一、太陽能電池和太陽光1.1引言太陽能電池利用半導體材料的電子特性，把陽光直接轉換為電能。光能太陽能電池分類1.硅太陽能電池單晶硅太陽電池：采用單晶硅片制造制造，性能穩定，轉換效率高。目前轉換效率已達到16%--18%。多晶硅太陽電池：作為原料的高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形硅錠，然后使用切割機切成薄片，再加工成電池。由于硅片是由多個不同大小、不同取向的晶粒構成，因而轉換效率低。目前轉換效率達到15%--17%。多晶硅太陽電池生產流程直拉法拉制單晶示意圖及單晶爐非晶硅太陽電池：一般采用高頻輝光放電等方法使硅烷氣體分解沉積而成。一般在P層與N層之間加入較厚的I層。非晶硅太陽電池的厚度不到1μm，不足晶體硅太陽電池厚度的1/100，降低制造成本。目前轉換效率為5%--8%，最高效率達14.6%，層疊的最高效率可達21.0%。微晶硅太陽電池：在接近室溫的低溫下制備，特別是使用大量氫氣稀釋的硅烷，可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2---3μm，目前轉換效率為10%以上。2.化合物太陽能電池單晶化合物太陽電池：主要有砷化鎵太陽電池（如圖）。砷化鎵的能隙為1.4eV，是單結電池中效率最高的電池，但價格昂貴，且砷有毒，所以極少使用。多晶化合物太陽電池：主要有碲化鎘太陽電池（如圖）

，銅銦鎵硒太陽電池等。碲化鎘太陽電池是最早發展的太陽電池之一，工藝過程簡單，制造成本低，轉換效率超過16%，不過鎘元素可能造成環境污染。銅銦鎵硒太陽電池在基地上成績銅銦鎵硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不銹鋼作為柔性襯底。實驗室最高效率接近20%，成品組件達到13%，是目前薄膜電池中效率最高的電池之一。1太陽能電池的原理

P區N區內建電場

耗盡區P區空間電荷區N區

當入射輻射作用在PN結區時，本征吸收產生光生電子與空穴在內建電場的作用下做漂移運動，電子被內建電場拉到N區，空穴被拉到P區。結果P區帶正電，N區帶負電，形成伏特電壓。I光

P

N將PN結兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區流經外電路至N區。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。2太陽能電池的結構1.3陽光的物理來源太陽實質上是一個由其中心發生的核聚變反應所加熱的氣體球。熱物體發出電磁輻射，其波長或光譜分布由該物體的溫度所決定。例如：鐵塊燃燒時，溫度升高過程：從看不出發光到暗紅到橙色到黃白色。黑體所發出的輻射的光譜分布由普朗克輻射定律決定。0123

6瑞利-金斯公式2

4普朗克公式的理論曲線實驗值****************T=2000K每條曲線都有一個最大值，最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動。太陽的核心溫度高達2×107K光球層的溫度為6000K。在此溫度下與黑體輻射光譜很接近。1.4太陽常數在地球大氣層之外，地球—-太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射功率基本上為一常數，這個輻射強度稱為太陽常數，或稱此輻射為大氣光學質量為零（AM0）的輻射。太陽常數1.353kW/m21.5地球表面的日照強度陽光穿過地球大氣層時至少衰減了30%。造成衰減的原因：1.瑞利散射或大氣中的分子引起的散射。2.懸浮微粒和灰塵引起的散射。3.大氣及其組成氣體，特別是氧氣、臭氧、水蒸氣和二氧化碳的吸收。輸入100%臭氧20—40km高層塵埃15—25km大氣分子0—30km水蒸汽0—3km低層塵埃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%直達地表3%散射到太空決定總入射功率最重要的參數是光線通過大氣層的路程。太陽在頭頂正上方時，路程最短。實際路程和此最短路程之比稱為大氣光學質量（AM）。1.太陽在頭頂正上方時，大氣光學質量為1，這時的輻射稱為大氣光學質量1（AM1）的輻射。2.當太陽和頭頂正上方成一個角度θ時，大氣光學質量為：

