太阳电池2(半导体物理)

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1、太阳电池的原理、工艺与应用太阳电池的原理、工艺与应用 (Principle，Technology and Applications of Solar Cell)沈辉沈辉 Prof. Dr.-Ing. Hui Shen 目录目录1.太阳电池发展历史与前景展望太阳电池发展历史与前景展望 2.太阳能资源与太阳光谱分析太阳能资源与太阳光谱分析 3.太阳电池的物理基础太阳电池的物理基础 4.太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理 5.硅材料的制备工艺硅材料的制备工艺 6.太阳电池的制备过程太阳电池的制备过程 7.太阳电池的电流太阳电池的电流-电压特性电压特性 8.太阳电池组件的制作与测试太阳电池组件的制作

2、与测试 9.光伏系统的组成及设计基础光伏系统的组成及设计基础 10. 光伏系统的应用光伏系统的应用太阳电池的物理基础太阳电池的物理基础? 半导体物理基础 晶体结构 能带理论半导体物理基础 晶体结构 能带理论 ? 半导体材料的基本特性 - 半导体的特性 - 半导体的能带 - 半导体的导电机构半导体材料的基本特性 - 半导体的特性 - 半导体的能带 - 半导体的导电机构 ? p-n结的形成与特性p-n结的形成与特性 构成及原理构成及原理 势垒类型势垒类型 制备工艺制备工艺 ? 半导体的光伏效应半导体的光伏效应半导体的物理基础半导体的物理基础? 半导体基本知识半导体基本知识 ? 晶体结构晶体结构 ?

3、 能带理论能带理论半导体的物理基础半导体的物理基础? 什么是半导体？什么是半导体？ 自然界的物质按导电性的强弱，可分为导体、半导体和绝缘体 三类。它们的电阻率变化范围为： 导体10自然界的物质按导电性的强弱，可分为导体、半导体和绝缘体 三类。它们的电阻率变化范围为： 导体10-4-4；绝缘体10；绝缘体109 9；半导体10；半导体10-4-410109 9 ? 半导体的特性半导体的特性 1。掺杂特性：掺入微量杂质可引起载流子浓度变化，从而明显改 变半导体的导电能力。此外，在同一种材料中掺入不同类型的杂 质，可得到不同导型的材料（p或n型）； 2。温度特性：与金属不同，本征（纯净）半导体具有负

4、的温度系 数，即随着温度升高，电阻率下降。但掺杂半导体的温度系数 可正可负，要具体分析。 3。环境特性：光照、电场、磁场、压力和环境气氛等也同样可引 起半导体导电能力变化。如硫化镉薄膜，其暗电阻为数十兆欧 姆，而受光照时的电阻可下降到数十千欧姆（光电导效应）1。掺杂特性：掺入微量杂质可引起载流子浓度变化，从而明显改 变半导体的导电能力。此外，在同一种材料中掺入不同类型的杂 质，可得到不同导型的材料（p或n型）； 2。温度特性：与金属不同，本征（纯净）半导体具有负的温度系 数，即随着温度升高，电阻率下降。但掺杂半导体的温度系数 可正可负，要具体分析。 3。环境特性：光照、电场、磁场、压力和环境气

5、氛等也同样可引 起半导体导电能力变化。如硫化镉薄膜，其暗电阻为数十兆欧 姆，而受光照时的电阻可下降到数十千欧姆（光电导效应）化学元素周期表化学元素周期表半导体的物理基础半导体的物理基础? 周期表中与半导体相关的部分周期周期表中与半导体相关的部分周期II III IV V VI 2 BC N 3 Al SiPS 4 Zn GaGeAsSe 5 CdIn SnSbTe 6 Hg Pb晶体结构晶体结构? 半导体材料的原子排列状态： 晶体结构和非晶体结构半导体材料的原子排列状态： 晶体结构和非晶体结构? 半导体发展历史半导体发展历史? 半导体材料分类 - 化学组成 - 结晶状态 - 材料功能半导体材料

