第九章补充太阳能电池原理

一、太阳能电池和太阳光1.1引言太阳能电池利用半导体材料的电子特性，把阳光直接转换为电能。光能太阳能电池分类1.硅太阳能电池单晶硅太阳电池：采用单晶硅片制造制造，性能稳定，转换效率高。目前转换效率已达到16%--18%。多晶硅太阳电池：作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正方形硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池。由于硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成，因而转换效率低。目前转换效率达到15%--17%。多晶硅太阳电池生产流程直拉法拉制单晶示意图及单晶炉非晶硅太阳电池：一般采用高频辉光放电等方法使硅烷气体分解沉积而成。一般在P层与N层之间加入较厚的I层。非晶硅太阳电池的厚度不到1μm，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，降低制造成本。目前转换效率为5%--8%，最高效率达14.6%，层叠的最高效率可达21.0%。微晶硅太阳电池：在接近室温的低温下制备，特别是使用大量氢气稀释的硅烷，可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2---3μm，目前转换效率为10%以上。2.化合物太阳能电池单晶化合物太阳电池：主要有砷化镓太阳电池（如图）。砷化镓的能隙为1.4eV，是单结电池中效率最高的电池，但价格昂贵，且砷有毒，所以极少使用。多晶化合物太阳电池：主要有碲化镉太阳电池（如图）

，铜铟镓硒太阳电池等。碲化镉太阳电池是最早发展的太阳电池之一，工艺过程简单，制造成本低，转换效率超过16%，不过镉元素可能造成环境污染。铜铟镓硒太阳电池在基地上成绩铜铟镓硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效率接近20%，成品组件达到13%，是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。1太阳能电池的原理

P区N区内建电场

耗尽区P区空间电荷区N区

当入射辐射作用在PN结区时，本征吸收产生光生电子与空穴在内建电场的作用下做漂移运动，电子被内建电场拉到N区，空穴被拉到P区。结果P区带正电，N区带负电，形成伏特电压。I光

P

N将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。2太阳能电池的结构1.3阳光的物理来源太阳实质上是一个由其中心发生的核聚变反应所加热的气体球。热物体发出电磁辐射，其波长或光谱分布由该物体的温度所决定。例如：铁块燃烧时，温度升高过程：从看不出发光到暗红到橙色到黄白色。黑体所发出的辐射的光谱分布由普朗克辐射定律决定。0123

6瑞利-金斯公式2

4普朗克公式的理论曲线实验值****************T=2000K每条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。太阳的核心温度高达2×107K光球层的温度为6000K。在此温度下与黑体辐射光谱很接近。1.4太阳常数在地球大气层之外，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上为一常数，这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气光学质量为零（AM0）的辐射。太阳常数1.353kW/m21.5地球表面的日照强度阳光穿过地球大气层时至少衰减了30%。造成衰减的原因：1.瑞利散射或大气中的分子引起的散射。2.悬浮微粒和灰尘引起的散射。3.大气及其组成气体，特别是氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。输入100%臭氧20—40km高层尘埃15—25km大气分子0—30km水蒸汽0—3km低层尘埃0—3km2%1%8%6%1%18%吸收0.5%1.0%0.5%1.0%1%4%1%1%7%散射到地表70%直达地表3%散射到太空决定总入射功率最重要的参数是光线通过大气层的路程。太阳在头顶正上方时，路程最短。实际路程和此最短路程之比称为大气光学质量（AM）。1.太阳在头顶正上方时，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。2.当太阳和头顶正上方成一个角度θ时，大气光学质量为：

AM=1/cosθ例：当θ=60°时，AM=1/cos60=2EarthAM0AM1AM1.5大气层45o在无法知道θ值的情况下，如何估算大气光学质量AM？hSh：物体的高度s：竖直物体投影的阴影长度1.6直接辐射和漫射辐射到达地面的太阳光，除了直接由太阳辐射来的分量之外，还包括大气层散射引起的相当可观的间接辐射或漫射辐射分量。1.直接辐射太阳高度角增大，直接辐射增强。大气透明系数增加，直接辐射增强。海拔高度升高，直接辐射增强。纬度高，直接辐射增强。2.散射辐射

