太陽能電池 工作原理、技術和系統(tǒng)應用的課件 太陽能電池課件 新南威爾士大學

太陽能電池工作原理、技術及應用課件一、課程內(nèi)容簡介與教學目的（一）內(nèi)容簡介太陽能電池概論是能源化學工程專業(yè)的選修課程，通過本課程的學習，使學生能夠在掌握半導體材料的各項性質(zhì)的基礎上，重點掌握太陽能電池基本工作原理、設計和工藝方面的基礎知識，對太陽能電池有全面的認識，為學生畢業(yè)后從事光電子及其相關學科的工作和學習奠定扎實的理論基礎，主要包括以下內(nèi)容：（二）課程要求：本課程要求學生上課不遲到、不早退、不曠課，請假需要有正規(guī)假條；能夠按照要求認真完成作業(yè)。課程教學中提倡學生積極參與。二、成績考核成績考核由以下部分組成：（一）平時成績：出勤及課堂表現(xiàn)（20%）、作業(yè)（10%）。（二）期末考試成績：考試（70%），采用百分制。（三）最終成績=平時成績（30%）+期末考試成績（70%）。（一）教材MartinA.Green，《太陽能電池工作原理、技術和系統(tǒng)應用》，上海交通大學出版社，2010年。（二）參考資料施鈺川

主編，《太陽能原理與技術》，西安交通大學出版社，2009年；熊紹珍

等主編，《太陽電池基礎與應用》，科學出版社，2009年；錢伯章

主編，《太陽能技術與應用/新能源技術叢書》，科學出版社，2010年；趙雨等

主編，《太陽能電池技術及應用》，中國鐵道出版社，2013年。三、教材及參考資料

第一章

太陽能電池和太陽光主要內(nèi)容1.1引言1.2太陽能電池工作原理及發(fā)展概況1.3陽光的物理來源1.4太陽常數(shù)1.5地球表面的日照強度1.6太陽的視運動1.1引言預計2040年太陽能電池占25%太陽能電池風力生物質(zhì)能水力20012010202020302040基本工作原理：光伏效應（Photovoltaiceffect）太陽能電能半導體材料太陽能電池1.2太陽能電池工作原理及發(fā)展概況1.2.1太陽能電池工作原理光伏效應：光照使不均勻半導體不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象（P-N結(jié)）。光吸收：光照射到物體上，有一部分會被物體吸收，如果入射光的能量為I0，則在距離物體表面x處的光的能量為：I=I0e-ax半導體對光的吸收？價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差半導體的能帶結(jié)構導帶價帶Eg帶隙每個原子的價電子分別與相鄰的四個原子的價電子組成共價鍵，在空間形成排列有序的單晶體結(jié)構純凈的單晶半導體稱為本征半導體。本征半導體不均勻半導體（P-N結(jié)）？？價電子（熱激發(fā)）自由電子-空穴對復合平衡本征半導體中本征半導體在外電場作用下，電子的定向移動形成電流++++++++--------在外電場作用下，空穴的定向移動形成電流++++++++--------(1)在半導體中有兩種載流子a.電阻率大(2)本征半導體的特點b.導電性能隨溫度變化大帶正電的空穴帶負電的自由電子本征半導體本征半導體缺點

1、電子濃度=空穴濃度；

2、載流子少，導電性差，溫度穩(wěn)定性差！

不適宜制造半導體器件，通常要摻入一些雜質(zhì)來提高導電能力。此外，產(chǎn)生電子-空穴對后，由于導電性差和缺乏將電子-空穴繼續(xù)分開的能量，電子-空穴會很快復合，不實用。本征半導體一般不能在半導體器件中直接使用雜質(zhì)半導體n型半導體SiSiSiSiSiSiSiP

圖中摻入的五價P原子在晶體中替代Si的位置，構成與Si相同的四電子結(jié)構，多出的一個電子在雜質(zhì)離子的電場范圍內(nèi)運動。雜質(zhì)半導體磷原子硅原子SiPSiSi多余電子（1）N型半導體形成：本征半導體中摻入五價雜質(zhì)原子，如磷（P）。載流子：自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。簡化圖

雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體(2)P型半導體四價的本征半導體Si、Ge等，摻入少量三價的雜質(zhì)元素(如B、Ga、In等)形成空穴型半導體，也稱p型半導體。SiSiSiSiSiSiSi+B

圖中在硅晶體中摻入少量的硼，晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原子形成共價鍵時產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。P型半導體形成：本征半導體中摻入三價雜質(zhì)原子，如硼（B）等。載流子：空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。簡化圖

（a）結(jié)構示意圖圖1-5P型半導體的結(jié)構雜質(zhì)半導體P-N結(jié)的形成在半導體內(nèi)，由于摻雜的不同，使部分區(qū)域是n型，另一部分區(qū)域是p型，它們交界處的結(jié)構稱為P-N結(jié)(P-Njunction)。在交界面，由于兩種載流子的濃度差，出現(xiàn)擴散運動。PN在交界面，由于擴散運動，經(jīng)過復合,出現(xiàn)空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)耗盡層PNP-N結(jié)的形成過程P-N結(jié)當擴散電流等于漂移電流時，達到動態(tài)平衡，形成P-N結(jié)。P-N結(jié)的形成過程不均勻半導體形成NP由于Ｎ區(qū)的電子向P區(qū)擴散，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，在p型半導體和n型半導體的交界面附近產(chǎn)生了一個由np的電場，稱為內(nèi)建場。

當P型半導體和N型半導體結(jié)合在一起，形成P-N結(jié)時，由于多數(shù)載流子的擴散，形成了空間電荷區(qū)，并形成一個不斷增強的從N型半導體指向P型半導體的內(nèi)建電場，導致多數(shù)載流子反向漂移。達到平衡后，擴散產(chǎn)生的電流和漂移產(chǎn)生的電流相等。光生伏特效應當光照在P-N結(jié)上，而且光能大于P-N結(jié)的禁帶寬度（帶隙），則在P-N結(jié)附近將產(chǎn)生電子-空穴對。由于內(nèi)建電場的存在，產(chǎn)生的非平衡載流子將向空間電荷區(qū)兩端漂移，產(chǎn)生光生電勢（電壓），破壞了原來的平衡。這時如果將P-N結(jié)與外電路相連，則電路中出現(xiàn)電流，稱為光生伏特現(xiàn)象或光生伏特效應。太陽能電池工作原理：由光照射，基于光生伏特效應，使p-n結(jié)產(chǎn)生電動勢，使之形成電壓。將電池與一個負載連接起來，就會形成電流回路。1.2.2太陽能電池發(fā)展概況20世紀50年代

第一個實用的光伏器件（硅電池）60年代

應用于空間技術70年代

石油危機推動光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展

80年代

發(fā)電效率不斷提高（新工藝）1839年，貝克勒爾首先發(fā)現(xiàn)光伏效應法國物理學家EdmondBecquerel（貝克勒爾）于1839首先觀察到，把光照到浸在電解液中且覆有感光材料AgCl的電極上產(chǎn)生光致電壓，進而檢測到電流，這就是光伏效應，當時他僅19歲。1877年，Adams和Day研究了玻璃硒的光伏效應。將鉑作為電極被放置在透明硒的兩端，只需光照就能使玻璃狀的硒產(chǎn)生電流。這是首次全部利用固體來演示光電效應的試驗。他們認為光照使得硒條的表明結(jié)晶化了。

1883年美國科學家CharlesFritts（弗里茨）制造了第一個太陽能電池。他用兩種不同材料的金屬板來壓制融化的硒，硒與其中一塊板（如黃銅）僅僅黏住，形成薄片。然后再將金箔壓在硒薄片的另一面，于是，歷史上第一塊光伏器件就制成了。這個薄膜器件有30cm2大，當時轉(zhuǎn)換效率僅1%。他也是第一個認識到光伏器件有巨大潛力的人。他知道光伏器件制作成本低，并且如果不是馬上使用產(chǎn)生的電流，可以用蓄電池儲存起來，或者傳送到另外一個地方。1927年，人們研究在銅Cu表面生長氧化亞銅Cu2O層的光伏效應時，發(fā)現(xiàn)了銅-氧化亞銅交界處的整流效應。提出了利用金屬銅及半導體氧化亞銅接合所形成的太陽能電池，促進了大面積光電池的發(fā)展。

