染料敏化太阳能PPT
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染料敏化太阳能电池研究ppt
•
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
所以说本实验用电导率仪测凝胶电解 质电导率有一个很明显的规律.电导率随 着NMP与GBL体积比1:9 2:8 3:7 4:6 5:5是先增大后减小.4:6时是NMP与GBL 体积最佳比,电导率达到5.73之高.再往后 就开始减小.
• 总结 • 经过短短十几年时间,染料敏化太阳电池研究在染 料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在 高效率、稳定性、耐久性、等方面还有很大的发展空 间。但真正使之走向产业化,服务于人类,还需要全 世界各国科研工作者的共同努力。 • 这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途:如 可用塑料或金属薄板使之轻量化,薄膜化;可使用各种 色彩鲜艳的染料使之多彩化;另外,还可设计成各种形 状的太阳能电池使之多样化。总之染料敏化纳米晶太 阳能电池有着十分广阔的产业化前景,是具有相当广 泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来,染 料敏化太阳电池将会走进我们的生活。
• ⑴ 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁 至激发态; • ⑵ 处于激发态的染料分子将电子注入到 半导体的导带中; • ⑶ 电子扩散至导电基底,后流入外电路 中; • ⑷ 处于氧化态的染料被还原态的电解质 还原再生; • ⑸ 氧化态的电解质在对电极接受电子后 被还原,从而完成一个循环; • ⑹ 和 ⑺ 分别为注入到TiO2 导带中的电 子和氧化态染料间的复合及导带上的电 子和氧化态的电解质间的复合
• 染料敏化太阳能电池结构与工作原理 • 主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原 电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔 半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO2、SnO2、ZnO 等),聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。 对电极作为还原催化剂,通常在带有透明导电膜的玻 璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面 上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质, 最常用的是I3/I-。
004《新能源材料》02染料敏化太阳能电池002
染料的脱附:把吸附了的染料的薄膜电极在一定体积 (10 ml)的0.05 mol/L 的氢氧化钠水溶液中浸泡120 分钟,待染料完全脱附后,用紫外-可见分光光度计 (UV-120-02)室温下测定染料脱附液在520nm的吸光
DSSC
SOLAR TECH
溶胶凝胶法制备二氧化钛胶体
溶胶凝胶制备得到的二氧化钛TEM图末配制法制备二氧化钛胶体
去离子水和P25粉末按质量比89:11混合。 混合物超声分散15 min,加入质量约为P25粉末9%的乙 酰丙酮以防止TiO2颗粒重新结块,并加入质量约为P25 粉末4.5%的表面活性剂Triton X-100。 加入质量约为P25粉末30%的聚乙二醇(PEG,分子量 为20,000),以增加TiO2膜的孔隙率。
DSSC
SOLAR TECH
004《新能源材料》02染料敏化太阳能电池002
DSSC
SOLAR TECH
溶胶凝胶法制备二氧化钛胶体
(1) 水解过程:
pH=2的300ml醋酸水溶液保持在温度为0℃左右的 冰浴中。在剧烈搅拌条件下,将36 mL异丙氧醇钛与36 mL异丙醇的混合溶液逐滴加入醋酸水溶液中,异丙氧
UV Visible Infrared
48%
DSSC
SOLAR TECH
太阳光辐照强度
AM 1.5太阳光谱 氙灯光谱 DSSC中N3染料 的单色光响应谱
DSSC
SOLAR TECH
IPCE--N719 dye to 16 + 4 µm TiO2 film
IPCE = 83% AM1.5 (1000 W/mcm2) current = 16.9 mA/cm2
DSSC
SOLAR TECH
