1、Introduction to Solar Photovoltaic Technology 太陽電池發展史太陽電池發展史 半導體材料與理論半導體材料與理論 硅片的生產硅片的生產 太陽電池原理太陽電池原理 太陽電池工藝太陽電池工藝 太陽電池理論分析太陽電池理論分析 太陽電池的表征太陽電池的表征 太陽電池分類太陽電池分類 太陽電池的發展太陽電池的發展第三章第三章 太陽電池基礎太陽電池基礎第一節第一節1. 太陽電池發展史太陽電池發展史太陽電池發展史太陽電池發展史太陽能光伏發電最核心的器件太陽能光伏發電最核心的器件太陽電池。太陽電池。 從從1839年法國科學家年法國科學家E. Becquerel發現液

2、體的光生伏特效應發現液體的光生伏特效應（簡稱光伏現象）算起，太陽能電池已經經過了（簡稱光伏現象）算起，太陽能電池已經經過了160多年的漫長的多年的漫長的發展歷史。從總的發展來看，基礎研究和技術進步都起到了積極推發展歷史。從總的發展來看，基礎研究和技術進步都起到了積極推進的作用。對太陽電池的實際應用起到決定性作用的是美國貝爾實進的作用。對太陽電池的實際應用起到決定性作用的是美國貝爾實驗室三位科學家關于單晶硅太陽電池的研制成功，在太陽電池發展驗室三位科學家關于單晶硅太陽電池的研制成功，在太陽電池發展史上起到里程碑的作用。至今為止，太陽能電池的基本結構和機理史上起到里程碑的作用。至今為止，太陽能電池

3、的基本結構和機理沒有發生改變。沒有發生改變。太陽電池發展史太陽電池發展史 太陽電池后來的發展主要是薄膜電池的研發，如非晶硅太陽太陽電池后來的發展主要是薄膜電池的研發，如非晶硅太陽電池、電池、CIS太陽電池、太陽電池、CdTe太陽電池和納米燃料敏化太陽電池等，太陽電池和納米燃料敏化太陽電池等，此外主要的是生產技術的進步，如絲網印刷、多晶硅太陽電池生此外主要的是生產技術的進步，如絲網印刷、多晶硅太陽電池生產工藝的成功開發，特別是氮化硅薄膜的減反射和鈍化技術的建產工藝的成功開發，特別是氮化硅薄膜的減反射和鈍化技術的建立以及生產工藝的高度自動化等。立以及生產工藝的高度自動化等。太陽電池發展史太陽電池發

4、展史 回顧歷史有利于了解光伏技術的發展歷程，按時間的發展順回顧歷史有利于了解光伏技術的發展歷程，按時間的發展順序，將于太陽電池發展有關的歷史事件匯總如下：序，將于太陽電池發展有關的歷史事件匯總如下： 1839年法國實驗物理學家年法國實驗物理學家E.Becquerel發現液體的光生伏特效應，簡稱為發現液體的光生伏特效應，簡稱為光伏效應。光伏效應。 1877年年W.G.Adams和和R.E.Day研究了硒（研究了硒（Se）的光伏效應，并制作第一）的光伏效應，并制作第一片硒太陽能電池。片硒太陽能電池。 1883年美國發明家年美國發明家Charles Fritts描述了第一塊硒太陽能電池的原理。描述了

5、第一塊硒太陽能電池的原理。太陽電池發展史太陽電池發展史 1904年年Hallwachs發現銅與氧化亞銅（發現銅與氧化亞銅（Cu/Cu2O）結合在一起具有光敏特）結合在一起具有光敏特性；德國物理學家愛因斯坦（性；德國物理學家愛因斯坦（Albert Einstein）發表關于光電效應的論文。）發表關于光電效應的論文。 1918年波蘭科學家年波蘭科學家Czochralski發展生長單晶硅的提拉法工藝。發展生長單晶硅的提拉法工藝。 1921年德國物理學家愛因斯坦由于年德國物理學家愛因斯坦由于1904年提出的解釋光電效應的理論獲年提出的解釋光電效應的理論獲得諾貝爾（得諾貝爾（Nobel）物理獎。）物理獎

6、。 1930年年B. Lang研究氧化亞銅研究氧化亞銅/銅太陽能電池，發表銅太陽能電池，發表“新型光伏電池新型光伏電池”論論文；文；W. Schottky發表發表“新型氧化亞銅光電池新型氧化亞銅光電池”論文。論文。太陽電池發展史太陽電池發展史1932年年Audobert和和Stora發現硫化鎘發現硫化鎘(CdS)的光伏現象。的光伏現象。1933年年L. O. Grondahl發表發表“銅銅-氧化亞銅整流器和光電池氧化亞銅整流器和光電池”論文。論文。1951年生長年生長p-n結，實現制備單晶鍺電池。結，實現制備單晶鍺電池。1953年年Wayne州立大學州立大學Dan Trivich博士完成基于太

7、陽光普的具有不同帶博士完成基于太陽光普的具有不同帶隙寬度的各類材料光電轉換效率的第一個理論計算。隙寬度的各類材料光電轉換效率的第一個理論計算。太陽電池發展史太陽電池發展史1954年年RCA實驗室的實驗室的P.Rappaport等報道硫化鎘的光伏現象，等報道硫化鎘的光伏現象，(RCA:Radio Corporation of America，美國無線電公司，美國無線電公司)。貝爾貝爾(Bell)實驗室研究人員實驗室研究人員D.M.Chapin,C.S.Fuller和和G.L.Pearson報道報道4.5%效率的單晶硅太陽能電池的發現，幾個月后效率達到效率的單晶硅太陽能電池的發現，幾個月后效率達到

