1、光伏材料與器件 2017.9 上次課回顧 ?第一節 人類能源的希望所在太陽能 第二節 太陽和太陽輻射 第三節 太陽能資源的分布特點 第四節 光伏發電歷史與現狀 人類能源利用歷史與展望 http:/ 世界主要能源消耗發展 一次能源一次能源 煤炭 鈾 天然氣 石油 開采年限開采年限 231年 72年 63年 43年 新能源比較 新能源新能源 太陽能 風能 生物質能 儲量儲量 特點特點 續能源。 1 x 105 TW 太陽能是目前可以使用的能源中最經濟、最清潔、最環保的可持14TW 5-7TW 風能是太陽輻射下流動所形成的。蘊藏量大，風力發電是當代人 利用風能最常見的形式，但是風力斷續分散； 生物質

2、能來源于生物質，也是太陽能以化學能形式貯存于生物中 的一種能量形式，它直接或間接地來源于植物的光合作用，農村 的沼氣池就屬于生物質能的利用，應用規模不大； 指水體的動能、勢能和壓力能等能量資源，水利發電較為常用； 地熱能資源指陸地下5000米深度內的巖石和水體的總含熱量，分 布相對來說比較分散，開發難度大； 海洋能指蘊藏于海水中的各種可再生能源，包括潮汐能、波浪能、 海流能、海水溫差能、海水鹽度差能等，限于技術水平，現尚處 于小規模研究階段； 水電 地熱能 1.2TW 1.9 TW 潮汐/海洋能 0.7 TW 太陽能蘊藏量最豐富，地區分布廣泛 太陽輻射能可直接轉換為電能，轉換環節最少最直接 太

3、陽和太陽能輻射 光球光球 色球色球 第二章 太陽能光伏器件的基本原理 ?第一節 半導體的基本性質 第二節 半導體p-n結 第三節 太陽電池基礎 第四節 影響效率的關鍵因素 2.1 半導體的基本性質 2.1.1 半導體的結構半導體的結構 自然界物質存在的狀態分為自然界物質存在的狀態分為液態、氣態、固態液態、氣態、固態。固態物質根據它們的。固態物質根據它們的質點（原子、離子和分子）排列規則的不同，分為晶體和非晶體兩大類。質點（原子、離子和分子）排列規則的不同，分為晶體和非晶體兩大類。具有確定熔點的固態物質稱為具有確定熔點的固態物質稱為晶體晶體，如硅、砷化鎵、冰及一般金屬等；沒，如硅、砷化鎵、冰及一

4、般金屬等；沒有確定的熔點，加熱時在某以溫度范圍內就逐漸軟化的固態物質稱為有確定的熔點，加熱時在某以溫度范圍內就逐漸軟化的固態物質稱為非晶非晶體體，如玻璃、松香等。，如玻璃、松香等。 晶體晶體又分為又分為單晶體單晶體和和多晶體。多晶體。整塊材料從頭到尾都按同以規則作周期整塊材料從頭到尾都按同以規則作周期性排列的晶體，稱為單晶體。整個晶體由多個同樣成分、同樣晶體結構的性排列的晶體，稱為單晶體。整個晶體由多個同樣成分、同樣晶體結構的小晶體（即晶粒）組成的晶體，稱為多晶體。小晶體（即晶粒）組成的晶體，稱為多晶體。 硅材料硅材料有多種形態，按晶體結構，可分為單晶硅、多晶硅和非晶硅。有多種形態，按晶體結構

5、，可分為單晶硅、多晶硅和非晶硅。 單晶： 原子在整個晶體中排列有序 多晶： 原子在微米數量級排列有序 非晶： 原子在原子尺度上排列有序 短程序包含： 1、近鄰原子的種類和數目； 2、近鄰原子之間的距離（鍵長）； 3、近鄰原子的幾何方位（鍵角）； 單晶、多晶和非晶體原子排列單晶、多晶和非晶體原子排列 : 晶體的微觀結構晶體的微觀結構: 晶體是原子在三維空間周期性重復排列拓展而成的。原胞為晶體的最小重復單元，按原胞結構的不同構成不同類型的晶體。以立方晶系的原胞為例，有如下種類： 硅晶體的微觀結構硅晶體的微觀結構: 金剛石結構（與金剛石結構（與硅硅、鍺等半導體類似）、鍺等半導體類似） 109o28

