第二章-太陽能電池原理課件

1、第二章 太陽能電池原理2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2.2 光生伏特效應(yīng)2.3 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu)2.4 太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試2.5 太陽能電池材料分類2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.1.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)1、原子的能級和晶體的能帶制造半導(dǎo)體器件所用的材料大多是單晶體。單晶體是由靠得很緊密的原子周期性重復(fù)排列而成，相鄰原子間距只有幾個埃的量級。半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型半導(dǎo)體材料金剛石型Si，金剛石，Ge閃鋅礦型GaAs，ZnO，GaN，SiC纖鋅礦型InN，GaN，ZnO，SiCNaCl型PbS，CdO2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)飽和性：一個原子只能形成一定數(shù)目的共價鍵；方向

2、性：原子只能在特定方向上形成共價鍵； 晶體的結(jié)合形式離子性結(jié)合，共價結(jié)合，金屬性結(jié)合和分子結(jié)合（范得瓦爾斯結(jié)合）四種不同的基本形式。 半導(dǎo)體的結(jié)合方式：主要共價鍵 共價鍵特點電子的共有化運動當(dāng)原子相互接近，不同原子的內(nèi)外各電子殼層之間就有一定程度的交疊，相鄰原子最外層交疊最多，內(nèi)殼層交疊較少。原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一原子上，可以由一個原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，因而，電子可以在整個晶體中運動，這種運動稱為電子的共有化運動。電子只能在相似殼層間轉(zhuǎn)移；最外層電子的共有化運動最顯著；2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)當(dāng)N個原子互相靠近形成晶體后，每一個N度簡并的能級都分裂成N個彼

3、此相距很近的能級，這N個能級組成一個能帶，這時電子不再屬于某一個原子而是在晶體中作共有化運動。分裂的每一個能帶都稱為允帶，允帶之間因沒有能級稱為禁帶。N個原子2個原子6個原子2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)原子能級分裂為能帶原子能級能帶允帶禁帶允帶允帶禁帶2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)能帶結(jié)構(gòu)是晶體的普遍屬性價電子的基本特征： 1. 價電子的局域性 2. 價電子的非局域性Bloch定理：uk(r): 與晶格平移周期 一致的周期函數(shù)晶體中價電子可用被周期調(diào)制的自由電子波函數(shù)描述周期函數(shù)反映了電子的局域特性自由電子波函數(shù)反映了電子的非局域特性由于電子波函數(shù)的空間位相有自由電子波函數(shù)一項決定，Bragg衍射同樣發(fā)生能

4、帶必然存在，能帶結(jié)構(gòu)是晶體的必然屬性2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2、金屬、絕緣體和半導(dǎo)體所有固體中均含有大量的電子，但其導(dǎo)電性卻相差很大。固體能夠?qū)щ姡枪腆w中電子在外電場作用下作定向運動的結(jié)果。也就是說，電子與外電場間發(fā)生了能量交換。對于所有能級均被電子所占滿的能帶（滿帶），在外電場作用下，其電子并不形成電流，對導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)。- 滿帶電子不導(dǎo)電。通常原子中的內(nèi)層電子都是占滿滿帶中的能級，因而內(nèi)層電子對導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)。對于被電子部分占滿的能帶（導(dǎo)帶），在外電場作用下，電子可從外電場吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級去，從而形成電流，起導(dǎo)電作用。- 導(dǎo)帶電子有導(dǎo)電能力。2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)Eg 6 eV

5、Eg絕緣體半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶導(dǎo)體根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)，分為：2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)直接帶隙間接帶隙2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)直接帶隙價帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值都位于k空間的原點上。價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時，只要求能量的改變，而電子的準(zhǔn)動量不發(fā)生變化，稱為直接躍遷。直接禁帶半導(dǎo)體：GaAs，GaN，ZnO2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)間接帶隙價帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值不位于k空間的原點上。價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時，不僅要求電子的能量要改變，電子的準(zhǔn)動量也要改變，稱為間接躍遷間接禁帶半導(dǎo)體：Si，Ge2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)金屬半導(dǎo)體功函數(shù) j電子親和勢 c表面能帶彎曲幾個概念：功函數(shù)，電子親和勢，表面能帶彎曲

6、2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.1.2 半導(dǎo)體的電子狀態(tài)和電子分布 孤立原子的電子狀態(tài) 孤立原子的電子只在該原子核的勢場中運動 金屬的電子狀態(tài) 金屬元素的價電子為所有原子（或離子）所共有，可以在整個金屬晶格的范圍內(nèi)自由運動，稱為自由電子。自由電子是在一恒定為零的勢場中運動2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)晶體中的某一個電子是在周期性排列且固定不動的原子核勢場以及其它大量電子的平均勢場中運動大量電子的平均勢場也是周期性變化的，而且它的周期與晶格的周期相同。兩者的共同點在于都有一個恒定的勢場。因而可以先分析自由電子的狀態(tài)，接著再考慮加上一個平均場后的電子狀態(tài) 半導(dǎo)體的電子狀態(tài)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)能帶的準(zhǔn)自由電子物

7、理模型金屬中的準(zhǔn)自由電子（價電子）模型 金屬中的自由電子除去與離子實相互碰撞的瞬間外，無相互作用。電子所受到的勢能函數(shù)為常數(shù)。 電子波函數(shù)仍然為自由電子波函數(shù) 電子受到晶格的散射，當(dāng)電子的波矢落到布里淵區(qū) 邊界時，發(fā)生Bragg衍射自由電子與時間因素?zé)o關(guān)，因而波函數(shù)可以表示為：自由電子所遵守的薛定諤方程為：（1）自由電子的薛定諤方程2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)粒子： 質(zhì)量為m0，速度為波： 波數(shù)為k，頻率為f波粒二象性（2）自由電子的電子狀態(tài)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)f = Aeikxr (x) = |f |2Ek自由電子的電子狀態(tài)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)自由電子E與k的關(guān)系自由電子的能量E與波失k的關(guān)系

