太阳电池2(半导体物理)教材

太阳电池的原理、工艺与应用

(Principle，TechnologyandApplicationsofSolarCell)沈辉Prof.Dr.-Ing.Hui

Shenshenhui1956@163.com本演示文稿可能包含观众讨论和即席反应。使用PowerPoint可以跟踪演示时的即席反应，在幻灯片放映中，右键单击鼠标请选择“会议记录”选择“即席反应”选项卡必要时输入即席反应单击“确定”撤消此框此动作将自动在演示文稿末尾创建一张即席反应幻灯片，包括您的观点。

目录太阳电池发展历史与前景展望太阳能资源与太阳光谱分析太阳电池的物理基础太阳电池的工作原理硅材料的制备工艺太阳电池的制备过程太阳电池的电流-电压特性太阳电池组件的制作与测试光伏系统的组成及设计基础光伏系统的应用

太阳电池的物理基础

半导体物理基础－晶体结构－能带理论半导体材料的基本特性

-半导体的特性

-半导体的能带

-半导体的导电机构p-n结的形成与特性构成及原理势垒类型制备工艺半导体的光伏效应

半导体的物理基础

半导体基本知识晶体结构能带理论

半导体的物理基础什么是半导体？自然界的物质按导电性的强弱，可分为导体、半导体和绝缘体三类。它们的电阻率变化范围为：导体﹤10-4

㎝；绝缘体﹥109

㎝；半导体10-4～109

㎝

半导体的特性1。掺杂特性：掺入微量杂质可引起载流子浓度变化，从而明显改变半导体的导电能力。此外，在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可得到不同导型的材料（p或n型）；2。温度特性：与金属不同，本征（纯净）半导体具有负的温度系数，即随着温度升高，电阻率下降。但掺杂半导体的温度系数可正可负，要具体分析。3。环境特性：光照、电场、磁场、压力和环境气氛等也同样可引起半导体导电能力变化。如硫化镉薄膜，其暗电阻为数十兆欧姆，而受光照时的电阻可下降到数十千欧姆（光电导效应）化学元素周期表

半导体的物理基础周期表中与半导体相关的部分周期IIIIIIVVVI

2BCN3AlSiPS4ZnGa

Ge

AsSe5CdInSn

Sb

Te6HgPb晶体结构半导体材料的原子排列状态：晶体结构和非晶体结构半导体发展历史半导体材料分类

-化学组成

-结晶状态

-材料功能晶体结构晶体：长程有序，周期性；非晶体：短程有序晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构硅具有金刚石晶体结构，可看成两个面心立方的套构复合，即两个面心立方晶格沿立方体对角线偏移1/4.硅的晶格常数为0.543nm，密度为2.33g/cm3.晶体结构晶体结构半导体发展历史早在1782年，A.Volta

通过实验区分了导电性能介于金属和绝缘体之间的“半导体”，并在提交给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用“半导体”一词。1833年，M.Faraday发现硫化银(Ag2S)的电阻率的温度系数为负数，这是对半导体特性的最早发现。1853年，A.Fick提出扩散方程，为以后的半导体材料掺杂提供了理论基础。1873年，W．R.Smith发现硒(Se)的光导电现象。1874年，F.Braun发现金属和金属硫化物接触的电阻值与外加电压的大小及方向有关，即半导体的整流功能。1883年Se整流器和1906年碳化硅（SiC）检波器的出现，开始了半导体器件的最早应用。半导体发展历史1931年剑桥大学理论物理学家A.Wilson发表半导体能带的经典论文，首次区分了杂质半导体和本征半导体，并指出存在施主与受主，从此开创了半导体理论。1907年，H.J.Round发现电致发光（即发光二极管LED：LightEmittingDiode），即在碳化硅（SiC）晶体两端加10V电压，观察到有淡黄色光出射。同年，意大利的Marconi公司也发现碳化硅（SiC）在可见光范围的电致发光现象，这家公司后来成为生产半导体产品的世界著名公司。1918年波兰科学家J.Czochralski发明了由液态生长固体单晶的提拉生长法，此法至今仍在半导体材料工业得到广泛应用。1925年可用于一些化合物半导体的晶体生长的Bridgman法发明。1926年氧化亚铜整流器制作成功。