8、6%。1955年西部電工（年西部電工（Western Electric）開始出售硅光伏技術商業專利，在）開始出售硅光伏技術商業專利，在亞利桑那大學召開國際太陽能會議，亞利桑那大學召開國際太陽能會議，Hoffman電子推出效率為電子推出效率為2%的商業太的商業太陽能電池產品，電池為陽能電池產品，電池為14mW/片，片，25美元美元/片，相當于片，相當于1785USD/W。太陽電池發展史太陽電池發展史1956年年P. Pappaport，J. J. Loferski和和E. G. Linder發表發表“鍺和硅鍺和硅p-n結電結電子電流效應子電流效應”的文章。的文章。1957年年Hoffman電子的

9、單晶硅電池效率達到電子的單晶硅電池效率達到8%；D. M. Chapin,C. S. Fuller和和G. L. Pearson獲得獲得“太陽能轉換器件太陽能轉換器件”專利權。專利權。1958年美國信號部隊的年美國信號部隊的T. Mandelkorn制成制成n/p型單晶硅光伏電池，這種型單晶硅光伏電池，這種電池抗輻射能力強，這對太空電池很重要；電池抗輻射能力強，這對太空電池很重要；Hoffman電子的單晶硅電池效電子的單晶硅電池效率達到率達到9%；第一個光伏電池供電的衛星先鋒；第一個光伏電池供電的衛星先鋒1號發射，光伏電池號發射，光伏電池100cm2，0.1W,為一備用的為一備用的5mW話筒供

10、電。話筒供電。太陽電池發展史太陽電池發展史1959年年Hoffman電子實現可商業化單晶硅電池效率達到電子實現可商業化單晶硅電池效率達到10%，并通過用，并通過用網柵電極來顯著減少光伏電池串聯電阻；衛星探險家網柵電極來顯著減少光伏電池串聯電阻；衛星探險家6號發射，共用號發射，共用9600片片太陽能電池列陣，每片太陽能電池列陣，每片2cm2，共，共20W。1960年年Hoffman電子實現單晶硅電池效率達到電子實現單晶硅電池效率達到14%。1962年第一個商業通訊衛星年第一個商業通訊衛星Telstar發射，所用的太陽能電池功率發射，所用的太陽能電池功率14W。1963年年Sharp公司成功生產光

11、伏電池組件；日本在一個燈塔安裝公司成功生產光伏電池組件；日本在一個燈塔安裝242W光光伏電池陣列，在當時是世界最大的光伏電池陣列。伏電池陣列，在當時是世界最大的光伏電池陣列。太陽電池發展史太陽電池發展史1964年宇宙飛船年宇宙飛船“光輪發射光輪發射”，安裝，安裝470W的光伏陣列。的光伏陣列。1965年年Peter Glaser和和A. D. Little提出衛星太陽能電站構思。提出衛星太陽能電站構思。1966年帶有年帶有1000W光伏陣列大軌道天文觀察站發射。光伏陣列大軌道天文觀察站發射。1972年法國人在尼日爾一鄉村學校安裝一個硫化鎘光伏系統，用于教育年法國人在尼日爾一鄉村學校安裝一個硫化

12、鎘光伏系統，用于教育電視供電。電視供電。1973年美國特拉華大學建成世界第一個光伏住宅。年美國特拉華大學建成世界第一個光伏住宅。 太陽電池發展史太陽電池發展史1974年日本推出光伏發電的年日本推出光伏發電的“陽光計劃陽光計劃”；Tyco實驗室生長第一塊實驗室生長第一塊EFG晶體硅帶，晶體硅帶，25mm寬，寬，457mm長長(EFG: Edge defined Film Fed-Growth，定，定邊喂膜生長邊喂膜生長)。1977年世界光伏電池超過年世界光伏電池超過500KW； D. E. Carlson和和C. R. Wronski在在W. E. Spear的的1975年控制年控制p-n結的工

13、作基礎上制成世界上第一個非晶硅結的工作基礎上制成世界上第一個非晶硅(a-Si)太陽太陽能電池。能電池。1979年世界太陽能電池安裝總量達到年世界太陽能電池安裝總量達到1MW。 太陽電池發展史太陽電池發展史1980年年ARCO太陽能公司是世界上第一個年產量達到太陽能公司是世界上第一個年產量達到1MW光伏電池生產光伏電池生產廠家；三洋電氣公司利用非晶硅電池率先制成手持式袖珍計算器，接著完廠家；三洋電氣公司利用非晶硅電池率先制成手持式袖珍計算器，接著完成了非晶硅組件批量生產并進行了戶外測試。成了非晶硅組件批量生產并進行了戶外測試。1981年名為年名為Solar Challenger的光伏動力飛機飛行

14、成功。的光伏動力飛機飛行成功。1982年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過9.3MW。1983年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過21.3MW；名為；名為Solar Trek的的1KW光伏光伏動力汽車穿越澳大利亞，動力汽車穿越澳大利亞，20天內行程達到天內行程達到4000Km。太陽電池發展史太陽電池發展史1984年面積為年面積為929c的商品化非晶硅太陽能電池組件問世。的商品化非晶硅太陽能電池組件問世。1985年單晶硅太陽能電池售價年單晶硅太陽能電池售價10USD/W；澳大利亞新南威爾土大學；澳大利亞新南威爾土大學Martin Green研制單晶硅的太陽能電池效

15、率達到研制單晶硅的太陽能電池效率達到20%。1986年年6月，月，ARCO Solar 發布發布G-4000世界首例商用薄膜電池世界首例商用薄膜電池“動動力組件力組件”。1987年年11月，在月，在3100Km穿越澳大利亞的穿越澳大利亞的Pentax World Solar Challenge PV-動力汽車競賽上，動力汽車競賽上，GM Sunraycer獲勝，平均時速約為獲勝，平均時速約為71km/h。 太陽電池發展史太陽電池發展史1990年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過46.5MW。1991年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過55.3MW；瑞士；瑞士Gr

16、atzel教授研制的納教授研制的納米米TiO2染料敏化太陽能電池效率達到染料敏化太陽能電池效率達到7%。1992年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過57.9MW。1993年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過60.1MW。1994年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過69.4MW。1995年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過77.7MW；光伏電池安裝總量達到；光伏電池安裝總量達到500MW。太陽電池發展史太陽電池發展史1996年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過88.6MW。1997年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽

17、能電池年產量超過125.8MW。1998年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過151.7MW；多晶硅太陽能電池產量首；多晶硅太陽能電池產量首次超過單晶硅太陽能電池。次超過單晶硅太陽能電池。1999年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過201.3MW；美國；美國NREL的的M. A. Contreras等報道銅銦錫（等報道銅銦錫（CIS）太陽能電池效率達到）太陽能電池效率達到18.8%；非晶硅太陽；非晶硅太陽能電池占市場份額能電池占市場份額12.3%。太陽電池發展史太陽電池發展史2000年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過399MW；X. Wu， R.