8、呈拋物線形狀。波失k可以描述自由電子的運動狀態(tài)不同的k值標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài)波失k的連續(xù)變化，自由電子的能量是連續(xù)能譜，從零到無限大的所有能量值都是允許的。Ek2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)在自由電子的薛定諤方程上再考慮一個周期性勢場晶體中電子所遵守的薛定諤方程為：（2）晶體中的電子狀態(tài)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)周期勢場中的電子：布洛赫理論(h2/2m)2/x2 + U(r)(r) = E(r) U(r+R)=U(r) 周期性勢場中電子的運動描述為：周期勢場為：Bloch定理給出波函數(shù)：k(r) = exp(ikr)u k(r) 其中周期函數(shù) u k(r) 為 uk(r+R)=uk(r) Bloch理論

9、：在周期勢場中的電子波函數(shù)就是平面波函數(shù)和周期函數(shù)的乘積。2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)從原子能級到能帶Bloch理論的求解：電子的能量是K的函數(shù)，這種E和k之間的關(guān)系構(gòu)成了能帶結(jié)構(gòu)。原子中電子的波函數(shù)通常表示成nlmn為主量子數(shù)，值為1，2，3整數(shù)，l為角動量量子數(shù)，代表了電子繞原子核運動軌道的角動量，其數(shù)值為 ，2， 3,m代表了角動量沿Z軸的投影，取值為 0， ， 2 2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)f = Aeikxf = Ae-ikxf + = Aeikx+ Ae-ikxr+ = 4A2cos2(kx)f + = Aeikx- Ae-ikxr+ = 4A2sin2(kx)EkEgResulted fr

10、om r+Resulted from r-p/a2p/a-p/a-2p/a0k(G/2) = (G/2)2時：自由電子波滿足Bragg方程，行波不存在，代之于駐波解，形成能帶晶體中電子的E(k)與K的關(guān)系EkEgResulted from r+Resulted from r-p/a2p/a-p/a-2p/a02.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)電子的有效質(zhì)量一維情況：三維情況：有效質(zhì)量為張量價帶頂附近的有效質(zhì)量量為負(fù)導(dǎo)帶底附近的有效質(zhì)量為正2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)晶體中電子的能量E和波失k的關(guān)系曲線基本和自由電子的關(guān)系曲線一樣，但在 時，能量出現(xiàn)不連續(xù)，形成了一系列的允帶和禁帶。每一個布里淵區(qū)對應(yīng)于一個允帶禁

11、帶出現(xiàn)在 處，即出現(xiàn)在布里淵區(qū)邊界上布里淵區(qū)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1. 最低能量原理 電子在核外排列應(yīng)盡先分布在低能級軌道上, 使整個原子系統(tǒng)能量最低。2. Pauli不相容原理 每個原子軌道中最多容納兩個自旋方式相反的電子。3. Hund 規(guī)則 在能級簡并的軌道上，電子盡可能自旋平行地分占不同的軌道；全充滿、半充滿、全空的狀態(tài)比較穩(wěn)定電子分布原則能帶允帶禁帶允帶允帶禁帶半導(dǎo)體中的電子分布2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)電子和空穴在允帶能級上的分布遵守費米狄拉克分布。能量為E能級電子占據(jù)的幾率為 f(E)稱為費米分布函數(shù)，EF為費米能級費米狄拉克分布2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)在 RT, E EF = 0.0

12、5 eV f(E) = 0.12 E EF = 7.5 eV f(E) = 10 129e指數(shù)分布具有巨大的效果!在不同能級發(fā)現(xiàn)電子（費密子）的幾率為貫穿材料系統(tǒng)的任何變化都 代表了輸入或輸出電子的消耗功。費米狄拉克分布2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 在高溫下，階躍函數(shù)類似 “抹掉”。同溫度相關(guān)的of Fermi-Dirac 函數(shù)如下:費米狄拉克分布2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)金屬 由晶格離子（+）和電子（-）“氣”之間的庫侖吸引構(gòu)成。 金屬鍵允許電子在晶格中自由移動. 小的內(nèi)聚能 (1-4 eV). 高導(dǎo)電率. 吸收 可見光 (非透明, “閃光” 是因為再-發(fā)射). 好的 合金性 (因為無方向性的金屬鍵)

13、.2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)EFEC,V導(dǎo)帶（部分填充）T 0Fermi “分布” 函數(shù)能級都被 “填充”E = 0在T = 0, 所有位于Fermi 能級EF下的能級都被電子填充，所有位于 EF 上的能級都是空的. 在很小的電場作用下，電子可以自由的移動到導(dǎo)帶空能級，導(dǎo)致高的電導(dǎo)率! 當(dāng) T 0, 部分電子可以被熱 “激發(fā)” 到 Fermi 能級以上的能級. 金屬2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)EFECEV導(dǎo)帶(空)價帶(填充)EgapT 0在T = 0, 價帶能級被電子填充 ，導(dǎo)帶空, 導(dǎo)致電導(dǎo)率為零. 費密能級 EF 位于寬緊帶 (2-10eV)中間. 當(dāng)T 0, 通常電子不能從價帶被熱“激發(fā)” 到導(dǎo)

14、帶， 因此導(dǎo)電率為零. 絕緣體2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)EFECEV導(dǎo)帶(部分填充)Valence band(Partially Empty)T 0在T = 0, 價帶能級被電子填充 ，導(dǎo)帶空, 導(dǎo)致電導(dǎo)率為零.費密能級 EF 位于禁帶 中間( 0, 電子可以被熱“激發(fā)”到導(dǎo)帶，產(chǎn)生可測量的電導(dǎo)率. 本征半導(dǎo)體2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.1.3半導(dǎo)體的載流子電子空穴2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)傳導(dǎo)電子價帶導(dǎo)帶禁帶電子 價帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，形成了傳導(dǎo)電子 傳導(dǎo)電子參與導(dǎo)電 電子帶有負(fù)電荷q，還具有負(fù)的有效質(zhì)量2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)價帶導(dǎo)帶禁帶空穴空穴價帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，價帶中就留下了一些