半导体发展历史1947年晶体管的出现是个里程碑式的重大发明，这是由美国Bell实验室W.Shockley，W.H.Brattain

和J.Bardeen共同完成的.其中主要工作是：1947年12月Bardeen和Brattain发明了点接触（Point-Contact）晶体管,1949年Shockley发表了关于p-n结和双极型晶体管的经典论文。晶体管是一个关健性的半导体器件，它将人类文明带进了现代电子时代。1950年Bell实验室以5万美元的价格，将晶体管专利这一重大发明卖给了日本。1950年锗(Ge)二极管和晶体管出现，从而取代了应用了将近30年的硒和氧化亚铜二极管。1952年H.Welker发现GaAs和其它ⅢᅳⅤ族元素也是半导体。同年，J.J.Ebers提出了可控硅（Thyristor）的一个基本模型。1954年D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson以硅p-n结制成太阳电池（Solarcell），太阳电池可将太阳光直接转换成电能，是目前太阳能利用的最主要的技术之一。半导体发展历史1955年Shockley离开Bell实验室，创建Shockley半导体实验室，R.Noyce,G.Moore,J.A.Hoerni等8人加盟。1963年Shockley重返学术岗位，成为斯坦福大学名誉教授。1956年Shockley等由于晶体管的发现获得诺贝尔物理奖。1957年工业家Fairchild创建半导体公司。1957年Andrus将图形曝光技术应用在半导体器件制作上，光刻技术是半导体工业中的一个关健性工艺。同年，出现有很多杰出工作：如Frosch和Derrick提出氧化物掩膜方法，发现氧化膜可以阻止大部份杂质的扩散；Sheftal等人提出化学气相沉积的外延生长技术；1958年Shockley提出离子注入技术来掺杂半导体，这样可精确控制掺杂浓度；1969年Manasevit和Simpson提出了金属有机化合物沉积技术（MOCVD：MetalOrganicChemicalVaperDeposition）,这是一种制备GaAs薄膜的一个重要的外延技术。1971年Cho提出分子束外延（MBE：MolecularBeamEpitaxy）技术，这种方法可精确控制原子的排列，也可控制外延层在垂直方向的化学组成和掺杂浓度。

重要半导体材料的晶体结构结构类型半导体材料金刚石Si,金刚石，Ge闪锌矿GaAs，InP,GaP,GaSb,InAs,InSb,BN,ZnS,ZnO,CaS,CdSe,CdTe,SiC,GaN纤锌矿GaN,BN,InN,AIN,ZnO,ZnS,CdS,CdSe,SiCNaClPbS,PbSe,PbTe,CdO

半导体的物理基础半导体的能带

原子的结构

物质由原子组成，原子有一个带正电的原子核和一定数量的绕核运动的带负电的电子组成。原子核的正电荷数与核外电子的电荷数相同。

-硅的原子核有14个正电荷，核周围有14个电子。不同轨道电子离原子核的距离不同，则受和引力也不同，故能量不同。离核近的电子受束缚作用强，具有能量小；而最外层轨道电子受束缚最弱，具有能量大，故容易受外界作用挣脱束缚成为自由电子。这最外层的电子被称为价电子，它对半导体的导电性起重要作用。

-硅原子的最外层有四个原子。

半导体的物理基础半导体的能带

电子能级以硅为例，可将每一电子壳层看作一个电子能级。最里层的有2个量子态，其次层有8个量子态，最外层也有8个量子态。硅最外层只有4个电子，故还有4个空量子态。最高的能级则是空的。空量子态或空能级的存在是说明一旦低层电子得到能量就可能跃迁到这些空能级上去。

