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1、 第三章第三章 太阳能光伏电池太阳能光伏电池3.1 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.1 半导体基础知识（1）导体、绝缘体和半导体物质由大量的分子和原子构成。原子 原子核核外电子：受原子核的作用，按一定的轨道绕核高 速运动。自由电子物质导电的基本电荷粒子受原子核的作用力较小，可以在物质内部的原子间 自由运动的电子。自由电子浓度n单位体积中自由电子的数量。是决定物体导电能力的主要因素之一。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：导体中自由电子在电场力作用下的定向 运动形成电流。自由电子的迁移率：在单位电场强度（ 1V/cm）下，定向运动的自由电子的“直线
2、速度 ”，是决定物体导电能力的主要因素之一。电导率 ：表征物体导电能力的物理量。 =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”，也表征物体的导电能力。导体的电阻特性用电阻率表示 =1/ 按材料的导电能力划分，物质可分为三类： 导体：善于传导电流的物质，如铜、铝、铁等金 属，它们的电阻率大约为10-910-6； 绝缘体：不能导电或者导电能力微弱到可以忽略 不计的物质，如橡胶、玻璃、塑料和干木材， 电阻率大约为1081020 ； 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 ，如硅、锗、砷化镓、硫化镉等， 电阻率大约为10-5107 。金属导体和半导体的导电机理金属导体导电：自由
3、电子在电场力作用下的 定向运动，其导电性能基本是恒定的。半导体导电：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，影响其导电性能。这是半导体材料的重要特征。（2）硅的晶体结构硅是最常见和应用最广泛的半导体材料，硅的原子序数是14，它的原子核外有14个电子，这些电子围绕着原子核做层状的轨道分布运动。4个电子排在最外层，称为价电子，硅的物理化学性质主要由它们决定。晶体：是有明确衍射图案的固体，其原子或分子 在空间按一定规律周期重复地排列。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的。这种对称的、有规则的 排列叫做晶体的晶格。单晶体：一
4、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。多晶体：由许多小颗粒单晶杂乱的排列在一起的 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，这样的材料称为非晶体，也叫作无定形 材料。硅的晶体：在硅的晶体中，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。（3）能级和能带电子在原子核周围运动时，每一层轨道上的电 子都有确定的能量，轨道越高，能量越高。电子能级：为了形象地表示电子在原子中的运 动状态，用一系列高低不同的水平横线来表示 电子运动所取的能量值，这些横线就是标志
5、电 子能量高低的电子能级。每层电子轨道都有 一个对应的能级。能带在晶体中，原子之间的距离很近，相邻原子 的电子轨道相互交叠，互相作用。与轨道相 对应的能级就会分裂成能量非常接近但又大 小不同的许多电子能级，这些由很多能量相 差很小的电子能级形成一个能带。外层的电子由于受相邻原子的影响较大，它 所对应的能带较宽，内层电子互相影响小， 它所对应的能带较窄。（4）禁带、价带和导带根据量子理论，晶体中的电子不存在两个能带 中间的能量状态，即电子只能在各能带内运动 ，在能带之间的区域没有电子态，这个区域叫 做“禁带”。受外电场作用，电子能量增大，有可能使电子 从能带中较低的能带跃迁到较高的能带。完全被电
6、子填满的能带叫做“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能带称为“空带”。导带：没有被电子填满，处于最高满带上的一 个能带称为“导带”。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导带底部和价带顶部之间的能量差，称为 “禁带宽度”或“带隙”。金属的能带：导带和价带重叠在一起，不存在禁带，即使接 近绝对零度，电子在外电场作用下仍可以参与 导电。半导体的能带：禁带宽度比金属大，却远小于绝缘体。半导体 在绝对零度时，电子填满价带，导带是空的， 此时与绝缘体一样不能导电。当温度高于热力 学温度零度时，导体内部产生热运动，
7、使价带 中少量电子获得足够的能量，跳跃到导带，此 时半导体就具有一定的导电能力。（5）电子和空穴本征半导体：晶格完整且不含杂质的半导体。当温度高于热力学温度零度时，价电子在热激 发下有可能克服共价键束缚，从价带跃迁到导 带，使其价键断裂，电子从价带跃迁到导带后 ，在价带中留下一个空位，称为“空穴”。空穴可以被相邻满键上的电子填充而形成新的 空穴，这样的重复过程，可看成空穴在晶体中 移动，这种运动相当于电子在价带中的移动， 空穴可以看成是带正电的粒子。如果存在电场 ，自由电子将沿着电场的相反方向运动，空穴 则与电场同方向运动，半导体就是靠导带的电 子和价带的空穴的定向移动来形成电流的。电子和空穴