太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小的质点时，当这些质点的直径小于组成太阳辐射的电磁波长时，太阳辐射中的一部分能量就以电磁波的形式从该质点向四面八方传播出去。通过散射形式传播的能量称为散射辐射。散射只改变辐射的传播方向，不吸收太阳辐射。波长越短，散射越强。可见光中，紫光和蓝光波长最短，散射最强。大气层当日照特别少的天气，大部分辐射是漫射辐射。漫射阳光的光谱成分通常不同于直射阳光的光谱成分。一般而言，漫射阳光中含有丰富的较短波长的光或“蓝”波长的光，这使太阳能电池系统接收到光的光谱成分产生了变化。聚光式光伏系统只能在一定角度内接收太阳光。为了利用太阳光的直接辐射分量，系统必须随时跟踪太阳。二半导体的特性1引言自然界物质存在的状态分为液态、气态、固态。固态物质根据它们的质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点，加热时在某以温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同以规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅：原子在整个晶体中排列有序多晶硅：原子在微米数量级排列有序非晶硅：短程序包含：1、近邻原子的种类和数目；2、近邻原子之间的距离（键长）；3、近邻原子的几何方位（键角）；原子在原子尺度上排列有序单晶、多晶和非晶体原子排列金刚石结构（与硅、锗等半导体类似）金刚石109º28´共价键2禁带宽度真空中的电子得到的能量值基本是连续的，但在晶体中情况不同。原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。+14E5E4E3(4)E2(8)E1(2)一个能级也表示电子的一种运动状态，所以能态、状态与能级的含义相同。图为硅原子的电子能级图。+14能级能级能级能带能带能带禁带禁带电子轨道对应的能带在孤立原子中，电子只能在各允许轨道上运动。晶体中，原子之间距离很近，相邻原子的电子轨道相互重叠、互相影响。与轨道相对应的能级分裂成为能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，称为能带。每层轨道都有一个对应的能带。电子在每个能带中的分布，一般是先填满能量较低的能级，然后逐步填充能量较高的能级，并且每条能级只允许填充两个具有同样能量的电子。能级能带电子电子在价带上的分布

内层电子能级所对应的能带，都是被电子填满的。最外层价电子能级所对应的能带，有的被电子填满，有的未被填满，主要取决于晶体种类。硅、锗等半导体晶体的价电子能带全部被电子填满。3允许能态的占有几率低温下（0K），晶体的某一能级以下的所有可能能态都被两个电子占据，该能级称为费米能级（EF）。10ET>0T=00.5EF接近于0K时，能量低于EF，f(E)基本上是1，能量高于EF，f(E)为零。允许能态被电子占据的方式EFEFEF(a)在金属中(b)在绝缘体中(c)在半导体中4电子和空穴底层完全被汽车占满，而顶层完全空着，因此没任何可供汽车移动的余地。其中一辆车从第一层移动到第二层，那么第二层的汽车就能任意自由移动。5电子和空穴的动力学对于晶体导带内的电子，牛顿定律变为：导带中能量接近最小能值的电子：价带中能量接近最大值的空穴：OECEV能量OECEV能量能量动量能量动量直接带隙情况间接带隙情况6电子和空穴的密度1、单位体积晶体中，在导带内的电子数2、单位体积晶体中，在价带内的空穴数表示导带底Ec处的能态为电子占据的几率表示价带顶Ev处的能态为空穴占据的几率本征型导带中只有很少的电子，价带中电子很多，只有很少空穴，费米分布函数对于能级EF是对称的。导带和价带中的电子能态数相同，导带中的电子数和价带中的空穴数也相同，即EF必定位于禁带中线0.51EFEcEFEvN型0.51EFEcEFEv导带电子浓度比本征情况要大得多，而导带中能态的密度与本征情况是一样的，因此N型半导体的费米能级连同整个费米分布函数将一起在能带图上向上移动。P型0.51EFEcEFEvP型半导体的费米能级连同整个费米分布函数将一起在能带图上向下移动。注：温度升高时，费米能级向本征费米能级靠近，电子和空穴浓度不断增加，不论是P还是N，在温度很高时都会变成本征硅。7Ⅳ族半导体的键模型在硅晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅的晶体结构：硅晶体中的正常键共价键电子被激发，晶体中出现空穴+4+4+4+48Ⅲ族和Ⅴ族掺杂剂五价原子砷掺入四价硅中，多余的价电子环绕离子运动价带导带施主能级空穴三价原子硼掺入四价锗晶体中，空穴环绕