15、空狀態(tài)激發(fā)一個電子到導(dǎo)帶，價帶中就出現(xiàn)一個空狀態(tài)把價帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子，稱為空穴空穴不僅有正電荷q，還具有正的有效質(zhì)量。2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.1.4半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 本征半導(dǎo)體 n型半導(dǎo)體 p型半導(dǎo)體2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體也存在電子和空穴兩種載流子但電子數(shù)目ni和空穴數(shù)目pi一一對應(yīng)，數(shù)量相等，nipi。2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體價帶EF(T= 0K)導(dǎo)帶本征半導(dǎo)體的載流子濃度實際晶體不是理想情況：1. 原子在平衡位置附近振動；2. 半導(dǎo)體材料并不是純凈的，而是含有若干雜質(zhì)； 3.

16、實際的半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)并不是完整無缺的，而是存在著各種缺陷：點缺陷、線缺陷和面缺陷為了控制半導(dǎo)體的性質(zhì)而人為的摻入雜質(zhì)，這些半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5額外的電子硅是化學(xué)周期表中的第IV族元素，每一個硅原子具有四個價電子，硅原子間以共價鍵的方式結(jié)合成晶體。摻入第V族元素P，每一個P原子具有5個價電子，其中四個價電子和周圍的硅原子形成了共價鍵，還剩余一個價電子，形成n型硅。 n 型半導(dǎo)體常用5 價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) n 型半導(dǎo)體導(dǎo)帶價帶Eg空穴電子ED使價電子擺脫P束縛所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)n

17、型半導(dǎo)體中，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即 n0 p0 。電子稱為多數(shù)載流子(多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(少子)。 n 型半導(dǎo)體電子濃度n0和空穴濃度p0有如下關(guān)系：如果摻雜濃度是ND，則：2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)額外的空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3 p 型半導(dǎo)體摻入第III族元素B原子，B具有3個價電子，當(dāng)它和周圍的原子形成了共價鍵時，還缺少一個價電子，必須從別處硅原子中奪取一個價電子，于是在硅晶體的共價鍵中產(chǎn)生了一個空穴。形成p型硅。常用的 3 價雜質(zhì)元素有硼、鎵、銦等2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)導(dǎo)帶價帶Eg空穴電子EA使多余的空穴擺脫負(fù)電中心B的束縛所需能量，稱為受主雜質(zhì)電離能

18、p 型半導(dǎo)體2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) p 型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體中，電子濃度遠(yuǎn)小于自由空穴的濃度，即 n0 p0 。電子稱為多數(shù)載流子(多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(少子)。電子濃度n0和空穴濃度p0有如下關(guān)系：如果摻雜濃度是NA，則：2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)P型和N型硅： P-型 (空穴型) N-型 (電子型)摻雜元素 III族 (E.g. Boron)V族 (e.g. Phosphorous)束縛缺少電子 (空穴)多余電子多數(shù)載流子空穴電子少數(shù)載流子電子空穴2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)雜質(zhì)能級上的電子和空穴分布應(yīng)用Fermi-Dirac分布可以得到：施主能級被電子占據(jù)的概率受主能級被空穴占據(jù)的概率電離施主

19、濃度電離受主濃度ni為本征載流子濃度溫度一定時，兩種載流子濃度乘積等于本征濃度的平方。本征半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體熱平衡條件2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.1.5 半導(dǎo)體的光吸收和載流子產(chǎn)生與復(fù)合半導(dǎo)體的光吸收過程吸收系數(shù)和吸收長度載流子產(chǎn)生和復(fù)合2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)非平衡載流子非平衡載流子的產(chǎn)生： （1）光輻照 （2）電注入2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)非平衡載流子-非平衡載流子的壽命和復(fù)合2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)任何一種物質(zhì)對光波都會或多或少地吸收半導(dǎo)體的光吸收過程2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)一些物質(zhì)的顏色呈白色（人眼），說明它反射了所有可見光一些物質(zhì)的顏色呈黑色（人眼），說明它吸收了所有可見光半導(dǎo)體的光吸

20、收過程2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)ECEtEDEAEVED， EA 和Et分別是施主雜質(zhì)能級，受主雜質(zhì)能級和深雜質(zhì)能級。本征吸收（過程1）：產(chǎn)生電子-空穴對雜質(zhì)吸收（2.3.4.5）：每個過程只能產(chǎn)生一種符號的載流子，或電子，或空穴。載流子吸收（6.7）：使電子或空穴的動能增加晶格振動的吸收：增加晶格的熱運動能等離子體吸收：使全部自由電子或空穴作為一個整體相對于晶體點陣的振動能增加。1半導(dǎo)體的光吸收過程2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)Eph Eg:強(qiáng)烈吸收 導(dǎo)帶價帶Eg空穴電子半導(dǎo)體的光吸收過程本征吸收2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)本征光吸收 光照將價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子 空穴對中光子的能量滿足長波極限 本

21、征吸收邊，發(fā)生本征光吸收的最大光的波長半導(dǎo)體的光吸收過程2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)豎直躍遷 直接帶隙半導(dǎo)體k空間電子吸收光子從價帶頂部 躍遷到導(dǎo)帶底部 狀態(tài)滿足能量守恒滿足準(zhǔn)動量守恒的選擇定則價帶頂部電子的波矢光子的波矢 半導(dǎo)體的光吸收過程2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)伴隨著吸收或者發(fā)出聲子且非豎直躍遷 間接帶隙半導(dǎo)體k空間電子吸收光子從價帶頂部 躍遷到導(dǎo)帶底部 狀態(tài)但要滿足能量守恒 動量守恒半導(dǎo)體的光吸收過程2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)準(zhǔn)動量守恒的選擇定則能量守恒（聲子的準(zhǔn)動量 和電子的準(zhǔn)動量數(shù)量相仿，忽略光子的動量）半導(dǎo)體的光吸收過程非豎直躍遷 間接帶隙半導(dǎo)體2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)非豎直躍遷是一個二級過程，

