太阳电池基础

杂质半导体
P型半导体


形成：本征半导体中掺入三价杂质原子 ，如硼（B）等。 载流子：空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。
简化图 （a）结构示意图 图1-5 P型半导体的结构
杂质半导体

几个基本概念： 本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴 多数载流子、少数载流子 N型半导体、P型半导体

无论是N型还是P型半导体都是电中性，对 外不显电性。
P-N结
PN结的形成
耗尽层 空间电荷区
P
N
在交界面，由于扩散运动， 经过复合,出现空间电荷区。
P-N结
稳定后，n区相对p区有电 势差U0 (n比p高)。p-n 结 也称势垒区。
它阻止 P 区带正电的空穴 进一步向N区扩散； 也阻止 N 区带负电的电子 进一步向P区扩散。
P-N结
电势曲线
U0
电子能级
由于Ｎ区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散， 在 p 型半导体和 n 型半导体的交界面附近产生了一个由 np的电场，称为内建场。
P-N结
内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作 E阻。
内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达 到了新的平衡。
P-N结
PN结的形成
P
N
在交界面，由于两种载流子 的浓度差，出现扩散运动。
太阳电池分类


晶体硅太阳电池 （包括单晶硅和多晶硅太阳电池） 非晶硅太阳电池 薄膜太阳电池 化合物太阳电池 有机半导体太阳电池
第二节
§2. 半导体材料与理论
半导体定义
固体按导电性能的高低可以分为：
导体
半导体 绝缘体
它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。
半导体种类
按照成分可分为： 有机半导体 无机半导体（元素半导体、化合物半导体） 按照晶体结构可分为： 非晶体半导体 晶体半导体（单晶、多晶） 按照特性、功能可分为： 微电子材料、光电子材料、传感材料…….
简单立方晶格
面心立方晶格 Au、Ag、Cu、Al…
体心立方晶格 Li、Na、K、Fe…
六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd…
多晶结构
晶界
单晶结构
硅原子结构
硅，一种四价的非金属元素，在自然界分布极广，地壳中
约含27.6%，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。 元素符号Si，来自百度文库对原子量为28.08653，在元素周期表中的 lVA族（第四主族），第三周期。
2050年世界太阳能发电利用将占世界能源总能 耗30%~50%份额。
2100年以煤、石油、天然气为代表的化石能源 基本枯竭，人类主要利用太阳能、氢能、风能、 生物质能等洁净可再生能源。人类将充分利用太 阳能发电。
中国太阳能发电发展史
1958年我国开始研制太阳能电池。 1959年中国科学院半导体研究所研制成功第一片具有 实用价值的太阳能电池。 1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星——科学实验 卫星实践一号上首次应用由天津电源研究所研制的太阳 能电池。 1979 年我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单晶 硅太阳能电池。
eU 0
电子电势能曲线
P-N结
PN结的形成
PN结
当扩散电流等于漂移电流时， 达到动态平衡，形成PN结。
P-N结
文字总结：PN结的形成
在 P 型半导体和 N 型半导体结合后，由于 N 型区内电 子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它 们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。这样，电 子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。于 是，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴 要从 P 型区向 N 型区扩散。它们扩散的结果就使 P 区一边 失去空穴，留下了带负电的杂质离子 ,N 区一边失去电子， 留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子不能任意移 动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N 区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所 谓的PN结。
PN结
PN结的形成过程 P 区 内电场 载 流 子 浓 度 差 多 子 扩 散 复 合 产 生 空 间 电 荷 区 内电场 阻碍多子扩散 帮助少子漂移 扩 散 漂 移 动 态 平 衡 N 区
P N 结 稳 定
P-N结的单向导电性
由于p-n结处阻挡层的存在，把电压加到p-n结两端 时，阻挡层处的电势差将发生变化。 E

本征半导体缺点 1、电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！ 不适宜制造半导体器件，通常要掺 入一些杂质来提高导电能力。
杂质半导体
杂质半导体(Impurity Semiconductor)：在纯净的半导体 中适当掺入杂质
可提高半导体的导电能力
能改变半导体的导电机制 按导电机制，杂质半导体可分为n型(电子导电)和p型(空 穴导电)两种。
贝尔 (Bell) 实验室研究人员 D.M.Chapin,C.S.Fuller 和 G.L.Pearson报道 4.5%效率的单晶硅太阳能电池的发现， 几个月后效率达到6%。
太阳电池发展史
2000年世界太阳能电池年产量超过399MW；X. Wu， R. G. Dhere， D. S. Aibin等报道碲化镉（CdTe）太阳能 电池效率达到16.4%；单晶硅太阳能电池售价约为 3USD/W。
P-N结
文字总结：PN结的形成
扩散越强，空间电荷区越宽。在空间电荷区，
由于缺少多子，所以也称耗尽层。在出现了空间
电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在
空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带 正电的 N 区指向带负电的 P 区。显然，这个电场 的方向与载流子扩散运动的方向相反它是阻止扩 散的。
1904年Hallwachs发现铜与氧化亚铜（Cu/Cu2O）结合 在一起具有光敏特性；德国物理学家爱因斯坦（ Albert Einstein）发表关于光电效应的论文。
1918年波兰科学家 Czochralski 发展生长单晶硅的提拉 法工艺。
1921 年德国物理学家爱因斯坦由于 1904 年提出的解释 光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖。
Introduction to Solar Photovoltaic Technology
培训教师：冯少纯
第一节
§1. 太阳电池发展史
太阳能