這是基于銅-氧化亞銅結(jié)的早期光電池的簡單結(jié)構圖。一圈圈的鉛線作為電極連接在電池接收光的表面。后來改為在表面濺射金屬層，然后移走一部分，形成由金屬線構成的網(wǎng)格。1939年，Nix發(fā)明鉈-硫化物光電池。下圖展示了由硒、鉈-硫化物和Cu-Cu2O共同組成的電池。硒制電池及氧化銅電池被應用在一些對光線敏感的儀器上，如亮度計、照相機的曝光計等。但這些早期電池的太陽能轉(zhuǎn)換效率都在1%以下。1941年Ohl展示了一種基于天然p-n結(jié)的光伏器件。硅鑄錠中，雜質(zhì)在熔融時分離形成天然的p-n結(jié)。切割硅錠便可制備太陽能電池。1946年Ohl研發(fā)出了硅制太陽能電池。早期太陽能電池結(jié)構示意圖1954年貝爾實驗室的三位科學家發(fā)現(xiàn)，在硅中摻雜一些雜質(zhì)后，硅對光更加敏感。他們共同研制出了第一塊現(xiàn)代太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率達到6%。這是太陽能電池發(fā)展史上一個重要里程碑，為人造衛(wèi)星提供了可貴的能源。利用擴散方式制備的單晶硅p-n結(jié)太陽能電池的發(fā)展411957年和1958年，蘇聯(lián)與美國相繼發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星。20世紀60年代，用在人造衛(wèi)星上的太陽能電池都是采用類似的結(jié)構。這樣的結(jié)構沿用了10年以上。1973年，第一次石油危機后，太陽能應用轉(zhuǎn)移到一般民用，如手表、小型計算器。這些設備通常是利用太陽能給鎳鎘電池充電。1974年Haynos在硅結(jié)晶面蝕刻出許多類似金字塔的幾何形狀，可以有效地降低太陽光反射，轉(zhuǎn)換效率達到17%。1976年出現(xiàn)第一塊多晶硅太陽能電池。1985年，在太陽能電池表面做出微溝槽的PESC(鈍化發(fā)射區(qū)Passivationemittersolarcells)型太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率超過20%。德國弗賴堡1990年以后，太陽能電池發(fā)電與民用發(fā)電相結(jié)合。德國是世界上太陽能電池最普及的國家，其次是日本和美國。中國是太陽能電池生產(chǎn)大國。2009年3月，中國宣布了太陽能補貼計劃。繼美國之后，2012年9月，歐盟對中國發(fā)起光伏反傾銷。2013年6月14日，日本太陽能電池龍頭廠夏普(Sharp)宣布已采用聚光三結(jié)化合物研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高達44.4%的太陽能電池。目前商用的太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率不足25%。中國尚德的電池片早在2012年3月12日就宣布通過采用其專利Pluto(冥王星)技術已將多晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率提升至20.3%?，F(xiàn)在應該更高了。2013年中電光伏單晶電池轉(zhuǎn)換率達到20.26%，刷新紀錄。1.3陽光的物理來源光是一種電磁波，具有波粒二象性熱物體發(fā)出的電磁輻射，光譜或波長與物體的溫度有關。光子的能量光子的能量：h為普朗克常數(shù)，f為頻率，c為光速，λ為真空中的波長。光的能量與波長成反比。能量的單位：電子伏特（eV）能量與波長的關系：其中λ的單位為nm491.4太陽常數(shù)-太陽光內(nèi)核：核聚變反應氫離子層：強烈吸收輻射光球?qū)?，溫?000K熱對流太陽是一個充滿氣體的熱球地球輻射GlassprismlowenergyphotonsHighenergyphotons黑體與光照度許多常見的光源如太陽和白熾燈都是相似的黑體模型。一個黑體能夠吸收所有入射到它表面的電磁波，并基于溫度的不同輻射出不同的電磁波。黑體：式中，λ是光的波長，T分別為黑體的溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)。F的單位為W/(m2μm)

，W/m2指的是波長為λ（μm）光的光強（功率密度）。黑體發(fā)射的電磁輻射的輻射功率F（光照度）與波長的關系公式由普朗克輻射定律給出：光照度：不同溫度下，黑體的光照度與波長的關系溫度波長豐富波峰移動光照度增加總的功率強度黑體發(fā)出的總的功率強度（單位W/m2）為：式中σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，T為黑體溫度(K)。σ=5.67×10-8W·m-2·K-4峰值波長λp54峰值波長λp是光照度最高時對應的波長。該波長的光輻射出的能量最高。將光照度方程對λ進行求導，導數(shù)為零處的波長就是峰值波長λp。這就是Wien定律，對應方程為：太陽的表面輻射功率強度Isun相當于6000K（5762K±50K）黑體的輻射強度，其總的功率等于Isun乘于太陽表面積4πR2，R為太陽的半徑。越遠離太陽表面，太陽總的功率強度就被擴散到越大的表面。

隨著太空中物體與太陽距離D的增加，照射到表面的太陽光強減小。太陽光照射在距離D處的球面面積為4πD2，入射到物體的光強為：太陽常數(shù)AM0地球以橢圓形軌道圍繞太陽公轉(zhuǎn)。由橢圓形軌道引起的改變大概在3.4%左右，一月份時太陽光照度達到最大，最小時為七月份。太陽常數(shù)，也叫作大氣光學質(zhì)量零輻射（opticalairmass-zeroradiation），記作AM0（書圖1.3）：地球大氣層之外，地球-太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射功率基本為一常數(shù)。在光伏應用中，采用的太陽常數(shù)為：1.3661kW/m21.5地球表面的日照常數(shù)

當入射到地球大氣層的太陽輻射相對穩(wěn)定時，影響地球表面輻射的主要因素是（穿過大氣層衰減30%）:（1）大氣效應，包括吸收和散射；（2）當?shù)卮髿赓|(zhì)量的不同，如水蒸氣、云層和污染；（3）緯度位置不同，使得一年中季節(jié)不同；（4）一天里時間的不同。大氣光學質(zhì)量大氣光學質(zhì)量（AM）定義為光穿過大氣層路徑的長度與最短路程之比。當太陽處在頭頂正上方時，長度最短時，大氣光學質(zhì)量為1，這時的輻射稱為大氣光學質(zhì)量1（AM1）的輻射。“大氣光學質(zhì)量”描繪了太陽光到達地面前的路程與太陽處在頭頂處時的路程的比值，也等于Y/X。大氣光學質(zhì)量量化了太陽輻射穿過大氣層時被空氣和塵埃吸收后的衰減程度。當太陽和頭頂正上方成角度θ時，大氣光學質(zhì)量為：大氣光學質(zhì)量估算63估算大氣質(zhì)量的一個最簡單的方法就是，測量一個垂直立著的標桿長度h和它投影長度s。大氣光學質(zhì)量等于斜邊的長度除以標桿的高度h:Sh

地球表面的標準光譜太陽能電池的效率對入射光的能量和光譜含量都非常敏感。為了對不同地點測得的太陽能電池的性能比較，人們定義了地球表面的光譜和功率強度的標準值。

地球表面的標準光譜稱為AM1.5。地球大氣層外的標準光譜稱為AM0，因為光沒有穿過任何大氣。

這個光譜通常被用來檢測太空中太陽能電池的表現(xiàn)。

1.6太陽視運動

太陽視運動是由地球自轉(zhuǎn)引起的，它改變著射入地球光線的角度。從地面的一個固定位置來看，太陽橫跨整個天空運動。太陽相對于地球上某一固定的觀察者所作的運動稱為視運動?？坍嫷厍蛏夏彻潭ǖ攸c的太陽高度角需要緯度、經(jīng)度、一年中的日期和一天中的時間。太陽視運動對日照、太陽能電池收集的影響

太陽視運動在很大程度上影響著太陽能收集器件獲得的能量。(3)對于0o和90o之間的角，它們相對的功率強度為Iincosθ，其中θ為太陽光與器件平面法線之間的夾角。(2)當平面與太陽光平行時(θ=90o)，功率強度變?yōu)榱恪?1)當太陽光垂直入射(θ=0°)到吸收平面時，平面上的功率強度等于入射光的功率強度Iin。本章完2023/2/1UNSW新南威爾士大學68第二章：半導體與PN結(jié)&2.1簡介&2.2基本原理&2.3載流子的產(chǎn)生&2.4載流子的復合&2.5載流子的運動&2.6

PN結(jié)2023/2/1UNSW新南威爾士大學69&2.1簡介

一直以來，太陽能電池與其它的電子器件都被緊密地聯(lián)系在一起。接下來的幾節(jié)將講述半導體材料的基本問題和物理原理，這些都是光伏器件的核心知識。這些物理原理可以用來解釋PN結(jié)的運作機制。PN結(jié)不僅是太陽能電池的核心基礎，還是絕大多數(shù)其它電子器件如激光和二極管的重要基礎。

右圖是一個硅錠，由一個大的單晶硅組成，這樣一個硅錠可以被切割成薄片然后被制成不同半導體器件，包括太陽能電池和電腦芯片。2023/2/1UNSW新南威爾士大學70&2.2.1基本原理

--半導體的結(jié)構

半導體是由許多單原子組成的，它們以有規(guī)律的周期性的結(jié)構鍵合在一起，然后排列成型，借此，每個原子都被8個電子包圍著。一個單原子由原子核和電子構成，原子核則包括了質(zhì)子（帶正電荷的粒子）和中子（電中性的粒子），而電子則圍繞在原子核周圍。電子和質(zhì)子擁有相同的數(shù)量，因此一個原子的整體是顯電中性的?；谠觾?nèi)的電子數(shù)目（元素周期表中的每個元素都是不同的），每個電子都占據(jù)著特定的能級。下圖展示了一種半導體的結(jié)構.