18、 G. Dhere， D. S. Aibin等報道碲化鎘（等報道碲化鎘（CdTe）太陽能電池效率達到）太陽能電池效率達到16.4%；單晶硅太陽能電；單晶硅太陽能電池售價約為池售價約為3USD/W。2002年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過540MW；多晶硅太陽能電池售價約為；多晶硅太陽能電池售價約為2.2USD/W。太陽電池發展史太陽電池發展史2003年世界太陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過760MW；德國；德國Fraunhofer ISE的的LFC（Laser Fired Contact）晶體硅太陽能電池效率達到）晶體硅太陽能電池效率達到20%。2004年世界太

19、陽能電池年產量超過年世界太陽能電池年產量超過1200MW；德國；德國Fraunhofer ISE多晶硅多晶硅太陽能電池效率達到太陽能電池效率達到20.3%；非晶硅太陽能電池占市場份額；非晶硅太陽能電池占市場份額4.4%，降為，降為1999年的年的1/3，CdTe占占1.1%；而；而CIS占占0.4%。預計未來世界太陽預計未來世界太陽2010年通過技術突破，太陽能電池成本進一步降低，在世界能源供應中年通過技術突破，太陽能電池成本進一步降低，在世界能源供應中占有一定的份額；德國可再生能源發電達到占有一定的份額；德國可再生能源發電達到12.5%。2020年太陽能發電成本與化石能源成本相接近，德國可再

20、生能源占年太陽能發電成本與化石能源成本相接近，德國可再生能源占20%。2030年太陽能發電達到年太陽能發電達到10%20%；德國將關閉所有的核電站。；德國將關閉所有的核電站。能發電產業的發展能發電產業的發展預計未來世界太陽預計未來世界太陽2050年世界太陽能發電利用將占世界能源總能耗年世界太陽能發電利用將占世界能源總能耗30%50%份額。份額。2100年以煤、石油、天然氣為代表的化石能源基本枯竭，人類年以煤、石油、天然氣為代表的化石能源基本枯竭，人類主要利用太陽能、氫能、風能、生物質能等潔凈可再生能源。人主要利用太陽能、氫能、風能、生物質能等潔凈可再生能源。人類將充分利用太陽能發電。類將充分利

21、用太陽能發電。能發電產業的發展能發電產業的發展中國太陽能發電發展史中國太陽能發電發展史1958年我國開始研制太陽能電池。年我國開始研制太陽能電池。1959年中國科學院半導體研究所研制成功第一片具有實用價值的太陽能年中國科學院半導體研究所研制成功第一片具有實用價值的太陽能電池。電池。1971年年3月在我國發射的第二顆人造衛星月在我國發射的第二顆人造衛星科學實驗衛星實踐一號上首科學實驗衛星實踐一號上首次應用由天津電源研究所研制的太陽能電池。次應用由天津電源研究所研制的太陽能電池。1973年在天津港的海面航標燈上首次應用由天津電源研究所研制的太陽年在天津港的海面航標燈上首次應用由天津電源研究所研制的

22、太陽能電池，航標燈上應用能電池，航標燈上應用14.7W太陽能電池。太陽能電池。 中國太陽能發電發展史中國太陽能發電發展史1979年我國開始利用半導體工業廢次硅材料生產單晶硅太陽能電池。年我國開始利用半導體工業廢次硅材料生產單晶硅太陽能電池。19801990年期間我國引進國外太陽能電池關鍵設備、成套生產線和技年期間我國引進國外太陽能電池關鍵設備、成套生產線和技術，先后建立單晶硅電池生產企業，如寧波太陽能電源廠、開封半導體廠、術，先后建立單晶硅電池生產企業，如寧波太陽能電源廠、開封半導體廠、云南半導體廠、秦皇島華美太陽電池廠等。云南半導體廠、秦皇島華美太陽電池廠等。到到20世紀世紀80年代后期，我

23、國太陽能電池生產能力達到年代后期，我國太陽能電池生產能力達到4.5MW/年，初步形年，初步形成了我國太陽能電池產業。成了我國太陽能電池產業。 2004年我國太陽能電池產量超過印度，年產量達到年我國太陽能電池產量超過印度，年產量達到50MW以上。以上。中國太陽能發電發展史中國太陽能發電發展史20052006年期間，我國大陸包括正在建設的太陽電池或太陽能電池組年期間，我國大陸包括正在建設的太陽電池或太陽能電池組件產量可達件產量可達10MW以上的廠家有很多，如：無錫尚德，保定天威英利，寧以上的廠家有很多，如：無錫尚德，保定天威英利，寧波太陽能，南京中電光伏，上海太陽能科技，云南天達和常州天合等。我波

24、太陽能，南京中電光伏，上海太陽能科技，云南天達和常州天合等。我國已成為世界重要的光伏工業基地之一，初步形成一個以光伏工業為源頭國已成為世界重要的光伏工業基地之一，初步形成一個以光伏工業為源頭的高科技光伏產業鏈。的高科技光伏產業鏈。 隨著我國隨著我國“可再生能源法可再生能源法”的實施，我國太陽能光伏發電將得到快速發的實施，我國太陽能光伏發電將得到快速發展。預計在展。預計在3 35 5年內我國在太陽能光伏電池研發、生產、應用產品開發將年內我國在太陽能光伏電池研發、生產、應用產品開發將形成一個世界級的產業基地，并將在國際太陽能光伏工業產業中占據重要形成一個世界級的產業基地，并將在國際太陽能光伏工業產

