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1、光伏材料与器件,2017.9,上次课回顾,第一节 人类能源的希望所在太阳能 第二节 太阳和太阳辐射 第三节 太阳能资源的分布特点 第四节 光伏发电历史与现状,人类能源利用历史与展望,http:/ 太阳辐射能可直接转换为电能，转换环节最少最直接,太阳和太阳能辐射,光球,色球,第二章 太阳能光伏器件的基本原理,第一节 半导体的基本性质 第二节 半导体p-n结 第三节 太阳电池基础 第四节 影响效率的关键因素,2.1 半导体的基本性质,2.1.1 半导体的结构,自然界物质存在的状态分为液态、气态、固态。固态物质根据它们的质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定熔点的固
2、态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点，加热时在某以温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。,晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同以规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。,硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。,单晶：,原子在整个晶体中排列有序,原子在微米数量级排列有序,多晶：,短程序包含： 1、近邻原子的种类和数目； 2、近邻原子之间的距离（键长）； 3、近邻原子的几何方位（键角）；,原子在原子尺度上排列有序,非晶：,单晶、多晶和非晶体原子排列
3、:,晶体的微观结构:,晶体是原子在三维空间周期性重复排列拓展而成的。原胞为晶体的最小重复单元，按原胞结构的不同构成不同类型的晶体。以立方晶系的原胞为例，有如下种类：,金刚石结构（与硅、锗等半导体类似）,金刚石,10928,共价键,硅晶体的微观结构:,A,B,B,B,B,A,A,A,晶胞,同种原子形成的两类格点相互套构,顶角、面心,体对角线1/4处,1、通过晶格的格点可做许多间距相同而相互平行的平面，为晶面。 2、垂直于晶面的法线方向为晶向。 3、密勒指数（h k l）表示晶面的方向选晶格的三条棱边作为坐标系的坐标轴，求出晶面在每一坐标轴的截距，将这三个截距分别化为晶格常数的倍数，并把它们化成互
4、质的整数，加上圆括号（h k l）即为一个晶面或一族晶面的密勒指数。,（100）,（110）,（111）,晶体的晶面:,2.1.2 半导体的能带,真空中的电子得到的能量值基本是连续的，但在晶体中情况不同。,原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。,一个能级也表示电子的一种运动状态，所以能态、状态与能级的含义相同。图为硅原子的电子能级图。,电子轨道对应的能带,在孤立原子中，电子只能在各允许轨道上运动。晶体中，原子之间
5、距离很近，相邻原子的电子轨道相互重叠、互相影响。与轨道相对应的能级分裂成为能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，称为能带。每层轨道都有一个对应的能带。,电子在每个能带中的分布，一般是先填满能量较低的能级，然后逐步填充能量较高的能级，并且每条能级只允许填充两个具有同样能量的电子。,电子在价带上的分布,内层电子能级所对应的能带，都是被电子填满的。最外层价电子能级所对应的能带，有的被电子填满，有的未被填满，主要取决于晶体种类。硅、锗等半导体晶体的价电子能带全部被电子填满。,允许能态的占有几率:费米能级,低温下（0K），晶体的某一能级以下的所有可能能态都被两个电子占据，该能级称为费米能级（EF）。,
6、接近于0K时，能量低于EF，f(E)基本上是1，能量高于EF，f(E)为零。温度为T时，电子子占据费米能级几率为50%的能级,EF,EF,EF,(a)在金属中,(b)在绝缘体中,(c)在半导体中,导体、绝缘体以及半导体：,电子和空穴：,底层完全被汽车占满，而顶层完全空着，因此没任何可供汽车移动的余地。,其中一辆车从第一层移动到第二层，那么第二层的汽车就能任意自由移动。,2.1.3 半导体的光吸收,31,电磁波谱的范围,吸 收 光 谱,吸收系数 ：光在介质中传播时有衰减，说明介质对光有吸收。用透射法测定光在介质中传播的衰减情况时，发现介质中光的衰减率与光的强度成正比，引入比例系数，即：,其中x是
7、介质的厚度，比例系数的大小和光的强度无关，称为光的吸收系数。对上式积分反映出吸收系数的物理含义是：当光在介质中传播1/距离时，其能量减弱到原来的1/e。,积分得,光在导电介质中传播时具有衰减现象，即产生光的吸收，半导体材料通常能强烈的吸收光能，具有105cm-1的吸收系数。对于半导体材料，自由电子和束缚电子的吸收都很重要。价带电子吸收足够的能量从价带跃迁入导带，是半导体研究中最重要的吸收过程。与原子吸收的分立谱线不同，半导体材料的能带是连续分布的，光吸收表现为连续的吸收带。,光吸收的种类： 本征吸收 激子吸收 晶格振动吸收 杂质吸收 自由载流子吸收 参与光吸收跃迁的电子可涉及以下几类： 价电子
8、 内壳层电子 杂质或缺陷中的束缚电子,价带电子吸收能量大于或等于禁带宽度的光子使电子从价带跃迁入导带的过程被称为本征吸收。 当半导体被光照射后，如果光子的能量等于禁带宽度(即h=Eg)，则半导体会吸收光子而产生电子-空穴对，如(a)所示。若h大于Eg，则除了会产生电子-空穴对之外，多余的能量(h-Eg)将以热的形式耗散，如(b)所示。,本征吸收,以上(a)与(b)的过程皆称为本征跃迁，或称为能带至能带的跃迁。另一方面，若h小于Eg，则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成的能态时，光子才会被吸收，如(c)所示，这种过程称为非本征跃迁。,（2）直接跃迁和直接带隙半导体 参照右图所示的一维E(
