低于禁带宽度的光没有足够的能量把电子从价带转移到导带。因此，光线也就没被吸收了。下图显示几种半导体材料的吸收系数：砷化镓磷化铟锗硅 四种不同半导体才在温度为300K时的吸收系数，实验在真空环境下进行。第85页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学86&2.3.2载流子的产生-吸收系数 上面的图表明，即使是那些能量比禁带宽度高的光子，它们的吸收系数也不是全都相同的，而是与波长有密切的联系。一个光子被吸收的概率取决于这个光子能与电子作用（即把电子从价带转移到导带）的可能性。对于一个能量大小非常接近于禁带宽度的光子来说，其吸收的概率是相对较低的，因为只

39、有处在价带边缘的电子才能与之作用并被吸收。当光子的能量增大时，能够与之相互作用并吸收光子的电子数目也会增大。然而，对于光伏应用来说，比禁带宽度多出的那部分光子能量是没有实际作用 的，因为运动到导带后的电子又很快因为热作用回到导带的边缘。 硅的其它光学性质在硅的光学性质一页中给出。第86页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学87&2.3.3载流子的产生-吸收深度 吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被完全吸收之前进入半导体的深度的不同。下面将给出另一个参数-吸收深度，它与吸收系数成反比例关系，即为-1。吸收深度是一个非常有用的参数，它显示了在光在其能量下降到最初强度的大概36

40、%（或者说1/e）的时候在材料中走的深度。因为高能量光子的吸收系数很大，所以它在距离表面很短的深度就被吸收了（例如硅太阳能电池就在几微米以内），而红光在这种距离的吸收就很弱。即使是在几微米之后，也不是所有的红光都能被硅吸收。右边的动画显示了红光与蓝光的吸收深度的不同。 蓝光在离表面非常近处就被吸收而大部分的红光则在器件的深处才被吸收。第87页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学88&2.3.3载流子的产生-吸收深度下图显示了几种半导体的吸收深度：第88页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学89&2.3.4载流子的产生-生成率 生成率是指被光线照射的半导体每一点生

41、成电子的数目。忽略反射不计，半导体材料吸收的光线的多少决定于吸收系数（ 单位为cm-1）和半导体的厚度。半导体中每一点中光的强度可以通过以下的方程计算： I=I0e-x 式中为材料的吸收系数，单位通常为cm-1，x为光入射到材料的深度，I0为光在材料表面的功率强度。 上述方程可以用来计算太阳能电池中产生的电子空穴对的数目。假设减少的那部分光线能量全部用来产生电子空穴对，那么通过测量透射过电池的光线强度便可以算出半导体材料生成的电子空穴对的数目。因此，对上面的方程进行微分将得到半导体中任何一点的生成率。即第89页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学90&2.3.4载流子的产生-生

42、成率 G=N0e-x其中N0=表面的光子通量（光子/单位面积.秒）=吸收系数，x=进入材料的距离。 上面的方程显示，光的强度随着在材料中深度的增加呈指数下降，即材料表面的生成率是最高的。 对于光伏应用来说，入射光是由一系列不同波长的光组成的，因此不同波长的生成率也是不同的。下图显示三种不同波长的光在硅材料中的生成率。进入硅的深度电子空穴对的生成率第90页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学91&2.3.4载流子的产生-生成率 计算一系列不同波长的光的生成率时，总的生成率等于每种波长的总和。下图将展示入射到硅片的光为标准太阳光谱时，不同深度的生成率大小。Y轴的范围大小是成对数的，

43、显示着在电池表面的产生了数量巨大的电子空穴对，而在电池的更深处，生成率几乎是常数。第91页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学92&2.4.1复合理论-复合的类型 所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会回到价带中更低的能量状态。它必须移回到一个空的价带能级中，所以，当电子回到价带的同时也有效地消除了一个空穴。这种过程叫做复合。在单晶半导体材料中，复合过程大致可以分为三种：辐射复合俄歇复合肖克莱-雷德-霍尔复合这些复合在右边的动画中都有描述。第92页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学93&2.4.1复合理论-复合的类型辐射复合 辐射复合是LED灯和激光这