溶胶凝胶法制备二氧化钛胶体
染料敏化太阳能电池
CREATE TOGETHER
DOCS
DOCS SMART CREATE
染料敏化太阳能电池技术及应用
01
染料敏化太阳能电池基本原理及结构
染料敏化太阳能电池的工作原理概述
光吸收过程
• 染料分子吸收太阳光 • 激发态染料分子与半导体纳米颗粒 相互作用
光生电子空穴对生成
• 激发态染料分子衰变产生电子空穴 对 • 电子空穴对在半导体纳米颗粒中分 离
对电极层
• 作为电池的正负极 • 收集和传输光生电子 • 与电解质接触实现离子 传输
电解质层
• 填充在染料敏化半导体 层与对电极层之间 • 提供离子传输通道 • 维持电池内部的电化学 平衡
染料敏化太阳能电池的关键材料介绍
染料分子
• 光敏性染料 • 宽光谱吸收 • 高光吸收系数
电解质材料
• 固态电解质 • 液态电解质 • 离子液体电解质
半导体纳米颗粒
• 纳米尺寸效应 • 高表面积 • 快速电子传输
对电极材料
• 贵金属对电极 • 复合对电极 • 导电聚合物对电极
02
染料敏化太阳能电池的性能特点及优势
染料敏化太阳能电池的光电转换效率及性能优势
光电转换效率
• 高于传统硅太阳能电池 • 目前实验室最高光电转换效率达25%
性能优势
• 宽光谱吸收 • 低成本原材料 • 柔性及可透明性 • 良好的环境稳定性
技术进步
• 提高光电转换效率 • 改善稳定性 • 降低成本
创新方向
• 新型染料分子研究 • 新型半导体纳米颗粒研究 • 新型电解质材料研究
染料敏化太阳能电池的市场前景及增长潜力
市场前景
• 全球能源转型 • 太阳能市场需求增长 • 染料敏化太阳能电池市场份额扩大
DOCS
DOCS SMART CREATE
染料敏化太阳能电池技术及应用
01
染料敏化太阳能电池基本原理及结构
染料敏化太阳能电池的工作原理概述
光吸收过程
• 染料分子吸收太阳光 • 激发态染料分子与半导体纳米颗粒 相互作用
光生电子空穴对生成
• 激发态染料分子衰变产生电子空穴 对 • 电子空穴对在半导体纳米颗粒中分 离
对电极层
• 作为电池的正负极 • 收集和传输光生电子 • 与电解质接触实现离子 传输
电解质层
• 填充在染料敏化半导体 层与对电极层之间 • 提供离子传输通道 • 维持电池内部的电化学 平衡
染料敏化太阳能电池的关键材料介绍
染料分子
• 光敏性染料 • 宽光谱吸收 • 高光吸收系数
电解质材料
• 固态电解质 • 液态电解质 • 离子液体电解质
半导体纳米颗粒
• 纳米尺寸效应 • 高表面积 • 快速电子传输
对电极材料
• 贵金属对电极 • 复合对电极 • 导电聚合物对电极
02
染料敏化太阳能电池的性能特点及优势
染料敏化太阳能电池的光电转换效率及性能优势
光电转换效率
• 高于传统硅太阳能电池 • 目前实验室最高光电转换效率达25%
性能优势
• 宽光谱吸收 • 低成本原材料 • 柔性及可透明性 • 良好的环境稳定性
技术进步
• 提高光电转换效率 • 改善稳定性 • 降低成本
创新方向
• 新型染料分子研究 • 新型半导体纳米颗粒研究 • 新型电解质材料研究
染料敏化太阳能电池的市场前景及增长潜力
市场前景
• 全球能源转型 • 太阳能市场需求增长 • 染料敏化太阳能电池市场份额扩大
染料敏化太阳能电池地结构与工作原理
染料敏化太阳能电池的结构与工作原理
染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt对电极组成,
苴
丿、
结构如图1-1。
透明疲咼
透明辱电膜
- 透明际
图1-1染料敏化太阳能电池结构图
当有入射光时,染料敏化剂首先被激发,处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。
氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原,中继分子扩散至对电极充电。这样,开路时两极
产生光
电势,经负载闭路则在外电路产生相应的光电流(图1-2)。
染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt对电极组成,
苴
丿、
结构如图1-1。
透明疲咼
透明辱电膜
- 透明际
图1-1染料敏化太阳能电池结构图
当有入射光时,染料敏化剂首先被激发,处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。
氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原,中继分子扩散至对电极充电。这样,开路时两极
产生光
电势,经负载闭路则在外电路产生相应的光电流(图1-2)。