8、都被称为载流子。（6）掺杂半导体实际使用的半导体都掺有少量的某种杂质，这 里的“杂质”是有选择的。例如，在纯净的硅中掺入少量的五价元素磷， 这些磷原子在晶格中取代硅原子，并用它的四 个价电子与相邻的硅原子进行共价结合，磷有5 个价电子，用去4个还剩1个。这个多余的价电 子虽然没有被束缚在价键里面，但仍受到磷原 子核正电荷的吸引。不过这种吸引力很弱，只 要很少的能量（约0.04eV）就可以使它摆脱磷 原子到晶体内成为自由电子，从而产生电子导 电运动；同时，磷原子由于缺少一个电子而变 成带正电的磷离子。由于磷原子在晶体中起施放电子的作用，所以把 磷等五价元素叫做施主型杂质（或叫n型杂质） 。在掺有
9、五价元素的半导体中，电子的数目远远 大于空穴的数目，半导体的导电主要由电子来决 定，导电方向与电场方向相反，这样的半导体叫 做电子型或n型半导体。在纯净的硅中掺入少量的三价元素硼，它的原子 只有三个价电子，当硼和相邻的四个硅原子作共 价结合时，还缺少一个电子，要从其中一个硅原 子的价键中获取一个电子填补，这样就在硅中产 生了一个空穴，而硼原子由于接受了一个电子而 成为带负电的硼离子。硼原子在晶体中起着接受 电子而产生空穴的作用，所以叫做受主型杂质（ 或叫p杂质）。在含有三价元素的半导体中，空穴的数目远远超 过电子的数目，半导体的导电主要是由空穴决定 的，导电方向与电场方向相同，这样的半导体叫
10、做空穴型或p型半导体。在含有杂质和有晶格缺陷的半导体中，电子和空 穴的浓度不相等，把数目较多的载流子叫做“多 数载流子”，简称“多子”；把数目较少的载流子叫 做“少数载流子”，简称“少子”。（7）载流子的产生与复合载流子产生的过程：由于晶格的热振动，电子不断从价带被激发到“导 带”，形成一对电子和空穴。载流子复合：不存在电场时，由于电子和空穴的运动时无规则的 ，在运动中，电子和空穴经常碰在一起，即电子跳 到空穴的位置上，把空穴填补掉，这时电子空穴 对随之消失，叫电子和空穴的复合。在外界因素作用下，例如n型硅受到光照，价带中 的电子吸收光子能量跳入导带（这种电子称为光生 电子），在价带中留下等量
11、空穴，这种现象称为光 激发，电子和空穴的产生率就大于复合率，这些多 于平衡浓度的光生电子和空穴称为非平衡载流子（ 即光生载流子)。（8）载流子的输运半导体中存在能够导电的自由电子和空穴，这些 载流子有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定 方向的运动称为漂移运动。载流子在热平衡时，不断与晶格、杂质、缺陷发 生碰撞，经过一次碰撞，改变一次方向，这种现 象叫做散射。扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不 均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁 移运动。3.1.2 p-n3.1.2 p-n结结p-n结是太阳能电池的核心，是太阳能电池赖以 工作的基础。把一
12、块n型半导体和一块p型半导体紧密的接触 ，在交界处n区中电子浓度高，要向p区扩散（ 净扩散），在n区一侧就形成一个正电荷的区域 ；同样，p区中空穴浓度高，要向n区扩散，p区 一侧就形成一个负电荷的区域。这个n区和p区 交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为“空间电 荷区”，即通常所说的pn结。在pn结内，有一个从n区指向p区的电场，是 由pn结内部电荷产生的，叫做“内建电场”，由 于存在内建电场，在空间电荷区将产生载流子的 漂移运动，使电子由p区拉回n区，空穴由n区拉 回p区，其运动方向正好和扩散运动的方向相反 ，起初，扩散运动占优势，空间电荷区两侧的电 荷逐渐增加，空间电荷区增宽，内建电场增强。
13、 随着内建电场的增强，漂移运动也随之增强，阻 止扩散运动的进行，使其逐步减弱。最后，扩散 运动和漂移运动趋向平衡，扩散和漂移的载流子 数目相等而运动方向相反达到动态平衡。此时， 内建电场两边的电势，n区一边的高，p区一边 的低，存在的这个电势差称作p-n结势垒，也叫 内建电势差。当p-n结加上正向偏压（即p区接电源的 正极，n区接负极），外加电场的方向 与内建电场方向相反，是空间电荷区中 的电场减弱，这样就打破了扩散运动和 漂移运动的平相平衡，源源不断有电子 从n区扩散到p区，有空穴从p区扩散到 区n，使载流子的扩散运动超过漂移运 动，由于n区电子和p区空穴均是多子 ，通过p-n结的电流很大。当p-n结加上反向偏压（即n区接电源的正极，p 区接负极），此时外加电场的方向与内建电场的 方向相同，增强了空间电荷区的电场，载流子的 漂移运动超过了扩散运动，这时n区中的空穴一 旦到达空间电荷区边界，就要被电场拉回p区， p区的电子一旦到达空间电荷区边界，就要被电 场拉回n区。由于n区空穴和p区电子均是多子， 通过p-n结的反向电流很快饱和。而且很小。由 此可见，电流容易从p区留向n区，不容易从相 反的方向通过p-n结，这就是p-n结的单向导电性 。
