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1、太阳电池基础与工艺,性质：专业基础课 考核：闭卷考试 学时：32 学分：2 主讲人：王晓晶 联系方式：,1.概论:课程背景及计划 2.光伏技术的发展历史 3.太阳能分布与光谱分析 4.太阳电池物理基础 5.半导体的基本知识 6.太阳电池工作原理 7.硅材料的制备工艺 8.太阳电池的制备过程 9.太阳电池的检测技术 10.太阳电池组件的制作与测试 11.太阳电池技术的最新进展,目 录,上次课程重点回顾,大气质量（AM）：AM1.5（地面测试条件），AM0（太空测试条件） 太阳辐射能地面用太阳电池测试条件：1000瓦/米2航天用太阳电池测试条件：1367瓦/米2,第二章 太阳电池物理基础,第一节
2、半导体物理基础晶体结构能带理论 第二节 半导体材料的基本特性- 半导体的特性（光伏效应）- 半导体的导电机构 第三节 p-n结的形成与特性 构成及原理 势垒类型 制备工艺,第一节 半导体物理基础,1.1半导体定义 1.2半导体特性 1.3半导体材料结构 1.4能带理论 1.3半导体发展历史,按导电性强弱，材料一般可分为三大类，即导体、半导体和绝缘体。导体的电阻率一般在10-4cm以下，如金、银、铜、铝等金属和合金材料；绝缘体是不易导电的物质，如橡胶、玻璃、陶瓷和塑料等，电阻率一般在109 cm以上；而半导体的电阻率一般在10-4-109cm之间，如锗、硅、砷化镓等。半导体材料又可分为晶体半导体
3、材料、非晶体半导体材料及有机半导体材料。,1.1什么是半导体？,1.2 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）,化学元素周期表,周期表中与半导体相关的部分周期 II II
4、I IV V VI2 B C N3 Al Si P S4 Zn Ga Ge As Se5 Cd In Sn Sb Te6 Hg Pb,1.3 半导体材料结构,半导体材料的原子排列状态：晶体结构和非晶体结构 非晶体（无定形体）指内部质点排列不规则，没有一定结晶外形，没有固定熔点的固体物质 。 晶体指内部质点（原子、分子、离子）在空间有规则地排列成具有整齐外形，并以多面体出现的固体物质。,结构决定性能，性能反映结构,实验证明：在晶体中可找出一个个平行六面体，据六面体几何数据不同，可将晶体分为不同类型 七大晶系 立方、六方、四方、三方、正交、单斜、三斜七种；十四种晶格类型 最常见的是立方晶系中的简单
5、立方、体心立方、面心立方晶格。,食盐NaCl晶体结构(面心立方）,金刚石晶体结构(面心立方）,晶体：长程有序，周期性；非晶体：短程有序,材料结构,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1/4. 密度为2.33 g/cm3.,晶体结构,重要半导体材料的晶体结构,2011年诺贝尔化学奖,以色列人达尼埃尔谢赫特曼以发现准晶体 改变了科学家对固体物质结构的认识 准晶体，或称准结晶体，异于常规晶体。准晶体是一类不具备晶格周期性、却显现长程有序性的固体材料 准晶体在材料中所起的强化作用，相当于“装甲” 准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体,典型半
6、导体材料-硅,晶体硅(14)1.结构特征为长程有序2.呈正四面体排列，每一个硅原子位于正四 面体的顶点，并与另外四个硅原子以共价 键紧密结合。这种结构可以延展得非常庞大，从而形成稳定的晶格结构。3.间接带隙，禁带宽度为1.1eV4.制备方法:单晶：CZ法（直拉法),区熔法（FZ）等 多晶：改良西门子法、硅烷法和流化床法,典型半导体材料-硅,非晶硅(无定形硅,a-Si)1.结构特征为长程无序，短程有序2.晶格网络呈无序排列,部分原子含有悬挂键,这些悬挂键可以被氢所填充，经氢化之后，无 定形硅（a-Si:H)的悬空键密度会显著减小，并足以达到半导体材料的标准。3.在光的照射下，a-Si:H的导电性
7、能将会显著衰退，这种特性被称为S-W效应(Staebler-WronskiEffect).4.直接带隙,禁带宽度1.6-1.8eV5.制备方法:PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition),典型半导体材料-硅,微晶硅 1.由微小晶体和非晶体两相组成的复杂结构2.既具有晶硅的优点，又具有非晶硅的优点3.制备方法：PECVD,F.布洛赫和L.-N.布里渊在解决金属的导电性问题时提 出能带理论：单电子近似理论,现代固体电子技术的理 论基础导体、绝缘体与半导体的导电能力的差别在于它们的能带结构不同的缘故。,1.4 半导体的能带结构,原子的结构 物质由
8、原子组成，原子有一个带正电的原子核和一定数量的绕核运动的带负电的电子组成。原子核的正电荷数与核外电子的电荷数相同。- 硅的原子核有14个正电荷，核周围有14个电子。不同轨道电子离原子核的距离不同，则受和引力也不同，故能量不同。离核近的电子受束缚作用强，具有能量小；而最外层轨道电子受束缚最弱，具有能量大，故容易受外界作用挣脱束缚成为自由电子。这最外层的电子被称为价电子，它对半导体的导电性起重要作用。- 硅原子的最外层有四个原子。,半导体的能带,电子能级 以硅为例，可将每一电子壳层看作一个电子能级。最里层的有2个量子态，其次层有8个量子态，最外层也有8个量子态。硅最外层只有4个电子，故还有4个空量