22、發(fā)生幾率比起豎直躍遷小得多 間接帶隙半導(dǎo)體非豎直躍遷過程中，光子提供電子躍遷所需的能量，聲子提供躍遷所需的動量半導(dǎo)體的光吸收過程非豎直躍遷 間接帶隙半導(dǎo)體2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)導(dǎo)帶價帶Eg激子能帶論中在帶邊產(chǎn)生獨立電子空穴對的激發(fā)能量元激發(fā)不再是形成獨立的電子和空穴對，而是形成電子與空穴的束縛態(tài)（激子），其所需元激發(fā)能量低于Eg.激子半徑很大： 瓦尼爾莫特激子激子半徑很?。?夫倫克耳激子 半導(dǎo)體的光吸收過程激子吸收2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)束縛在雜質(zhì)能級上的電子和空穴，發(fā)生躍遷所引起的光吸收。每個過程只能產(chǎn)生一種符號的載流子，或電子，或空穴。雜質(zhì)吸收導(dǎo)帶價帶Eg半導(dǎo)體的光吸收過程2.1 半導(dǎo)體物理

23、基礎(chǔ)自由載流子吸收和聲子吸收價帶上的空穴或?qū)系碾娮涌梢栽谄渌谀軒У哪芗夐g發(fā)生躍遷，從而產(chǎn)生光吸收。自由載流子的吸收光譜基本上是連續(xù)的，主要集中在長波波段。聲子吸收也稱晶格振動吸收。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上，光子可以轉(zhuǎn)化晶格振動的能量，從而引起光吸收。半導(dǎo)體的光吸收過程2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體的各種吸收機(jī)制對應(yīng)的光子能量是不同的。半導(dǎo)體的光吸收過程2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)任何介質(zhì)的吸收在形式上也可以引入一個復(fù)折射率來描述：則，在介質(zhì)內(nèi)沿z軸方向傳播的平面波的電場可以寫為：則平面波的強(qiáng)度 ：令 則有式中I0是z=0處的光強(qiáng), 為物質(zhì)的吸收系數(shù)。吸收系數(shù)和吸收長度2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)光波的強(qiáng)度（

24、能量）隨著光波進(jìn)入介質(zhì)的距離z的增大按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的快慢取決于物質(zhì)的吸收系數(shù)的大小。吸收系數(shù)小，介質(zhì)足夠薄，類似介質(zhì)對此光波透明。吸收系數(shù)和材料及光波長有關(guān)。半導(dǎo)體材料具有一個陡峭的吸收邊。吸收系數(shù)和吸收長度2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)吸收系數(shù)和吸收長度2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)硅的光吸收系數(shù)吸收系數(shù)和吸收長度2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)吸收系數(shù)決定了光的穿透深度，這個吸收長度等于a-1，也就是光強(qiáng)下降到初始光強(qiáng)36%的長度。 start吸收系數(shù)和吸收長度2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)吸收系數(shù)和吸收長度2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)Solar cellI0,N0表面處光強(qiáng)為I0表面光通量N0=光子數(shù)/單位面積光吸收：載

25、流子產(chǎn)生和復(fù)合2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)載流子產(chǎn)生和復(fù)合導(dǎo)帶價帶Eg空穴電子載流子產(chǎn)生率：2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)太陽光是自然光，是一寬帶。不同波長光所產(chǎn)生的載流子隨入射深度不同。不同光產(chǎn)生的載流子太陽光下產(chǎn)生的載流子載流子產(chǎn)生和復(fù)合2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)載流子產(chǎn)生和復(fù)合帶帶復(fù)合雜質(zhì)能級復(fù)合俄歇復(fù)合2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)導(dǎo)帶價帶Eg空穴電子導(dǎo)帶電子和價帶空穴直接復(fù)合發(fā)射光子。光子能量接近禁帶寬度，吸收很弱，可以躍出半導(dǎo)體。帶帶復(fù)合載流子產(chǎn)生和復(fù)合2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)導(dǎo)帶價帶空穴電子Eg雜質(zhì)能級復(fù)合包含2個過程：導(dǎo)帶電子被雜質(zhì)能級俘獲，放出光子；在雜質(zhì)能級電子熱激發(fā)到導(dǎo)帶前，如果空穴也能被雜質(zhì)能級俘

26、獲，則復(fù)合發(fā)出另一光子。發(fā)生幾率同雜質(zhì)能級位置有關(guān)，如果雜質(zhì)能級靠導(dǎo)帶底太近，則雜質(zhì)能級容易熱激發(fā)回到導(dǎo)帶，而同價帶空穴復(fù)合幾率很小。載流子產(chǎn)生和復(fù)合2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)俄歇復(fù)合導(dǎo)帶價帶空穴電子Eg包含3個載流子。一個電子和空穴復(fù)合，能量傳遞給另一個電子使之躍遷到高能態(tài)，這個電子又熱弛豫到導(dǎo)帶底。在重?fù)诫s或高度激發(fā)下的材料中非常重要。載流子產(chǎn)生和復(fù)合2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)載流子的擴(kuò)散長度在光伏器件中，載流子的擴(kuò)散長度指少子的擴(kuò)散長度指產(chǎn)生到復(fù)合所擴(kuò)散的平均距離。同載流子復(fù)合類型、復(fù)合強(qiáng)度等參數(shù)有關(guān)。對于晶體硅來說，大概是100-300 mm。載流子產(chǎn)生和復(fù)合表面復(fù)合在半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)或缺陷引