硅晶格中的共價鍵示意圖。硅原子共價鍵2023/2/1UNSW新南威爾士大學71&2.2.1基本原理

--半導體的結(jié)構

半導體材料可以來自元素周期表中的Ⅴ族元素，或者是Ⅲ族元素與Ⅴ族元素相結(jié)合（叫做Ⅲ-Ⅴ型半導體），還可以是Ⅱ族元素與Ⅵ族元素相結(jié)合（叫做Ⅱ-Ⅵ型半導體）。硅是使用最為廣泛的半導體材料，它是集成電路（IC）芯片的基礎，也是最為成熟的技術，而大多數(shù)的太陽能電池也是以硅作為基本材料的。硅的相關材料性能將在硅的材料性質(zhì)一節(jié)給出。

右圖給出了元素周期表的一部分，藍色字幕顯示了更多的半導體材料。半導體可以由單原子構成，如Si或Ge，鍵合如GaAs、InP、CdTe，還可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。2023/2/1UNSW新南威爾士大學72&2.2.1基本原理

--半導體的結(jié)構

半導體的價鍵結(jié)構決定了半導體材料的性能。其中一個關鍵影響就是限制了電子能占據(jù)的能級和電子在晶格之間的移動。半導體中，圍繞在每個原子的電子都是共價鍵的一部分。共價鍵就是兩個相鄰的原子都拿出自己的一個電子來與之共用，這樣，每個原子便被8個電子包圍著。共價鍵中的電子被共價鍵的力量束縛著，因此它們總是限制在原子周圍的某個地方。因為它們不能移動或者自行改變能量，所以共價鍵中的電子不能被認為是自由的，也不能夠參與電流的流動、能量的吸收以及其它與太陽能電池相關的物理過程。然而，只有在絕對零度的時候才會讓全部電子都束縛在價鍵中。在高溫下，電子能夠獲得足夠的能量擺脫共價鍵，而當它成功擺脫后，便能自由地在晶格之間運動并參與導電。在室溫下，半導體擁有足夠的自由電子使其導電，然而在到達或接近絕對零度的時候，它就像一個絕緣體。

價鍵的存在導致了電子有兩個不同能量狀態(tài)。電子的最低能量2023/2/1UNSW新南威爾士大學73&2.2.1基本原理

--半導體的結(jié)構

態(tài)是其處在價帶的時候。然而，如果電子吸收了足夠的熱能來打破共價鍵，那么它將進入導帶成為自由電子。電子不能處在這兩個能帶之間的能量區(qū)域。它要么束縛在價鍵中除于低能量狀態(tài)，要么獲得足夠能量擺脫共價鍵，但它吸收的能量有個最低限度，這個最低能量值被叫做半導體的“禁帶”。自由電子的數(shù)量和能量是研究電子器件性能的基礎。

電子擺脫共價鍵后留下來的空間能讓共價鍵從一個電子移動到另一個電子，也因此出現(xiàn)了正電荷在晶格中運動的現(xiàn)象。這個留下的空位置通常被叫做“空穴”，它與電子相似但是帶正電荷。

右邊動畫展示了當電子能夠逃脫共價鍵時自由電子和空穴是如何形成的2023/2/1UNSW新南威爾士大學74&2.2.1基本原理

--半導體的結(jié)構

對于太陽能電池來說，半導體最重要的參數(shù)是：禁帶寬度能參與導電的自由載流子的數(shù)目當光射入到半導體材料時，自由載流子的產(chǎn)生和復合。

關于這些參數(shù)的更詳細描述將在下面幾頁給出。2023/2/1UNSW新南威爾士大學75&2.2.2基本原理

--禁帶

半導體的禁帶寬度是指一個電子從價帶運動到能參與導電的自由狀態(tài)所需要吸收的最低能量值。半導體的價鍵結(jié)構顯示了（y軸）電子的能量，此圖也被叫做“能帶圖”。半導體中比較低的能級被叫做“價帶”（Ev），而處于其中的電子能被看成自由電子的能級叫“導帶”（Ec）。處于導帶和價帶之間的便是禁帶（EG）了。

固體中電子的能帶示意圖2023/2/1UNSW新南威爾士大學76&2.2.2基本原理

--禁帶

一旦進入導帶，電子將自由地在半導體中運動并參與導電。然而，電子在導帶中的運動也會導致另外一種導電過程的發(fā)生。電子從原本的共價鍵移動到導帶必然會留下一個空位。來自周圍原子的電子能移動到這個空位上，然后又留下了另外一個空位，這種留給電子的不斷運動的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格間運動的正電荷。因此，電子移向?qū)У倪\動不僅導致了電子本身的移動，還產(chǎn)生了空穴在價帶中的運動。電子和空穴都能參與導電并都稱為“載流子”。

移動的“空穴”這一概念有點類似于液體中的氣泡。盡管實際上是液體在流動，但是把它想象成是液體中的氣泡往相反的方向運動更容易理解些。2023/2/1UNSW新南威爾士大學77&2.2.3基本原理

--本征載流子濃度

把電子從價帶移向?qū)У臒峒ぐl(fā)使得價帶和導帶都產(chǎn)生載流子。這些載流子的濃度叫做本征載流子濃度，用符號ni表示。沒有注入能改變載流子濃度的雜質(zhì)的半導體材料叫做本征材料。本征載流子濃度就是指本征材料中導帶中的電子數(shù)目或價帶中的空穴數(shù)目。載流子的數(shù)目決定于材料的禁帶寬度和材料的溫度。寬禁帶會使得載流子很難通過熱激發(fā)來穿過它，因此寬禁帶的本征載流子濃度一般比較低。但還可以通過提高溫度讓電子更容易被激發(fā)到導帶，同時也提高了本征載流子的濃度。

右圖顯示了兩個溫度下的半導體本征載流子濃度。需要注意的是，兩種情況中，自由電子的數(shù)目與空穴的數(shù)目都是相等的。室溫高溫導帶價帶2023/2/1UNSW新南威爾士大學78&2.2.4基本原理

--摻雜

通過摻入其它原子可以改變硅晶格中電子與空穴的平衡。比硅原子多一個價電子的原子可以用來制成n型半導體材料，這種原子把一個電子注入到導帶中，因此增加了導帶中電子的數(shù)目。相對的，比硅原少一個電子的原子可以制成p型半導體材料。在p型半導體材料中，被束縛在共價鍵中的電子數(shù)目比本征半導體要高，因此顯著地提高了空穴的數(shù)目。在已摻雜的材料中，總是有一種載流子的數(shù)目比另一種載流子高，而這種濃度更高的載流子就叫“多子”，相反，濃度低的載流子就叫“少子”。

右邊的示意圖描述了單晶硅摻雜后制成n型和p型半導體。2023/2/1UNSW新南威爾士大學79&2.2.4基本原理

--摻雜下表總結(jié)了不同類型半導體的特性P型（正）N型（負）摻雜Ⅲ族元素（如硼）Ⅴ族元素（如磷）價鍵失去一個電子（空穴）多出一個電子多子空穴電子少子電子空穴2023/2/1UNSW新南威爾士大學80&2.2.4基本原理

--摻雜

下面的動畫展示了p型硅與n型硅。在一塊典型的半導體中，多子的濃度可能達到1017cm-3，少子的濃度則為106cm-3。這是一個怎樣的數(shù)字概念呢？少子與多子的比例比一個人與地球總的人口數(shù)目的比還要小。少子既可以通過熱激發(fā)又可以通過光照產(chǎn)生。N型半導體。之所以叫n型是因為多子是帶負電（negatively）的電子