AM=1/cosθ例：當θ=60°時，AM=1/cos60=2EarthAM0AM1AM1.5大氣層45o在無法知道θ值的情況下，如何估算大氣光學質量AM？hSh：物體的高度s：豎直物體投影的陰影長度1.6直接輻射和漫射輻射到達地面的太陽光，除了直接由太陽輻射來的分量之外，還包括大氣層散射引起的相當可觀的間接輻射或漫射輻射分量。1.直接輻射太陽高度角增大，直接輻射增強。大氣透明系數增加，直接輻射增強。海拔高度升高，直接輻射增強。緯度高，直接輻射增強。2.散射輻射

太陽輻射在大氣中遇到空氣分子或微小的質點時，當這些質點的直徑小于組成太陽輻射的電磁波長時，太陽輻射中的一部分能量就以電磁波的形式從該質點向四面八方傳播出去。通過散射形式傳播的能量稱為散射輻射。散射只改變輻射的傳播方向，不吸收太陽輻射。波長越短，散射越強。可見光中，紫光和藍光波長最短，散射最強。大氣層當日照特別少的天氣，大部分輻射是漫射輻射。漫射陽光的光譜成分通常不同于直射陽光的光譜成分。一般而言，漫射陽光中含有豐富的較短波長的光或“藍”波長的光，這使太陽能電池系統接收到光的光譜成分產生了變化。聚光式光伏系統只能在一定角度內接收太陽光。為了利用太陽光的直接輻射分量，系統必須隨時跟蹤太陽。二半導體的特性1引言自然界物質存在的狀態分為液態、氣態、固態。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。具有確定熔點的固態物質稱為晶體，如硅、砷化鎵、冰及一般金屬等；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非晶體，如玻璃、松香等。晶體又分為單晶體和多晶體。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、同樣晶體結構的小晶體（即晶粒）組成的晶體，稱為多晶體。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。單晶硅：原子在整個晶體中排列有序多晶硅：原子在微米數量級排列有序非晶硅：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）；原子在原子尺度上排列有序單晶、多晶和非晶體原子排列金剛石結構（與硅、鍺等半導體類似）金剛石109o28′共價鍵2禁帶寬度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，所以一個殼層相當于一個能量等級，稱為能級。+14E5E4E3(4)E2(8)E1(2)一個能級也表示電子的一種運動狀態，所以能態、狀態與能級的含義相同。圖為硅原子的電子能級圖。+14能級能級能級能帶能帶能帶禁帶禁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，原子之間距離很近，相鄰原子的電子軌道相互重疊、互相影響。與軌道相對應的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。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，然后逐步填充能量較高的能級，并且每條能級只允許填充兩個具有同樣能量的電子。能級能帶電子電子在價帶上的分布

內層電子能級所對應的能帶，都是被電子填滿的。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，主要取決于晶體種類。硅、鍺等半導體晶體的價電子能帶全部被電子填滿。3允許能態的占有幾率低溫下（0K），晶體的某一能級以下的所有可能能態都被兩個電子占據，該能級稱為費米能級（EF）。10ET>0T=00.5EF接近于0K時，能量低于EF，f(E)基本上是1，能量高于EF，f(E)為零。允許能態被電子占據的方式EFEFEF(a)在金屬中(b)在絕緣體中(c)在半導體中4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。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。5電子和空穴的動力學對于晶體導帶內的電子，牛頓定律變為：導帶中能量接近最小能值的電子：價帶中能量接近最大值的空穴：OECEV能量OECEV能量能量動量能量動量直接帶隙情況間接帶隙情況6電子和空穴的密度1、單位體積晶體中，在導帶內的電子數2、單位體積晶體中，在價帶內的空穴數表示導帶底Ec處的能態為電子占據的幾率表示價帶頂Ev處的能態為空穴占據的幾率本征型導帶中只有很少的電子，價帶中電子很多，只有很少空穴，費米分布函數對于能級EF是對稱的。導帶和價帶中的電子能態數相同，導帶中的電子數和價帶中的空穴數也相同，即EF必定位于禁帶中線0.51EFEcEFEvN型0.51EFEcEFEv導帶電子濃度比本征情況要大得多，而導帶中能態的密度與本征情況是一樣的，因此N型半導體的費米能級連同整個費米分布函數將一起在能帶圖上向上移動。P型0.51EFEcEFEvP型半導體的費米能級連同整個費米分布函數將一起在能帶圖上向下移動。注：溫度升高時，費米能級向本征費米能級靠近，電子和空穴濃度不斷增加，不論是P還是N，在溫度很高時都會變成本征硅。7Ⅳ族半導體的鍵模型在硅晶體中，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，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅的晶體結構：硅晶體中的正常鍵共價鍵電子被激發，晶體中出現空穴+4+4+4+48Ⅲ族和Ⅴ族摻雜劑五價原子砷摻入四價硅中，多余的價電子環繞離子運動價帶導帶施主能級空穴三價原子硼摻入四價鍺晶體中，空穴環繞