44、类的半导体器件的主要复合机制。然而，对于由硅制成的陆地用太阳能电池来说，辐射复合并不是主要的，因为硅的禁带并不是直接禁带，它使得电子不能直接从价带跃迁到导带。辐射复合的几个主要特征是：在辐射复合中，电子与空穴直接在导带结合并释放一个光子。释放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，大部分能够飞出半导体。通过复合中心的复合 通过复合中心的辐射也被叫做肖克莱-莱德-霍尔或SRH复合，它第93页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学94&2.4.1复合理论-复合的类型 不会发生在完全纯净的、没有缺陷的材料中。SRH复合过程分为两步：一个电子（或空穴）被由晶格中的缺陷产生的禁带中的一

45、个能级所俘获。这些缺陷要么是无意中引入的要么是故意加入 到材料当中去的，比如往材料中掺杂。如果在电子被热激发到导带之前，一个空穴（或电子）也被俘获到同一个能级中，那么复合过程就完成了。 载流子被俘获到禁带中的缺陷能级的概率取决于能级到两能带（导带和禁带）的距离。因此，如果一个能级被引入到靠近其中一能带的边缘地区，发生复合的可能性将比较小，因为电子比较容易被激发到导带去，而不是与从价带移动到同一个能级的空穴复合。基于这个因素，处在禁带中间的能级发生复合的概率最大。第94页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学95&2.4.1复合理论-复合的类型 俄歇复合 一个俄歇复合过程有三个载流

46、子参与。一个光子与一个空穴复合后，其释放的能量并不是以热能或光子的形式传播出去，而是把它传给了第三个载流子，即在导带中的电子。这个电子接收能量后因为热作用最终又回到导带的边缘。 俄歇复合是重掺杂材料和被加热至高温的材料最主要的复合形式。第95页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学96&2.4.2复合理论-扩散长度 如果半导体中少子的数目因为外界的短暂激发而在原来平衡的基础上增加，这些额外激发的少子将因为复合过程而渐渐衰退回原本平衡时的状态。在太阳能电池中一个重要的参数是复合发生的速率，这样也叫做”复合率”.复合率决定于额外少子的数目。例如，当没有额外少子时，复合率将为零。“少子

47、寿命”（用符号 和 表示）是指产生电子空穴对之后处在激发状态的载流子在复合之前能存在的平均时间。还有一个相关的参数少子扩散长度，是指在复合之前一个载流子从产生处开始运动的平均路程。 少数载流子寿命和扩散长度在很大程度上取决于材料的类型和复合的数量。对于许多种类的硅太阳能电池来说，SHR复合式主要的复合机制。而复合率则决定于材料中存在的缺陷数量，因此，当太阳能电池的掺杂量增加时，SHR复合的速率也将随着增加。另外第96页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学97&2.4.2复合理论-扩散长度 ，因为俄歇复合更多的是在重掺杂和被加热的材料发生，所以俄歇复合过程也会随着掺杂的增加而增强

48、。此外，生成半导体薄片的方法和过程对扩散长度也有重要影响。 右图为高效率的PERL多晶硅太阳能电池的比色图。图下的比例系数代表着光生载流子的多少以及由于太阳能电池中扩散长度的不同而引起的电池中不同区域的差异，而扩散长度的不同是由多晶硅材料的晶界变化照成的。在硅中，少子寿命可以达到1s。对于单晶硅太阳能电池来说，扩散长度通常在100-300m之间。这两个参数表征了材料相对于电池应用的质量和适用度。第97页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学98&2.4.3复合理论-表面复合 任何在半导体内部或表面的缺陷和杂质都会促进复合。因为太阳能电池表面存在着严重的晶格分裂，所以电池表面是一个

49、复合率非常高的区域。高复合率导致表面附近的区域的少子枯竭。就如扩散这一节所解释的，某些区域的低载流子浓度会引起周围高浓度区域的载流子往此处扩散。因此，表面复合率受到扩散到表面的载流子的速率的限制。“表面复合率”的单位为cm/sec，被用来描述表面的复合。在没有发生复合的表面，往表面运动的载流子数目也为零，因此表面复合率也为零。当表面复合非常快时,运动指向表面的载流子读速度受到最大复合速率的限制，而对大多数半导体来说最大速度为1107cm/sec。半导体表面的挂键引起了此处的高复合率第98页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学99&2.4.3复合理论-表面复合 半导体表面的缺陷是