半导体的物理基础半导体的能带

晶体能带由于晶体中原子的电子轨道的交迭和电子的共有化运动，使孤立原子的N个相同能级在晶体中分裂成N能量略有差别的不同能级，从而形成能带。

-各个能带与单个原子的各个能级相对应。能量较低的能带常被电子填满。凡是被电子填满的能带成为满带。满带中能量最高的，即价电子填满的能带成为价带。

-空带中能量最低的，即离价带最近的能带称为导带。各能带间存在的能带区域称为禁带。

-通常所说的禁带是指导带底与价带顶之间的能量间隔。它们的能量差称为禁带宽度（Eg）,它反映了使电子从价带激发到导带所需要的能量。硅材料通常是晶体，从晶体能带可见，由于晶体中原子的电子轨道的交迭和电子的共有化运动，使孤立原子的N个相同能级在晶体中分裂成N个能量略有差别的不同能级，从而形成能带。各个能带与单个原子的各个能级相对应。能量较低的能带常被电子填满。凡是被电子填满的能带成为满带。满带中能量最高的，即价电子填满的能带成为价带。空带中能量最低的，即离价带最近的能带称为导带。各能带间存在的能带区域称为禁带。通常所说的禁带是导带底与价带顶间的能量间隔，它们的能量差称为禁带宽度(Eg),简称带隙，它反映了使电子从价带激发到导带所需要的能量。从能带理论来看，金属的禁带很窄或价带与导带重叠，而绝缘材料的禁带很宽，一般在5eV以上，而常用的半导体材料的禁带一般在5eV以下。纯硅是半导体，即是与具有良好导电性的金属（银、铜，铝等）相比导电率很低的材料。这种材料的导电性非常明显的与温度有关。硅原子在外电子层具有四个电子，即本质上决定物理和化学性能的价电子。在晶体中每个硅原子通过四个价电子和四个相邻的原子键合形成结合，即共价键。由于键合外层电子被固定在相对有序的状态，在晶体中不能用于传输电荷。在绝对零度附近，即0K=-273℃，纯硅是绝缘体。通过输入能量（如热量，光）电子结合可被破坏，以至于在较高的温度时电子被释放并在晶体中在一定范围移动，可在晶体中形成电流。通过用杂质原子，如加入硼或者磷有控制的掺杂，就可达到改变纯硅导电性的目的。一个晶体硅片在一面要用磷原子，如以一个磷原子对一百万个硅原子的比例关系进行掺杂。磷原子在外电子层有5个电子，在与硅晶体键合仅需要四个电子。第5个电子是准自由的，在晶体中能够移动而形成电流。通过有目的的改变掺杂的浓度，载流子的数目和由此引起的掺杂硅的导电性将在本质上由晶体中杂质的数目来确定。因为此时负的(negative)载流子（电子）移动形成电流，所以用磷或其它的5价原子掺杂的硅被称为n型硅。相对类似的硅片的另一面应当用硼来掺杂：硼是3价的原子，在外电子层只有3个电子。硼原子在硅晶格中缺少一个电子与第四个相邻硅原子结合。这个空缺的位子的被称为“空穴”或“缺陷电子”。一个空穴或缺陷电子的行为与n型导电硅中的多余电子完全类似：它在晶体中移动并形成电流。严格地讲，当然不是空穴移动，而是一个电子从相邻键合处跳到空穴处，而在它原来的位子形成一个空穴。那么这个空穴的运动方向与电子相反，因而空穴被称为正的（positive）载流子。类似地人们称这样掺杂的硅为p型硅。将p型硅与n型硅结合在一起，形成了所谓的“p-n结”，p-n结附近的电子和空穴的将发生扩散运动：n型区域中的电子向p型区域扩散相对于p型区域的空穴向n型区域扩散。p-n结是半导体器件也是太阳电池的核心，在以下的章节中将会进一步解释。能带与原子能级的关系

半导体的物理基础导体、绝缘体与半导体的能带导体、绝缘体与半导体的导电能力的差别在于它们的能带结构不同的缘故。导体，如金属的价带与导带之间没有禁带，两者或是重叠，或是价带能级没有被电子填满，而有许多空能级。因此，即使在常温下，靠热激发也有大量的自由电子参与导电。所以，金属的电阻率很低。（﹤10-4

㎝）半导体与绝缘体的价带与导带之间都有一个禁带。但是半导体的禁带宽度较这窄，随温度升高，价带顶附近的电子容易通过热激发跃迁到导带成为导电电子。其电阻率高于金属，但比绝缘体要小，且随温度升高而减少（10-4～109

㎝）

绝缘体的禁带宽度比半导体宽的多，所以一般情况下，其导带上电子极少，即绝缘体如玻璃、陶瓷、橡胶和塑料等不导电（﹥109

㎝）

半导体的物理基础半导体的导电机构半导体中的载流子

-半导体导带中有大量空能级，导带电子能够改变运动状态，跃迁到空能级中，在电场作用下能够定向运动，形成电流。

-半导体价带中电子激发到导带，就在价带中留下空位。附近能级的电子就可跃迁到这些空能级，形成新的空位，从而形成空位的运动，实质上是若干电子沿相反方向作填补空位运动的结果。这些空位称为空穴。从晶体结构来看，共价键上的电子脱离束缚成为自由电子而留下空位，意味原子失去一个电子而带正电，即空穴带正电。