染料敏化_PPT精选文档
具有明显的区域性
中华人民共和国 国家发展和改革委员会
2
《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》
太阳能的利用
✓ 资源丰富: 40分钟照射地球辐射的能量=全球人类
一年的能量需求
✓ 洁净能源: 与 石 油、煤炭等矿物燃料不同,不会
导致“温室效应”,也不会造成环境污染
✓ 使用方便: 同水能、风能等新能源相比,不受地域
25
纳米TiO2 薄膜极材料
制备方法: 溶胶凝胶法; 水热反应法; 溅射法; 醇盐水解法; 溅射沉积法; 等离子喷涂法; 丝网印刷法等
微观结构
Scanning electron micrograph of the surface of a mesoporous anatase film prepared from a
N
N
N
N
R
R
R
R
Ref: (1)A.Kay, M.Gratzel, et al.,J.Phys.Chem.1993,97,6272
20
(2) M.M. Ressler and R.K. Panday, Chemtech,1998,3.39
纯有机染料系列(一)
---半菁染料衍生物
S CH C H
N
C18H37
固态空穴传输材料
Grätzel 等人在1998 年用2 ,2’,7 ,7’-四(N ,N-二对甲氧基 苯基氨基)- 9 ,9’-螺环二芴(OMeTAD ,如下图所示) 作为空穴传 输材料,得到了单色效率高达33 %的电池。
Bach U ,Lupo D ,Comte P , et al . Nat ure ,1998 ,395 :583
window layer, scale up production
染料敏化纳米太阳能电池学习资料PPT
电池 封装
测试过程 中保持电 池的稳定
性
1)单色光转化效率 单色光光电转换效率定义( IPCE )为入射单色光子 -电子转化效率,即为外电路中产生的电子数(Ne) 与总的入射单色光子数(Np)之比。其数学表达式 为:
IPCE=Ne/Np= (1.241×10-6×Isc)/PInλ )
其中 Isc为电池短路电流,λ 为入射单色光的波长, Pin为入射单色光的功率。
染料敏化太阳能电池的测试方法
a)可变电阻法:在RL的位置加一可变电阻,然后对该电阻的 电压及流经电流进行记录,可得到电池 I-V 曲线,
缺点:由于外部导线电阻和电流表本身串联电阻的存在,电
路不能完全短路;同样由于电压表本身内阻的因素,电路也不 能完全断路,表现在 I-V 曲线上就是曲线两端只能接近坐标轴, 而无法与坐标轴相交。
染料敏化太阳能电池等效电路图
染料敏化太阳能电池的等效电路如上图,可以看出光电 流的产生在恒定的光强下可以个恒电流源,与之并联的 有一个处于正向偏压下的二极管和一个并联电阻 Rsh, 剩余的电流流经串联电阻 Rs,进入外电路。两个电阻分 别表示在太阳能电池中两种类型的损耗,串联电阻 Rs表 示由于界面接触及外电路产生的电阻,并联电阻 Rsh用 来表示暗电流的作用。
TEM :用来观察 TiO2纳米晶显微形貌结构 XRD:分析样品的结晶类型 DSC-TGA:分析试样相转变、有机物挥发
和反应等
BET:比表面积和孔径分布。 UV-Vis:紫外可见吸收光谱
将适当的染料吸附到宽带隙的半导体表面上,借助于染料
对可见光的强吸收,可以将半导体的光谱响应拓宽到可见
区,这种现象称为半导体的染料敏化作用,而载有染料的 半导体为染料敏化半导体电极。
染料敏化太阳能电池材料课件
化学键合法
利用化学反应将染料分子与氧化钛膜表面形成化学键合,从 而提高染料的负载量和稳定性。该方法需要选择合适的反应 条件和化学键合剂。
电池组装与封装工艺
对电极的制备
常采用铂、碳等材料作为对电极, 通过溅射、蒸镀等方法制备。
电解质的填充
将含有氧化还原对的电解质填充 到光阳极和对电极之间,形成完 整的电池结构。电解质的选择和 填充工艺对电池性能具有重要影
氧化钛纳米多孔膜的制备
采用溶胶-凝胶法、电化学沉积法等方法制备氧化钛纳米多孔膜, 该膜具有高光催化活性和大比表面积,能够增加染料吸附量。
膜的表面处理与改性
通过热处理、表面修饰等方法对氧化钛膜进行表面处理与改性,进 一步提高膜的光电性能。
染料敏化剂的负载方法
物理吸附法
将染料溶液与氧化钛膜接触,通过物理吸附作用将染料分子 吸附在膜表面。该方法简单易行,但染料负载量较低。
和稳定性。
未来发展方向与挑战
高性能染料和电解质的设 计与合成
开发具有更高吸收系数、更宽 吸收光谱的染料,以及具有高 离子电导率、优异稳定性的电 解质。
柔性染料敏化太阳能电池 的研制
