第二章 物理基础

太阳能电池材料及技术信息材料与纳米技术研究院材料科学与工程学院授课内容第一章发展史

第二章物理基础第三章工作原理及表征参数第五章薄膜太阳电池第六章空间电池——砷化镓太阳电池第四章晶体硅太阳电池第七章染料敏化和有机太阳电池

第八章检测和校准

第二章物理基础原子的能级晶体结构固体的能带理论本征半导体和掺杂半导体电子和空穴的输运载流子的产生和复合原子的能级原子的壳层模型认为：原子的中心是一个带正电的核，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运动。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。电子优先占据能量最低的能级。外层电子叫做价电子，一个原子有几个价电子就称为几价。比如：硼、铝、镓；氮、磷、砷3价、3价、3价5价、5价、5价元素晶体结构固体晶体非晶体有固定熔点的固体没有固定熔点、加热时在某一温度范围内逐渐软化的固体如冰、金属、硅、砷化镓如玻璃、塑料、胶等所有晶体都是由原子、离子、分子在三维空间有规则排列而成的这种对称的有规则的排列叫晶体的点阵或晶体格子，简称晶格。最小的晶格称为晶胞，晶格的各向长度称为晶格常数。晶格周期性排列，得到晶体。单晶：一块晶体从头到尾都按同一种排列重复。多晶：由许多微小单晶颗粒杂乱的排列在一起的固体。单晶、多晶、无定形无定形：玻璃式近程有序而远程无序的排列萤石铁矿石榴石菊花石天然晶体蓝铜矿刚玉（氧化铝）方解石红宝石水晶三斜晶系单斜晶系简单单斜底心单斜

a≠b≠cα≠β≠γabcαβγ

a≠b≠cα=γ=900

β≠900晶格结构七个晶系十四种布拉伐点阵正交晶系简单正交底心正交面心正交体心正交a≠b≠cα=β=γ=900四方晶系简单四方体心四方a=b≠cα=β=γ=900立方晶系简单立方体心立方面心立方a=b=cα=β=γ=900γαβabc三方晶系六方晶系a=b≠c

α=β=900

γ=1200bcγαβa=b=cα=β=γ≠

900<1200a

金刚石结构

C、Si、Ge复式格子，是由两套面心立方晶格沿体对角线方向移动1/4套构而成。Si、Ge：两套相同的晶格闪锌矿：是由两套含有不同原子的面心立方晶格沿对角线方向移动1/4套构而成。GaAs:一套晶格是As、一套晶格是Ga晶向和密勒指数通过晶格的格点可作很多间距相同且互相平行的平面，称为晶面。垂直于晶面的法线方向称为晶向。晶面：晶向：有同一晶向的晶面都相似，属于同一晶面族。一块晶体可以划分出很多族晶面。晶面的方向一般用密勒指数（h，k，l）来标记。如何求晶面的方向（密勒指数）？abc一般选晶格的三条棱边a，b，c作为坐标轴方法：将晶面在每个坐标轴的截距分别化为晶格常数的倍数，取这些倍数的倒数，并把它们化成互质的整数，即为一个晶面或一族晶面的密勒指数（h，k，l）2：1：21/2：1：1/21：2：1(121)xyz（100）xyz（110）xyz（111）在立方晶体中，常用加方括号[h，k，l]来表示垂直于晶面的方向，也就是晶轴方向。如：[100]、[110]、[111]分别表示（100）、（110）、（111）晶面的垂直方向。晶体中的缺陷晶体中原子周期性排列遭到破坏的地方形成缺陷。通常有点缺陷、线缺陷、面缺陷等。点缺陷线缺陷面缺陷描述电子在固体中的运动要用到固体能带理论。1、能带的形成孤立原子中的电子只能在各个允许的壳层上运动，而在晶体中，各个原子靠得很近，不同的原子内、外壳层都有一定的重叠，重叠壳层的电子不再属于原来的原子独自所有，可通过量子数相同且又互相重叠的壳层，转移到相邻的原子上去，这就是晶体中的共有化运动。结果：使得孤立原子的单一能级分裂成能带。固体的能带理论每个能带由许多相距极近的能级组成，这些可以被电子占据的能带称为允带，两个允带之间的间隙不允许电子存在，称为禁带。2、导带、禁带、价带：未被电子填满的能带或空能带称为导带（Ec）；已被电子填满的能带称为满带或价带(Ev)。金属、绝缘体、半导体的区分：价带价带价带导带禁带禁带禁带（a）两种可能性的导体（上半部的导带部分填满或下半部的能带重叠）（b）半导体（c）绝缘体因为接近占满电子的能态处尚有许多未被占据的能态，因此只要有一个小小的外加电场，电子就可自由移动，故金属导体可以轻易传导电流。