离子运动价带导带受主能级9载流子浓度（单位体积的载流子数目）载流子的运动形式有两种：漂移运动与扩散运动。（1）.漂移运动载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为漂移电流。（2）、扩散运动半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动称为载流子的扩散运动。空穴将从浓度高的向浓度低的方向扩散，形成扩散电流IP，浓度差越大，扩散电流越大。小结：

①在电场作用下，任何载流子都要作漂移运动。一般少子数目少于多子数目，因此漂移电流主要是多子贡献。②扩散运动中，只有注入的少子存在很大的浓度梯度，因此扩散电流主要是少子贡献。三、产生、复合及器件物理学的基本方程在半导体中，载流子包括导带中的电子和价带中的空穴。由于晶格的热运动，电子不断从价带被激发到导带，形成一对电子和空穴，这就是载流子产生的过程。在不存在外电场时，由于电子和空穴在晶格中的运动是没有规则的，所以在运动中电子和空穴常常碰在一起，即电子跳到空穴位置把空穴填补掉，这时，电子和空穴就随之消失。这种半导体的电子和空穴在运动中相遇而造成的消失，并释放出多余能量的现象，称为载流子复合。在一定温度下，半导体内不断产生电子和空穴，电子和空穴不断复合，如果没有外表的光和电的影响，那么单位时间内产生和复合的电子与空穴即达到相对平衡，称为平衡载流子。这种半导体的总载流子浓度保持不变的状态，称为热平衡状态。在外界因素的作用下，例如n型硅受到光照时，价带中的电子吸收光子能量跳入导带（光生电子），在价带中留下等量空穴（光激发），电子和空穴的产生率就大于复合率。这些多余平衡浓度的光生电子和空穴，称为非平衡载流子或过剩载流子。由于外界条件的改变而使半导体产生非平衡载流子的过程，称为载流子注入。载流子注入的方法有多种。用适当波长的光照射半导体使之产生非平衡载流子，叫光注入。用电学方法使半导体产生非平衡载流子，叫电注入。半导体中非平衡少数载流子从产生到复合的平均时间间隔称为寿命。在n型半导体中出现非平衡的电子和空穴时，电子是非平衡多子，空穴是非平衡少子。P型半导体中，空穴是非平衡多子，电子是非平衡少子。在低注入条件下，非平衡多子和少子之间是少子处于主导地位，少子寿命就是非平衡少子产生、复合又消失的时间。载流子的复合导带价带EF1.直接复合导带电子直接跳回价带与空穴复合叫直接复合。2.间接复合电子和空穴通过复合中心复合叫作间接复合。由于半导体中晶体的不完整性和存在有害杂质，在禁带中存在一些深能级，这些能级能俘获自由电子和自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为复合中心。导带价带EF复合中心通常，在自由载流子密度较低时，复合过程主要是通过复合中心进行；在自由载流子密度较高时，复合过程则主要是直接复合。3.表面复合复合过程可发生在半导体内，也可发生在半导体表面。电子和空穴发生于半导体内的复合叫体内复合；电子和空穴发生于靠近半导体表面的一个非常薄的区域内的复合叫作表面复合。导带价带EF表面陷阱四、p-n结二极管导电能力最终决定于：