27、起的復(fù)合。2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.1.6 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)導(dǎo)帶電子和價帶空穴可認(rèn)為是自由在整個半導(dǎo)體中移動。如果沒有外力，就沒有凈移動距離。2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)載流子的擴(kuò)散：存在濃度梯度。2.1.6 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)電子以非?？斓乃俣冗\動t 時間后，而后碰撞晶體晶格。 導(dǎo)致相對于電場E具有漂移速度vd的一凈運動. 散射時間t隨著溫度的上升而下降，即在高溫下散射更快（導(dǎo)致電阻系數(shù)增大 ）。載流子的漂移在電場下2.1.6 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)宏觀微觀飄移速度 vd 是電子的凈運動 (0.1 to 10-7 m/s). 散射時間 t 是電子和晶格兩次碰撞的

28、時間.2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 金屬: 電阻隨溫度上升而 上升。 為什么? 溫度 t, n 固定 ( # 電子數(shù)為常數(shù)) r 半導(dǎo)體: 電阻隨溫度上升而 下降 。. 為什么? 溫度 t, n (“釋放” 載流子) r2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)當(dāng)T 0，通常電導(dǎo)率可以表示為 ：一個半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 同參與導(dǎo)電的電子和空穴有關(guān)在電場E下，通常表示一種載流子漂移速度的大小為: FEG 結(jié)果:定義 載流子遷移率:(注意: 載流子遷移率同固態(tài)電子器件的響應(yīng)速度相關(guān)。2.1.6 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)重寫寫為:實驗表明 和溫度具有如下關(guān)系: 因此n 和p 同溫度的e指數(shù)關(guān)系占主要部分，可以估計本征

29、電導(dǎo)率為：2.1.6 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)低電場下，電子的漂移速率同所加電壓成正比，比例系數(shù)我們稱之為遷移率。在一定電場下，電子的平均速率就是漂移速率：電流密度根據(jù)遷移率的定義，對于電子有低場下的傳輸2.1.6 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)例題：在砷化鎵中電子的遷移率是8,800 cm2/V-s，計算發(fā)生碰撞的平均時間，并計算兩次碰撞間的距離（平均自由程），平均速度為107 cm/s解：碰撞時間tc由下式得到平均自由程 l等于2.1.6 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)在高電場下，電子變?yōu)闊犭娮樱芰吭黾樱?，飄移速度增大，在高場下，趨 于飽和。高場下的傳輸2.

30、1.6 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)非定形半導(dǎo)體中的傳輸（1）局域態(tài)：電子被俘獲在局部能態(tài)（陷阱） 電子不能在電場下移動，只能靠晶格振動來移動跳躍模式（2）擴(kuò)展態(tài)：電子可以從材料中的一個區(qū)域到達(dá)到另一個區(qū)域。 不需要跳躍，由于晶格的不完整性，存在大量散射，幫助電 子移動。-Si中的局域態(tài)和擴(kuò)展態(tài)，在局域態(tài)中電子的傳輸是跳躍式的，散射幫助電子完成這些跳躍2.1.6 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)特高場下的傳輸電場強(qiáng)度100kV/cm-1，半導(dǎo)體擊穿擊穿：由碰撞離化（或者雪崩擊穿）和帶帶隧穿造成的參與導(dǎo)電的載流子數(shù)目增大碰撞離化帶帶隧穿2.1.6 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.1 半導(dǎo)體物

31、理基礎(chǔ)2.1.7 pn結(jié) pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) pn結(jié)的形成 pn結(jié)的電流-電壓特性2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)結(jié)形成耗盡層的形成復(fù)合電場阻止了進(jìn)一步的擴(kuò)散空間電荷區(qū)（勢壘區(qū)）、空間電荷層p n+ - - - - - - - - 空間電荷區(qū)：電離施主和電離受主所帶電荷存在的區(qū)域。表面空間電荷層：表面與內(nèi)層產(chǎn)生電子授受關(guān)系，在表面附近形成表面空間電荷層。電子耗盡層：空間電荷層中多數(shù)載流子濃度比內(nèi)部少。電子積累層：空間電荷層少數(shù)載流子濃度比內(nèi)部少。反型層：空間電荷層中少數(shù)載流子成為多數(shù)載流子。 pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) EC EfnEVEC Ef pEV-EF qVDqVDx空間電荷區(qū)能帶結(jié)構(gòu)

32、2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1）合金法液體為鋁硅熔融體 ，p型半導(dǎo)體為高濃度鋁的硅薄層 n SiAI n Si液體 n Sip在一塊n型半導(dǎo)體單晶上用適當(dāng)方法（合金法、擴(kuò)散法、生長法、離子注入法等）把p型雜質(zhì)摻入其中。 pn結(jié)的形成2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)合金結(jié)的雜質(zhì)分布：NDNAN(x)xp n單邊突變結(jié)（ P+-n結(jié)）：由兩邊雜質(zhì)濃度相差很大的p、n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)為單邊突變結(jié)。p區(qū)的施主雜質(zhì)濃度為1016cm-3 ,而n區(qū)的雜質(zhì)濃度為1019cm-3 。 pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2）擴(kuò)散法 通過氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝形成p-n結(jié) 。 n SiSiO2 n Si n SiP電子

33、空穴EVEFECEFp-型n-型因為擴(kuò)散, 電子 從 n 擴(kuò)散到 p區(qū) ， 空穴從 p 到 n區(qū)。 pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)NDNA (x)N(x)xp n緩變結(jié)：雜質(zhì)濃度從p 區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的p-n結(jié)為緩變結(jié)。在結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生 耗盡層， 在耗盡層內(nèi)沒有宏觀載流子的運動. 產(chǎn)生了 內(nèi)建電場 (103 to 105 V/cm), 阻擋進(jìn)一步擴(kuò)散。 pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)Reverse BiasForwardBias 電流-電壓 關(guān)系 正向偏壓: 電流e指數(shù)增長. 反向偏壓: 低的漏電流 Io. pn 結(jié)只在一個方向?qū)щ姷默F(xiàn)象被稱為“整流”特性. pn結(jié)的電流-電壓特