P型半導體。之所以叫p型是因為多子是帶正電（positively)的空穴2023/2/1UNSW新南威爾士大學81&2.2.5基本原理

--平衡載流子濃度

在沒有外加偏壓的情況下，導帶和價帶中的載流子濃度就叫本征載流子濃度。對于多子來說，其平衡載流子濃度等于本征載流子濃度加上摻雜入半導體的自由載流子的濃度。在多數(shù)情況下，摻雜后半導體的自由載流子濃度要比本征載流子濃度高出幾個數(shù)量級，因此多子的濃度幾乎等于摻雜載流子的濃度。

在平衡狀態(tài)下，多子和少子的濃度為常數(shù)，由質(zhì)量作用定律可得其數(shù)學表達式。

n0p0=n2i

式中ni表示本征載流子濃度，n0和p0分別為電子和空穴的平衡載流子濃度。使用上面的質(zhì)量作用定律，可得多子和少子的濃度：

n型n0=NDP0=n2i/ND

p型P0=NAn0=n2i/NA2023/2/1UNSW新南威爾士大學82&2.2.5基本原理

--平衡載流子濃度

上面的方程顯示少子的濃度隨著摻雜水平的增加而減少。例如，在n型材料中，一些額外的電子隨著摻雜的過程而加入到材料當中并占據(jù)價帶中的空穴，空穴的數(shù)目隨之下降。

右圖描述了低摻雜和高摻雜情況下的平衡載流子濃度。并顯示，當摻雜水平提高時，少子的濃度減小。N型半導體材料低摻雜高摻雜價帶價帶導帶導帶2023/2/1UNSW新南威爾士大學83&2.3.1載流子的產(chǎn)生

--光的吸收

入射到半導體表面的光子要么在表面被反射，要么被半導體材料所吸收，或者兩者都不是，即只是從此材料透射而過。對于光伏器件來說，反射和透射通常被認為損失部分，就像沒有被吸收的光子一樣不產(chǎn)生電。如果光子被吸收，將在價帶產(chǎn)生一個電子并運動到導帶。決定一個光子是被吸收還是透射的關鍵因素是光子的能量?；诠庾拥哪芰颗c半導體禁帶寬度的比較，入射到半導體材料的光子可以分為三種：Eph<Eg光子能量Eph小于禁帶寬度Eg，光子與半導體的相互作用很弱，只是穿過，似乎半導體是透明的一樣。Eph<Eg光子的能量剛剛好足夠激發(fā)出一個電子-空穴對，能量被完全吸收。Eph<Eg光子能量大于禁帶寬度并被強烈吸收。

2023/2/1UNSW新南威爾士大學84&2.3.1載流子的產(chǎn)生

--光的吸收

右邊的動畫展示了三種不同能量層次的光子在半導體內(nèi)產(chǎn)生的效應。對光的吸收即產(chǎn)生了多子又產(chǎn)生少子。在很多光伏應用中，光生載流子的數(shù)目要比由于摻雜而產(chǎn)生的多子的數(shù)目低幾個數(shù)量級。因此，在被光照的半導體內(nèi)部，多子的數(shù)量變化并不明顯。但是對少子的數(shù)量來說情況則完全相反。由光產(chǎn)生的少子的數(shù)目要遠高于原本無光照時的光子數(shù)目，也因此在有光照的太陽能電池內(nèi)的少子數(shù)目幾乎等于光產(chǎn)生的少子數(shù)目。2023/2/1UNSW新南威爾士大學85&2.3.2載流子的產(chǎn)生

--吸收系數(shù)

吸收系數(shù)決定著一個給定波長的光子在被吸收之前能在材料走多遠的距離。如果某種材料的吸收系數(shù)很低，那么光將很少被吸收，并且如果材料的厚度足夠薄，它就相當于透明的。吸收系數(shù)的大小決定于材料和被吸收的光的波長。在半導體的吸收系數(shù)曲線圖中出現(xiàn)了一個很清晰的邊緣，這是因為能量低于禁帶寬度的光沒有足夠的能量把電子從價帶轉(zhuǎn)移到導帶。因此，光線也就沒被吸收了。下圖顯示幾種半導體材料的吸收系數(shù)：砷化鎵磷化銦鍺硅四種不同半導體才在溫度為300K時的吸收系數(shù)α，實驗在真空環(huán)境下進行。2023/2/1UNSW新南威爾士大學86&2.3.2載流子的產(chǎn)生

--吸收系數(shù)

上面的圖表明，即使是那些能量比禁帶寬度高的光子，它們的吸收系數(shù)也不是全都相同的，而是與波長有密切的聯(lián)系。一個光子被吸收的概率取決于這個光子能與電子作用（即把電子從價帶轉(zhuǎn)移到導帶）的可能性。對于一個能量大小非常接近于禁帶寬度的光子來說，其吸收的概率是相對較低的，因為只有處在價帶邊緣的電子才能與之作用并被吸收。當光子的能量增大時，能夠與之相互作用并吸收光子的電子數(shù)目也會增大。然而，對于光伏應用來說，比禁帶寬度多出的那部分光子能量是沒有實際作用的，因為運動到導帶后的電子又很快因為熱作用回到導帶的邊緣。

硅的其它光學性質(zhì)在硅的光學性質(zhì)一頁中給出。2023/2/1UNSW新南威爾士大學87&2.3.3載流子的產(chǎn)生

--吸收深度

吸收系數(shù)與波長的關系導致了不同波長的光在被完全吸收之前進入半導體的深度的不同。下面將給出另一個參數(shù)--吸收深度，它與吸收系數(shù)成反比例關系，即為α-1。吸收深度是一個非常有用的參數(shù)，它顯示了在光在其能量下降到最初強度的大概36%（或者說1/e）的時候在材料中走的深度。因為高能量光子的吸收系數(shù)很大，所以它在距離表面很短的深度就被吸收了（例如硅太陽能電池就在幾微米以內(nèi)），而紅光在這種距離的吸收就很弱。即使是在幾微米之后，也不是所有的紅光都能被硅吸收。右邊的動畫顯示了紅光與藍光的吸收深度的不同。

藍光在離表面非常近處就被吸收而大部分的紅光則在器件的深處才被吸收。2023/2/1UNSW新南威爾士大學88&2.3.3載流子的產(chǎn)生

--吸收深度下圖顯示了幾種半導體的吸收深度：2023/2/1UNSW新南威爾士大學89&2.3.4載流子的產(chǎn)生

--生成率生成率是指被光線照射的半導體每一點生成電子的數(shù)目。忽略反射不計，半導體材料吸收的光線的多少決定于吸收系數(shù)（α單位為cm-1）和半導體的厚度。半導體中每一點中光的強度可以通過以下的方程計算：

I=I0e-αx

式中α為材料的吸收系數(shù)，單位通常為cm-1，x為光入射到材料的深度，I0為光在材料表面的功率強度。上述方程可以用來計算太陽能電池中產(chǎn)生的電子空穴對的數(shù)目。假設減少的那部分光線能量全部用來產(chǎn)生電子空穴對，那么通過測量透射過電池的光線強度便可以算出半導體材料生成的電子空穴對的數(shù)目。因此，對上面的方程進行微分將得到半導體中任何一點的生成率。即2023/2/1UNSW新南威爾士大學90&2.3.4載流子的產(chǎn)生

--生成率

G=αN0e-αx其中N0=表面的光子通量（光子/單位面積.秒）α=吸收系數(shù)，x=進入材料的距離。上面的方程顯示，光的強度隨著在材料中深度的增加呈指數(shù)下降，即材料表面的生成率是最高的。對于光伏應用來說，入射光是由一系列不同波長的光組成的，因此不同波長的生成率也是不同的。下圖顯示三種不同波長的光在硅材料中的生成率。進入硅的深度電子空穴對的生成率2023/2/1UNSW新南威爾士大學91&2.3.4載流子的產(chǎn)生

--生成率

計算一系列不同波長的光的生成率時，總的生成率等于每種波長的總和。下圖將展示入射到硅片的光為標準太陽光譜時，不同深度的生成率大小。Y軸的范圍大小是成對數(shù)的，顯示著在電池表面的產(chǎn)生了數(shù)量巨大的電子空穴對，而在電池的更深處，生成率幾乎是常數(shù)。2023/2/1UNSW新南威爾士大學92&2.4.1復合理論