采用柔性基底材料,开发可弯 曲、轻便的染料敏化太阳能电 池,拓展应用领域。
大面积电池制备技术的研 发
研究适用于大面积电池制备的 喷涂、卷对卷等工艺技术,降 低生产成本,推动染料敏化太 阳能电池的商业化应用。
染料敏化太阳能电池的应用领域
便携式电子产品
染料敏化太阳能电池可为手机、
平板电脑等便携式电子产品提供
可持续的电力供应。
01
交通工具
染料敏化太阳能电池可用于电动
车、无人机等交通工具的动力来
03
源,提高续航能力及环保性能。
染敏太阳能电池背景PPT课件
,降低生产成本。
05
染敏太阳能电池的实验研究与案例分
析
实验研究方法与过程
实验目的
验证染敏太阳能电池的光电 性能,探究其能量转换效率 的影响因素。
实验材料
实验设备
染料、光敏材料、电解质等。
太阳能模拟器、电化学工作 站、光谱仪等。
实验步骤
制备染敏太阳能电池样品→ 测试样品基本性能→在太阳 能模拟器下进行光电性能测 试→记录实验数据并进行分 析。
便携式设备
由于其轻便、可折叠的特 点,染敏太阳能电池可以 用于便携式设备,如手机、 平板电脑等。
汽车
染敏太阳能电池可以用于 汽车天窗,为车内电器提 供电力。
03
染敏太阳能电池发展历程
早期研究与发展
19世纪初
染敏太阳能电池的初步设想诞生。
1950年代
第一代染敏太阳能电池问世,主要 利用染料吸收太阳光并转换为电能。
染敏太阳能电池背景ppt 课件
• 引言 • 染敏太阳能电池概述 • 染敏太阳能电池发展历程 • 染敏太阳能电池的优势与挑战 • 染敏太阳能电池的实验研究与案例分
析 • 结论与展望
01
引言
主题简介
01
染敏太阳能电池是一种新型太阳 能电池,其工作原理基于染料吸 收太阳光并产生电荷。
02
它具有制造成本低、可弯曲、易 于安装等优点,因此在光伏产业 中具有广阔的应用前景。
目的和意义
随着全球能源需求的不断增长,太阳能作为一种可再生能源越来越受到重视。
染敏太阳能电池作为一种新型太阳能电池,具有较高的光电转换效率和较低的成本, 对于推动光伏产业的发展和实现可持续发展具有重要意义。
本ppt课件旨在介绍染敏太阳能电池的基本原理、研究进展和应用前景,为相关领域 的研究和开发提供参考和借鉴。
05
染敏太阳能电池的实验研究与案例分
析
实验研究方法与过程
实验目的
验证染敏太阳能电池的光电 性能,探究其能量转换效率 的影响因素。
实验材料
实验设备
染料、光敏材料、电解质等。
太阳能模拟器、电化学工作 站、光谱仪等。
实验步骤
制备染敏太阳能电池样品→ 测试样品基本性能→在太阳 能模拟器下进行光电性能测 试→记录实验数据并进行分 析。
便携式设备
由于其轻便、可折叠的特 点,染敏太阳能电池可以 用于便携式设备,如手机、 平板电脑等。
汽车
染敏太阳能电池可以用于 汽车天窗,为车内电器提 供电力。
03
染敏太阳能电池发展历程
早期研究与发展
19世纪初
染敏太阳能电池的初步设想诞生。
1950年代
第一代染敏太阳能电池问世,主要 利用染料吸收太阳光并转换为电能。
染敏太阳能电池背景ppt 课件
• 引言 • 染敏太阳能电池概述 • 染敏太阳能电池发展历程 • 染敏太阳能电池的优势与挑战 • 染敏太阳能电池的实验研究与案例分
析 • 结论与展望
01
引言
主题简介
01
染敏太阳能电池是一种新型太阳 能电池,其工作原理基于染料吸 收太阳光并产生电荷。
02
它具有制造成本低、可弯曲、易 于安装等优点,因此在光伏产业 中具有广阔的应用前景。
目的和意义
随着全球能源需求的不断增长,太阳能作为一种可再生能源越来越受到重视。
染敏太阳能电池作为一种新型太阳能电池,具有较高的光电转换效率和较低的成本, 对于推动光伏产业的发展和实现可持续发展具有重要意义。
本ppt课件旨在介绍染敏太阳能电池的基本原理、研究进展和应用前景,为相关领域 的研究和开发提供参考和借鉴。
染料敏化太阳能电池材料ppt课件
整理版课件
5
PA基本RT TW概念O
整理版课件
基本概念
染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理,研制出来的一种新 型太阳电池。染料敏化太阳能电池是以低成本的纳米二氧化钛和光 敏染料为主要原料,模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用, 将太阳能转化为电能。
其主要优势是:1.原材料丰富、成本低 2.工艺技术相对简单,适合工业化生产 3.环保无毒、无污染