50、由于晶格排列在表面处的中断照成的，即在表面处产生挂键。减少挂键的数目可以通过在半导体表面处生长一层薄膜以连接这些挂键，这种方法也叫做表面钝化，第99页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学100&2.5.1载流子的运动 -半导体中载流子的运动 导带中的电子和价带中的空穴之所以被叫做自由载流子，是因为它们能在半导体晶格间移动。一个很简单但在多数情况下都适用的对载流子运动的描述是，在一定温度下，在随机方向运动的载流子都有特定的速度。在与晶格原子碰撞之前，载流子在随机方向运动的距离长度叫做散射长度。一旦与原子发生碰撞，载流子将往不同的随机方向运动。 载流子的速度决定于晶格的温度。在温度

51、为T 的半导体内载流子的平均运动能量为1/2 mv2 ，其中m为载流子的质量，v代表热运动速度。热运动速度指的是载流子速度的平均值，即载流子的速度是分散的、不均匀的，有些速度快有些则很慢。下面的动画将展示载流子运动的模型第100页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学101&2.5.1载流子的运动 -半导体中载流子的运动 尽管半导体中的载流子在不停地做随机运动，但是并不存在载流子势运动，除非有浓度梯度或电场。因为载流子往每一个方向运动的概率都是一样的，所以载流子往一个方向的运动最终会被它往相反方向的运动给平衡掉。第101页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学102

52、&2.5.1载流子的运动 -半导体中载流子的运动 在下面的动画中，一个载流子在与晶格原子碰撞之前在随机方向运动了与散射长度相等的距离（为了看得更加清晰，晶格原子并没有显示出来）。在与晶格原子碰撞后，载流子再次以随机方向运动。下面的动画举出了50个散射粒子。尽管在动画中碰撞的次数很少，载流子的势运动还是很小的。第102页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学103&2.5.2载流子的运动-扩散 如果半导体中一个区域的载流子浓度要比另一个区域的高，那么，由于不停的随机运动，将引起载流子的势运动。当出现这种情况时，在两个不同浓度的区域之间将会出现载流子梯度。载流子将从高浓度区域流向低浓

53、度区域。这种载流子的流动叫做“扩散”，是由于载流子的随机运动引起的。在器件的所有区域中，载流子往某一方向的运动的概率是相同的。在高浓度区域，数量庞大的载流子不停地往各个方向运动，包括往低浓度方向。然而，在低浓度区域只存在少量的载流子，这意味着往高浓度运动的载流子也是很少的。这种不平衡导致了从高浓度区域往低浓度区域的势运动。如下面的动画所示。第103页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学104&2.5.2载流子的运动-扩散 扩散的速率决定于载流子的运动速度和两次散射点相隔的距离。在温度更高的区域，扩散速度会更快，因为提高温度能提高载流子的热运动速度。 扩散现象的主要效应之一是使载

54、流子的浓度达到平衡，就像在没有外界力量作用半导体时，载流子的产生和复合也会使得半导体达到平衡。下面的动画将阐述这一现象，图中一个区域有很高浓度的电子，另一个则有高浓度的空穴。因为只有载流子的随机运动，所以最终这两种浓度会变成一致的。 这个动画显示了半导体的高浓度部分是怎样趋向于平均分布的。载流子填满可利用的空间，仅仅是通过随机运动。在这种情况下，静电斥力的影响甚微，因为载流子之间的距离很远。此外，空穴（蓝色）的扩散率比电子的低，所以需要更长的时间来填满整个空间。第104页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学105&2.5.3载流子的运动-漂移运动 在半导体外加一个电场可以使做随