34、性2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 一、光生伏特效應(yīng)光電效應(yīng)（Photoelectric effect）：光照射到某些物質(zhì)上，引起 物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能轉(zhuǎn)換成電能。光生伏特效應(yīng)（Photovoltaic effect）：半導(dǎo)體在受到光照射時 產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，即半導(dǎo)體在受到光照射時，由于光生載流子 在不同位置具有不均一性，或者由于p-n結(jié)產(chǎn)生了內(nèi)部載流子，就 會因擴(kuò)散或者漂移效應(yīng)而引起電子和空穴密度分布不均勻，從而 產(chǎn)生電能的現(xiàn)象。光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)2.2光生伏特效應(yīng) 無光照時，處于零偏下的p-n結(jié) 能帶圖（a），有統(tǒng)一的費米能 級，勢壘高度為：

35、 qVD = EFn-Efp = q(VFn+VFp)穩(wěn)定光照、p-n結(jié)處于開路狀態(tài) 時，p-n結(jié)能帶圖（b）。光生 載流子積累出現(xiàn)光電壓，使p-n 結(jié)處于正偏，費米能級發(fā)生分 裂。因p-n結(jié)處于開路狀態(tài)（未 接負(fù)載），故費米能級分裂寬 度等于qVoc，剩余的結(jié)勢壘高度 為q(VD-Voc)。 穩(wěn)定光照、p-n結(jié)處于短路狀態(tài)時， p-n結(jié)能帶圖（c）。原來在p-n結(jié) 兩端積累的光生載流子通過外電路 復(fù)合，光電壓消失，勢壘高度為qVD。 各區(qū)中的光生載流子被內(nèi)建電場分 離，源源不斷地流進(jìn)外電路，形成 短路電流Isc。有光照、有外接負(fù)載時，p-n結(jié)能 帶圖（d）。一部分光電流在負(fù)載 上建立電壓V，

36、另一部分光電流與 p-n結(jié)在電壓V的正向偏壓下形成的 正向電流抵消。費米能級分裂的寬 度正好等于qVD，而這時剩余的結(jié)勢 壘高度為q(VD-V)。二、太陽能電池伏安特性曲線一個pn結(jié)太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示入射光的照射能夠在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，它們將被電場 掃過，從而形成相反方向的光電流IL。則在反偏情況下，pn結(jié)電流為：短路電流：當(dāng)R=0時，即V=0時，pn結(jié)段路 開路電壓：當(dāng)R時，即外電流為零時，所得到的電壓 傳輸?shù)截?fù)載上的功率為： 通過令P的導(dǎo)數(shù)為零，可得負(fù)載上最大功率時的電流電壓值 3、金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu) 在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，半導(dǎo)體器件或者集成電路必須與外電路相連接

37、， 此時必須有金屬與半導(dǎo)體的接觸，簡稱金-半接觸（MS接觸）。 MS接觸可分為兩類： （1）整流接觸，這種接觸稱為肖特基接觸，其電流-電壓（I-V）特 性呈現(xiàn)非線性關(guān)系，具有單方面導(dǎo)電性。 （2）非整流接觸，即歐姆接觸，其I-V特性成線性關(guān)系或以原點為 中心的對稱關(guān)系。整流接觸 肖特基接觸非整流接觸 歐姆接觸一、金屬-半導(dǎo)體接觸（1）金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù) 金屬功函數(shù)m 在絕對零度時，一個電子從金屬元素的費米能級躍遷到真空能級所需要的最小能量。 半導(dǎo)體功函數(shù)s 在絕對零度時，一個電子從半導(dǎo)體的費米能級躍遷到真空能級所需要的最小能量。 電子親合能 一個電子從導(dǎo)帶底逸出到半導(dǎo)體外真空能級所需的最小能

38、量。如何平衡符號的差異？（2）金屬功函數(shù)m半導(dǎo)體（n型）功函數(shù)s接觸前接觸后（3）金屬功函數(shù)m半導(dǎo)體（n型）功函數(shù)s 接觸前接觸后二、載流子輸運機(jī)制 假設(shè)n型半導(dǎo)體在正向偏置下與金屬相接觸，作為載流子的電 子有以下這幾種基本的輸運過程：（1）電子越過勢壘頂部從半導(dǎo)體輸運到金屬中，這種方式又叫作熱電子發(fā)射；（2）電子通過量子力學(xué)的隧穿效應(yīng)越過勢壘到達(dá)金屬中，這是場發(fā)射機(jī)理；（3）在空間電荷區(qū)即勢壘區(qū)的空穴電子復(fù)合；（4）空穴從金屬注入半導(dǎo)體，等效于中性區(qū)的復(fù)合。三、歐姆接觸在半導(dǎo)體器件（包括太陽能電池）的制備過程，常常需要沒有整流 效應(yīng)的金屬-半導(dǎo)體接觸，這種接觸稱為歐姆接觸。實際制備歐姆接觸過

39、程中，重要的三個原則：（1） 利用場發(fā)射機(jī)理，對半導(dǎo)體進(jìn)行重?fù)诫s。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸時，其 間形成的勢壘區(qū)變得非常高，空間電荷區(qū)也很薄，這樣載流子更容易 通過隧穿效應(yīng)進(jìn)行輸運，從而形成歐姆接觸；（2） 利用熱電子發(fā)射機(jī)理，選擇合適的金屬或引入表面態(tài)，讓金屬與半導(dǎo) 體界面間的勢壘足夠小，使載流子輸運更加容易，從而達(dá)到歐姆接觸。（3） 通過把復(fù)合中心引入到金屬半導(dǎo)體界面處，讓電子在空間電荷區(qū)的復(fù) 合遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱電子發(fā)射和場發(fā)射，成為載流子輸運的主要方式，這就 會使接觸電阻大大降低從而使接觸性能大為提高。要獲得滿足實際器件要求的歐姆接觸電極，需要符合以下要求：（1）導(dǎo)電性好，高的導(dǎo)電率或低的方阻，若導(dǎo)

