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表3-1 半导体材料的禁带宽度
材料
Si
Ge GaAs Cu(InGa)Se InP CdTe CdS
Eg/eV 1.12 0.7 1. 4
1.04
1.2 1.4 2.6
.
3.1 太阳能光伏发电原理
金属与半导体的区别： 金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件 下具有良好的导电性。 半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量 （>Eg）“激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以 是热或光的作用。 常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子， 每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。 绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下激发到导带上的电 子非常少，固其电导率很低 。
由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为多 晶体。
非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式， 如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，长程无 序，这样的材料称为非晶体，也叫做无定形材料。
.
3.1 太阳能光伏发电原理
3. 能级和能带图 电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量—能级(E), 单一的电子能级，分裂成能量非常接近但又大小不同的许 多电子能级，形成一个“能带” 。
.
3.1 太阳能光伏发电原理
2.硅的晶体结构 （1）硅的原子结构 硅(Si)原子，原子序数14，原子核外14个电子，绕核运 动，分层排列：内层2个电子(满)，第二层8个电子(满)，第 三层4个电子(不满)，如图3-1所示。
图3-1 硅的原子结构 及其原子能级
.
3.1 太阳能光伏发电原理
（2） 硅的晶体结构
晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。 硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P)— N型硅 ：自由电子数量多—多 数载流子（多子）；空穴数量很少—少数载流子（少子）。电子型半导 体或n型半导体。 掺杂少量的三价元素硼(B) —P型硅：空穴数量多—多数载流子（多 子）；自由电子数量很少—少数载流子(少子)。空穴型半导体或p型半 导体。
图3-6 n型和p型硅晶体结构
.
3.1 太阳能光伏发电原理
硅晶体中的硅原子在空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有 序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两 个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原 子紧密地结合在一起，构成晶体。
图3-2硅的晶胞结构
.
3.1 太阳能光伏发电原理
硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子)在空间按 一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体 的晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列， 即长程有序，就称其为单晶体。在硅晶体中，每个硅原子 近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它 们与两个相邻原子核都有相互作用，称为共价键。正是靠 共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。
而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为 “导带”。
.
3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带
(a)金属
(b)半导体
(c)绝缘体
图3-4 金属、半导体、绝缘体的能带
.
3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带
图3-4 晶体的能带
.
3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带 禁带宽度Eg 价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动， 必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量，Eg的大小就是导 带底部与价带顶部之间的能量差，称为“禁带宽度”或“带 隙”
.
3.1 太阳能光伏发电原理
5.电子和空穴 电子从价带跃迁到导带（自由电子）后，在价带中留下 一个空位，称为空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这 种跃迁形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。 电子-空穴对不断产生， 又不断复合。
图3-5 具有一个断键的硅晶体
.
3.1 太阳能光伏发电原理
6. 掺杂半导体
电导率：表征物体导电能力的物理量，用表示,=en
电阻：导体中的自由电子定向运动形成电流所受到的
“阻力”，它也表征表征物体导电能力。导体的电阻特
Leabharlann Baidu
性用电阻
R l
率表示 （=1/ ） 。导体电阻
S
.
3.1 太阳能光伏发电原理
（3）导体、绝缘体和半导体 导体，导电能力强的物体，电阻率为10-9~l0-6cm ； 绝缘体，不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的 物体 ，电阻率为108~l020cm ； 半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻 率为10-5~l07cm 。 导电机理： 金属导体导电是自由电子（n恒定）在电场力作用下的定 向运动， 电导率基本恒定； 半导体导电是电子和空穴在电场力作用下的定向运动。电 子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影 响其导电能力。
图3-3 单原子的电子能级对应的固体能带
.
3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带 电子只能在各能带内运动 ，能带之间的区域没有电子态, 这个区域叫做“禁带”，用Eg 表示。 完全被电子填满的能带称为“满带”，最高的满带容纳 价电子，称为“价带”,价带上面完全没有电子的称为“空 带”。 有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。 这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。
.
3.1 太阳能光伏发电原理
（2）晶体中自由电子的运动
由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章
的运动。
电流：导体中的自由电子在电场力作用下的定向运动形
成电流。
迁移率：在单位电场强度（1V/cm）下，定向运动的自
由电子的“直线速度”，称为自由电子的迁移率，用表
示，这也是决定物体导电能力的主要因素。
第3章 太阳能光伏电池
何 道 清 编制 2011.12
.
第3章 太阳能光伏电池
太阳能光伏电池——太阳能 电能
.
3.1 太阳能光伏发电原理
3.1.1半导体基础知识
1.导体、绝缘体和半导体 （1）自由电子与自由电子浓度 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成 ，电子 受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体 中自由运动的电子，称为“自由电子”，它是导体导电的 电荷粒子。 自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由 电子浓度，用n表示，它是决定物体导电能力的主要因素之 一。
材料
Si
Ge GaAs Cu(InGa)Se InP CdTe CdS
Eg/eV 1.12 0.7 1. 4
1.04
1.2 1.4 2.6
.