55、机运动的带电载流子往一个方向运动。在没有外加电场时，载流子在随机方向以一定的速度移动一段距离。然而，在加了电场之后，其方向与载流子的随机方向叠加。那么，如果此载流子是空穴，其在电场方向将做加速运动，电子则反之。在特定方向的加速运动导致了载流子的势运动，如下面动画所示。载流子的方向是其原来方向与电场方向的向量叠加。右边动画显示了电场的存在是如何使载流子是如何往一个总方向运动的。动画中的粒子是空穴，所以运动的方向与电场方向相同。第105页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学106&2.5.3载流子的运动-漂移运动 由外加电场所引起的载流子运动叫“漂移运动”。漂移运动不仅发生在半导体

56、材料中，在金属材料中同样存在。而接下来动画将分别展示有伴随和没有伴随电场的载流子随机运动。途中的载流子是电子。因为电子是带负电的所以它将朝着与电场方向相反的方向运动。值得注意的是，在大多数情况下，电子是往电场相反的方向运动的。但是在有些情况中，例如电子跟随着一系列往电场方向的运动，则有可能是势运动，并沿着电场方向运动了一小段距离。第106页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学107&2.5.3载流子的运动-漂移运动 下面一个动画描述了拥有相等数目的电子和空穴的本征半导体。没有外加电场时，电子和空穴随机地在半导体中运动。加入电场后电子和空穴往相反的方向漂移。为了看得更加清晰，动画

57、夸大了电场的作用效果。事实上，对于通常的半导体来说，电场对载流子随机运动的影响是很有限的。第107页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学108&2.6.1 P-N结-pn结二极管 pn结二极管的结构不仅是太阳能电池结构的基础还是其它许多电子器件的基础，如LEDS、激光、光电二极管还有双极结二极管（BJTS）。一个pn结把之前所描述的载流子复合、产生、扩散和漂移全部集中到一个器件中。 pn结的形成 pn结是n型半导体材料和p型半导体材料的结合形成的，如下图所示。因为n型半导体区域的电子浓度很高，而p型区域的空穴浓度很高，所以电子从n型区扩散到p型区，同理，空穴也从p型区扩散到n型

58、区。如果电子和空穴都是不带电的，扩散过程将持续到两个区域的电子和空穴的浓度都分别相等，就像两种气体相互往对方区域扩散一样。然而，对于pn结来说，当电子和空穴运动到pn结的另一边 第108页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学109&2.6.1 P-N结-pn结二极管 时，也在杂质原子区域留下了与之相反的电荷，这种电荷被固定在晶格当中不能移动。在n型区，被留下的便是带正电的原子核，相反，在p型区，留下的是带负电的原子核。于是，一个从n型区的正离子区域指向p型区的负离子区域的电场E就建立起来了。这个电场区域叫做“耗尽区”，因为此电场能迅速把自由载流子移走，因此，这个区域的自由载流子

59、是被耗尽的。源于电场E的内建电势Vbi在pn结中形成。下面的动画将展示n型和p型材料之间的pn结所形成的电场E的结构。第109页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学110&2.6.1P-N结-pn结二极管 平衡状态下载流子运动 没有外加刺激的pn结代表着，由于耗尽区的电场的存在，载流子之间的产生、复合、扩散以及漂移将会达到平衡。尽管电场的存在阻碍了载流子的扩散运动穿过电场，但有些载流子还是依然通过扩散运动穿过了电场。在下面的动画中，大多数进入耗尽区的多子都被移回它们本来的区域。然而，统计数据显示，有一些载流子会以很高的速度往pn结方向运动，最终穿过电场。一旦多子穿过电场就会变成

60、另一区的少子。在被复合之前，这个载流子将继续做远离电场的扩散运动，运动距离等于平均扩散长度。由载流子通过扩散运动穿过电场而产生的电流叫做扩散电流。在下面的动画中，注意观察跑入耗尽区的载流子，并留意穿过pn结的载流子。需要说明的一点是，实际的pn结中载流子的数目和速度都是比动画中的要高得多，而穿过pn结的载流子数目也是非常大的。第110页，共276页。2022/8/4UNSW新南威尔士大学111&2.6.1 P-N结-pn结二极管 到达扩散区与耗尽区的交界处时，少子会被电场拉到耗尽区。由此形成的电流叫做漂移电流。在平衡状态下，漂移电流的大小受到少子数目的限制，这些少子是在与耗尽区的距离小于扩散长