太阳是距离地球最近的恒星，直径约 1390000km,体积和质量是地球的130万倍和33 万倍。表面温度约为5800K，主要由氢和氦组 成。其中氢占80%，氦占19%。 太阳内部处于高温高压状态，不停进行着热 核反应，由氢聚变成氦，并将质量转化为能 量。 青藏高原是我国太阳能资源最好的地区，而 四川盆地云雨天气多，太阳能资源相对较差。
2002年世界太阳能电池年产量超过540MW；多晶硅太
阳能电池售价约为2.2USD/W。
预计未来世界太阳 能发电产业的发展
2020年太阳能发电成本与化石能源成本相接近， 德国可再生能源占20%。 2030 年太阳能发电达到 10%~20% ；德国将关 闭所有的核电站。
预计未来世界太阳 能发电产业的发展
太阳电池发展史
太阳电池后来的发展主要是薄膜电池的研发，
如非晶硅太阳电池、CIS太阳电池、CdTe太阳电
池和纳米燃料敏化太阳电池等，此外主要的是生
产技术的进步，如丝网印刷、多晶硅太阳电池生
产工艺的成功开发，特别是氮化硅薄膜的减反射
和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。
太阳电池发展史
回顾历史有利于了解光伏技术的发展历程， 按时间的发展顺序，将于太阳电池发展有关的历 史事件汇总如下：
(1) 正向偏压
多子的浓度决定于掺杂原子的浓度 少子的浓度决定于温度
P-N结
1、P-N结的形成
在半导体内，由于掺杂的不同，使部分区域是 n 型， 另一部分区域是p型，它们交界处的结构称为p-n结(P-N junction)。
在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质， 由于杂质的补偿作用, 该区就成为p型半导体。
+14 Si
2 8 4
+4
硅原子结构
简化模型
本征半导体


每个原子的价电子分 别与相邻的四个原子 的价电子组成共价键， 在空间形成排列有序 的单晶体结构 纯净的单晶半导体称 为本征半导体。
本征半导体
本征半导体中
价电子（热激发）
自由电子-空穴对
复合 平衡
本征半导体
带负电的自由电子 (1) 在半导体中有两种载流子 带正电的空穴
中国太阳能发电发展史
我国大陆包括正在建设的太阳电池或太阳能电池组件 产量可达10MW以上的厂家有很多，如：无锡尚德，保 定天威英利，宁波太阳能，南京中电光伏，上海太阳能 科技，云南天达和常州天合等。我国已成为世界重要的 光伏工业基地之一，初步形成一个以光伏工业为源头的 高科技光伏产业链。 随着我国“可再生能源法”的实施，我国太阳能光伏 发电将得到快速发展。预计在3～5年内我国在太阳能光 伏电池研发、生产、应用产品开发将形成一个世界级的 产业基地，并将在国际太阳能光伏工业产业中占据重要 的地位。
简化图
杂质半导体
(2) P型半导体
四价的本征半导体 Si、Ge等，掺入少量三价的杂质元 素(如B、Ga、In等)形成空穴型半导体，也称p型半导体。
Si Si Si Si Si Si + Si
B
图中在硅晶体中掺入少 量的硼，晶体点阵中的某些 半导体原子被杂质取代，硼 原子的最外层有三个价电子， 与相临的半导体原子形成共 价键时产生一个空穴。这个 空穴可能吸引束缚电子来填 补，使得硼原子成为不能移 动的带负电的离子。
杂质半导体
n型半导体 Si Si Si Si
Si Si
Si
P
图中掺入的五价 P 原子在晶体中替代Si的 位置，构成与Si相同的 四电子结构，多出的 一个电子在杂质离子 的电场范围内运动。
杂质半导体
硅原子
Si Si
多余电子
磷原子
P
Si
N型半导体

杂质半导体

形成：本征半导体中掺入五价杂质原子 ，如磷（P）。 载流子：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

半导体种类
元素半导体共有12种，包括 硅、锗、硼、碳、灰锡、磷、灰砷、灰锑、 硫、硒、碲、碘。
其中只有硅、锗和硒在实际生产中得到 应用。
晶体概念
晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光…)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成空间点阵(晶格)。
1839 年法国实验物理学家 E.Becquerel 发现液体的光 生伏特效应，简称为光伏效应。 1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏 效应，并制作第一片硒太阳能电池。 1883年美国发明家Charles Fritts描述了第一块硒太阳 能电池的原理。
太阳电池发展史
这就是半导体和金属导电原理的 本质区别 (2) 本征半导体的特点 a. 电阻率大 b. 导电性能随温度变化大 本征半导体不能在半导体器件中直接使用
+ + + + + + + +
-
在外电场作用下，电子的定向移动形成电流
+ + + + + + + +
在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流
-
本征半导体
太阳能
当太阳光照射到地球时，一部分光线 被反射或散射，一部分光线被吸收， 只有约70%的光线能到达地球表面。 到达地球表面的太阳光一部分被表面 物体所吸收，另外一部分又被反射回 大气层。

太阳电池发展史
太阳能光伏发电最核心的器件——太阳电池。
从1839年法国科学家E. Becquerel发现液体的 光生伏特效应（简称光伏现象）算起，太阳能电 池已经经过了160多年的漫长的发展历史。从总的 发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推 进的作用。对太阳电池的实际应用起到决定性作 用的是美国贝尔实验室关于单晶硅太阳电池的研 制成功，在太阳电池发展史上起到里程碑的作用。 至今为止，太阳能电池的基本结构和机理没有发 生改变。
P-N结
文字总结：PN结的形成
另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向 P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运 动的方向正好与扩散运动的方向相反。从 N 区漂移到 P 区的空穴补充了原来交界面上 P 区所失去的空穴，从 P 区漂移到 N区的电子补充了原来交界面上 N区所失去的 电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是 使空间电荷区变窄。当漂移运动达到和扩散运动相等时， PN 结便处于动态平衡状态。内电场促使少子漂移，阻 止多子扩散。最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态 平衡。