--復合的類型

所有處在導帶中的電子都是亞穩(wěn)定狀態(tài)的，并最終會回到價帶中更低的能量狀態(tài)。它必須移回到一個空的價帶能級中，所以，當電子回到價帶的同時也有效地消除了一個空穴。這種過程叫做復合。在單晶半導體材料中，復合過程大致可以分為三種：輻射復合俄歇復合肖克萊-雷德-霍爾復合這些復合在右邊的動畫中都有描述。2023/2/1UNSW新南威爾士大學93&2.4.1復合理論

--復合的類型輻射復合

輻射復合是LED燈和激光這類的半導體器件的主要復合機制。然而，對于由硅制成的陸地用太陽能電池來說，輻射復合并不是主要的，因為硅的禁帶并不是直接禁帶，它使得電子不能直接從價帶躍遷到導帶。輻射復合的幾個主要特征是：在輻射復合中，電子與空穴直接在導帶結(jié)合并釋放一個光子。釋放的光子的能量近似于禁帶寬度，所以吸收率很低，大部分能夠飛出半導體。通過復合中心的復合

通過復合中心的輻射也被叫做肖克萊-萊德-霍爾或SRH復合，它2023/2/1UNSW新南威爾士大學94&2.4.1復合理論

--復合的類型

不會發(fā)生在完全純凈的、沒有缺陷的材料中。SRH復合過程分為兩步：一個電子（或空穴）被由晶格中的缺陷產(chǎn)生的禁帶中的一個能級所俘獲。這些缺陷要么是無意中引入的要么是故意加入到材料當中去的，比如往材料中摻雜。如果在電子被熱激發(fā)到導帶之前，一個空穴（或電子）也被俘獲到同一個能級中，那么復合過程就完成了。

載流子被俘獲到禁帶中的缺陷能級的概率取決于能級到兩能帶（導帶和禁帶）的距離。因此，如果一個能級被引入到靠近其中一能帶的邊緣地區(qū)，發(fā)生復合的可能性將比較小，因為電子比較容易被激發(fā)到導帶去，而不是與從價帶移動到同一個能級的空穴復合。基于這個因素，處在禁帶中間的能級發(fā)生復合的概率最大。2023/2/1UNSW新南威爾士大學95&2.4.1復合理論

--復合的類型

俄歇復合

一個俄歇復合過程有三個載流子參與。一個光子與一個空穴復合后，其釋放的能量并不是以熱能或光子的形式傳播出去，而是把它傳給了第三個載流子，即在導帶中的電子。這個電子接收能量后因為熱作用最終又回到導帶的邊緣。

俄歇復合是重摻雜材料和被加熱至高溫的材料最主要的復合形式。2023/2/1UNSW新南威爾士大學96&2.4.2復合理論

--擴散長度

如果半導體中少子的數(shù)目因為外界的短暫激發(fā)而在原來平衡的基礎上增加，這些額外激發(fā)的少子將因為復合過程而漸漸衰退回原本平衡時的狀態(tài)。在太陽能電池中一個重要的參數(shù)是復合發(fā)生的速率，這樣也叫做”復合率”.復合率決定于額外少子的數(shù)目。例如，當沒有額外少子時，復合率將為零?！吧僮訅勖保ㄓ梅柡捅硎荆┦侵府a(chǎn)生電子空穴對之后處在激發(fā)狀態(tài)的載流子在復合之前能存在的平均時間。還有一個相關的參數(shù)—少子擴散長度，是指在復合之前一個載流子從產(chǎn)生處開始運動的平均路程。

少數(shù)載流子壽命和擴散長度在很大程度上取決于材料的類型和復合的數(shù)量。對于許多種類的硅太陽能電池來說，SHR復合式主要的復合機制。而復合率則決定于材料中存在的缺陷數(shù)量，因此，當太陽能電池的摻雜量增加時，SHR復合的速率也將隨著增加。另外2023/2/1UNSW新南威爾士大學97&2.4.2復合理論

--擴散長度

，因為俄歇復合更多的是在重摻雜和被加熱的材料發(fā)生，所以俄歇復合過程也會隨著摻雜的增加而增強。此外，生成半導體薄片的方法和過程對擴散長度也有重要影響。

右圖為高效率的PERL多晶硅太陽能電池的比色圖。圖下的比例系數(shù)代表著光生載流子的多少以及由于太陽能電池中擴散長度的不同而引起的電池中不同區(qū)域的差異，而擴散長度的不同是由多晶硅材料的晶界變化照成的。在硅中，少子壽命可以達到1μs。對于單晶硅太陽能電池來說，擴散長度通常在100-300μm之間。這兩個參數(shù)表征了材料相對于電池應用的質(zhì)量和適用度。2023/2/1UNSW新南威爾士大學98&2.4.3復合理論

--表面復合

任何在半導體內(nèi)部或表面的缺陷和雜質(zhì)都會促進復合。因為太陽能電池表面存在著嚴重的晶格分裂，所以電池表面是一個復合率非常高的區(qū)域。高復合率導致表面附近的區(qū)域的少子枯竭。就如擴散這一節(jié)所解釋的，某些區(qū)域的低載流子濃度會引起周圍高濃度區(qū)域的載流子往此處擴散。因此，表面復合率受到擴散到表面的載流子的速率的限制?！氨砻鎻秃下省钡膯挝粸閏m/sec，被用來描述表面的復合。在沒有發(fā)生復合的表面，往表面運動的載流子數(shù)目也為零，因此表面復合率也為零。當表面復合非?？鞎r,運動指向表面的載流子讀速度受到最大復合速率的限制，而對大多數(shù)半導體來說最大速度為1×107cm/sec。半導體表面的掛鍵引起了此處的高復合率2023/2/1UNSW新南威爾士大學99&2.4.3復合理論

--表面復合

半導體表面的缺陷是由于晶格排列在表面處的中斷照成的，即在表面處產(chǎn)生掛鍵。減少掛鍵的數(shù)目可以通過在半導體表面處生長一層薄膜以連接這些掛鍵，這種方法也叫做表面鈍化，2023/2/1UNSW新南威爾士大學100&2.5.1載流子的運動

--半導體中載流子的運動

導帶中的電子和價帶中的空穴之所以被叫做自由載流子，是因為它們能在半導體晶格間移動。一個很簡單但在多數(shù)情況下都適用的對載流子運動的描述是，在一定溫度下，在隨機方向運動的載流子都有特定的速度。在與晶格原子碰撞之前，載流子在隨機方向運動的距離長度叫做散射長度。一旦與原子發(fā)生碰撞，載流子將往不同的隨機方向運動。

載流子的速度決定于晶格的溫度。在溫度為T的半導體內(nèi)載流子的平均運動能量為1/2mv2

，其中m為載流子的質(zhì)量，v代表熱運動速度。熱運動速度指的是載流子速度的平均值，即載流子的速度是分散的、不均勻的，有些速度快有些則很慢。下面的動畫將展示載流子運動的模型2023/2/1UNSW新南威爾士大學101&2.5.1載流子的運動

--半導體中載流子的運動

盡管半導體中的載流子在不停地做隨機運動，但是并不存在載流子勢運動，除非有濃度梯度或電場。因為載流子往每一個方向運動的概率都是一樣的，所以載流子往一個方向的運動最終會被它往相反方向的運動給平衡掉。2023/2/1UNSW新南威爾士大學102&2.5.1載流子的運動

--半導體中載流子的運動

在下面的動畫中，一個載流子在與晶格原子碰撞之前在隨機方向運動了與散射長度相等的距離（為了看得更加清晰，晶格原子并沒有顯示出來）。在與晶格原子碰撞后，載流子再次以隨機方向運動。下面的動畫舉出了50個散射粒子。盡管在動畫中碰撞的次數(shù)很少，載流子的勢運動還是很小的。2023/2/1UNSW新南威爾士大學103&2.5.2載流子的運動

--擴散

如果半導體中一個區(qū)域的載流子濃度要比另一個區(qū)域的高，那么，由于不停的隨機運動，將引起載流子的勢運動。當出現(xiàn)這種情況時，在兩個不同濃度的區(qū)域之間將會出現(xiàn)載流子梯度。載流子將從高濃度區(qū)域流向低濃度區(qū)域。這種載流子的流動叫做“擴散”，是由于載流子的隨機運動引起的。在器件的所有區(qū)域中，載流子往某一方向的運動的概率是相同的。在高濃度區(qū)域，數(shù)量龐大的載流子不停地往各個方向運動，包括往低濃度方向。然而，在低濃度區(qū)域只存在少量的載流子，這意味著往高濃度運動的載流子也是很少的。這種不平衡導致了從高濃度區(qū)域往低濃度區(qū)域的勢運動。如下面的動畫所示。2023/2/1UNSW新南威爾士大學104&2.5.2載流子的運動