6、共價鍵共價鍵 金剛石金剛石 頂角、面心 體對角線1/4處 A A ?c?kB A B A ?a晶胞晶胞 ?b?jB B ?i同種原子形成的兩類格點相互套構同種原子形成的兩類格點相互套構 晶體的晶面晶體的晶面: 1、通過晶格的格點可做許多間距相同而相互平行的平面，為晶面。 2、垂直于晶面的法線方向為晶向。 3、密勒指數（h k l）表示晶面的方向 選晶格的三條棱邊作為坐標系的坐標軸，求出晶面在每一坐標軸的截距，將這三個截距分別化為晶格常數的倍數，并把它們化成互質的整數，加上圓括號（h k l）即為一個晶面或一族晶面的密勒指數。 c c c o o o b b a （111） b a （100）

7、a （110） 2.1.2 半導體的能帶半導體的能帶 真空中的電子得到的能量值基本是連續的，但在晶體中情況不同。真空中的電子得到的能量值基本是連續的，但在晶體中情況不同。 原子的殼層模型認為，原子的中心是一個帶正電荷的核，核外存在原子的殼層模型認為，原子的中心是一個帶正電荷的核，核外存在著一系列不連續的、由電子運動軌道構成的殼層，電子只能在殼層里繞著一系列不連續的、由電子運動軌道構成的殼層，電子只能在殼層里繞核轉動。在穩定狀態，每個殼層里運動的電子具有一定的能量狀態，所核轉動。在穩定狀態，每個殼層里運動的電子具有一定的能量狀態，所以一個殼層相當于一個能量等級，稱為以一個殼層相當于一個能量等級，

8、稱為能級能級。 E5 E4 E3(4) E2(8) E1(2) +14 一一個個能能級級也也表表示示電子的一種運動狀態，電子的一種運動狀態，所以所以能態能態、狀態狀態 與與能能級級的含義相同。圖為的含義相同。圖為硅原子的電子能級圖。硅原子的電子能級圖。 能帶能帶 禁帶禁帶 能帶能帶 能級能級 能級能級 +14 禁帶禁帶 能帶能帶 能級能級 電子軌道對應的能帶電子軌道對應的能帶 在孤立原子中，電子只能在各允許軌道上運動。晶體中，原子之間在孤立原子中，電子只能在各允許軌道上運動。晶體中，原子之間距離很近，相鄰原子的電子軌道距離很近，相鄰原子的電子軌道相互重疊相互重疊、互相影響互相影響。與軌道相對應

9、的。與軌道相對應的能級分裂能級分裂成為能量非常接近但又大小不同的許多電子能級，稱為能帶。成為能量非常接近但又大小不同的許多電子能級，稱為能帶。每層軌道都有一個對應的能帶。每層軌道都有一個對應的能帶。 電子在每個能帶中的分布，一般是先填滿能量較低的能級，然后電子在每個能帶中的分布，一般是先填滿能量較低的能級，然后逐步填充能量較高的能級，并且每條能級只允許填充逐步填充能量較高的能級，并且每條能級只允許填充 兩個兩個具有同樣能具有同樣能量的電子。量的電子。 能帶能帶 電子電子 能級能級 電子在價帶上的分布電子在價帶上的分布 內層內層電子能級所對應的能帶，都是被電子電子能級所對應的能帶，都是被電子填滿

10、填滿的。最外層價電子的。最外層價電子能級所對應的能帶，有的被電子填滿，有的未被填滿，主要取決于晶能級所對應的能帶，有的被電子填滿，有的未被填滿，主要取決于晶體種類。硅、鍺等半導體晶體的價電子能帶全部被電子填滿。體種類。硅、鍺等半導體晶體的價電子能帶全部被電子填滿。 允許能態的占有幾率允許能態的占有幾率:費米能級費米能級 低溫下（低溫下（0K），晶體的某一能級以下的所有可能能態都被兩個電子），晶體的某一能級以下的所有可能能態都被兩個電子占據，該能級稱為占據，該能級稱為費米能級費米能級（EF）。）。 1fF(E)?E?EF1?exp()KT 接近于接近于0K時，能量低于時，能量低于EF，f(E)基

11、本上是基本上是1，能量高于，能量高于EF，f(E)為零。溫度為為零。溫度為T時，電子子占據費時，電子子占據費米能級幾率為米能級幾率為50%的能級的能級 EF E T0 T=0 0 0.5 1 fF( E )導體、絕緣體以及半導體：導體、絕緣體以及半導體： EF EF EF (a)在金屬中在金屬中 (b)在絕緣體中在絕緣體中 (c)在半導體中在半導體中 電子和空穴：電子和空穴： 底層完全被汽車占滿，而頂層完全空著，因此沒任何可供汽車移動的余地。底層完全被汽車占滿，而頂層完全空著，因此沒任何可供汽車移動的余地。 其中一輛車從第一層移動到第二層，那么第二層的汽車就能任意自由移動。其中一輛車從第一層移

