第三章太阳能光电材料及物理基础
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电子带有负电荷－q，还 具有负的有效质量
传导电子
导带
禁带
价带
（2）空穴
价带顶部的电子被激发到导 带后，价带中就留下了一些 空状态
激发一个电子到导带，价带 中就出现一个空状态
把价带中空着的状态看成是 带正电的粒子，称为空穴
空穴不仅有正电荷＋q，还具 有正的有效质量。
空穴
导带 禁带
价带
3.3 半导体中的杂质和缺陷
3.2.1 载流子和能带
载流子
半导体中导电的电子、空穴被称为载流子。
• 本征半导体 • 电子和空穴浓度相等 • N型半导体 • 电子浓度大于空穴浓度 • P型半导体 • 空穴浓度大于电子浓度
能带理论
1928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提 出固体能带理论的基本思想能带论。
1931年，威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物 理模型。用能带理论解释导体、绝缘体和半导体的行为 特征，其中包括半导体电阻的负温度系数和光电导现象。
单原子结构
电子
原子核
En
13.6 n2
ev
E1 13.6eV
E2 3.4eV
波尔理论
①核外电子只能在有确定半径和能 量的轨道上运动,且不辐射能量
②基态：能量最低；
能级：轨道的不同能量状态；
激发态：电子被激发到高能量轨 道上
③激发态的电子不稳定，跃迁到低 能级，以光的形式释放能量。
原子能级结构图
“霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。
照片
利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的 载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数 等重要参数。
霍尔效应示意图
BZ z
y
b
fE
v
fB
Ix
x
d
L
P型半导体薄片：长度为L，宽度为b，厚度为 d 磁场方向 (z方向）与薄片垂直，电流方向为x方向
3.2 太阳能光电材料
负的电阻率温度系数
温度升高，电阻率下降，与金属 相反。
整流特性 实现单向导电。
导电特性 有两种载流子，不同于普通的金属导体。
光电特性 在太阳光照射下产生光电流效应。
首次报道半导体
伏特 A. Volta (1745~1827)，意大利物理学家 国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命名。 1800年，他发明了世界上第一个伏特电池，这
1876年，英国物理学家亚当斯(W.G. Adams) 发现晶体硒和金属接触在光照射下产生了 电动势，这就是半导体光生伏打效应。
光生伏特效应最重要的应用就是把太阳能 直接转换成电能，称为太阳能电池。
照片
1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一 个实用的太阳能电池，效率为4%。
光生伏特效应
半导体的特有性质－光电导效应
第三章 太阳能光电材料及物理 基础
3.1 半导体材料
2.1.1 半导体材料概述
一、按照成分从大范围分： 无机半导体
• 有机半导体
按晶体结构分：
晶体半导体、非晶体半导体
按半导体的特性和功能分：
微电子材料、光电子材料、微波材料、传感器材料等。
电阻率特性 电阻率受杂质、光、电、磁等因素的影响。
电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。 法拉第发明了第一台电动机，另外法拉第的电
磁感应定律是他的一项最伟大的贡献 。 1发83现3了年负，的法电拉阻第温就度开系始数研，究即Ag随2S着半温导度体的材升料高，，
电阻值下将。
正、负电阻温度系数
R
R
T
T
负电阻温度系数
正电阻温度系数
半导体的特有性质－整流效应
杂质半导体
为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些半导体称为杂质 半导体，可以分为：
N型半导体和P型半导体 后面以硅掺杂为例子进行说明 硅是化学周期表中的第IV族元素，每一个硅原子具有四个价电子，
激发态
h E2 E1
基态
E4＝－0.85 eV E3＝－1.51 eV E2＝－3.4 eV
E1＝－13.6 eV
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原 来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠：
1. 电子也不再完全局限于某一个原子，形成“共有化” 电子。
