太阳能电池硅的一些基本概念【精选】

多子扩散电流
总电流＝0
6.2. PN结的单向导电性
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。
外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动
→多子扩散形成正向电流I F
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
－ － －－
++ ++
－ － － 正－向电流 + + + +
电子空穴对
可见本征激发同时产生
电子空穴对。
+4
+4
外加能量越高（温度
越高），产生的电子空
穴对越多。
与本征激发相反的
+4 +4
现象——复合
自由电子
+4 +4
在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。
常温300K时：
硅：1.4 1010
电子空穴对的浓度
cm3
锗：2.5 1013
7.太阳能电池原理
原理：半导体pn结的光生伏特效应 物体受阳光照射时，体内电荷分布发生变化而产生电势和电 流的效应 气体、液体、固体中均可产生 固体中，尤其是半导体中，光能转变为电能的效率最高。
半导体电池发电过程： 吸收太阳光，照射在太阳能电池表面 太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发非平衡载流子 （电子-空穴对） 光生载流子在pn结内部电场的作用下，电子-空穴对被分离 Pn结两端引出电极，接上负载，有电流通过，获得功率。
太阳能——电能
电势的建立
小结
1.半导体材料中有两种载流子：电子和空穴，电子带负电，空 穴带正电 2.载流子有两种运动方式：扩散运动和漂移运动。 3.本征激发使半导体中产生电子-空穴对，但它们的数目很少 ，并与温度有密切关系。 4.在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P 型半导体。 5.采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就 形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。 6.PN结内形成内建势垒电场 7.PN结内光生载流子在势垒电场的作用下被分在两侧，形成 电势
按照材料分类：
硅太阳能电池：单晶硅、多晶硅、 化合物半导体太阳能电池：具有半导体特性的化合物，砷 化镓、硫化镉 有机半导体太阳能电池：含有一定数量炭-炭键的半导体材 料做成的电池，如萘、、芳烃-卤素络合物、高聚物等 薄膜太阳能电池：用单质、无机物、有机物等材料制作的 薄膜作为机体材料的太阳能电池，如非晶硅薄膜、单晶硅 薄膜、纳米晶薄膜太阳能电池
载流子注入
外界条件下，如光照，半导体中电子和空穴的产生率大于 复合率，产生非平衡载流子，这一过程称为载流子注入
光注入：光照产生 电注入：电学方法
低注入——注入的非平衡载流子浓度原低于平衡载流子浓度 高注入——注入的非平衡载流子浓度相当于平衡载流子浓度
太阳能电池： 一般为低注入 强辐照条件下（100倍阳光）下工作的聚光太阳能电池为高 注入
cm3
导电机制
－ +4
E
＋
+4
+4 自由电子
+4
+4 +4
+4
+4
+4
自由电子 带负电荷 电子流
载流子
空穴 带正电荷 空穴流＋总电流
本征半导体的导电性取决于外加能量：
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。
5. 杂质半导体
为了获得特殊性能的材料，需要人为将杂质 加到半导体中，这个过程叫掺杂。通过扩散或 离子注入完成。材料的性能取决于杂质种类和 数量
• 半导体：导电能力居中，电阻率10-5~107Ω·m，锗、硅、 砷化镓等
• 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
2.2 半导体特性
导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。
(1)热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。 当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用 热敏性可制成热敏元件。
－ － －－ ++ + +
少子漂移电流
耗尽层
多子扩散电流
少子飘移
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E
多子扩散
又失去多子，耗尽层宽，E
内电场E
P型半导体 耗尽层 N型半导体
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
－ － －－ ++ + +
少子漂移电流
动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流
势垒 UO
硅 0.5V 锗 0.1V
• 晶体中，原子电场相互叠加，轨道对应的能级 由单个能级变为能量接近但又不同的能级，称 为能带。
• 外层：能带宽
有的填满
• 内层：能带窄
被电子填满
•金属：无禁带，导带和 价带重合，即使温度0K， 照样导电
•半导体：禁带宽度零点 几eV到4eV之间，0K时， 电子充满价带，导带为 空，不导电，温度升高 后电子从价带跳到导带， 可以导电
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的 半导体称为杂质半导体。
5.1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例 如磷，砷等，称为N型半导体。
硅原子 +4
多余电子
+4
磷原子
+4
多数载流子—— 电子 少数载流子—— 空穴
+4
+4
电子空穴对 自由电子
N型半导体
+5 +4
++ + + ++ + +
+4 +4
2.3半导体的晶体结构
• 晶体：具有明确熔点的物质 • 非晶体：无明确熔点，加热时逐渐软化 • 所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团
在空间按一定规则排列而成 的。这种对称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或 晶体格子，简称为晶格。 • 单晶体：整块材料从头到尾都按同一规则作周期性 排列的晶体 • 多晶体：整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构 的小晶体 组成的晶体
太阳能电池（硅）工 作原理
太阳能电池（硅）工作原理
1. 太阳能电池分类 2. 半导体及其主要特征 3. 半导体物理有关概念 4. 本证半导体 5. 杂质半导体 6. PN结 7. 太阳能电池原理
1.太阳能电池分类
按照结构分类：
同质结太阳能电池：同一半导体材料 异质结太阳能电池：不同半导体材料 肖特基太阳能电池：金属与半导体界面肖特基势垒 多结太阳能电池：多个pn结，复合半导体电池 液结太阳能电池：电解液和半导体