25、業中占據重要的地位。的地位。第二節第二節2. 半導體材料與理論半導體材料與理論能帶理論能帶理論簡單立方晶格簡單立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al 體心立方晶格體心立方晶格 Li、Na、K、Fe 六角密排晶格六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd 晶體：晶體： 有有規則對稱的幾何外形；規則對稱的幾何外形； 物理性質物理性質(力、熱、電、光力、熱、電、光)各向異性各向異性； 有確定的熔點；有確定的熔點； 微觀微觀上，分子、原子或離子呈有規則的周期性上，分子、原子或離子呈有規則的周期性 排列，形成排列，形成空間點陣空間點陣(晶格晶格)。電子共有化電子共有化1、周期性勢場、周期性勢

26、場 (1) (1) 孤立原子孤立原子( (單價單價) )電子所在處的電勢為電子所在處的電勢為U，電子的電勢能為，電子的電勢能為V。電勢能是一個旋轉對稱的勢阱。電勢能是一個旋轉對稱的勢阱。 r+- -e eUVUVr+電子能級電子能級勢阱勢阱旋轉對稱旋轉對稱勢壘勢壘+電子共有化電子共有化(2) (2) 兩個原子的情形兩個原子的情形VVr+電子共有化電子共有化(3) (3) 大量原子規則排列的情形大量原子規則排列的情形Vr+aE1E2晶體中大量原子晶體中大量原子(分子、離子分子、離子)的規則排列成的規則排列成點陣結構點陣結構，晶體中，晶體中形成形成周期性周期性勢場勢場。電子共有化電子共有化2、電子

27、共有化、電子共有化 (1)(1)對能量對能量E1的電子的電子 v 勢能曲線表現為勢壘；勢能曲線表現為勢壘； 電子能量電子能量 勢壘高度勢壘高度電子在晶體中自由運動，不受特定離子的束縛。電子在晶體中自由運動，不受特定離子的束縛。 電子共有化：電子共有化：由于晶體中原子的周期性排列，價電子不再為單個原子所有的現象。由于晶體中原子的周期性排列，價電子不再為單個原子所有的現象。共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉移，可以在整個固體中運動。共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉移，可以在整個固體中運動。S 原子的外層電子原子的外層電子(高能級高能級)，勢壘穿透概率較大，屬于共有化的電子。，勢壘

28、穿透概率較大，屬于共有化的電子。S 原子的內層電子與原子的結合較緊，一般不是共有化電子。原子的內層電子與原子的結合較緊，一般不是共有化電子。 (3)(3)電子共有化電子共有化 能帶的形成能帶的形成 量子力學證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來各原子中能量量子力學證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來各原子中能量相近的能級將分裂成一系列和原能級接近的新能級。這些新能級基本上連相近的能級將分裂成一系列和原能級接近的新能級。這些新能級基本上連成一片，形成成一片，形成能帶能帶(energy band)。兩個氫原子靠近結合成分子時，兩個氫原子靠近結合成分子時，1S能級分裂為兩條。能級分裂為兩條。

29、1Sr0r0EHHrH原子結原子結合成分子合成分子能帶的形成能帶的形成 當當N個原子靠近形成晶體時，由于各原子間的相互作用，對應于原來個原子靠近形成晶體時，由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立原子的一個能級，就分裂成孤立原子的一個能級，就分裂成N條靠得很近的能級。使原來處于相同能條靠得很近的能級。使原來處于相同能級上的電子，不再有相同的能量，而處于級上的電子，不再有相同的能量，而處于N個很接近的新能級上。個很接近的新能級上。 N條條能級能級能帶能帶能隙，禁帶能隙，禁帶 E能帶寬度：能帶寬度： EeV N1023時，則能帶中兩能級間時，則能帶中兩能級間距：距：10- -23eV能帶的一般規律能

30、帶的一般規律J 外層電子共有化程度顯著，能外層電子共有化程度顯著，能帶較寬帶較寬( E較大較大) ；內層電子相；內層電子相應的能帶很窄。應的能帶很窄。J 點陣間距越小，能帶越寬，點陣間距越小，能帶越寬， E越大。越大。J 兩能帶有可能重疊。兩能帶有可能重疊。 Era離子間距離子間距2P2S1S能帶重疊示意圖能帶重疊示意圖能帶中的電子排布能帶中的電子排布 晶體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上晶體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上(1) 服從泡里不相容原理服從泡里不相容原理(電子是費米子電子是費米子)(2) 服從能量最小原理服從能量最小原理 孤立原子的能級孤立原子的能級Enl，最

31、多能容納，最多能容納2(2l+1)個電子。個電子。 這一能級分裂成由這一能級分裂成由N條能級組成的能帶后，最多能容納條能級組成的能帶后，最多能容納2(2l+1)個電子。個電子。例如：例如： 1s、2s能帶，最多容納能帶，最多容納2個電子個電子 2p、3p能帶，最多容納能帶，最多容納6個電子個電子排布原則：排布原則：電子排布時，應從最低的能級排起。電子排布時，應從最低的能級排起。能帶結構能帶結構 應用單電子近似的結果，就是晶體里的每一個電子不再是處于一個具應用單電子近似的結果，就是晶體里的每一個電子不再是處于一個具有確定數值的能級里，而是和其它所有原子里具有相同軌道的電子共同處有確定數值的能級里

32、，而是和其它所有原子里具有相同軌道的電子共同處在一個具有一定寬度的能量范圍里，形成所謂在一個具有一定寬度的能量范圍里，形成所謂能帶能帶，能帶之間則是任何電，能帶之間則是任何電子都不能穩定存在的能量區域，稱為子都不能穩定存在的能量區域，稱為禁帶禁帶。 能帶產生的根本原因還是在于泡利不相容原理能帶產生的根本原因還是在于泡利不相容原理。由于組成晶體的大量。由于組成晶體的大量原子的相同軌道的電子被共有化后，只有把同一個能級分裂為相互之間具原子的相同軌道的電子被共有化后，只有把同一個能級分裂為相互之間具有微小差異的極其細致的能級，這些能級數目巨大，而且堆積在一個一定有微小差異的極其細致的能級，這些能級數

