太阳能扩散工艺基础原理

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太阳能电池工作原理
晶澳太阳能有限公司 生产部
太阳能电池结构
➢太阳能电池一般是由PN结、上表面栅状电极、背面金属电极构成，并且要求表 面和背面电极与硅片之间形成良好的欧姆接触。为了提高太阳电池的效率，在电池 的背面作了背场，在电池正面作了减反射膜。 ➢太阳电池的基本结构如图所示。
扩散工艺基础原理
技术部
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Part1：电池与PN结的工作原理 Part2：扩散工序简介 Part3：清洗及扩散原理 Part4：异常处理及调节
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Part1：电池与PN结的工作原理
太阳能电池的工作原理 太阳能电池等效电路 PN结的形成 PN结的特性及等效电路
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PN结的特性
PN结的正向导通性: ✓若外加电压使电流从P区流到N区，PN结 呈低阻性，所以电流大（如右图）：外加的 正向电压方向与PN结内电场方向相反，削 弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动 的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大 于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN 结呈现低阻性。 ✓若外加电压继续上升，则自建电场被减弱 和抵消，所以正向电流随着外加正向电压的 增加而逐渐上升。
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PN结的特性
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PN结的形成
半导体导电原理—杂质半导体
多余电子
施 主 能 级
空
键
空
穴
接
受
受
主
电
能
子
级
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导带 电离能
价带
N型半导体
导 带
电离能 价 带
P型半导体
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PN结的形成
半导体导电原理—杂质补偿
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➢补偿的定义：一块半导体中并非仅仅只存在一种类型的杂质，常
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PN结的形成
半导体导电原理—产生和复合
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➢由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程称为“产
生”。 ➢空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由
电子就可能回到价键的空位上来，而同时消失了一对电子和空穴，
这就是“复合”。 ➢热平衡：在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和复 合的载流子数相等，半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。 此时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续 的发生。
由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边的光 生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n 结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是 在p-n结两端形成了光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压V，使 势垒降低为qVD-qV，产生正向电流。
RLOAD
Cell
实际上，pn结太阳能电池存在着Rs和Rsh的影 响。其中， Rs是由材料体电阻、薄层电阻、电 极接触电阻及电极本身传导电流的电阻所构成 的总串联电阻。Rsh是在pn结形成的不完全的 部分所导致的漏电流，称为旁路电阻或漏电电 阻。这样构成的等效电路如右图所示。
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理想PN结太阳能电池可 以用一恒定电流源Iph（光 生电流）及一理想二极管 的并联来表示。其等效电 路如图所示。
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太阳能电池工作原理
太阳能电池基本原理
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➢如图所示,当处于开路的情况下,当光生电流和正向电流相等的时候,则由于电子和空穴分别 流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间,P-N结两端 将建立起稳定的电势差Voc(P区为正,N区为负)。
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太阳能电池工作原理
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➢光生伏特效应 当用适当波长的光照射非均匀半导体(p-n结等)时，由于内建电场的作
用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结 短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建电场引起的光电效应， 称为光生伏特效应。
➢光生电压、电流的产生
➢如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短 路电流,只要光生电流不停止,就会有源源不断的电流通过电路,P-N结起到了一个电源的作用. 这就是太阳能电池的工作原理。
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太阳能电池等效电路
电池片等效电路图
Cell
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理想等效电路图
R
S
ISC
RSH
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太阳能电池工作原理
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产生光生电动势（或光生积累电荷），应该满足以下两 个条件：
✓半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数α，即 要求入射光子的能量hν大于或等于半导体材料的带隙Eg，使该 入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。 ✓具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的 重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在p区内 积累了非平衡空穴，而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个 与平衡pn结内建电场相反的光生电场，于是在p区和n区间建立 了光生电动势（或称光生电压）。
常同时含有施主和受主杂质，此时，施主杂质所提供的电子会通过 “复合”而与受主杂质所提供的电子相抵消，使总的载流子数目减少， 这种现象就成为“补偿”。
➢在太阳能PN结产生过程中，实际上就是依据补偿作用，通过掺杂而 获得我们所需要的导电类型来组成所要生产的器件。
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PN结的形成
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PN结的形成
➢当P型半导体和N型半导体接触后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子 和空穴的浓度差。这样P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。 ➢由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生 正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正、负离子层为PN结。 ➢在PN结的P区一侧带负电，N区一侧带正电。PN结便产生了内电场，内电场 的方向是从N区指向P区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩 散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至达到平衡，在界面处形成稳定的空 间电荷区。如下图：