习惯上把外层电子称为价电子，一个原子有几个 外层电子就称它为几价。
• 硅（Si）是第四族元素，称为４价元素； • 硼（B）、铝、镓、铟为３价元素； • 氮、磷（P）、砷为５价元素。 原子和原子的结合，主要靠外层的互相交合以及 价电子运动的变化。
• 电子在原子核周围转动时，每一层轨道上的电 子都有确定的能量，最里层的轨道相应于最低 的能量，第二层轨道具有较大的能量，越是外 层的电子受原子核的束缚越弱而能量越大。
2 半导体及其主要特征 2.1 材料分类
在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导 体、绝缘体和半导体。
• 导体：导电能力强，电阻率10-8~10-6Ω·m，如金银铜铁 等
•绝 缘 体 ： 导 电 能 力 弱 或 基 本 不 导 电 ， 电 阻 率 108~1020Ω·m，橡胶、塑料、木材、玻璃
在不存在外电场时，在运动中电子和空穴常常碰在一起， 即电子跳到空穴的位置上把空穴填补掉-载流子复合
在一定的温度下，半导体内电子和空穴不断产生和复合 没有外表的光和电的影响，单位时间内产生和复合的电子 与空穴即达到相对平衡，称为平衡载流子 在这种情况下，电子浓度和空穴浓度的乘积等于本征半导 体载流子浓度。 对于每种材料，本征半导体载流子浓度取决于温度。只要 温度一定，则电子浓度和空穴浓度的乘积即是一个与掺杂 无关的常数。
－ － －－ ++ + +
内电场 E
EW
R
(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流I R
P
空间电 荷区
N
在一定的温度－ 下，－ 由－本 － + + + +
征激发产生的少－子浓－度是－ － + + + +
载流子输运
电子和空穴发生地净位移，叫载流子的输运 两种输运方式：漂移运动和扩散运动
漂移运动：外加电场作用下，载流子热运动将叠加一个附 加速度，称为漂移速度 电子：漂移速度与电场反向 空穴：漂移速度与电场同向
扩散运动： 微粒的热运动产生的物质迁移现象称为扩散 主要由浓度差引起，从浓度高处向浓度低处扩散，直到相同， 浓度差越大、微粒质量愈小、温度愈高，扩散速度越快 半导体中载流子因浓度不均匀而引起的从浓度高处向浓度低 处的迁移运动称为扩散运动
半导体的载流子浓度随其中杂质的含量和外界条件（如加 热、光照等）而显著变化。
在本征半导体中，电子和空穴的浓度是相等的。
在含有杂质和晶格缺陷的半导体中，电子和空穴的浓度 则不相等。
占多数的载流子叫多数载流子，简称多子
占少数的载流子叫少数载流子，简称少子
载流子产生和复合
半导体中由于晶格的热运动，电子不断从价带被激发到 导带，形成一对电子和空穴，这就是载流子产生
(2)光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增 强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光 敏元件。
(3)掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂 质影响极大，称为掺杂性。
例如： 锗的温度从200℃升到300 ℃，电阻率下降一半 纯硅中掺杂百万分之一的硼，电阻率2140降至0.004
2.4 晶体原子组成
硅的原子序数为14，即其原子核周围有14个电子，这些电子按照轨道 层层分布：
典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
GGee
锗原子
si
硅原子
+14 2 8 4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ge +32 2 8 18 4
+4
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
• 一种元素的化学性质和物理性质是由其原子结 构决定的，其中外层电子的数目起着最为重要 的作用。
生成工艺：成长、合金、外延、注入
p-n结： 单向导电性 是太阳能电池的核心，是其赖以工作的基础
6.1 . PN结的形成
PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区
形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
+4 +4
受主离子
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子
杂质半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——与温度有关 多子浓度——与温度无关
5.3 载流子
在半导体的导电过程中，运载电流的粒子，可以是带负 电荷的电子，也可以是带正电荷的空穴，这些电子或空 穴叫做载流子 半导体的导电性能与载流子的数目有关。单位体积的载流 子数目，叫做载流子浓度。
一定的，故IR基－本上－与外－ －
++ ++
IR
加反压的大小无关，所以 内电场 E
称为反向饱和电流。但IR
与温度有关。
EW
R
PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；
PN结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。
由此可以得出结论：PN结具有单向导 电性。
++ ++
施主离子
电子数远大于空穴数目，导电主要由自由电子决定导电方向与电 场方向相反的半导体，称N型半导体（Negitive）
5.2 P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
硅原子
+4
空穴
+4
硼原子
+4
电子空穴对
空穴
+4 +4
P型半导体
－ － －－
+3 +4
－ － －－
－ － －－
•绝 缘 体 ： 禁 带 宽 度 5~10eV，难以激发电子
4. 本征半导体
本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常 称为“九个9”。
本征半导体的共价键结构
+4
+4 +4
+4
+4 +4
+4
+4 +4
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。
束缚电子
+4
+4 +4
+4
空穴
+4 +4
自由电子
+4
+4 +4
当温度升高或受到 光的照射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由 电子。
自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
+4
+4
空穴
+4
本节中的有关概念
• 本征半导体、杂质半导体 • 施主杂质、受主杂质 • N型半导体、P型半导体 • 自由电子、空穴 • 多数载流子、少数载流子
6. PN结
p-n结：一块半导体上，通过特殊工艺，使一部分呈p型， 一部分呈n型，则p型和n型界面附近区域称为p-n结
同质结：同一半导体材料上形成 异质结：不同半导体材料上形成