12、動到第二層，那么第二層的汽車就能任意自由移動。 2.1.3 半導體的光吸收半導體的光吸收 電磁波譜的范圍 31 吸 收 光 譜 待待測測樣樣品品 吸收系數? ：光在介質中傳播時有衰減，說明介質對光有吸收。用透射法測定光在介質中傳播的衰減情況時，發現介質中光的衰減率與光的強度成正比，引入比例系數?，即： dI?x積分得 I?I e? ?Idx0 其中x是介質的厚度，比例系數 ? 的大小和光的強度無關，稱為光的吸收系數。對上式積分反映出吸收系數?的物理含義是：當光在介質中傳播1/? 距離時，其能量減弱到原來的 1/e。 光在導電介質中傳播時具有衰減現象，即產生光的吸收，半導體材料通常能強烈的吸收光

13、能，具有105cm-1的吸收系數。對于半導體材料，自由電子和束縛電子的吸收都很重要。 價帶電子吸收足夠的能量從價帶躍遷入導帶，是半導體研究中最重要的吸收過程。與原子吸收的分立譜線不同，半導體材料的能帶是連續分布的，光吸收表現為連續的吸收帶。 光吸收的種類： ? 本征吸收 ? 激子吸收 ? 晶格振動吸收 ? 雜質吸收 ? 自由載流子吸收 參與光吸收躍遷的電子可涉及以下幾類： ? 價電子 ? 內殼層電子 ? 雜質或缺陷中的束縛電子 本征吸收 價帶電子吸收能量大于或等于禁帶寬度的光子使電子從價帶躍遷入導帶的過程被稱為本征吸收 。 當半導體被光照射后，如果光子的能量等于禁帶寬度(即h=Eg)，則半導體

14、會吸收光子而產生電子-空穴對，如(a)所示。若h大于Eg，則除了會產生電子-空穴對之外，多余的能量(h-Eg)將以熱的形式耗散，如(b)所示。 以上(a) 與(b) 的過程皆稱為本征躍遷，或稱為能帶至能帶的躍遷。另一方面，若h小于Eg，則只有在禁帶中存在由化學雜質或物理缺陷所造成的能態時，光子才會被吸收，如 (c)所示，這種過程稱為非本征躍遷。 E C E t u h ( a ) ( b ) ( c ) E g E V （2）直接躍遷和直接帶隙半導體 參照右圖所示的一維E(k)曲線可見，為了滿足選擇定則，吸收光子只能使處在價帶中狀態A的電子躍遷到導帶中k相同的狀態B。A與B在E(k)曲線上位于

15、同一豎直線上，這種躍遷稱為直接躍遷。在A到B的直接躍遷中所吸收的光子能量h與圖中垂直距離相對應。就是說，和任何一個k值相對應的導帶與價帶之間的能量差相當的光子都有可能被吸收，而能量最小的光子對應于電子從價帶頂到導帶底的躍遷，其能量等于禁帶寬度Eg。 本征吸收形成一個連續吸收帶，并具有一長波吸收限0Egh。因而，從光吸收譜的測量可以求出禁帶寬度Eg。在常用半導體中， III-族的GaAs、InSb及-族等材料，導帶極小值和價帶極大值對應于相同的波矢，常稱為直接禁帶半導體。這種半導體在本征吸收過程中發生電子的直接躍遷。 由理論計算可知，在直接躍遷中，如果對于任何k值的躍遷都是允許的，則吸收系數與光

16、子能量的關系為： 1/2h?E?(h?)?A(h?E )gg h?Eg?(h?)?0（3）間接躍遷與間接帶隙半導體：諸如硅和鍺的一些半導體材料，導帶底和價帶頂并不像直接帶隙半導體那樣具有相同的波矢k。這類半導體稱為間接帶隙半導體，對這類半導體，任何直接躍遷所吸收的光子能量都應該比其禁帶寬度Eg大得多。因此，若只有直接躍遷，這類半導體應不存在與禁帶寬度相當的光子吸收。這與實際情況不符。 這就意味著在本征吸收中除了有符合選擇定則的直接躍遷外，還存在另外一種形式的躍遷，如右圖中的OS躍遷。在這種躍遷過程中，電子不僅吸收光子，同時還和晶格振動交換一定的能量，即放出或吸收一個或多個聲子。這時，準能量守恒