離子運動價帶導帶受主能級9載流子濃度（單位體積的載流子數目）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。（2）、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的擴散運動。空穴將從濃度高的向濃度低的方向擴散，形成擴散電流IP，濃度差越大，擴散電流越大。小結：

①在電場作用下，任何載流子都要作漂移運動。一般少子數目少于多子數目，因此漂移電流主要是多子貢獻。②擴散運動中，只有注入的少子存在很大的濃度梯度，因此擴散電流主要是少子貢獻。三、產生、復合及器件物理學的基本方程在半導體中，載流子包括導帶中的電子和價帶中的空穴。由于晶格的熱運動，電子不斷從價帶被激發到導帶，形成一對電子和空穴，這就是載流子產生的過程。在不存在外電場時，由于電子和空穴在晶格中的運動是沒有規則的，所以在運動中電子和空穴常常碰在一起，即電子跳到空穴位置把空穴填補掉，這時，電子和空穴就隨之消失。這種半導體的電子和空穴在運動中相遇而造成的消失，并釋放出多余能量的現象，稱為載流子復合。在一定溫度下，半導體內不斷產生電子和空穴，電子和空穴不斷復合，如果沒有外表的光和電的影響，那么單位時間內產生和復合的電子與空穴即達到相對平衡，稱為平衡載流子。這種半導體的總載流子濃度保持不變的狀態，稱為熱平衡狀態。在外界因素的作用下，例如n型硅受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量跳入導帶（光生電子），在價帶中留下等量空穴（光激發），電子和空穴的產生率就大于復合率。這些多余平衡濃度的光生電子和空穴，稱為非平衡載流子或過剩載流子。由于外界條件的改變而使半導體產生非平衡載流子的過程，稱為載流子注入。載流子注入的方法有多種。用適當波長的光照射半導體使之產生非平衡載流子，叫光注入。用電學方法使半導體產生非平衡載流子，叫電注入。半導體中非平衡少數載流子從產生到復合的平均時間間隔稱為壽命。在n型半導體中出現非平衡的電子和空穴時，電子是非平衡多子，空穴是非平衡少子。P型半導體中，空穴是非平衡多子，電子是非平衡少子。在低注入條件下，非平衡多子和少子之間是少子處于主導地位，少子壽命就是非平衡少子產生、復合又消失的時間。載流子的復合導帶價帶EF1.直接復合導帶電子直接跳回價帶與空穴復合叫直接復合。2.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，這種深能級稱為復合中心。導帶價帶EF復合中心通常，在自由載流子密度較低時，復合過程主要是通過復合中心進行；在自由載流子密度較高時，復合過程則主要是直接復合。3.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面的一個非常薄的區域內的復合叫作表面復合。導帶價帶EF表面陷阱四、p-n結二極管導電能力最終決定于：