--擴散

擴散的速率決定于載流子的運動速度和兩次散射點相隔的距離。在溫度更高的區(qū)域，擴散速度會更快，因為提高溫度能提高載流子的熱運動速度。

擴散現(xiàn)象的主要效應之一是使載流子的濃度達到平衡，就像在沒有外界力量作用半導體時，載流子的產(chǎn)生和復合也會使得半導體達到平衡。下面的動畫將闡述這一現(xiàn)象，圖中一個區(qū)域有很高濃度的電子，另一個則有高濃度的空穴。因為只有載流子的隨機運動，所以最終這兩種濃度會變成一致的。

這個動畫顯示了半導體的高濃度部分是怎樣趨向于平均分布的。載流子填滿可利用的空間，僅僅是通過隨機運動。在這種情況下，靜電斥力的影響甚微，因為載流子之間的距離很遠。此外，空穴（藍色）的擴散率比電子的低，所以需要更長的時間來填滿整個空間。2023/2/1UNSW新南威爾士大學105&2.5.3載流子的運動

--漂移運動

在半導體外加一個電場可以使做隨機運動的帶電載流子往一個方向運動。在沒有外加電場時，載流子在隨機方向以一定的速度移動一段距離。然而，在加了電場之后，其方向與載流子的隨機方向疊加。那么，如果此載流子是空穴，其在電場方向?qū)⒆黾铀龠\動，電子則反之。在特定方向的加速運動導致了載流子的勢運動，如下面動畫所示。載流子的方向是其原來方向與電場方向的向量疊加。右邊動畫顯示了電場的存在是如何使載流子是如何往一個總方向運動的。動畫中的粒子是空穴，所以運動的方向與電場方向相同。2023/2/1UNSW新南威爾士大學106&2.5.3載流子的運動

--漂移運動

由外加電場所引起的載流子運動叫“漂移運動”。漂移運動不僅發(fā)生在半導體材料中，在金屬材料中同樣存在。而接下來動畫將分別展示有伴隨和沒有伴隨電場的載流子隨機運動。途中的載流子是電子。因為電子是帶負電的所以它將朝著與電場方向相反的方向運動。值得注意的是，在大多數(shù)情況下，電子是往電場相反的方向運動的。但是在有些情況中，例如電子跟隨著一系列往電場方向的運動，則有可能是勢運動，并沿著電場方向運動了一小段距離。2023/2/1UNSW新南威爾士大學107&2.5.3載流子的運動

--漂移運動

下面一個動畫描述了擁有相等數(shù)目的電子和空穴的本征半導體。沒有外加電場時，電子和空穴隨機地在半導體中運動。加入電場后電子和空穴往相反的方向漂移。為了看得更加清晰，動畫夸大了電場的作用效果。事實上，對于通常的半導體來說，電場對載流子隨機運動的影響是很有限的。2023/2/1UNSW新南威爾士大學108&2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

pn結(jié)二極管的結(jié)構不僅是太陽能電池結(jié)構的基礎還是其它許多電子器件的基礎，如LEDS、激光、光電二極管還有雙極結(jié)二極管（BJTS）。一個pn結(jié)把之前所描述的載流子復合、產(chǎn)生、擴散和漂移全部集中到一個器件中。

pn結(jié)的形成

pn結(jié)是n型半導體材料和p型半導體材料的結(jié)合形成的，如下圖所示。因為n型半導體區(qū)域的電子濃度很高，而p型區(qū)域的空穴濃度很高，所以電子從n型區(qū)擴散到p型區(qū)，同理，空穴也從p型區(qū)擴散到n型區(qū)。如果電子和空穴都是不帶電的，擴散過程將持續(xù)到兩個區(qū)域的電子和空穴的濃度都分別相等，就像兩種氣體相互往對方區(qū)域擴散一樣。然而，對于pn結(jié)來說，當電子和空穴運動到pn結(jié)的另一邊

2023/2/1UNSW新南威爾士大學109&2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

時，也在雜質(zhì)原子區(qū)域留下了與之相反的電荷，這種電荷被固定在晶格當中不能移動。在n型區(qū)，被留下的便是帶正電的原子核，相反，在p型區(qū)，留下的是帶負電的原子核。于是，一個從n型區(qū)的正離子區(qū)域指向p型區(qū)的負離子區(qū)域的電場E就建立起來了。這個電場區(qū)域叫做“耗盡區(qū)”，因為此電場能迅速把自由載流子移走，因此，這個區(qū)域的自由載流子是被耗盡的。源于電場E的內(nèi)建電勢Vbi在pn結(jié)中形成。下面的動畫將展示n型和p型材料之間的pn結(jié)所形成的電場E的結(jié)構。2023/2/1UNSW新南威爾士大學110&2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

平衡狀態(tài)下載流子運動

沒有外加刺激的pn結(jié)代表著，由于耗盡區(qū)的電場的存在，載流子之間的產(chǎn)生、復合、擴散以及漂移將會達到平衡。盡管電場的存在阻礙了載流子的擴散運動穿過電場，但有些載流子還是依然通過擴散運動穿過了電場。在下面的動畫中，大多數(shù)進入耗盡區(qū)的多子都被移回它們本來的區(qū)域。然而，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，有一些載流子會以很高的速度往pn結(jié)方向運動，最終穿過電場。一旦多子穿過電場就會變成另一區(qū)的少子。在被復合之前，這個載流子將繼續(xù)做遠離電場的擴散運動，運動距離等于平均擴散長度。由載流子通過擴散運動穿過電場而產(chǎn)生的電流叫做擴散電流。在下面的動畫中，注意觀察跑入耗盡區(qū)的載流子，并留意穿過pn結(jié)的載流子。需要說明的一點是，實際的pn結(jié)中載流子的數(shù)目和速度都是比動畫中的要高得多，而穿過pn結(jié)的載流子數(shù)目也是非常大的。2023/2/1UNSW新南威爾士大學111&2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

到達擴散區(qū)與耗盡區(qū)的交界處時，少子會被電場拉到耗盡區(qū)。由此形成的電流叫做漂移電流。在平衡狀態(tài)下，漂移電流的大小受到少子數(shù)目的限制，這些少子是在與耗盡區(qū)的距離小于擴散長度的區(qū)域通過熱激發(fā)產(chǎn)生的。

在平衡狀態(tài)下，半導體的凈電流為零。電子的漂移電流與電子的擴散電流是相互抵消的（試想如果沒有抵消的話，將在半導體的其中一邊出現(xiàn)電子的聚集）。同理，空穴的漂移電流與空穴擴散電流也是相互抵消的。2023/2/1UNSW新南威爾士大學112&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置

半導體器件共有三種狀態(tài)模式：

1.熱平衡狀態(tài)

在熱平衡模式下，半導體沒有額外的刺激，如光照射或外加電壓。載流子的電流相互抵消所以在器件內(nèi)沒有凈電流。

2.穩(wěn)態(tài)

在恒穩(wěn)模式下，將有光線照射或施有外加電壓，但這些條件并不隨時間而改變。器件通常處在穩(wěn)定狀態(tài)，要么正向偏壓要么反向偏壓。

3.突變狀態(tài)

當施加的電壓迅速改變時，太陽能電池的對變化的響應將會出現(xiàn)延遲。鑒于太陽能電池并不是高速運轉(zhuǎn)領域使用的電子器件，在這里將不對突變效應多加描述。2023/2/1UNSW新南威爾士大學113&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置

正向偏壓下的二極管

正向偏壓（也叫正向偏置）指的是在器件兩邊施加電壓，以使得pn結(jié)的內(nèi)建電場減小。即在p型半導體加正極電壓而在n型半導體加負極電壓，于是，一個穿過器件方向與內(nèi)建電場相反的電場便建立起來了。因為耗盡區(qū)的電阻要比器件中其他區(qū)域的電阻要大得多（由于耗盡區(qū)的載流子很少的緣故），所以幾乎所有的外加電壓都施加在了耗盡區(qū)上。對于實際的半導體器件，內(nèi)建電場的電壓總是要比外加電場的高。而電場的減小將破壞pn結(jié)的平衡，即減小了對載流子從pn結(jié)的一邊到另一邊的擴散運動的阻礙，增大擴散電流。當擴散電流增加時，漂移電流基本保持不變，因為漂移電流的大小只取決于在與耗盡區(qū)的距離小于擴散長度的區(qū)域還有耗散區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生的載流子的數(shù)目。因為在上面的過程中，耗散區(qū)的寬度只縮小了2023/2/1UNSW新南威爾士大學114&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置一小部分，所以穿過電場的少子的數(shù)目也基本不變。2023/2/1UNSW新南威爾士大學115&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置