6、分类 - 化学组成 - 结晶状态 - 材料功能晶体结构晶体结构晶体：长程有序，周期性；非晶体：短程有序晶体：长程有序，周期性；非晶体：短程有序晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构硅具有金刚石晶体结构，可看成两个面心立方的套构复 合，即两个面心立方晶格沿立方体对角线偏移硅具有金刚石晶体结构，可看成两个面心立方的套构复 合，即两个面心立方晶格沿立方体对角线偏移1/4. 硅的晶格常数为硅的晶格常数为0.543 nm，密度为，密度为2.33 g/cm3.晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构半导体发展历史半导体发展历史? 早在1782年，A. Volta 通过实验区分了导电性能介

7、于金属和 绝缘体之间的早在1782年，A. Volta 通过实验区分了导电性能介于金属和 绝缘体之间的“半导体半导体”，并在提交给伦敦皇家学会的一篇论 文中首先使用，并在提交给伦敦皇家学会的一篇论 文中首先使用“半导体半导体”一词。一词。 ? 1833年，M. Faraday发现硫化银(Ag2S)的电阻率的温度系数 为负数，这是对半导体特性的最早发现。1833年，M. Faraday发现硫化银(Ag2S)的电阻率的温度系数 为负数，这是对半导体特性的最早发现。 ? 1853年，A. Fick提出扩散方程，为以后的半导体材料掺杂 提供了理论基础。1853年，A. Fick提出扩散方程，为以后的半

8、导体材料掺杂 提供了理论基础。 ? 1873年，WR. Smith发现硒(Se)的光导电现象。1874年，F. Braun发现金属和金属硫化物接触的电阻值与外加电压的大 小及方向有关，即半导体的整流功能。1873年，WR. Smith发现硒(Se)的光导电现象。1874年，F. Braun发现金属和金属硫化物接触的电阻值与外加电压的大 小及方向有关，即半导体的整流功能。 ? 1883年Se整流器和1906年碳化硅（SiC）检波器的出现，开 始了半导体器件的最早应用。1883年Se整流器和1906年碳化硅（SiC）检波器的出现，开 始了半导体器件的最早应用。半导体发展历史半导体发展历史? 193

9、1年剑桥大学理论物理学家A.Wilson发表半导体能带的经典 论文，首次区分了杂质半导体和本征半导体，并指出存在施主 与受主，从此开创了半导体理论。1931年剑桥大学理论物理学家A.Wilson发表半导体能带的经典 论文，首次区分了杂质半导体和本征半导体，并指出存在施主 与受主，从此开创了半导体理论。 ? 1907年，H. J. Round发现电致发光（即发光二极管LED： Light Emitting Diode），即在碳化硅（SiC）晶体两端加10V 电压，观察到有淡黄色光出射。同年，意大利的Marconi公司 也发现碳化硅（SiC）在可见光范围的电致发光现象，这家公 司后来成为生产半导体

10、产品的世界著名公司。1907年，H. J. Round发现电致发光（即发光二极管LED： Light Emitting Diode），即在碳化硅（SiC）晶体两端加10V 电压，观察到有淡黄色光出射。同年，意大利的Marconi公司 也发现碳化硅（SiC）在可见光范围的电致发光现象，这家公 司后来成为生产半导体产品的世界著名公司。 ? 1918年波兰科学家J.Czochralski发明了由液态生长固体单晶 的提拉生长法，此法至今仍在半导体材料工业得到广泛应用。 1925年可用于一些化合物半导体的晶体生长的Bridgman法发明。 1926年氧化亚铜整流器制作成功。1918年波兰科学家J.Czo