40、電薄膜厚度為600800 nm時，方阻 為0.05 /,則已基本適用于一般電路的應(yīng)用要求；（2）與半導(dǎo)體材料有良好的附著性，導(dǎo)電薄膜的內(nèi)應(yīng)力要小，不易剝落；（3）與各種薄膜元件的接觸電阻應(yīng)盡可能小，不發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)、互擴(kuò)散，或 生成使電路性能惡化的金屬化合物；（4）薄膜表面具有良好的均勻性，與大規(guī)模集成工藝相兼容；（5）熔點高，化學(xué)性能穩(wěn)定，對熱處理溫度有高的穩(wěn)定性；（6）抗電遷移能力強(qiáng)，能承受1-5105 A/cm2的電流密度，不發(fā)生明顯的電遷移；（7）與電路中的元器件相容性好，即導(dǎo)電薄膜與襯底的熱膨脹系數(shù)基本匹配；（8）對所接觸或連接的元器件特性不產(chǎn)生有害影響，等等。四、歐姆接觸比接觸

41、電阻（1）比接觸電阻的定義衡量歐姆接觸性能好壞的一個重要指標(biāo)為比接觸電阻（Specific Contact Resistance），其定義為： 即單位面積金屬/半導(dǎo)體的微分電阻。 式中，J接觸處的電流密度； V接觸處的電壓降。對于低摻雜濃度的金屬/半導(dǎo)體接觸而言，熱電子發(fā)射理論在電流傳導(dǎo)中 占有主要的地位，因此： 式中，k玻爾茲曼常數(shù)；q電子電量 A*有效理查德常數(shù)；T絕對溫度，如果結(jié)有很高的摻雜濃度，則勢壘寬度將變窄，此時隧穿電流成為主要 的傳導(dǎo)電流，高摻雜濃度下的比接觸電阻可表示為： 上式表明，在隧穿范圍內(nèi)比接觸電阻與雜質(zhì)濃度強(qiáng)烈相關(guān)，并且以 為因子成指數(shù)變化。（2）常用的比接觸電阻測量方

42、法根據(jù)樣品的不同結(jié)構(gòu)，歐姆接觸電阻的測量大致可分為兩類： A. 在體材料上制備歐姆接觸圖形進(jìn)行測試 B. 在薄層材料上制備歐姆接觸圖形進(jìn)行測量體材料歐姆接觸電阻的測量主要用四探針法。測量薄層材料比接觸電阻（歐姆接觸電阻率）的方法很多， 如：Kuphal結(jié)構(gòu)、二終端接觸電阻法、線性傳輸線方法（Linear Transmission Line Method, LTLM）和環(huán)形傳輸線方法（Circular Transmission Line Method, CTLM）等。 主要且最常用的方法有兩種：即線性傳輸線方法和環(huán)形傳輸線方法。Schl. of Optoelectronic Inform. “光

43、電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室. （3）線性傳輸線方法（Linear Transmission Line Method, LTLM）LTLM以其理論成熟、測試方便而且可以比較準(zhǔn)確的求出金屬-半導(dǎo) 體接觸的比接觸電阻和半導(dǎo)體的面電阻等優(yōu)點，成為目前普遍采用 的測試方法。LTLM模型的測試樣品圖形在兩不同間距dn的長方形接觸間通電流或電壓，求得總電阻RT： 式中， Rs兩電極之間的半導(dǎo)體的電阻 Rc 接觸電阻 Z電極寬度 式中，s 半導(dǎo)體材料的薄層電阻 LT 傳輸長度，其值為 當(dāng) L1.5LT 時，c

44、oth (L/LT)趨近于1，于是 可以看出：總電阻 RT和測量電極的間隔長度d 變化成直線關(guān)系，s可以 從直線的斜率得到，LT可以從直線的截距求得 從上式可以看出：c取決于s和 LT，s與材料本身的摻雜濃度有關(guān)，而 LT與金屬-半導(dǎo)體的接觸質(zhì)量有關(guān)。 熱處理對a-Si:H/Al-Si比接觸電阻的影響 沉積態(tài)樣品不同電極間距I-V曲線（蒸鍍Al）HF去除氧化層后I-V曲線（蒸鍍Al）退火400 后I-V曲線（蒸鍍Al）去氧化層且400 退火后I-V曲線（蒸鍍Al）濺射Al電極退火前I-V曲線 濺射Al電極退火后I-V曲線1% P摻雜樣品d=300 m I-V圖（濺射NiCr）5% P摻雜樣品d

45、=200 m I-V圖（濺射NiCr）沉積態(tài)樣品電阻RT隨d變化擬合直線200 電阻RT隨d變化擬合直線 300 電阻RT隨d變化擬合直線左圖擬合直線的局部放大TLMNo.R12()R23()R34()R45()R56()Rs(/sq)Rc()LT(cm)c(cm2)A10.46E60.890E61.73E63.23E64.20E63.19E62.96E41.39E-36.17B10.447E60.855E61.69E63.01E64.08E63.06E62.75E41.34E-35.52C10.47E60.910E61.84E63.31E64.31E63.27E63.78E41.73E-39

46、.80Average0.459E60.885E61.75E63.18E64.196E63.17E63.13E41.48E-36.95300 退火樣品實際測量結(jié)果 未摻雜（n-）和重?fù)诫s（n+） a-Si:H薄膜電阻與比接觸a-Si:H薄膜與各金屬之間的比接觸電阻 電阻之間的變化關(guān)系A(chǔ)l/Ti/a-Si:H退火前I-V曲線Al/Ti/a-Si:H退火后I-V曲線退火前Al/Ti/a-Si:H RT隨d變化擬合直線退火后Al/Ti/a-Si:H RT隨d變化擬合直線TLMNo.R12()R23()R34()R45()R56()c(cm2)退火后2.94E63.31E63.86E64.18E64.6