載流子的注入和正向偏置電流

從pn結(jié)的一端到另一端的擴散運動的增加導致了少數(shù)載流子（少子）往耗散區(qū)邊緣的注入。這些少數(shù)載流子由于擴散而漸漸遠離pn結(jié)并最終與多數(shù)載流子（多子）復合。多數(shù)載流子是由外部電流產(chǎn)生的，也因此在正向偏壓下產(chǎn)生凈電流。假設沒有復合作用，少數(shù)載流子的濃度將達到一個更高的水平，而從結(jié)的一端到另一端的擴散運動將會停止，這很像兩種不同氣體的相互擴散。一開始，氣體分子進行著從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的凈運動，但當兩個區(qū)域的濃度達到統(tǒng)一以后，將不會再有氣體分子的凈運動。然而在半導體中，注入的少數(shù)載流子會被復合掉，因此不斷有更多的載流子擴散過pn結(jié)。結(jié)果是，在正向偏置下的擴散電流也是復合電流。復合的速度越高，通過pn結(jié)的擴散電流就越大?！鞍碉柡碗娏鳌保↖0）是區(qū)2023/2/1UNSW新南威爾士大學116&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置

別兩種不同二極管的非常重要的參數(shù)。I0是衡量一個器件復合特點的標準，二極管的復合速率越大，I0也越大。

反向偏壓

反向偏置電壓是指在器件兩端加電場，以使pn結(jié)增大。在pn結(jié)中的內(nèi)建電場越大，載流子能從pn結(jié)一段擴散至另一端的概率就越小，即擴散電流就越小。與正向偏壓時相同，由于受到進入耗盡區(qū)的少數(shù)載流子的數(shù)量限制，pn結(jié)的漂移電流并沒有因內(nèi)建電場的增大而相應增大。漂移電流的微量增加主要是因為耗盡區(qū)寬度的微量擴張，但這基本上只是一種二階效應。2023/2/1UNSW新南威爾士大學117&2.6.3P-N結(jié)

--二極管方程

理想二極管

二極管方程解釋了通過二極管的電流與電壓的關系，即理想二極管定律：I為通過二極管的凈電流，I0為暗飽和電流（在沒有光照情況下輸出的電流），V是施加在二極管兩端的電壓，q和k分別代表電荷的絕對值和玻耳茲曼常數(shù)，而T則表示絕對溫度（K）。

值得注意的是，I0隨著T的升高而增大。在溫度為300k時，KT/q=25.85mV。I0隨著材料質(zhì)量的增大而增大。2023/2/1UNSW新南威爾士大學118&2.6.3P-N結(jié)

--二極管方程

非理想二極管方程

對于實際的二極管來說，其方程需稍作改變：

其中n為理想因子，數(shù)值在1到2之間，通常隨著電流的增大而增大。上面的兩個方程都是相對于硅材料來說的。右圖顯示了硅二極管中電流與電壓和溫度的關系，當電流大小一定時，曲線的改變規(guī)律大概為2mV/°c2023/2/1UNSW新南威爾士大學119第三章：

太陽能電池的特性&3.1理想太陽能電池&3.2太陽能電池的參數(shù)&3.3電阻效應&3.4其他效應&3.5對太陽能電池的測量2023/2/1UNSW新南威爾士大學120&3.1.1理想太陽能電池

太陽能電池的結(jié)構

太陽能電池是一種能直接把太陽光轉(zhuǎn)化為電的電子器件。入射到電池的太陽光通過同時產(chǎn)生電流和電壓的形式來產(chǎn)生電能。這個過程的發(fā)生需要兩個條件，首先，被吸收的光要能在材料中把一個電子激發(fā)到高能級，第二，處于高能級的電子能從電池中移動到外部電路。在外部電路的電子消耗了能量然后回到電池中。許多不同的材料和工藝都基本上能滿足太陽能轉(zhuǎn)化的需求，但實際上，幾乎所有的光伏電池轉(zhuǎn)化過程都是使用組成PN結(jié)形式的半導體材料來完成的。減反射膜前端接觸電極發(fā)射區(qū)基區(qū)背接觸電極電子空穴對太陽能電池的橫截面2023/2/1UNSW新南威爾士大學121&3.1.1理想太陽能電池

太陽能電池的結(jié)構

太陽能電池運行的基本步驟：光生載流子的產(chǎn)生光生載流子聚集成電流穿過電池的高電壓的產(chǎn)生能量在電路和外接電阻中消耗2023/2/1UNSW新南威爾士大學122&3.1.2理想太陽能電池

光生電流

在太陽能電池中產(chǎn)生的電流叫做“光生電流”，它的產(chǎn)生包括了兩個主要的過程。第一個過程是吸收入射光電子并產(chǎn)生電子空穴對。電子空穴對只能由能量大于太陽能電池的禁帶寬度的光子產(chǎn)生。然而，電子（在p型材料中）和空穴（在N型材料中）是處在亞穩(wěn)定狀態(tài)的，在復合之前其平均生存時間等于少數(shù)載流子的壽命。如果載流子被復合了，光生電子空穴對將消失，也沒有電流和電能產(chǎn)生。

第二個過程是，pn結(jié)通過對這些光生載流子的收集，即把電子和空穴分散到不同的區(qū)域，阻止了它們的復合。Pn結(jié)是通過其內(nèi)建電場的作用把載流子分開的。如果光生少數(shù)載流子到達pn結(jié)，將會被內(nèi)建電場移到另一個區(qū)，然后它便成了多少載流子。如果用一根導線把發(fā)射區(qū)跟基區(qū)連接在一起（使電池短路），光生載流子將流到外部電路。下面的動畫展示了短路情況下的理想電流。2023/2/1UNSW新南威爾士大學123&3.1.2理想太陽能電池

光生電流

理想短路情況下電子和空穴在pn結(jié)的流動。少數(shù)載流子不能穿過半導體和金屬之間的界限，如果要阻止復合并對參與到電流中的話，必須通過pn結(jié)的收集。2023/2/1UNSW新南威爾士大學124&3.1.3理想太陽能電池

收集概率

“收集概率”描述了光照射到電池的某個區(qū)域產(chǎn)生的載流子被pn結(jié)收集并參與到電流流動的概率，它的大小取決于光生載流子需要運動的距離和電池的表面特性。在耗散區(qū)的所有光生載流子的收集概率都是相同的，因為在這個區(qū)域的電子空穴對會被電場迅速地分開。在原來電場的區(qū)域，其收集概率將下降。當載流子在與電場的距離大于擴散長度的區(qū)域產(chǎn)生時，那么它的收集概率是相當?shù)偷?。相似的，如果載流子是在靠近電池表面這樣的高復合區(qū)的區(qū)域產(chǎn)生，那么它將會被復合。下面的圖描述了表面鈍化和擴散長度對收集概率的影響。

對收集概率的計算，紅線代表發(fā)射區(qū)的擴散長度，藍線代表基區(qū)的發(fā)射長度前端表面在高復合率的情況下，其表面的收集概率很低。低擴散長度的太陽能電池。在電池中位置弱鈍化的太陽能電池強鈍化的太陽能電池在耗散區(qū)的收集概率相同背表面收集概率2023/2/1UNSW新南威爾士大學125&3.1.3理想太陽能電池

收集概率

收集概率與載流子的生成率決定了電池的光生電流的大小。光生電流大小等于電池各處的載流子生成速率乘于那一處的收集概率。下面計算光生電流的方程包括了生成率和收集概率，其材料為硅，光照為1.5AM。收集概率生成率在電池中的距離2023/2/1UNSW新南威爾士大學126&3.1.3理想太陽能電池

收集概率

在1.5光譜下硅的生成速率。注意，電池表面的生成率是最高的，因此電池對表面特性是很敏感的。收集概率的不一致產(chǎn)生了光生電流的光譜效應。例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比較下圖的藍光、紅光和紅外光，藍光在硅表面的零點幾微米處幾乎被全部吸收。因此，如果頂端表面的收集概率非常低的話，入射光中將沒有藍光對光生電池做出貢2023/2/1UNSW新南威爾士大學127&3.1.3理想太陽能電池