33、目巨大，而且堆積在一個一定寬度的能量范圍內，以至于可以看成是在這個能量范圍內，電子的能量狀寬度的能量范圍內，以至于可以看成是在這個能量范圍內，電子的能量狀態是連續分布的。態是連續分布的。能帶結構能帶結構 晶體里的價電子從它們在單原子里的能級分裂為價帶，激發晶體里的價電子從它們在單原子里的能級分裂為價帶，激發態能級則分裂為導帶，一般晶體中每條能帶的寬度只與晶體中原態能級則分裂為導帶，一般晶體中每條能帶的寬度只與晶體中原子之間的結合狀況有關，與晶體中的原子數目無關，寬度一般為子之間的結合狀況有關，與晶體中的原子數目無關，寬度一般為幾個電子伏特。幾個電子伏特。 一條一條確定的能帶里的電子數目可以依據

34、晶體里的原子數目估確定的能帶里的電子數目可以依據晶體里的原子數目估計出來，一般由計出來，一般由N個原子組成的晶體，相同量子數個原子組成的晶體，相同量子數l的一條能帶里的一條能帶里的最多可以容納的電子數目是的最多可以容納的電子數目是2(2l+1)N個。個。電子在能帶中的填充電子在能帶中的填充& 能帶中各能級都被電子填滿。能帶中各能級都被電子填滿。& 滿帶中的電子不能起導電作用。滿帶中的電子不能起導電作用。& 晶體加外電場時，電子只能在帶內不同能級間交換，不能改變電子在能晶體加外電場時，電子只能在帶內不同能級間交換，不能改變電子在能帶中的總體分布。帶中的總體分布。& 滿帶中的電子由原占據的能級向帶

35、內任一能級轉移時，必有電子沿相反滿帶中的電子由原占據的能級向帶內任一能級轉移時，必有電子沿相反方向轉換，因此，不會產生定向電流，不能起導電作用。方向轉換，因此，不會產生定向電流，不能起導電作用。1、滿帶、滿帶電子在能帶中的填充電子在能帶中的填充2、導帶、導帶& 被電子部分填充的能帶。被電子部分填充的能帶。& 在外電場作用下，電子可向帶內未被填充的高能級轉移，但無相反的在外電場作用下，電子可向帶內未被填充的高能級轉移，但無相反的電子轉換，因而可形成電流。電子轉換，因而可形成電流。 & 價電子能級分裂后形成的能帶。價電子能級分裂后形成的能帶。& 有的晶體的價帶是導帶；有的晶體的價帶是導帶；& 有的

36、晶體的價帶也可能是滿帶。有的晶體的價帶也可能是滿帶。價帶：價帶：能帶理論能帶理論3、空帶、空帶& 所有能級均未被電子填充的能帶。所有能級均未被電子填充的能帶。& 由原子的激發態能級分裂而成，正常情況下空著；由原子的激發態能級分裂而成，正常情況下空著；& 當有激發因素當有激發因素(熱激發、光激發熱激發、光激發)時，價帶中的電子可被激發進入空帶；時，價帶中的電子可被激發進入空帶；& 在外電場作用下，這些電子的轉移可形成電流。所以，空帶也是導帶。在外電場作用下，這些電子的轉移可形成電流。所以，空帶也是導帶。 電子在能帶中的填充電子在能帶中的填充4、禁帶、禁帶 滿帶滿帶 空帶空帶 禁帶禁帶E& 在能帶

37、之間的能量間隙區，電子不在能帶之間的能量間隙區，電子不能填能填充。充。& 禁帶的寬度對晶體的導電性有重要的作禁帶的寬度對晶體的導電性有重要的作用。用。& 若上下能帶重疊，其間禁帶就不存在。若上下能帶重疊，其間禁帶就不存在。 電子在能帶中的填充電子在能帶中的填充 1滿帶（排滿電子）滿帶（排滿電子） 2未滿帶（能帶中一部分能級排滿電子）未滿帶（能帶中一部分能級排滿電子） 亦稱亦稱導帶導帶 3空帶（未排電子）空帶（未排電子） 亦為亦為導帶導帶 4禁帶（不能排電子）禁帶（不能排電子）空帶空帶 價帶價帶 (非滿非滿帶帶)禁帶禁帶Eg導帶導帶禁帶禁帶Eg價帶價帶 (滿滿帶帶)導帶導帶E總結：總結：導體、絕

38、緣體、半導體導體、絕緣體、半導體 太陽電池是以半導體材料為基礎的一種具有能量轉換功能的太陽電池是以半導體材料為基礎的一種具有能量轉換功能的半導體器件。半導體器件。按導電性強弱：按導電性強弱：材材 料料導導 體：體：電阻率一般在電阻率一般在10- -4 cm以下，如金、銀、銅、鋁等以下，如金、銀、銅、鋁等金屬和合金材料。金屬和合金材料。絕緣體：絕緣體：是不易導電的物質是不易導電的物質，如橡膠、玻璃、陶瓷和塑料等，如橡膠、玻璃、陶瓷和塑料等，電阻率一般在電阻率一般在109 cm以上。以上。半導體：半導體：電阻率一般在電阻率一般在10- -4109 cm之間，如硅、鍺、砷化之間，如硅、鍺、砷化鎵等。