1.载流子的多少；2.载流子的性质；3.载流子的运动速度。一.本征半导体指“纯净”的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。激发使“电子——空穴对”增加，复合使“电子——空穴对”减少，一定温度下，这两种过程最终将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的浓度不再发生变化，该浓度统称为“本征载流子浓度”ni。1PN静电学ni=n0=p0式中，n0表示热平衡状态下的电子浓度，p0表示热平衡状态下的空穴浓度，在T=300K时，Si的ni=1.5×1010/cm3,Ge的ni=2.4×1013/cm3温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，ni愈大，导电性能也就愈好。注意：

ni的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载流子浓度仍然极小，所以本征半导体的导电能力是很差的。2.杂质半导体在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称为杂质），其导电性能将大大增强。例如掺入0.0001%杂质，半导体导电能力将提高106倍！即在一定温度下，杂质半导体中，多数载流子浓度与少数载流子浓度的乘积是一个常数.例1为了获得N型硅单晶，掺入五价元素磷，磷的含量为0.0000003℅，试求：解：（1）由于硅原子密度为故施主杂质浓度（磷）(2)掺杂前后空穴浓度的变化。已知T=300K。(1)掺杂前后电子浓度的变化；N型半导体中电子浓度显然，杂质电离产生的电子浓度就是杂质（磷）的浓度ND。于是而本征半导体硅的本征载流子浓度，在T=300K时为掺杂前后电子浓度的变化倍数为电子浓度的增加意味着杂质半导体导电能力远大于本征半导体。掺杂后:故:表明，在N型半导体中热激发产生的空穴浓度比本征载流子浓度还要低，本例中仅为本征载流子浓度的万分之一。在该N型半导体中多数载流子与少数载流子的浓度比为如果在一块半导体单晶中同时掺入三价元素与五价元素，其杂质浓度如图7（b）所示，在x0处施主杂质浓度与受主杂质浓度相等，该中性边界便是PN结所在位置。PN结最重要的特性是单向导电性。

PN结内建电场PN结边界两边既然分布有数量相等的正负空间电荷，必定形成一个电场，称为内建电场E。内建电场的出现，引起两个后果：①阻止多数载流子的继续扩散（故空间电荷区又称为阻层）②引起少数载流子的漂移。流过PN结的电流PN结空间电荷区形成后，流过PN结的电流有两种：①多数载流子形成的扩散电流。②少数载流子形成的漂移电流。这两种电流方向相反，如图（a）所示，流过PN结的净电流（b)扩散运动与漂移运动达到平衡：1—多数载流子扩散运动的方向；2—少数载流子漂移运动的方向起初，内建电场较弱，随着内建电场逐渐增强，I扩减小，而I漂增加，直至扩散运动与漂移运动达到动态平衡，如图（b）所示。动态平衡情况下流过PN结的净电流为零，即I=0

PN结边界载流子分布动态平衡状态下，PN结边界两边载流子分布如图所示。

PN结两边载流子浓度图中符号说明：—N型半导体热平衡状态下的电子浓度。—P型半导体热平衡状态下的空穴浓度。—N型半导体热平衡状态下的空穴浓度。—P型半导体热平衡状态下的电子浓度。内建电位差内建电场E在PN结中产生的电位差称为内建电位差VB。该电位差实际上就是两种不同类型半导体材料之间的接触电位差。如图所示，内建电位差的存在对多数载流子而言，相当于是一个“势垒”，阻止其扩散，故空间电荷区又称为势垒区。可以证明k是玻尔兹曼常数q是电子电荷，ln是以e为底的对数，是PN结两边空穴浓度的比。又可写成由于故令称为“热电压”。2结电容一

势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。VVOCB—+—+势垒电容示意图PN二

扩散电容CD

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图所示。OxnPpnPNR扩散电容示意图当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当于电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。3太阳能电池的输出参数

1.短路电流ISC，理想情况下为光生电流IL

2.开路电压VOCIL暗特性ImpVmpVOCIscVIO输出功率

3.填充因子FF是输