有很大的禁带宽度，电子完全占据满价带中的能级，而导带中的能级则是空的。热能或外加电场能量并不足以使价带顶端的电子激发到导带，故绝缘体几乎不导电。

在T＝0K时，所有电子都位于价带，而导带中并无电子，因此半导体在低温时是不良导体。在室温下，有些电子可以从价带激发到导带,从而产生电流而导电。

本征半导体：绝对纯的且没有缺陷的半导体非常纯的硅称为本征硅本征硅中，导电的电子和空穴是由共价键破裂产生的，这时电子浓度n＝空穴浓度p，这个浓度ni称为本征载流子浓度掺杂半导体:在本征半导体中掺入其它杂质后就得到掺杂半导体。在硅中掺杂V族元素（如磷），V族元素可提供5个价电子，其中4个与硅价电子形成共价键，剩余一个价电子电离，脱离V族元素游离于半导体中而导电，这种可以提供电子的杂质称为施主；在掺杂磷的硅半导体中，掺杂浓度（施主浓度）为ND，电子浓度n≈ND。本征半导体和掺杂半导体在硅中掺杂Ⅲ族元素（如硼），硼可提供3个价电子，其中与硅中的3个价电子形成共价键，剩余一个价电子空位，很容易从别的地方夺来一个价电子，自身电离成负离子。可认为硼原子带着一个很容易电离的空穴。在半导体中，可以接受电子的杂质称为受主；在硼掺杂的硅半导体中，掺杂浓度（受主浓度）为NA，空穴浓度p≈NA。掺有施主的硅称为n型硅n型硅中，电子浓度nn远大于空穴浓度pn，电流主要靠电子来输运，这里电子是多数载流子（简称多子），空穴是少数载流子，简称少子。掺有受主的硅称为p型硅p型硅中，电子浓度np远小于空穴浓度pp，电流主要靠空穴来输运，这里电子是少子，空穴是多子。电子和空穴的运动漂移扩散半导体中载流子受外电场作用，在载流子的热运动上将迭加一个附加的速度，称为漂移速度。对于电子，漂移速度和电场方向反向；对于空穴，漂移速度与电场同向。在半导体中，如果电子或空穴的浓度不均匀，则电子或空穴将在浓度梯度的影响下扩散，也同样会使电子或空穴发生净位移，而产生扩散电流。电子和空穴的输运“产生－输运－复合”过程1、产生半导体处于热平衡时，载流子处于稳定状态。受到光照时，价带中的电子吸收能量跃迁到导带，产生电子－空穴对。价带导带当载流子浓度偏离了它的平衡值时，它们就有恢复平衡的倾向，由此产生了复合。载流子的产生和复合2、复合复合和产生互为逆过程，载流子复合是电子从导带跃迁到价带与空穴复合，同时释放能量的过程价带导带当热平衡状态受到扰乱时(亦即pn≠ni2)，会出现一些使系统回复平衡的机制(亦即pn=ni2)，在超量载流子注入的情形下，回复平衡的机制是将注入的少数载流子与多数载流子复合。

按是否通过复合中心进行复合来分：复合类型：

按复合过程释放能量的方式分：辐射复合：能量以光子的形式辐射出去的复合过程非辐射复合：能量通过对晶格产生热而消耗掉的复合过程直接复合：带自带间进行的复合。通常在直接禁带的半导体中较为显著，如砷化镓；间接复合：通过禁带复合中心进行的复合，通常在间接禁带的半导体中较为显著，如硅晶。直接复合电子-空穴对的产生与复合均存在于导带与价带之间EcEvGthRth间接复合通过中间能态(复合中心)而发生于复合过程中的各种跃迁。电子俘获

(a)电子发射

(b)空穴俘获