9、子态。最高的能级则是空的。空量子态或空能级的存在是说明一旦低层电子得到能量就可能跃迁到这些空能级上去。,半导体的能带,晶体能带 由于晶体中原子的电子轨道的交迭和电子的共有化运动，使孤立原子的N个相同能级在晶体中分裂成N能量略有差别的不同能级，从而形成能带。- 各个能带与单个原子的各个能级相对应。能量较低的 能带常被电子填满。凡是被电子填满的能带成为满带。满带中能量最高的，即价电子填满的能带成为价带。- 空带中能量最低的，即离价带最近的能带称为导带。各能带间存在的能带区域称为禁带。- 通常所说的禁带是指导带底与价带顶之间的能量间隔。 它们的能量差称为禁带宽度（Eg）,它反映了使电子从价带激发到导
10、带所需要的能量。,半导体的能带,从能带理论来看，金属的禁带很窄或价带与导带重叠，而绝缘材料的禁带很宽，一般在5 eV以上，而常用的半导体材料的禁带一般在5 eV以下。,导体，如金属的价带与导带之间没有禁带，两者或是重叠，或是价带能级没有被电子填满，而有许多空能级。 因此，即使在常温下，靠热激发也有大量的自由电子参与导电。所以，金属的电阻率很低。（10-4） 半导体与绝缘体的价带与导带之间都有一个禁带。但是半导体的禁带宽度较这窄，随温度升高，价带顶附近的电子容易通过热激发跃迁到导带成为导电电子。其电阻率高于金属，但比绝缘体要小，且随温度升高而减少（10-4109 ） 绝缘体的禁带宽度比半导体宽的
11、多，所以一般情况下，其导带上电子极少，即绝缘体如玻璃、陶瓷、橡胶和塑料等不导电（109 ）,在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。,从能级图上来看，是因为其共有化电子 很易从低能级跃迁到高能级上去。,E,导体,从能级图上来看，是因为满带与空带之间 有一个较宽的禁带（Eg 约36 eV）， 共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。,在外电场的作用下，共有化电子很难 接受外电场的能量，所以形不成电流。,能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（E g 约0.12 eV )。,绝缘体,半导体,绝缘体与半导体的击穿,当外电场非常强时，它们的共有化
12、电子还是 能越过禁带跃迁到上面的空带中的。,绝缘体,半导体,导体,纯硅是半导体。 导电性非常明显的与温度有关 硅原子在外电子层具有四个电子，即本质上决定物理和 化学性能的价电子。 在晶体中每个硅原子通过四个价电子和四个相邻的原子 键合形成结合，即共价键。 由于键合外层电子被固定在相对有序的状态，在晶体中 不能用于传输电荷。在绝对零度附近，即0 K = -273 ， 纯硅是绝缘体。 通过输入能量（如热量，光）电子结合可被破坏，以至于 在较高的温度时电子被释放并在晶体中在一定范围移动， 可在晶体中形成电流,硅,通过用杂质原子，如加入硼或者磷有控制的掺杂， 就可达到改变纯硅导电性的目的。 一个晶体硅
13、片在一面要用磷原子，如以一个磷原子 对一百万个硅原子的比例关系进行掺杂。 磷原子在外电子层有5个电子，在与硅晶体键合仅需 要四个电子。第5个电子是准自由的，在晶体中能够 移动而形成电流。 通过有目的的改变掺杂的浓度，载流子的数目和由此 引起的掺杂硅的导电性将在本质上由晶体中杂质的数 目来确定。因为此时负的(negative)载流子（电子） 移动形成电流，所以用磷或其它的5价原子掺杂的硅 被称为n型硅。,相对类似的硅片的另一面应当用硼来掺杂：硼是3价的原子，在外电子层只有3个电子。硼原子在硅晶格中缺少一个电子与第四个相邻硅原子结合。这个空缺的位子的被称为“空穴”或“缺陷电子”。 一个空穴或缺陷电
14、子的行为与n型导电硅中的多余电子完全类似：它在晶体中移动并形成电流。严格地讲，当然不是空穴移动，而是一个电子从相邻键合处跳到空穴处，而在它原来的位子形成一个空穴。那么这个空穴的运动方向与电子相反，因而空穴被称为正的（positive）载流子。类似地人们称这样掺杂的硅为p型硅。 将p型硅与n型硅结合在一起，形成了所谓的“p-n结”，p-n结附近的电子和空穴的将发生扩散运动：n型区域中的电子向p型区域扩散相对于p型区域的空穴向n型区域扩散。p-n结是半导体器件也是太阳电池的核心，在以下的章节中将会进一步解释。,1.5 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于金属
15、和绝缘体之间的“半导体”，并在提交给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用“半导体”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。 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。 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。,半导体发展历史,1931年剑桥大学理论物理学家A.Wilson发表
16、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。,