39、鎵等。導體、絕緣體、半導體導體、絕緣體、半導體它們的導電性能不同，是因為它們的能帶結構不同。它們的導電性能不同，是因為它們的能帶結構不同。導體導體導體導體導體導體半導體半導體絕緣體絕緣體 Eg Eg Eg導體的能帶結構導體的能帶結構1、能帶結構、能帶結構 空帶空帶E某些一價金屬，某些一價金屬，如如:Li 導帶導帶 某 些 二 價 金 屬 ， 如某 些 二 價 金 屬 ， 如 : Be,Ca,Mg,Zn, Ba 滿帶滿帶 空帶空帶E 導帶導帶 空帶空帶 如如:Na, K, Cu, Al, AgE導體的能帶結構導體的能帶結構(1) 沒有滿帶沒有滿帶有幾種情形：有幾種情形：導帶和空帶不重疊導帶和空帶

40、不重疊(如如Li，)導帶和空帶重疊導帶和空帶重疊(如如Na，K，Cu，Al，Ag)(2) 有滿帶，但滿帶和空帶有滿帶，但滿帶和空帶(或導帶或導帶)重疊重疊(如某些二價元素如某些二價元素Be，Ca，Mg，Zn，Ba) 導體的能帶結構導體的能帶結構 在外電場的作用下，電子容易從低能級躍遷到高能級，形成集體的定在外電場的作用下，電子容易從低能級躍遷到高能級，形成集體的定向流動向流動(電流電流)，顯出很強的導電能力。，顯出很強的導電能力。 2、導電機制、導電機制從能級圖上來看，是因為其共有化電子很易從低能級躍遷到高能級上去。從能級圖上來看，是因為其共有化電子很易從低能級躍遷到高能級上去。E絕緣體的能帶

41、結構絕緣體的能帶結構禁帶較寬禁帶較寬(相對于半導體相對于半導體)，禁，禁帶寬度帶寬度 Eg = 36 eV 一般的熱激發、光激發或外加電場不太強時，滿帶中的電子很難能越過禁一般的熱激發、光激發或外加電場不太強時，滿帶中的電子很難能越過禁帶而被激發到空帶上去。帶而被激發到空帶上去。 當外電場非常強時，電子有可能越過禁帶躍遷到上面的空帶中去形成電流，當外電場非常強時，電子有可能越過禁帶躍遷到上面的空帶中去形成電流，這時絕緣體就被擊穿而變成導體了。這時絕緣體就被擊穿而變成導體了。E 空帶空帶 空帶空帶 滿帶滿帶禁帶禁帶Eg=36eV 在外電場的作用下，共有化電子很難接受在外電場的作用下，共有化電子很

42、難接受外電場的能量，所以形不成電流。外電場的能量，所以形不成電流。 半導體的能帶結構半導體的能帶結構1、本征半導體、本征半導體本征半導體本征半導體(Intrinsic Semiconductor)是指純凈的半導體，導電性能介于導是指純凈的半導體，導電性能介于導體與絕緣體之間。體與絕緣體之間。 (1) 能帶結構能帶結構E 空帶空帶 滿帶滿帶Eg=0.12eV禁帶禁帶本征本征(純凈純凈)半導體半導體和絕緣體相似，只是半導體的禁帶寬度和絕緣體相似，只是半導體的禁帶寬度很小很小(Eg= 0.12eV)加熱、光照、加電場都能把電子從滿帶激加熱、光照、加電場都能把電子從滿帶激發到空帶中去，同時在滿帶中形成

43、發到空帶中去，同時在滿帶中形成“空空穴穴”(hole)。 半導體的能帶結構半導體的能帶結構(2) 導電機制導電機制1. 電子導電電子導電半導體的載流子是電子半導體的載流子是電子2. 空穴導電空穴導電半導體的載流子是空穴半導體的載流子是空穴滿帶上的一個電子躍遷到空帶后滿帶上的一個電子躍遷到空帶后,滿帶中出現一個空位。滿帶中出現一個空位。在電場作用下，電子和空穴均可導電，它們稱作在電場作用下，電子和空穴均可導電，它們稱作本征載流子本征載流子；它們的導電形成半導體的它們的導電形成半導體的本征導電性本征導電性。半導體的能帶結構半導體的能帶結構例：半導體例：半導體 CdS滿滿 帶帶空空 帶帶h Eg=2

44、.42eV這相當于產生了一個帶正電這相當于產生了一個帶正電的粒子的粒子(稱為稱為“空穴空穴”) , 把電把電子抵消了。子抵消了。電子和空穴總是成對出現的電子和空穴總是成對出現的半導體的能帶結構半導體的能帶結構空帶空帶滿帶滿帶空穴下面能級上的電子空穴下面能級上的電子可以躍遷到空穴上來，可以躍遷到空穴上來，這相當于空穴向下躍遷。這相當于空穴向下躍遷。滿帶上帶正電的空穴向滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流，下躍遷也是形成電流，這稱為這稱為空穴導電空穴導電。 Eg在外電場作用下在外電場作用下,半導體的能帶結構半導體的能帶結構半導體中有兩種載流子半導體中有兩種載流子: :自由電子和空穴自由電子和空穴

45、自由電子自由電子空穴空穴半導體的能帶結構半導體的能帶結構v v在外電場作用下，電子的定向移動形成電流在外電場作用下，電子的定向移動形成電流+-半導體的能帶結構半導體的能帶結構在外電場作用下，空穴的定向移動形成電流在外電場作用下，空穴的定向移動形成電流+-半導體的能帶結構半導體的能帶結構 解解 hchEg nmC.eV.s/msJ.Ehcgmax51410614221031063619834 上例中，半導體上例中，半導體 CdS激發電子激發電子, , 光波的波長最大多長？光波的波長最大多長？半導體的能帶結構半導體的能帶結構為什么金屬導體的電阻隨溫度的升高而為什么金屬導體的電阻隨溫度的升高而增大，