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16理论研究散射材料在光阳极中的应用高效率的太阳能电池高效率的太阳能电池一方面要保证光生电子的高效收集即前面所述通过一维光阳极材料将电子快速传输到导电基底另一方面就是要提高太阳能电池的光捕获能力散射材料在光阳极中的应用一镜面型散射材料17理论研究散射材料在光阳极中的应用二空心型散射材料二空心型散射材料18理论研究散射材料在光阳极中的应用三多功能的复合型散射材料三多功能的复合型散射材料19对电极材料理论研究染料敏化太阳能电池对电极材料研究进展对电极在染料敏化太阳能电池中主要担负电解质中离子的还原使电解质中的氧化还原电对对电极在染料敏化太阳能电池中主要担负电解质中离子的还原使电解质中的氧化还原电对处于平衡状态
整理版课件
17
理论研究
散射材料在光阳极中的应用
(二)空心型散射材料
整理版课件
18
理论研究
散射材料在光阳极中的应用
(三)多功能的复合型散射材料
整理版课件
19
PA对电R极 T FO材U料 R
整理版课件
超简单染料敏化太阳能电池制作方法课件ppt
地追呀追,饿了,摘个野果充饥;渴了,捧口河水解渴;累了,
也仅仅打盹。他心里一直在鼓励自己:“快了,就要追上太阳
了,人们的生活就会幸福了。”他追了九天九夜,离太阳越来
3越近,红彤彤、热辣辣的太阳就在他自己的头上啦。
2021/3/10
夸父又跨过了一座座高山,穿过了一条条大河,终于在禺 谷就要追上太阳了。这时,夸父心里兴奋极了。可就在他 伸手要捉住太阳的时候,由于过度激动,身心憔悴,突然, 夸父感到头昏眼花,竟晕过去了。他醒来时,太阳早已不 见了。
夸父死后,他的身体变成了一座大山。这就是“夸父山”,据说,位 于现在河南省灵宝县西三十五里灵湖峪和池峪中间。夸父死时扔下的手 杖,也变成了一片五彩云霞一样的桃林。桃林的地势险要,后人把这里 叫做“桃林寨”。
夸父死了,他并没捉住太阳。可是天帝被他的牺牲、勇敢的英雄精神 所感动,惩罚了太阳。从此,他的部族年年风调雨顺,万物兴盛。夸父 的后代子孙居住在夸父山下,生儿育女,繁衍后代,生活是非常幸福。
7
20的国土上, 年辐射量超过60万焦耳 /平方厘米, 每年地表吸收的太阳能大约相当于17万亿吨 标准煤的能量。(中国煤炭的总储量为约6000亿吨)换 句话说每年地表吸收的太阳能可以相当于280多倍中国的 煤炭总储量。
太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳 ,
夸父依然不气馁,他鼓足全身的力气,又准备出发了。 可是离太阳越近,太阳光就越强烈,夸父越来越感到焦躁 难耐,他觉得他浑身的水分都被蒸干了,当务之急,他需 要喝大量的水。
4
2021/3/10
于是,夸父站起来走到东南方的黄河边,伏下身子,猛喝黄河里的水, 黄河水被他喝干了,他又去喝渭河里的水。谁知道,他喝干了渭河水, 还是不解渴。于是,他打算向北走,去喝一个大泽的水。可是,夸父实 在太累太渴了,当他走到中途时,身体就再也支持不住了,慢慢地倒下 去,死了。
染料敏化太阳能电池讲义24页PPT
45、自己的饭量自己知道。——苏联
染料敏化太阳能电池讲义
31、别人笑我太疯癫,我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣,抱怨者 的牢骚 ,这是 羊群中 的瘟疫 ,我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望, 辛勤耕 耘,忍 受苦楚 。我一 试再试 ,争取 每天的 成功, 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ,我继 续拼搏 。
33、如果惧怕前面跌宕的山岩,生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ,睁大 眼睛, 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ,心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的,也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ,也不 要以为 过去的吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间,才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话,只需要教育; 而要挑战别人所说的话,则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是:在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
染料敏化太阳能电池讲义