2. 原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级， 准连续的，可看作一个能带
1873年，英国史密斯W.R. Smith用光照在 硒的表面，发现了硒的光电导效应，它开 创了半导体研究和开发的先河。
所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射
材料电导率改变的一种物理现象。
照片
光电导探测器在军事和国民经济的各个领 域有广泛用途。
光电导示意图
半导体的特有性质－霍尔效应
1879年，霍尔(E.H. Hall) 在研究通有电流 的导体在磁场中受力，发现在垂直于磁场 和电流的方向上产生了电动势，这个电磁 效应称为“霍尔效应”。
是最早的直流电源。从此，人类对电的研究从 静电发展到流动电，开拓了电学的研究领域。
他利用静电计对不同材料接地放电，区分了金 属，绝缘体和导电性能介于它们之间的“半导 体”。
他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用了 “Semiconductor”（半导体）一词。
半导体的特有性质－负电阻温度系数
法拉第 M. Faraday (1791~1867)，英国英国物 理学家、化学家，现代电工科学的奠基者之一。
原子能级分裂为能带
原子源自文库级
禁带 禁带
能带
允带 允带
允带
半导体晶体材料的能带示意图
导带（EC）
EC
禁带（Eg）
EV
价带（EV）
半导体的能带结构
导带 Eg > 4 eV
价带
绝缘体
Eg
半导体
导体
3.2.2 半导体的载流子
电子 空穴
（1）电子
价带顶部的电子被激发 到导带后，形成了传导 电子
传导电子参与导电
由于以下几方面的原因，并不是所有的半导体材料都 适合用于太阳能光电材料：
一、材料物理性质的限制； 二、材料的制备及提纯工艺； 三、材料和电池制备的成本。 常用于太阳能电池的材料： 一、硅、锗半导体材料; 二、GaAs 系的III-V化合物半导体材料; 三、CdS 系的II-VI化合物半导体材料;
布劳恩 K.F. Braun (1850~1918)，德国物理学家。
布劳恩与马可尼共同获得1909年度诺贝尔奖金物理 学奖。
1874年，他观察到某些硫化物的电导与所加电场的
方向有关，在它两端加一个正向电压，它是导通的； 如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导
照片
体的整流效应。
半导体特有性质－光生伏特效应
传导电子
导带
禁带
价带
（2）空穴
价带顶部的电子被激发到导 带后，价带中就留下了一些 空状态
激发一个电子到导带，价带 中就出现一个空状态
把价带中空着的状态看成是 带正电的粒子，称为空穴
空穴不仅有正电荷＋q，还具 有正的有效质量。
空穴
导带 禁带
价带
3.3 半导体中的杂质和缺陷
3.2.1 载流子和能带
载流子
半导体中导电的电子、空穴被称为载流子。
• 本征半导体 • 电子和空穴浓度相等 • N型半导体 • 电子浓度大于空穴浓度 • P型半导体 • 空穴浓度大于电子浓度
能带理论
1928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提 出固体能带理论的基本思想能带论。
1931年，威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物 理模型。用能带理论解释导体、绝缘体和半导体的行为 特征，其中包括半导体电阻的负温度系数和光电导现象。
单原子结构
电子
原子核
En
13.6 n2
ev
E1 13.6eV
E2 3.4eV
波尔理论
①核外电子只能在有确定半径和能 量的轨道上运动,且不辐射能量
②基态：能量最低；
能级：轨道的不同能量状态；
激发态：电子被激发到高能量轨 道上
③激发态的电子不稳定，跃迁到低 能级，以光的形式释放能量。
原子能级结构图
“霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。
照片
利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的 载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数 等重要参数。
霍尔效应示意图
BZ z
y
b
fE
v
fB
Ix
x
d
L
P型半导体薄片：长度为L，宽度为b，厚度为 d 磁场方向 (z方向）与薄片垂直，电流方向为x方向
3.2 太阳能光电材料
负的电阻率温度系数
温度升高，电阻率下降，与金属 相反。
整流特性 实现单向导电。
导电特性 有两种载流子，不同于普通的金属导体。
光电特性 在太阳光照射下产生光电流效应。
首次报道半导体