17、不再是電子和光子之間所能滿足的關系，更主要的參與者應該是聲子。這種躍遷被稱為非直接躍遷，或稱間接躍遷。 ? 總之，半導體材料的光吸收過程中，如果只考慮電子和光子的相互作用，則根據動量守恒要求，只可能發生直接躍遷；但如果還考慮電子與晶格的相互作用，則非直接躍遷也是可能的，這是由于依靠發射或吸收一個聲子，使動量守恒原則仍然得到滿足。 ? 由于間接躍遷的吸收過程一方面依賴于電子和光子的相互作用，另一方面還依賴于電子與晶格的相互作用，因此理論上這是一種二級過程。其發生概率要比直接躍遷小很多。因此，間接躍遷的光吸收系數比直接躍遷的光吸收系數小很多。3-1前者一般為1110 cm 數量級，而后者一般為11

18、041106cm-1。 常規半導體的吸收譜線 載流子的運動與傳輸載流子的運動與傳輸 載流子的運動形式有兩種：漂移運動與擴散運動。載流子的運動形式有兩種：漂移運動與擴散運動。 1.漂移運動漂移運動 載流子在外電場作用下的運動稱為漂移運動，由此引起的電流稱為載流子在外電場作用下的運動稱為漂移運動，由此引起的電流稱為漂移電流。漂移電流。 E? ?vP? ? ?ve? ? ?I2、擴散運動、擴散運動 半導體材料內部由于載流子的濃度差而引起載流子的移動稱為載流子半導體材料內部由于載流子的濃度差而引起載流子的移動稱為載流子的擴散運動。的擴散運動。 ? ?IP空穴將從濃度高的向濃度空穴將從濃度高的向濃度低的

19、方向擴散，形成擴散低的方向擴散，形成擴散P(x)電流電流I IP P，濃度差越大，擴散，濃度差越大，擴散電流越大。電流越大。 0 x 載流子的復合載流子的復合 1.直接復合直接復合 導帶電子直接跳回價帶與空穴復合叫直接復合。導帶電子直接跳回價帶與空穴復合叫直接復合。 導帶導帶 EF 價帶價帶 2. 間接復合間接復合 電子和空穴通過復合中心復合叫作間接復合。由于半導體中晶體的電子和空穴通過復合中心復合叫作間接復合。由于半導體中晶體的不完整性和存在有害雜質，在禁帶中存在一些深能級，這些能級能俘不完整性和存在有害雜質，在禁帶中存在一些深能級，這些能級能俘獲自由電子和自由空穴，從而使它們復合，這種深能

20、級稱為獲自由電子和自由空穴，從而使它們復合，這種深能級稱為 復合中心復合中心。 導帶導帶 通常，在自由載流子密度通常，在自由載流子密度復合復合中心中心 較低時，復合過程主要是較低時，復合過程主要是通過復合中心進行；在自通過復合中心進行；在自由載流子密度較高時，復由載流子密度較高時，復合過程則主要是直接復合。合過程則主要是直接復合。 EF 價帶價帶 3. 表面復合表面復合 復合過程可發生在半導體內，也可發生在半導體表面。電子和空穴復合過程可發生在半導體內，也可發生在半導體表面。電子和空穴發生于半導體內的復合叫體內復合；電子和空穴發生于靠近半導體表發生于半導體內的復合叫體內復合；電子和空穴發生于靠

21、近半導體表面的一個非常薄的區域內的復合叫作表面復合。面的一個非常薄的區域內的復合叫作表面復合。 導帶導帶 表面表面陷阱陷阱 EF 價帶價帶 半導體的摻雜半導體的摻雜 硅的晶體結構：硅的晶體結構： 在硅晶體中，原子按四角形系統組成晶體點陣，每個原子都在硅晶體中，原子按四角形系統組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成原子與其相臨的原子之間形成共價鍵共價鍵，共用一對價電子。，共用一對價電子。 硅晶體中的正常鍵硅晶體中的正常鍵 共價鍵共價鍵 SiSiSiSiSiSiSiSiSi+

22、4 +4 電子被激發，晶體中出現空穴電子被激發，晶體中出現空穴 +4 +4 SiSi?eSiSiSi? eSiSiSiSi族和族和族摻雜劑族摻雜劑 ?五價原子砷摻入四價硅中，多余的價電子環五價原子砷摻入四價硅中，多余的價電子環As繞繞 離子運動離子運動 e?導帶導帶 SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiA?sSiSiSiSiSiSiSiSi施主能級施主能級 價帶價帶 SiSiSi 三價原子硼摻入四價鍺晶三價原子硼摻入四價鍺晶 體中，空穴環繞體中，空穴環繞 ?B離子運動離子運動 空穴空穴 導帶導帶 GeGeGeGeGeGeGeGe受主能級受主能級 價帶價帶 BGe?Ge2.2 半