46、但半導體的電阻隨溫度升高而降增大，但半導體的電阻隨溫度升高而降低？低？思考題：思考題：答案見下一頁答案見下一頁半導體的能帶結構半導體的能帶結構 電阻率的大小取決于電子濃度和電子遷移率。當溫度升高時電阻率的大小取決于電子濃度和電子遷移率。當溫度升高時, ,金屬導體金屬導體自由電子濃度不變自由電子濃度不變, ,但電子熱運動增加但電子熱運動增加, ,從而定向運動的遷移率變小從而定向運動的遷移率變小, ,電阻率電阻率增大。增大。電阻率和溫度的關系電阻率和溫度的關系 對于半導體對于半導體, ,遷移率隨溫度變化小。載流子濃度隨溫度增高而增大遷移率隨溫度變化小。載流子濃度隨溫度增高而增大, ,因因此使電阻率

47、變小。此使電阻率變小。 利用半導體材料對溫度反應較敏感的特性制成的電阻器利用半導體材料對溫度反應較敏感的特性制成的電阻器, ,稱為熱敏電阻。稱為熱敏電阻。熱敏電阻有廣泛的應用價值。熱敏電阻有廣泛的應用價值。半導體的能帶結構半導體的能帶結構2、雜質半導體、雜質半導體雜質半導體雜質半導體(Impurity Semiconductor)：在純凈的半導體中適當摻入雜質：在純凈的半導體中適當摻入雜質可提高半導體的導電能力可提高半導體的導電能力能改變半導體的導電機制能改變半導體的導電機制按導電機制，雜質半導體可分為按導電機制，雜質半導體可分為n型型(電子導電電子導電)和和p型型(空穴導電空穴導電)兩種。兩

48、種。 半導體的能帶結構半導體的能帶結構(1) N型半導體型半導體 四價的本征半導體四價的本征半導體 Si、Ge等，摻入少量五價的等，摻入少量五價的雜質雜質元素元素(如如P、As等等)形成形成電子型半導體電子型半導體，也稱，也稱n型半導體型半導體。Si14 1s22s22p63s23p2Ge32 1s22s22p63s23p63d104s24p2SiGe半導體的能帶結構半導體的能帶結構n型半導體型半導體 SiSiSiSiSiSiSiP 圖中摻入的五價圖中摻入的五價P原子在原子在晶體中替代晶體中替代Si的位置，構成與的位置，構成與Si相同的四電子結構，多出的相同的四電子結構，多出的一個電子在雜質離

49、子的電場范一個電子在雜質離子的電場范圍內運動。圍內運動。 半導體的能帶結構半導體的能帶結構多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSi半導體的能帶結構半導體的能帶結構空空 帶帶滿滿 帶帶施主能級施主能級EDEg由量子力學，雜質的多余電子的能級在禁帶中，且緊靠空帶由量子力學，雜質的多余電子的能級在禁帶中，且緊靠空帶(或導帶，下或導帶，下同同)。圖中能量差。圖中能量差 ED10- -2eV ED Eg (禁帶寬度禁帶寬度) 半導體的能帶結構半導體的能帶結構施主施主(donor)能級能級：這種雜質能級因靠近空帶，雜質價電子極易向空帶躍遷。：這種雜質能級因靠近空帶，雜質價

50、電子極易向空帶躍遷。因向空帶供應自由電子，所以這種雜質能級稱施主能級。因向空帶供應自由電子，所以這種雜質能級稱施主能級。 因攙雜因攙雜(即使很少即使很少)，會使空帶中自由電子的濃度比同溫下純凈半導體，會使空帶中自由電子的濃度比同溫下純凈半導體空帶中的自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強了半導體的導電性能。空帶中的自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強了半導體的導電性能。 導電機制：導電機制：雜質中多余電子經激發后躍遷到空帶雜質中多余電子經激發后躍遷到空帶(或導帶或導帶)而形成的。而形成的。電子電子 多數載流子多數載流子(多子多子)空穴空穴 少數載流子少數載流子(少子少子)在在n型半導體中，型半導

51、體中，半導體的能帶結構半導體的能帶結構(2) P型半導體型半導體 四價的本征半導體四價的本征半導體 Si、Ge等，摻入少量三價的等，摻入少量三價的雜質雜質元素元素(如如B、Ga、In等等)形成形成空穴型半導體空穴型半導體，也稱，也稱p型半導體型半導體。SiSiSiSiSiSiSi+B 圖中在硅晶體中摻入少量的硼，圖中在硅晶體中摻入少量的硼，晶體點陣中的某些半導體原子被雜質晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原子形成共價鍵時產與相臨的半導體原子形成共價鍵時產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛生一個空穴。這個空穴可能吸引束

52、縛電子來填補，使得硼原子成為不能移電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。動的帶負電的離子。半導體的能帶結構半導體的能帶結構空空 帶帶EA滿滿 帶帶受主能級受主能級Eg 這種雜質的能級緊靠滿帶頂處，圖這種雜質的能級緊靠滿帶頂處，圖中中 EA99.9999%以上，超高以上，超高純達到純達到99.9999999%99.999999999%（911個個9）。其導電性介于）。其導電性介于 10- -41010 歐厘米。歐厘米。硅材料硅材料 類似于半導體技術的產品，必要的材料提純處理相當昂貴和類似于半導體技術的產品，必要的材料提純處理相當昂貴和生產成本很高。生產成本很高。 金屬合金需要的冶金級

53、硅（雜質約金屬合金需要的冶金級硅（雜質約1%2%）大約）大約810元元/kg，而太陽電池用的硅材料價格要高幾十倍。，而太陽電池用的硅材料價格要高幾十倍。 一片一片100mm100mm的太陽電池要用的太陽電池要用10g左右的硅材料，對左右的硅材料，對應的太陽電池的電功率為應的太陽電池的電功率為1.31.5W，這樣的話，這樣的話，1MW太陽電池太陽電池需要需要13t左右的硅材料。左右的硅材料。硅材料硅材料 現在的發展趨勢是不管是單晶還是多晶硅太陽電池，都使用現在的發展趨勢是不管是單晶還是多晶硅太陽電池，都使用大尺寸、超薄的硅片。大尺寸、超薄的硅片。 隨著半導體材料技術的發展，對硅片的規格和質量也提

