太阳能电池(硅)工作原理62

太阳能电池（硅）工作原理张立强2009.5.12太阳能电池（硅）工作原理1.太阳能电池分类2.半导体及其主要特征3.半导体物理有关概念4.本证半导体5.杂质半导体6.PN结7.太阳能电池原理1.太阳能电池分类按照结构分类：同质结太阳能电池：同一半导体材料异质结太阳能电池：不同半导体材料肖特基太阳能电池：金属与半导体界面肖特基势垒多结太阳能电池：多个pn结，复合半导体电池液结太阳能电池：电解液和半导体按照材料分类：硅太阳能电池：单晶硅、多晶硅、化合物半导体太阳能电池：具有半导体特性的化合物，砷化镓、硫化镉有机半导体太阳能电池：含有一定数量炭-炭键的半导体材料做成的电池，如萘、、芳烃-卤素络合物、高聚物等薄膜太阳能电池：用单质、无机物、有机物等材料制作的薄膜作为机体材料的太阳能电池，如非晶硅薄膜、单晶硅薄膜、纳米晶薄膜太阳能电池2半导体及其主要特征在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。导体：导电能力强，电阻率10-8~10-6Ω·m，如金银铜铁等绝缘体：导电能力弱或基本不导电，电阻率108~1020Ω·m，橡胶、塑料、木材、玻璃半导体：导电能力居中，电阻率10-5~107Ω·m，锗、硅、砷化镓等典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。2.1材料分类2.2半导体特性导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。(1)热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。(2)光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。例如：锗的温度从200℃升到300℃，电阻率下降一半纯硅中掺杂百万分之一的硼，电阻率2140降至0.0042.3半导体的晶体结构晶体：具有明确熔点的物质非晶体：无明确熔点，加热时逐渐软化所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或晶体格子，简称为晶格。单晶体：整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体多晶体：整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体组成的晶体2.4晶体原子组成硅的原子序数为14，即其原子核周围有14个电子，这些电子按照轨道层层分布：典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。sisi硅原子Ge锗原子Ge硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。+14284Ge+3228184+43半导体物理有关概念3.1能级和能带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一种元素的化学性质和物理性质是由其原子结构决定的，其中外层电子的数目起着最为重要的作用。习惯上把外层电子称为价电子，一个原子有几个外层电子就称它为几价。硅（Si）是第四族元素，称为４价元素；硼（B）、铝、镓、铟为３价元素；氮、磷（P）、砷为５价元素。原子和原子的结合，主要靠外层的互相交合以及价电子运动的变化。电子在原子核周围转动时，每一层轨道上的电子都有确定的能量，最里层的轨道相应于最低的能量，第二层轨道具有较大的能量，越是外层的电子受原子核的束缚越弱而能量越大。晶体中，原子电场相互叠加，轨道对应的能级由单个能级变为能量接近但又不同的能级，称为能带。外层：能带宽有的填满内层：能带窄被电子填满3.2禁带、价带、导带禁带：两个能带之间的区域，不能被电子占据导带：未被电子填满的能带或空带，是导电的主因价带：又称满带，内层被电子填满的能带，每个能级上都有两个电子，即使有外加电场也不能由低能级到高能级，不能参与导电。金属：无禁带，导带和价带重合，即使温度0K，照样导电半导体：禁带宽度零点几eV到4eV之间，0K时，电子充满价带，导带为空，不导电，温度升高后电子从价带跳到导带，可以导电绝缘体：禁带宽度5~10eV，难以激发电子本征半导体的共价键结构束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。4.本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：310cm104.1锗：313cm105.2自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对自由电子带负电荷电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制5.杂质半导体为了获得特殊性能的材料，需要人为将杂质加到半导体中，这个过程叫掺杂。通过扩散或离子注入完成。材料的性能取决于杂质种类和数量5.1.N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。