-在半导体中当价带电子激发到导带成为导电电子时，价带中留下的空穴也成为可以到电的载流子。一个价电子的激发形成一对电子-空穴对。

-与金属不同，半导体中存在两种载流子，即带负电的电子和带正电的空穴。

半导体的物理基础本征半导体的导电机构

-本征半导体是指完全纯净、结构完整的半导体。

-在一定温度下，晶体中的原子都要做热运动，温度越高，热运动能量越大。当价电子从原子热运动中得到足够的能量时，就能从价带激发到导带，产生载流子。这个过程称为热激发。

-本征半导体主要靠热激发产生电子-空穴对，称为本征激发。

-电子与空穴在运动中相遇时，导带电子释放能量回到价带的空能级中，电子和空穴成对消失，这一现象称为“复合”。在任一时候，本征半导体中的导带电子和价带空穴的数目总是相等的。如用n代表电子浓度(个/厘米3），用p代表空穴浓度，则有：n=p=ni

ni是本征载流子浓度。温度越高，ni越大；Eg越小，ni越大

半导体的物理基础

室温（300K）下几种半导体材料的ni和Eg

材料锗硅砷化镓

半导体的物理基础杂质半导体的导电机构n型半导体和p型半导体在锗和硅中，掺入V族元素如磷、砷、锑等施主杂质，提供电子，以电子导电为主称为n型半导体掺入III族元素如硼、铝、镓、铟等受主杂质，提供空穴，以空穴导电为主称为p型半导体掺入的杂质一般取代晶格中的硅原子的位子。深能级杂质和浅能级杂质在半导体中掺入微量的杂质（简称掺杂）是为了改变半导体的导电类型，提供载流子，增强半导体的导电能力。如V族元素磷、砷、锑等施主杂质和III族元素硼、铝、镓、铟等受主杂质等。这类杂质的能级分别靠近导带底和价带顶，故称为浅能级杂质。另一类杂质如铜、铁、镍、金等重金属，它们的能级靠近禁带中央，离开导带或价带较远，故称为深能级杂质。主要可促进半导体中载流子的成生和复合，可形成复合中心。晶体硅原子结构二维构造投影图掺杂半导体结构示意图纯硅的电阻率为2.5x105Ωcm，如果每一百万个硅原子有一个被一个砷原子取代，电阻率将下降到0.2Ωcm

，即电导率可增加1250,000倍。

掺杂半导体结构示意图掺磷／掺铟半导体

半导体的导电机制掺硼与掺磷的p/n型半导体硅原子排列结构示意图半导体的导电机制硅掺杂浓度术语（浓度：原子数/立方厘米）杂质类型极轻掺轻掺中掺杂重掺杂

<1014

1014－1016

1016－1019

>1019

五价nn-n-nn+三价

pp-p-pp+半导体的导电机制多数载流子和少数载流子在杂质半导体中电子和空穴浓度不再相等。在n型半导体中电子时多数载流子，空穴是少数载流子；而p型半导体则相反，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。多数载流子简称多子，少数载流子简称少子。在室温下，杂质全部电离，故每个杂质均提供一个载流子。一般情况下，掺杂浓度远大于本征载流子浓度，所以多子浓度远大于少子浓度。杂质补偿空穴与电子相遇抵消，称杂质补偿施主杂质与受主杂质的浓度差决定导电类型半导体的导电机制非平衡载流子当处于热平衡的半导体受到外界作用时，将产生比平衡态时多出来的载流子，称为非平衡载流子光、电等作用复合与寿命

非平衡态载流子从产生到消失（或复合）的平均存在时间定义为非平衡态载流子的平均寿命。寿命是半导体材料的重要参数。一般说寿命往往是指非平衡少数载流子寿命，简称少子寿命复合中心直接复合空穴与电子直接相遇（砷化镓）间接复合，通过复合中心（硅、锗）复合中心：一为重金属，二是晶体缺陷半导体的导电机制半导体中载流子的运动

主要有载流子的热运动和散射，载流子的飘移运动和载流子的扩散运动载流子的热运动和散射无规则运动，热运动，温度越高，热运动越激烈与原子或其它粒子碰