31、别人笑我太疯癫,我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣,抱怨者 的牢骚 ,这是 羊群中 的瘟疫 ,我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望, 辛勤耕 耘,忍 受苦楚 。我一 试再试 ,争取 每天的 成功, 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ,我继 续拼搏 。
33、如果惧怕前面跌宕的山岩,生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ,睁大 眼睛, 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ,心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的,也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ,也不 要以为 过去的吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间,才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话,只需要教育; 而要挑战别人所说的话,则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是:在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
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Donor Level
Acceptor Level
29
Carrier Concentration
•
• • •
電子濃度為態位密度(density of state) N(E)與費米分布函數(Fermi distribution) F(E) 之摺積(convolution)。
– – n = Nc exp [exp[-(Ec-EF)/kT] p = Nv exp [exp[-(EF-Ev)/kT]
Direct Bandgap
Indirect Bandgap
26
Effective Mass
• 等效質量是量子力學與古典力學之重要 橋樑 – 電子與電洞可以被視為古典物理中 之帶電粒子。 mn* (d2E/dp2)-1
– 等效質量等於能量-動量曲線中曲率的倒 數。 – 曲率越小,等效質量越大。 – 拋物線的開口越大,等效質量越大。
Acceptor(受體)
– Column II (Be, Zn, Cd, etc.) impurity substitute for column III (Ga)
Amphoteric impurity (雙性雜質)
– Column IV (Si) – substituting Ga for donor (low T) – substituting As for acceptor (high T)
21
Energy-Band Diagram
Metal
Semiconductor
Insulator
22
Simplified Energy-Band Diagram
23
Energy-Momentum Band Diagram
24
Band Structures for Si and GaAs
Si
GaAs
課程講義
半導體概論
南台科技大學光電系 吳坤憲
1
Introduction to Semiconductor Technologies
I. 半導體材料 (Materials) II. 半導體基本物理 (Physics) III. 半導體元件 (Devices) IV. 半導體製程 (Fabrication) V. 半導體 量測 (Characterization)
•
• • •
電洞的等效質量大於電子等效質量
– mp* > mn*
For Si: mn* = 0.26 m0, mp* = 0.69 m0 For GaAs: mn* = 0.063 m0, mp* = 0.57 m0
27
Fermi Level
• 費米能階(EF)為被電子佔有機 率為1/2的能量。 • 費米分布函數對稱於費米能階。
溫度 (Temperature)
– Thermal sensors
照光 (Illumination)
– optoelectronic devices : Photodetector, Solar Cell….ect..