47、8E626.2退火前1.43E61.73E62.02E62.37E62.72E69.11Al/Ti/a-Si:H不同電極之間電阻值五、MIS結(jié)構(gòu) 如果在金屬和半導(dǎo)體之間插入一層絕緣層，就形成了金屬-絕 緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即MIS結(jié)構(gòu)。MIS結(jié)構(gòu)是集成電路CMOS器件的 核心單元，新型太陽能電池也常常利用這個結(jié)構(gòu)。MIS結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)MIS結(jié)構(gòu)加上外加電壓時，隨著外加電場和空間電荷區(qū)的變化，會 出現(xiàn)多數(shù)載流子堆積、多數(shù)載流子耗盡和少數(shù)載流子反型三種情況。 p型半導(dǎo)體在多數(shù)載流子堆積、多數(shù)載流子耗盡和少數(shù)載流子反型時的能帶圖 （1）多數(shù)載流子堆積 在MIS結(jié)構(gòu)的金屬一端接負(fù)極時，表面電勢為負(fù)值，導(dǎo)

48、致能帶在半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)自體內(nèi)向表面逐漸上升彎曲，在表面處價帶頂接近或超過費米能級，如圖（a）所示。 能帶的彎曲導(dǎo)致在半導(dǎo)體表面多數(shù)載流子空穴濃度的增加，導(dǎo)致空穴堆積，而在空間電荷區(qū)半導(dǎo)體體內(nèi)部分出現(xiàn)電離正電荷。（2）多數(shù)載流子耗盡 在MIS結(jié)構(gòu)的金屬一端接正極時，表面電勢為正值，導(dǎo)致能帶在半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)自體內(nèi)向表面逐漸下降彎曲，在表面處價帶頂遠(yuǎn)離費米能級，如圖（b）所示。能帶的彎曲導(dǎo)致在半導(dǎo)體表面多數(shù)載流子空穴濃度的大幅度減小，形成載流子的耗盡層。（3）少數(shù)載流子反型 在MIS結(jié)構(gòu)的金屬一端接正極時，且外加電壓很大，導(dǎo)致能帶下降彎曲的程度增加，表面處導(dǎo)帶底逐漸接近或達(dá)到費米能級，如

49、圖（c）所示。此時，半導(dǎo)體表面處的少數(shù)載流子電子的濃度要高于空穴的濃度，形成與半導(dǎo)體體內(nèi)導(dǎo)電類型相反的一層反型層。而在反型層與體內(nèi)之間還夾雜一層多數(shù)載流子的耗盡層。4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu) pn節(jié)太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)示意圖 4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu)4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu)4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu)4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu)4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu)4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu)4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu)4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu)4、

50、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu)4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu)4、太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4.1 電池結(jié)構(gòu) 染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖 4.2 輻照度測試為對測試結(jié)果進(jìn)行比較，提出了標(biāo)準(zhǔn)輻照條件（standard reporting condition，SRC），也叫標(biāo)準(zhǔn)測試條件（standard test condition， STC）。它由太陽能電池的溫度、總輻照度和光譜分布組成，即在這些 條件下，對太陽能電池的性能進(jìn)行測量或校正到標(biāo)準(zhǔn)條件下。應(yīng)用相對光譜輻照度 溫度/空間低軌ASTM E 4901366.128地面總輻照（非聚光條件）IEC 60904-3或AST

51、M G 159100025標(biāo)準(zhǔn)測試條件4.3 太陽光模擬和測試儀器把電池安裝在光源下，改變負(fù)載大小，電池的工作點也會隨之變化，通 過采集電流和電壓點就能得到伏安特性曲線。通常整個測試過程最好由計算機(jī)自動控制。測試電池采用4線制（Kelvin）連接法，這樣能避免因?qū)Ь€引入串聯(lián)電 阻造成的影響。任何光源（如氙燈光源或自然光），都存在空間不均勻性、時間不穩(wěn)定 性、光譜時刻變化和光照時間受限的問題?？紤]到以上制約因素，上圖中列出了I-V特性測試所需的設(shè)備。電壓可用商業(yè)使用的電壓表或高速模數(shù)轉(zhuǎn)換卡測量，同時這些設(shè)備也可 與4線電阻的引線連接用來測量電流。在測量大電流時，如測量電池方陣，使用磁性電流探針比

52、較方便，可變 負(fù)載的使用就跟可變電阻一樣簡單，但是可變負(fù)載不能工作在I-V曲線 的功率象限以外的部分。另外用可編程雙極電源可使電池工作在Voc和Isc以外的部分。4.4 溫度影響及控制光照條件下，太陽能電池的I-V特性曲線與溫度成直接函數(shù)關(guān)系， 所以測試其性能時必須考慮溫度的影響。一般在高溫時，當(dāng)半導(dǎo)體的能帶隙漂移到較長波長時，Isc基本不 受溫度的影響，而Voc和Pmax會隨溫度的升高迅速發(fā)生變化。正是 因為Voc和Pmax對溫度有很強(qiáng)的依存性，所以在SRC條件下都使用固 定的溫度值。4.5 多結(jié)太陽能電池多結(jié)太陽能電池由幾個單獨的半導(dǎo)體結(jié)（又稱子電池）堆疊起來，串 聯(lián)組成，這樣能獲得更高的性能，通常又叫疊層電池。缺點與問題：對于疊層電池，由于Isc和填充因子FF都是入射光譜的函 數(shù)，所以確定電池在SRC時的性能就變得更為復(fù)雜了。而且因為所有 子電池都串聯(lián)在一起的，所以同樣的電流必須流經(jīng)每一塊電池，這樣 輸出電流通常都會受限于產(chǎn)生最小電流的結(jié)（又稱限制子電池）。當(dāng) 每個子電池都產(chǎn)生同樣大小的電流時，就會