伏特 A. Volta (1745~1827)，意大利物理学家 国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命名。 1800年，他发明了世界上第一个伏特电池，这
1876年，英国物理学家亚当斯(W.G. Adams) 发现晶体硒和金属接触在光照射下产生了 电动势，这就是半导体光生伏打效应。
光生伏特效应最重要的应用就是把太阳能 直接转换成电能，称为太阳能电池。
照片
1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一 个实用的太阳能电池，效率为4%。
光生伏特效应
半导体的特有性质－光电导效应
第三章 太阳能光电材料及物理 基础
3.1 半导体材料
2.1.1 半导体材料概述
一、按照成分从大范围分： 无机半导体
• 有机半导体
按晶体结构分：
晶体半导体、非晶体半导体
按半导体的特性和功能分：
微电子材料、光电子材料、微波材料、传感器材料等。
电阻率特性 电阻率受杂质、光、电、磁等因素的影响。
电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。 法拉第发明了第一台电动机，另外法拉第的电
磁感应定律是他的一项最伟大的贡献 。 1发83现3了年负，的法电拉阻第温就度开系始数研，究即Ag随2S着半温导度体的材升料高，，
电阻值下将。
正、负电阻温度系数
R
R
T
T
负电阻温度系数
正电阻温度系数
半导体的特有性质－整流效应
杂质半导体
为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些半导体称为杂质 半导体，可以分为：
N型半导体和P型半导体 后面以硅掺杂为例子进行说明 硅是化学周期表中的第IV族元素，每一个硅原子具有四个价电子，
激发态
h E2 E1
基态
E4＝－0.85 eV E3＝－1.51 eV E2＝－3.4 eV
E1＝－13.6 eV
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原 来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠：
1. 电子也不再完全局限于某一个原子，形成“共有化” 电子。
2. 原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级， 准连续的，可看作一个能带
1873年，英国史密斯W.R. Smith用光照在 硒的表面，发现了硒的光电导效应，它开 创了半导体研究和开发的先河。
所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射
材料电导率改变的一种物理现象。
照片
光电导探测器在军事和国民经济的各个领 域有广泛用途。
光电导示意图
半导体的特有性质－霍尔效应
1879年，霍尔(E.H. Hall) 在研究通有电流 的导体在磁场中受力，发现在垂直于磁场 和电流的方向上产生了电动势，这个电磁 效应称为“霍尔效应”。
是最早的直流电源。从此，人类对电的研究从 静电发展到流动电，开拓了电学的研究领域。
他利用静电计对不同材料接地放电，区分了金 属，绝缘体和导电性能介于它们之间的“半导 体”。
他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用了 “Semiconductor”（半导体）一词。
半导体的特有性质－负电阻温度系数
法拉第 M. Faraday (1791~1867)，英国英国物 理学家、化学家，现代电工科学的奠基者之一。
原子能级分裂为能带
原子源自文库级
禁带 禁带
能带
允带 允带
允带
半导体晶体材料的能带示意图
导带（EC）
EC
禁带（Eg）
EV
价带（EV）
半导体的能带结构
导带 Eg > 4 eV
价带
绝缘体
Eg
半导体
导体
3.2.2 半导体的载流子
电子 空穴
（1）电子
价带顶部的电子被激发 到导带后，形成了传导 电子
传导电子参与导电
由于以下几方面的原因，并不是所有的半导体材料都 适合用于太阳能光电材料：
一、材料物理性质的限制； 二、材料的制备及提纯工艺； 三、材料和电池制备的成本。 常用于太阳能电池的材料： 一、硅、锗半导体材料; 二、GaAs 系的III-V化合物半导体材料; 三、CdS 系的II-VI化合物半导体材料;
布劳恩 K.F. Braun (1850~1918)，德国物理学家。
布劳恩与马可尼共同获得1909年度诺贝尔奖金物理 学奖。
1874年，他观察到某些硫化物的电导与所加电场的
方向有关，在它两端加一个正向电压，它是导通的； 如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导
照片
体的整流效应。
半导体特有性质－光生伏特效应