11、chralski发明了由液态生长固体单晶 的提拉生长法，此法至今仍在半导体材料工业得到广泛应用。 1925年可用于一些化合物半导体的晶体生长的Bridgman法发明。 1926年氧化亚铜整流器制作成功。半导体发展历史半导体发展历史? 1947年晶体管的出现是个里程碑式的重大发明，这是由美国 Bell实验室W.Shockley，W.H.Brattain 和 J.Bardeen共同完 成的. 其中主要工作是：1947年12月Bardeen和Brattain发明 了点接触（Point-Contact）晶体管,1949年Shockley 发表了 关于p-n结和双极型晶体管的经典论文。晶体管是一个关健性

12、 的半导体器件，它将人类文明带进了现代电子时代。1947年晶体管的出现是个里程碑式的重大发明，这是由美国 Bell实验室W.Shockley，W.H.Brattain 和 J.Bardeen共同完 成的. 其中主要工作是：1947年12月Bardeen和Brattain发明 了点接触（Point-Contact）晶体管,1949年Shockley 发表了 关于p-n结和双极型晶体管的经典论文。晶体管是一个关健性 的半导体器件，它将人类文明带进了现代电子时代。 ? 1950年Bell实验室以5万美元的价格，将晶体管专利这一重大 发明卖给了日本。1950年Bell实验室以5万美元的价格，将晶体管专

13、利这一重大 发明卖给了日本。 ? 1950年锗(Ge)二极管和晶体管出现，从而取代了应用了将近30 年的硒和氧化亚铜二极管。1952年H.Welker发现GaAs和其它 族元素也是半导体。同年，J.J.Ebers提出了可控硅 （Thyristor）的一个基本模型。1950年锗(Ge)二极管和晶体管出现，从而取代了应用了将近30 年的硒和氧化亚铜二极管。1952年H.Welker发现GaAs和其它 族元素也是半导体。同年，J.J.Ebers提出了可控硅 （Thyristor）的一个基本模型。 ? 1954年D.M.Chapin, C.S.Fuller和G.L.Pearson以硅p-n结制成 太阳

14、电池（Solar cell），太阳电池可将太阳光直接转换成电 能，是目前太阳能利用的最主要的技术之一。1954年D.M.Chapin, C.S.Fuller和G.L.Pearson以硅p-n结制成 太阳电池（Solar cell），太阳电池可将太阳光直接转换成电 能，是目前太阳能利用的最主要的技术之一。半导体发展历史半导体发展历史? 1955年Shockley离开Bell实验室，创建 Shockley半导体实验 室，R.Noyce,G.Moore,J.A.Hoerni等8人加盟。1963年 Shockley重返学术岗位，成为斯坦福大学名誉教授。1955年Shockley离开Bell实验室，创建

15、 Shockley半导体实验 室，R.Noyce,G.Moore,J.A.Hoerni等8人加盟。1963年 Shockley重返学术岗位，成为斯坦福大学名誉教授。 ? 1956年Shockley等由于晶体管的发现获得诺贝尔物理奖。1956年Shockley等由于晶体管的发现获得诺贝尔物理奖。 ? 1957年工业家Fairchild创建半导体公司。1957年工业家Fairchild创建半导体公司。 ? 1957年Andrus将图形曝光技术应用在半导体器件制作上，光刻 技术是半导体工业中的一个关健性工艺。同年，出现有很多杰 出工作：如Frosch和Derrick提出氧化物掩膜方法，发现氧化 膜可以阻止大部份杂质的扩散；Sheftal等人提出化学气相沉 积的外延生长技术；1957年Andrus将图形曝光技术应用在半导体器件制作上，光刻 技术是半导体工业中的一个关健性工艺。同年，出现有很多杰 出工作：如Frosch和Derrick提出氧化物掩膜方法，发现氧化 膜可以阻止大部份杂质的扩散；Sheftal等人提出化学气相沉 积的外延生长技术； ? 1958年Shockley提出离子注入技术来掺杂半导体，这样可精确 控制掺杂浓度；1958年Shockley提出离子注入技术来掺杂半导体，这样可精确 控制掺杂浓度； ? 1969年Manas