23、導體p-n結 2.2.1 PN靜電學靜電學 導電能力最終決定于：導電能力最終決定于： 1. 載流子的多少載流子的多少； 一一. 本征半導體本征半導體 2. 載流子的性質；載流子的性質； 3. 載流子的運動速度。載流子的運動速度。 指指“純凈純凈”的半導體單晶體。在常溫下，它有微弱的導電能力，其中載的半導體單晶體。在常溫下，它有微弱的導電能力，其中載流子是由本征熱激發產生的。流子是由本征熱激發產生的。 激發使激發使“電子電子空穴對空穴對”增加，復合使增加，復合使“電子電子空穴對空穴對”減少，一定溫減少，一定溫度下，這兩種過程最終將達到動態平衡，在動態平衡狀態下，單位時間內激發度下，這兩種過程最終

24、將達到動態平衡，在動態平衡狀態下，單位時間內激發產生的載流子數目等于因復合消失的載流子數目，因而自由電子（或空穴）的產生的載流子數目等于因復合消失的載流子數目，因而自由電子（或空穴）的濃度不再發生變化，該濃度統稱為濃度不再發生變化，該濃度統稱為“本征載流子濃度本征載流子濃度” ni。 ni=n0=p0 式中，式中，n0表示熱平衡狀態下的電子濃度，表示熱平衡狀態下的電子濃度，p0表示熱平衡狀態下的空穴濃度，在表示熱平衡狀態下的空穴濃度，在T=300K時，時， Si的的ni = 1.51010/cm3, Ge的的ni = 2.41013/cm3 溫度愈高，本征激發產生的載流子數目愈多，溫度愈高，本

25、征激發產生的載流子數目愈多，ni愈大，導電性能也就愈好。愈大，導電性能也就愈好。 注意：注意： ni的絕對數值似乎很大，但與原子密度相比，本征載的絕對數值似乎很大，但與原子密度相比，本征載 流子濃度仍然極小流子濃度仍然極小，所以本征半導體的導電能力是很差的。，所以本征半導體的導電能力是很差的。 雜質半導體雜質半導體 在本征半導體中，摻入即使是極微量的其他元素（統稱為雜質），其導電在本征半導體中，摻入即使是極微量的其他元素（統稱為雜質），其導電性能將大大增強。例如摻入性能將大大增強。例如摻入0.0001%雜質，半導體導電能力將提高雜質，半導體導電能力將提高106倍！倍！ +4+4“多余多余”價電

26、子價電子+4+4+4+4+5+5+4+4+4+4+3+3+4+4雜質離子雜質離子+4+4+4+4p-n結的形成 2.3 太陽電池基礎 ? 吸收光，產生電子空穴對 只有高于帶隙能量的光能夠被吸收 產生的載流子須具有足夠長的壽命 ? 在PN結的作用下，電子空穴分別被兩個電極收集 /pvcdrom/light-generated-current 太陽電池的能帶 太陽電池的結構太陽電池的結構 太陽光太陽光 柵線柵線 減反膜減反膜 n n型摻雜層型摻雜層 p p型襯底型襯底 背電極背電極 太陽電池的組件 ? 前面板（通常為玻璃） 對光的高透過 低反射（鍍

27、膜、絨面結構） 良好的防水（汽） 性能穩定（抗紫外輻射） 足夠的機械強度，支撐作用 ? 封裝材料（常用EVA材料） 使得電池片與前面板和后面板緊密貼合 耐高溫和耐紫外輻射 太陽電池的組件 ? 后封裝材料（有機材料或玻璃） 防止水汽進入 良好的導熱性能 ? 接線盒 ? 框架（通常為鋁合金） ? 電池（片） 電氣上串并聯連接 盡量密布 太陽能電池的輸出參數太陽能電池的輸出參數 1. 短路電流短路電流ISC，理想情況下為光生電流，理想情況下為光生電流IL 2. 開路電壓開路電壓VOC VOCILkT?ln(?1)qI0二極管飽和電流二極管飽和電流 I 暗特性暗特性 O IL Imp VOC Vmp 輸出功率輸出功率 V 3. 填充因子填充因子FF FF?VmpImpVOCIscIsc 是輸出特性曲線是輸出特性曲線“方形方形”程度的量度，一般在程度的量度，一般在0.70.85范圍內。范圍內。 能量轉換效率為：能量轉換效率為： ?VmpImpPinVocIscFF?Pin商用