9、k)曲线可见，为了满足选择定则，吸收光子只能使处在价带中状态A的电子跃迁到导带中k相同的状态B。A与B在E(k)曲线上位于同一竖直线上，这种跃迁称为直接跃迁。在A到B的直接跃迁中所吸收的光子能量h与图中垂直距离相对应。就是说，和任何一个k值相对应的导带与价带之间的能量差相当的光子都有可能被吸收，而能量最小的光子对应于电子从价带顶到导带底的跃迁，其能量等于禁带宽度Eg。,本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限0Egh。因而，从光吸收谱的测量可以求出禁带宽度Eg。在常用半导体中，III-族的GaAs、InSb及-族等材料，导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢，常称为直接禁带半导体。这种半
10、导体在本征吸收过程中发生电子的直接跃迁。由理论计算可知，在直接跃迁中，如果对于任何k值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子能量的关系为：,（3）间接跃迁与间接带隙半导体：诸如硅和锗的一些半导体材料，导带底和价带顶并不像直接带隙半导体那样具有相同的波矢k。这类半导体称为间接带隙半导体，对这类半导体，任何直接跃迁所吸收的光子能量都应该比其禁带宽度Eg大得多。因此，若只有直接跃迁，这类半导体应不存在与禁带宽度相当的光子吸收。这与实际情况不符。这就意味着在本征吸收中除了有符合选择定则的直接跃迁外，还存在另外一种形式的跃迁，如右图中的OS跃迁。在这种跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格振动交换一定的
11、能量，即放出或吸收一个或多个声子。这时，准能量守恒不再是电子和光子之间所能满足的关系，更主要的参与者应该是声子。这种跃迁被称为非直接跃迁，或称间接跃迁。,总之，半导体材料的光吸收过程中，如果只考虑电子和光子的相互作用，则根据动量守恒要求，只可能发生直接跃迁；但如果还考虑电子与晶格的相互作用，则非直接跃迁也是可能的，这是由于依靠发射或吸收一个声子，使动量守恒原则仍然得到满足。由于间接跃迁的吸收过程一方面依赖于电子和光子的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，因此理论上这是一种二级过程。其发生概率要比直接跃迁小很多。因此，间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。前者一般为111
12、03cm-1数量级，而后者一般为11041106cm-1。,常规半导体的吸收谱线,载流子的运动与传输,载流子的运动形式有两种：漂移运动与扩散运动。,1.漂移运动,载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为漂移电流。,2、扩散运动,半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动称为载流子的扩散运动。,空穴将从浓度高的向浓度低的方向扩散，形成扩散电流IP，浓度差越大，扩散电流越大。,载流子的复合,1.直接复合,导带电子直接跳回价带与空穴复合叫直接复合。,2. 间接复合,电子和空穴通过复合中心复合叫作间接复合。由于半导体中晶体的不完整性和存在有害杂质，在禁带中存在一些深能级，这些
13、能级能俘获自由电子和自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为复合中心。,通常，在自由载流子密度较低时，复合过程主要是通过复合中心进行；在自由载流子密度较高时，复合过程则主要是直接复合。,3. 表面复合,复合过程可发生在半导体内，也可发生在半导体表面。电子和空穴发生于半导体内的复合叫体内复合；电子和空穴发生于靠近半导体表面的一个非常薄的区域内的复合叫作表面复合。,导带,价带,EF,表面陷阱,在硅晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,半导体的掺杂,共价键,族和族掺杂剂,导电能力最终
14、决定于：1. 载流子的多少；,2. 载流子的性质；,3. 载流子的运动速度。,一. 本征半导体,指“纯净”的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。,激发使“电子空穴对”增加，复合使“电子空穴对”减少，一定温度下，这两种过程最终将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的浓度不再发生变化，该浓度统称为“本征载流子浓度” ni。,2.2.1 PN静电学,2.2 半导体p-n结,ni=n0=p0,式中，n0表示热平衡状态下的电子浓度，p0表示热平衡状态下的空穴浓度，在T=300K时，,Si的
15、ni = 1.51010/cm3, Ge的ni = 2.41013/cm3,温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，ni愈大，导电性能也就愈好。,注意： ni的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载 流子浓度仍然极小，所以本征半导体的导电能力是很差的。,杂质半导体,在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称为杂质），其导电性能将大大增强。例如掺入0.0001%杂质，半导体导电能力将提高106倍！,p-n结的形成,吸收光，产生电子空穴对 只有高于带隙能量的光能够被吸收 产生的载流子须具有足够长的寿命 在PN结的作用下，电子空穴分别被两个电极收集,http:/www.pveducation.org/pvcdrom/light-generated-current,2.3 太阳电池基础,太阳电池的能带,太阳电池的结构,前面板（通常为玻璃） 对光的高透过 低反射（镀膜、绒面结构） 良好的防水（汽） 性能稳定（抗紫外辐射） 足够的机械强度，支撑作用 封装材料（常用EVA材料） 使得电池片与前面板和后面板紧密贴合 耐高温和耐紫外辐射,