摻雜 (Doping)
– 大幅增加導電度 – 形成P 型及N型半導體 – 形成P/N接面:多數半導體元件之基本結構
P-type Semiconductor (P型半導體)
– 多數載子(majority carrier)為電洞的半導體 – 矽晶體中摻雜III族原子則形成P型半導體
34
Impurities for III-V Compound Semiconductors
Donor (施體)
– Coluubstitute for column V (As)
14
Crystallization of materials
15
Crystal and Lattice
Crystal (結晶體)
– The semiconductor materials are basically assumed as single crystals to simplify the analysis.
– Si: ~ 105 – doped-Si: 105 ~ 10-5
•
Insulator
– Quartz: ~ 10-18 – Plastics: ~10-13 – GaAs: ~ 10-6
Resitivity (-cm) Conductivity (-cm)-1
7
Portion of the Periodic Table related to semiconductors
• 入門
– 導電性界於導体與絕緣體之間的材料
• 中階
– 電阻係數約為10-4 ~108 -cm的材料
• 進階
– 能隙約在 4eV以下之的材料
6
Solid-State Materials
•
Conductor
– Mn: ~ 105 – Cu: ~ 8 × 106 – Fe: ~ 107
•
Semiconductor
25
Direct and Indirect Bandgap Semiconductors
• •
Direct transition: band to band photon emission Indirect transition: via defect or impurity-related states phonon emission
2
Chapter I Semiconductor Materials
半導體材料
3
Semiconductor Materials
半導體材料
Solid-State Materials Semiconductor Materials Basic Crystal Structure Energy-band Diagram Intrinsic and Extrinsic
• • • • F(E) exp[-(E-EF)/kT] for (E-EF) > 3kT F(E) 1- exp[-(E-EF)/kT] for (E-EF) > 3kT
• 在室溫下,能量高於(低於) 3KT之能階可視為空態(滿態)
28
Extrinsic (Doped) Semiconductor
16
The Diamond Structure
(a) Diamond lattice.
(b) Zincblende lattice.
17
Crystal Plane and Direction
A (623)-crystal plane
Miller indices of some important planes in a cubic crystal
13
重要的半導體分類
• Element semiconductor • Compound semiconductor • Intrinsic semiconductor • Extrinsic semiconductor • Direct semiconductor • Indirect semiconductor • Degenerate semiconductor • Non-degenerate semiconductor • Compensated semiconductor • Non-compensated semiconductor
Lattice (晶格) – The periodic arrengment of atoms in a crystal Lattice Constant (晶格常數) – The dimension a is called the lattice constant
Three cubic-crystal unit cells. (a) Simple cubic. (b) Body-centered cubic (c) Face-centered cubic.
Si
Si
GaAs GaP 化合物 InP ZnSe ZnS
10
Various Semiconductor Materials
11
其他常用的半導體材料之相關名詞
• • • • Bulk (本體) Substrate (基板) Film (薄膜) Epitaxial layer (磊晶層)
12
改變半導體導電性的主要方法
Intrinsic Semiconductor (本質半導體)
– 導電電子數量與電洞數量大約相同的半導體 – 通常指未經摻雜的半導體(Undoped Semiconductor)
N-type Semiconductor (N型半導體)
– 多數載子(majority carrier)為電子的半導體 – 矽晶體中摻雜V 族原子則形成N型半導體
35
Carrier Concentration vs. Temperature
8
Element and Compound Semiconductors
Element semiconductors
Si, Ge, C (diamond).. , etc..
Compound Semiconductors
– III-V compound semiconductors
• Binary: GaAs, InP, GaP, GaN, AlAs, InAs… • Ternary: Al1-xGaxAs, GaAsxP1-x , InxGa1-xAs • Quaternary: InxGa1-xAsyP1-y
18
Covalence Bonds
A tetrahedron bond (a) 3-D. (b) 2-D
19
Conduction Electron and Hole