54、出更高的隨著半導體材料技術的發展，對硅片的規格和質量也提出更高的要求，適合微細加工的大直徑硅片在市場中的需求比例將日益加大。要求，適合微細加工的大直徑硅片在市場中的需求比例將日益加大。目前，硅片主流產品是目前，硅片主流產品是 200mm，逐漸向，逐漸向300mm過渡，研制水平達到過渡，研制水平達到400mm450mm。據統計，。據統計，200mm硅片的全球用量占硅片的全球用量占60%左右，左右，150mm占占20%左右，其余占左右，其余占20%左右。左右。 大尺寸：大尺寸：硅材料硅材料 而厚度開始從而厚度開始從330 m向向240 m 、220 m甚至可減少到甚至可減少到100 m以下以下。德

55、國太陽能系統研究所使用。德國太陽能系統研究所使用40 m超薄硅片，制作的太超薄硅片，制作的太陽電池的轉換效率也達到陽電池的轉換效率也達到20%。這些技術的推廣使用將節省大量。這些技術的推廣使用將節省大量的硅材料，可明顯降低太陽電池的生產成本，有利地促進太陽電的硅材料，可明顯降低太陽電池的生產成本，有利地促進太陽電池工業的發展。池工業的發展。薄厚度：薄厚度：硅中雜質的行為硅中雜質的行為(1) 周期表中周期表中III或或V族元素，如硼（族元素，如硼（B）、磷（）、磷（P）等）等 電離能低，對電導率影響顯著，作摻雜劑電離能低，對電導率影響顯著，作摻雜劑 P型摻硼（受主），型摻硼（受主），N型摻磷（施

56、主）型摻磷（施主） (2) I副族和過渡金屬元素，如副族和過渡金屬元素，如Fe、Zn、Mn、Cr等等 電離能高，起復合中心的作用電離能高，起復合中心的作用 破壞破壞 PN 結特性，少子壽命降低，轉換效率下降結特性，少子壽命降低，轉換效率下降 (3) 碳、氧、氮等元素碳、氧、氮等元素 形成化合物，形成化合物， 結晶缺陷，結晶缺陷， 性能不均勻，硅片變脆性能不均勻，硅片變脆硅中雜質的行為硅中雜質的行為雜質元素濃度對電池轉換效率的影響雜質元素濃度對電池轉換效率的影響太陽級硅質量的評價太陽級硅質量的評價太陽能級硅是電子級硅生產過程的副產品，按照質量排序主要包括以下幾太陽能級硅是電子級硅生產過程的副產品

57、，按照質量排序主要包括以下幾種：種：電子級硅的次級產品電子級硅的次級產品等外品硅大塊料等外品硅大塊料小塊料小塊料單晶硅錠頭尾料單晶硅錠頭尾料廠內循環返回料廠內循環返回料堝底料堝底料其它來源的硅料其它來源的硅料 雜質含量：雜質含量：10100 ppm 電阻率：電阻率： 0.51 ohm-cm以上以上 (B、P)(1) 硅塊少子壽命硅塊少子壽命 (ms) (2) 單位硅料消耗單位硅料消耗 （克硅（克硅/瓦或噸硅瓦或噸硅/兆瓦）兆瓦） (3) 太陽電池組件總成本太陽電池組件總成本評價因素：評價因素：沙子變黃金沙子變黃金晶體硅晶體硅沙子變黃金沙子變黃金硅：遍地的沙子硅：遍地的沙子 硅在地殼中的豐度為硅

58、在地殼中的豐度為27.7%，在所有的元素中居第二位，但大部分以，在所有的元素中居第二位，但大部分以氧化物的形式存在。地殼中含量最多的元素氧和硅結合形成的二氧化硅氧化物的形式存在。地殼中含量最多的元素氧和硅結合形成的二氧化硅SiO2，占地殼總質量的，占地殼總質量的87%。我國高氧化含量的石英和硅石藏量豐富，分。我國高氧化含量的石英和硅石藏量豐富，分布很廣，全國各地幾乎都發現有高品位的含氧化硅礦，布很廣，全國各地幾乎都發現有高品位的含氧化硅礦，SiO2的含量的含量 大都在大都在99%以上。以上。SiO2硅材料的原料硅材料的原料金屬硅金屬硅金屬硅：耗費能源的低級產品金屬硅：耗費能源的低級產品 金屬硅

59、（冶金級硅）是工業提純的單質硅，又稱結晶硅或工業硅，硅金屬硅（冶金級硅）是工業提純的單質硅，又稱結晶硅或工業硅，硅含量的純度約為含量的純度約為98.5%-99.5%。金屬硅采用生產方法是將二氧化硅和碳元。金屬硅采用生產方法是將二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在電弧爐中加熱至素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在電弧爐中加熱至2100C左右，這左右，這時碳就會將硅還原出來。時碳就會將硅還原出來。 SiO2 + 2C = Si + 2CO金屬硅生產工藝化學反應方程式：金屬硅生產工藝化學反應方程式：金屬硅金屬硅 金屬硅廣泛應用于冶金、化工、電子等行業。據統計，用于鋁工業的金屬硅廣泛應用于冶

60、金、化工、電子等行業。據統計，用于鋁工業的金屬硅約占整個行業需求的金屬硅約占整個行業需求的60%左右，鋼鐵工業約為左右，鋼鐵工業約為15%，有機硅行業約，有機硅行業約為為20%，半導體及其他行業約為，半導體及其他行業約為5%。 在高溫下，在高溫下，SiO2與焦炭反應，生成液相的硅沉入電弧爐底部，此時鐵與焦炭反應，生成液相的硅沉入電弧爐底部，此時鐵作為催化劑可有效阻止碳化硅的形成。在電弧爐底部開孔可將液相硅收集，作為催化劑可有效阻止碳化硅的形成。在電弧爐底部開孔可將液相硅收集，凝固后可通過機械粉碎，得到冶金級硅粉。其中含有大量的金屬雜質，如凝固后可通過機械粉碎，得到冶金級硅粉。其中含有大量的金屬