3.1 太阳能光伏发电原理
金属与半导体的区别： 金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件 下具有良好的导电性。 半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量 （>Eg）“激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以 是热或光的作用。 常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子， 每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。 绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下激发到导带上的电 子非常少，固其电导率很低 。
由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为多 晶体。
非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式， 如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，长程无 序，这样的材料称为非晶体，也叫做无定形材料。
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3.1 太阳能光伏发电原理
3. 能级和能带图 电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量—能级(E), 单一的电子能级，分裂成能量非常接近但又大小不同的许 多电子能级，形成一个“能带” 。
.
3.1 太阳能光伏发电原理
2.硅的晶体结构 （1）硅的原子结构 硅(Si)原子，原子序数14，原子核外14个电子，绕核运 动，分层排列：内层2个电子(满)，第二层8个电子(满)，第 三层4个电子(不满)，如图3-1所示。
图3-1 硅的原子结构 及其原子能级
.
3.1 太阳能光伏发电原理
（2） 硅的晶体结构
晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。 硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P)— N型硅 ：自由电子数量多—多 数载流子（多子）；空穴数量很少—少数载流子（少子）。电子型半导 体或n型半导体。 掺杂少量的三价元素硼(B) —P型硅：空穴数量多—多数载流子（多 子）；自由电子数量很少—少数载流子(少子)。空穴型半导体或p型半 导体。
图3-6 n型和p型硅晶体结构
.
3.1 太阳能光伏发电原理
硅晶体中的硅原子在空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有 序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两 个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原 子紧密地结合在一起，构成晶体。
图3-2硅的晶胞结构
.
3.1 太阳能光伏发电原理
硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子)在空间按 一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体 的晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列， 即长程有序，就称其为单晶体。在硅晶体中，每个硅原子 近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它 们与两个相邻原子核都有相互作用，称为共价键。正是靠 共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。
而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为 “导带”。
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3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带
(a)金属
(b)半导体
(c)绝缘体
图3-4 金属、半导体、绝缘体的能带
.
3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带
图3-4 晶体的能带
.
3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带 禁带宽度Eg 价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动， 必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量，Eg的大小就是导 带底部与价带顶部之间的能量差，称为“禁带宽度”或“带 隙”
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3.1 太阳能光伏发电原理
5.电子和空穴 电子从价带跃迁到导带（自由电子）后，在价带中留下 一个空位，称为空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这 种跃迁形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。 电子-空穴对不断产生， 又不断复合。
图3-5 具有一个断键的硅晶体
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3.1 太阳能光伏发电原理
6. 掺杂半导体
电导率：表征物体导电能力的物理量，用表示,=en
电阻：导体中的自由电子定向运动形成电流所受到的
“阻力”，它也表征表征物体导电能力。导体的电阻特
Leabharlann Baidu
性用电阻
R l
率表示 （=1/ ） 。导体电阻
S
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3.1 太阳能光伏发电原理
（3）导体、绝缘体和半导体 导体，导电能力强的物体，电阻率为10-9~l0-6cm ； 绝缘体，不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的 物体 ，电阻率为108~l020cm ； 半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻 率为10-5~l07cm 。 导电机理： 金属导体导电是自由电子（n恒定）在电场力作用下的定 向运动， 电导率基本恒定； 半导体导电是电子和空穴在电场力作用下的定向运动。电 子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影 响其导电能力。
图3-3 单原子的电子能级对应的固体能带
.
3.1 太阳能光伏发电原理
4. 禁带、价带和导带 电子只能在各能带内运动 ，能带之间的区域没有电子态, 这个区域叫做“禁带”，用Eg 表示。 完全被电子填满的能带称为“满带”，最高的满带容纳 价电子，称为“价带”,价带上面完全没有电子的称为“空 带”。 有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。 这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。
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3.1 太阳能光伏发电原理
（2）晶体中自由电子的运动
由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章
的运动。
电流：导体中的自由电子在电场力作用下的定向运动形
成电流。
迁移率：在单位电场强度（1V/cm）下，定向运动的自
由电子的“直线速度”，称为自由电子的迁移率，用表
示，这也是决定物体导电能力的主要因素。
第3章 太阳能光伏电池
何 道 清 编制 2011.12
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第3章 太阳能光伏电池
太阳能光伏电池——太阳能 电能
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3.1 太阳能光伏发电原理
3.1.1半导体基础知识
1.导体、绝缘体和半导体 （1）自由电子与自由电子浓度 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成 ，电子 受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体 中自由运动的电子，称为“自由电子”，它是导体导电的 电荷粒子。 自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由 电子浓度，用n表示，它是决定物体导电能力的主要因素之 一。