多余电子磷原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5电子数远大于空穴数目，导电主要由自由电子决定导电方向与电场方向相反的半导体，称N型半导体（Negitive）少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对多数载流子——电子在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对5.2P型半导体杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关5.3载流子在半导体的导电过程中，运载电流的粒子，可以是带负电荷的电子，也可以是带正电荷的空穴，这些电子或空穴叫做载流子半导体的导电性能与载流子的数目有关。单位体积的载流子数目，叫做载流子浓度。半导体的载流子浓度随其中杂质的含量和外界条件（如加热、光照等）而显著变化。在本征半导体中，电子和空穴的浓度是相等的。在含有杂质和晶格缺陷的半导体中，电子和空穴的浓度则不相等。占多数的载流子叫多数载流子，简称多子占少数的载流子叫少数载流子，简称少子载流子产生和复合半导体中由于晶格的热运动，电子不断从价带被激发到导带，形成一对电子和空穴，这就是载流子产生在不存在外电场时，在运动中电子和空穴常常碰在一起，即电子跳到空穴的位置上把空穴填补掉-载流子复合在一定的温度下，半导体内电子和空穴不断产生和复合没有外表的光和电的影响，单位时间内产生和复合的电子与空穴即达到相对平衡，称为平衡载流子在这种情况下，电子浓度和空穴浓度的乘积等于本征半导体载流子浓度。对于每种材料，本征半导体载流子浓度取决于温度。只要温度一定，则电子浓度和空穴浓度的乘积即是一个与掺杂无关的常数。载流子注入外界条件下，如光照，半导体中电子和空穴的产生率大于复合率，产生非平衡载流子，这一过程称为载流子注入光注入：光照产生电注入：电学方法低注入——注入的非平衡载流子浓度原低于平衡载流子浓度高注入——注入的非平衡载流子浓度相当于平衡载流子浓度太阳能电池：一般为低注入强辐照条件下（100倍阳光）下工作的聚光太阳能电池为高注入载流子输运电子和空穴发生地净位移，叫载流子的输运两种输运方式：漂移运动和扩散运动漂移运动：外加电场作用下，载流子热运动将叠加一个附加速度，称为漂移速度电子：漂移速度与电场反向空穴：漂移速度与电场同向扩散运动：微粒的热运动产生的物质迁移现象称为扩散主要由浓度差引起，从浓度高处向浓度低处扩散，直到相同，浓度差越大、微粒质量愈小、温度愈高，扩散速度越快半导体中载流子因浓度不均匀而引起的从浓度高处向浓度低处的迁移运动称为扩散运动•本征半导体、杂质半导体本节中的有关概念•自由电子、空穴•N型半导体、P型半导体•多数载流子、少数载流子•施主杂质、受主杂质6.PN结p-n结：一块半导体上，通过特殊工艺，使一部分呈p型，一部分呈n型，则p型和n型界面附近区域称为p-n结同质结：同一半导体材料上形成异质结：不同半导体材料上形成生成工艺：成长、合金、外延、注入p-n结：单向导电性是太阳能电池的核心，是其赖以工作的基础内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层6.1.PN结的形成少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+－+－N型半导体+++++－++－－++－+－－－－－－内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒UO硅0.5V锗0.1V6.2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场E正向电流(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IR+－－－+－－内电场++－++－E+－EW－－+－空间电荷区+－R+++IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。7.太阳能电池原理原理：半导体pn结的光生伏打效应物体受阳光照射时，体内电荷分布发生变化而产生电势和电流的效应气体、液体、固体中均可产生固体中，尤其是半导体中，光能转变为电能的效率最高。半导体电池发电过程：吸收太阳光，照射在太阳能电池表面太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发非平衡载流子（电子-空穴对）光生载流子在pn结内部电场的作用下，电子-空穴对被分离Pn结两端引出电极，接上负载，有电流通过，获得功率。太阳能——电能电势的建立小结1.半导体材料中有两种载流子：电子和空穴，电子带负电，空穴带正电2.载流子有两种运动方式：扩散运动和漂移运动。3.本征激发使半导体中产生电子-空穴对，但它们的数目很少，并与温度有密切关系。4.在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。5.采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。6.PN结内形成内建势垒电场7.PN结内光生载流子在势垒电场的作用下被分在两侧，形成电势太阳能热利用的方式以及发展趋势太阳能利用的新方式及展望