收集概率獻。上圖顯示了不同波長的光在硅材料中的載流子生成率。波長0.45μm的藍光擁有高吸收率，為105cm-1，也因此它在非常靠近頂端表面處被吸收。波長0.8μm的紅光的吸收率103cm-1，因此其吸收長度更深一些。1.1μm紅外光的吸收率為103cm-1，但是它幾乎不被吸收因為它的能量接近于硅材料的禁帶寬度2023/2/1UNSW新南威爾士大學128&3.1.4理想太陽能電池

量子效率

所謂“量子效率”，即太陽能電池所收集的載流子的數(shù)量與入射光子的數(shù)量的比例。量子效率即可以與波長相對應又可以與光子能量相對應。如果某個特定波長的所有光子都被吸收，并且其所產(chǎn)生的少數(shù)載流子都能被收集，則這個特定波長的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁帶寬度的光子的量子效率為零。下圖將描述理想太陽能電池的量子效率曲線。總量子效率的減小是由反射效應和過短的擴散長度引起的。理想量子效率曲線能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以長波長的量子效率為零。量子效率前端表面復合導致藍光響應的減小。紅光響應的降低是由于背表面反射、對長波光的吸收的減少和短擴散長度右圖為硅太陽能電池的量子效率。通常，波長小于350nm的光子的量子效率不予測量，因為在1.5大氣質(zhì)量光譜中，這些短波的光所包含能量很小。2023/2/1UNSW新南威爾士大學129&3.1.4理想太陽能電池

量子效率

盡管理想的量子效率曲線是矩形的（如上圖），但是實際上幾乎所有的太陽能電池的都會因為復合效應而減小。影響收集效率的因素同樣影響著量子效率。例如，頂端表面鈍化會影響靠近表面的載流子的生成，而又因為藍光是在非?？拷砻嫣幈晃盏模皂敹吮砻娴母邚秃闲獣娏业赜绊懰{光部分量子效率。相似的，綠光能在電池體內(nèi)的大部分被吸收，但是電池內(nèi)過低的擴散長度將影響收集概率并減小光譜中綠光部分的量子效率。

硅太陽能電池中，“外部”量子效率包括光的損失，如透射和反射。然而，測量經(jīng)反射和透射損失后剩下的光的量子效率還是非常有用的?！眱?nèi)部“量子效率指的是那些沒有被反射和透射且能夠產(chǎn)生可收集的載流子的光的量子效率。通過測量電池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲線并得到內(nèi)部量子效率。2023/2/1UNSW新南威爾士大學130&3.1.5理想太陽能電池

光譜響應

”光譜響應“在概念上類似于量子效率。量子效率描述的是電池產(chǎn)生的光生電子數(shù)量與入射到電池的光子數(shù)量的比，而光譜響應指的是太陽能電池產(chǎn)生的電流大小與入射能量的比例。下圖將描述一光譜響應曲線理想的光譜響應硅太陽能電池的響應曲線。

理想的光譜響應在長波長段受到限制，因為半導體不能吸收能量低于禁帶寬度的光子。這種限制在量子效率曲線中同樣起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲線，光譜響應曲線在隨著波長減小能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以在長波長段的光譜響應為零。光譜響應2023/2/1UNSW新南威爾士大學131&3.1.5理想太陽能電池

光譜響應

而下降。因為這些短波長的光子的能量很高，導致光子與能量的比例下降。光子的能量中，所有超出禁帶寬度的部分都不能被電池利用，而是只能加熱電池。在太陽能電池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的無法吸收，導致了顯著的能量損失。

光譜響應是非常重要的量，因為只有測量了光譜響應才能計算出量子效率。公式如下2023/2/1UNSW新南威爾士大學132

&3.1.6理想太陽能電池

光伏效應

被收集的光生載流子并不是靠其本身來產(chǎn)生電能的。為了產(chǎn)生電能，必須同時產(chǎn)生電壓和電流。在太陽能電池中，電壓是由所謂的”光生伏打效應”過程產(chǎn)生的。pn結(jié)對光生載流子的收集引起了電子穿過電場移向n型區(qū)，而空穴則移向p型區(qū)。在電池短路的情況下，將不會出現(xiàn)電荷的聚集，因為載流子都參與了光生電流的流動。

然而，如果光生載流子被阻止流出電池，那pn結(jié)對光生載流子的收集將引起n型區(qū)的電子數(shù)目增多，p型區(qū)的空穴數(shù)目增多。這樣，電荷的分開將在電池兩邊產(chǎn)生一個與內(nèi)建電場方向相反的電場，也因此降低了電池的總電場。因為內(nèi)建電場代表著對前置擴散電流的障礙，所以電場減小的同時也增大擴散電流。穿過pn結(jié)的電壓將達到新的平衡。流出電池的電流大小就等于光生電流與擴散電流的差。在電池開路的情況下，pn結(jié)的正向偏壓處在新的一點，此時，光生2023/2/1UNSW新南威爾士大學133&3.1.6理想太陽能電池

光伏效應

電流大小等于擴散電流大小，且方向相反，即總的電流為零。當兩個電流達到平衡時的電壓叫做“開路電壓”。下面動畫將展示載流子在分別在短路和開路的下的流動情況。

動畫顯示了太陽能電池分別在熱平衡、短路和開路下的載流子運動狀態(tài)。請注意不同情況下，流過pn結(jié)的電流的不同。在熱平衡下（光照為零），擴散電流和漂移電流都非常小。而電池短路時，pn結(jié)兩邊的少數(shù)載流子濃度以及由少數(shù)載流子決定大小的漂移電流都將增加。在開路時，光生載流子引起正向偏壓，因此增加了擴散電流。因為擴散電流和漂移電流的方向相反，所以開路時電池總電流為零。2023/2/1UNSW新南威爾士大學134

&3.2.1太陽能電池的參數(shù)

電池的伏安曲線

太陽能電池的伏安曲線是電池二極管在黑暗時的伏安曲線與光生電流的疊加。光的照射能使伏安曲線移動到第四象限，意味著能量來自電池。用光照射電池并加上二極管的暗電流，則二極管的方程變?yōu)椋菏街蠭L為光生電流動畫展示了光對一個pn結(jié)的電流電壓特性的影響。2023/2/1UNSW新南威爾士大學135

&3.2.1太陽能電池的參數(shù)

電池的伏安曲線

接下來的幾節(jié)將討論幾個用于描述太陽能電池特性的重要參數(shù)。短路電流（ISC），開路電壓（VOC），填充因子（FF）和轉(zhuǎn)換效率都可以從伏安曲線測算出來的重要參數(shù)。2023/2/1UNSW新南威爾士大學136

&3.2.2太陽能電池的參數(shù)

短路電流

短路電流是指當穿過電池的電壓為零時流過電池的電流（或者說電池被短路時的電流）。通常記作ISC。太陽能電池的伏安曲線短路電流ISC是電池流出的最大電流，此時穿過電池的電壓為零。電池產(chǎn)生的電能短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生的收集。對于電阻阻抗最小的理想太陽能電池來說，短路電流就等于光生電流。因此短路電流是電池能輸出的最大電流。2023/2/1UNSW新南威爾士大學137

&3.2.2太陽能電池的參數(shù)

短路電流

短路電流的大小取決于以下幾個因素：太陽能電池的表面積。要消除太陽能電池對表面積的依賴，通常需改變短路電流強度（JSC單位為mA/cm2）而不是短路電流。光子的數(shù)量（即入射光的強度）。電池輸出的短路電流ISC的大小直接取決于光照強度（在入射光強度一節(jié)有討論）。入射光的光譜。測量太陽能電池是通常使用標準的1.5大氣質(zhì)量光譜。電池的光學特性（吸收和反射）電池的收集概率，主要取決于電池表面鈍化和基區(qū)的少數(shù)載流子壽命。

在比較材料相同的兩塊太陽能電池時，最重要的參數(shù)是擴散長度和表面鈍化。2023/2/1UNSW新南威爾士大學138

&3.2.2太陽能電池的參數(shù)

短路電流

對于表面完全鈍化和生成率完全相同的電池來說，短路電流方程近似于：JSC=qG(Ln+Lp)

式中G代表生成率，而Ln和Lp分別為電子和空穴的擴散長度。盡管此方程以與多數(shù)太陽能電池的實際情況不太相符的假設為前提的，但這并不妨礙我們從這個方程看出，短路電流很大程度上取決于生成率和擴散長度。

在AM1.5大氣質(zhì)量光譜下的硅太陽能電池，其可能的最大電流為46mA/cm2.實驗室測得的數(shù)據(jù)已經(jīng)達到42mA/cm2，而商業(yè)用太陽能電池的短路電流在28到35mA/cm2之間。2023/2/1UNSW新南威爾士大學13