1.載流子的多少；2.載流子的性質；3.載流子的運動速度。一.本征半導體指“純凈”的半導體單晶體。在常溫下，它有微弱的導電能力，其中載流子是由本征熱激發產生的。激發使“電子——空穴對”增加，復合使“電子——空穴對”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“本征載流子濃度”ni。1PN靜電學ni=n0=p0式中，n0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T=300K時，Si的ni=1.5×1010/cm3,Ge的ni=2.4×1013/cm3溫度愈高，本征激發產生的載流子數目愈多，ni愈大，導電性能也就愈好。注意：

ni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，所以本征半導體的導電能力是很差的。2.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106倍！即在一定溫度下，雜質半導體中，多數載流子濃度與少數載流子濃度的乘積是一個常數.例1為了獲得N型硅單晶，摻入五價元素磷，磷的含量為0.0000003℅，試求：解：（1）由于硅原子密度為故施主雜質濃度（磷）(2)摻雜前后空穴濃度的變化。已知T=300K。(1)摻雜前后電子濃度的變化；N型半導體中電子濃度顯然，雜質電離產生的電子濃度就是雜質（磷）的濃度ND。于是而本征半導體硅的本征載流子濃度，在T=300K時為摻雜前后電子濃度的變化倍數為電子濃度的增加意味著雜質半導體導電能力遠大于本征半導體。摻雜后:故:表明，在N型半導體中熱激發產生的空穴濃度比本征載流子濃度還要低，本例中僅為本征載流子濃度的萬分之一。在該N型半導體中多數載流子與少數載流子的濃度比為如果在一塊半導體單晶中同時摻入三價元素與五價元素，其雜質濃度如圖7（b）所示，在x0處施主雜質濃度與受主雜質濃度相等，該中性邊界便是PN結所在位置。PN結最重要的特性是單向導電性。

PN結內建電場PN結邊界兩邊既然分布有數量相等的正負空間電荷，必定形成一個電場，稱為內建電場E。內建電場的出現，引起兩個后果：①阻止多數載流子的繼續擴散（故空間電荷區又稱為阻層）②引起少數載流子的漂移。流過PN結的電流PN結空間電荷區形成后，流過PN結的電流有兩種：①多數載流子形成的擴散電流。②少數載流子形成的漂移電流。這兩種電流方向相反，如圖（a）所示，流過PN結的凈電流（b)擴散運動與漂移運動達到平衡：1—多數載流子擴散運動的方向；2—少數載流子漂移運動的方向起初，內建電場較弱，隨著內建電場逐漸增強，I擴減小，而I漂增加，直至擴散運動與漂移運動達到動態平衡，如圖（b）所示。動態平衡情況下流過PN結的凈電流為零，即I=0

PN結邊界載流子分布動態平衡狀態下，PN結邊界兩邊載流子分布如圖所示。

PN結兩邊載流子濃度圖中符號說明：—N型半導體熱平衡狀態下的電子濃度。—P型半導體熱平衡狀態下的空穴濃度。—N型半導體熱平衡狀態下的空穴濃度。—P型半導體熱平衡狀態下的電子濃度。內建電位差內建電場E在PN結中產生的電位差稱為內建電位差VB。該電位差實際上就是兩種不同類型半導體材料之間的接觸電位差。如圖所示，內建電位差的存在對多數載流子而言，相當于是一個“勢壘”，阻止其擴散，故空間電荷區又稱為勢壘區。可以證明k是玻爾茲曼常數q是電子電荷，ln是以e為底的對數，是PN結兩邊空穴濃度的比。又可寫成由于故令稱為“熱電壓”。2結電容一

勢壘電容CB勢壘電容是由空間電荷區的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。VVOCB—+—+勢壘電容示意圖PN二

擴散電容CD

擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區擴散到P區的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區擴散到N區的空穴，在N區內也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖所示。OxnPpnPNR擴散電容示意圖當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當于電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。3太陽能電池的輸出參數

1.短路電流ISC，理想情況下為光生電流IL

2.開路電壓VOCIL暗特性ImpVmpVOCIscVIO輸出功率

3.填充因子FF是輸