2023太陽(yáng)光伏電池基礎(chǔ)教程

太陽(yáng)能光伏組件基礎(chǔ)教程

目錄

第一章太陽(yáng)電池的工作原理和基本特性..............................................................4

1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)..........................................................................4

1.1.1半導(dǎo)體的性質(zhì).......................................................................4

1.1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1.2.1能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性..............................................4

1.1.3半導(dǎo)體pn結(jié)........................................................................15

1.2太陽(yáng)電池工作原理.......................................................................17

1.3太陽(yáng)電池的基本特性....................................................................18

1.4影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的因素............................................................24

一、禁帶亮度...........................................................................24

二、溫度...............................................................................24

三、復(fù)合壽命...........................................................................24

四、光強(qiáng)...............................................................................24

五、摻雜濃度及剖面分布................................................................25

六、表面復(fù)合速率......................................................................25

七、串聯(lián)電阻...........................................................................26

八、金屬柵和光反射....................................................................26

1.5小結(jié)...................................................................................26

第二章硅太陽(yáng)電池常規(guī)工藝.......................................................................28

第三章太陽(yáng)電池測(cè)試.............................................................................48

3.1太陽(yáng)模擬器.............................................................................48

3.1.1概述..............................................................................48

3.1.2太陽(yáng)輻射的基本特性3.1.2.1幾個(gè)描述光的物理概念：...................................48

3.2太陽(yáng)模擬器.............................................................................49

3.2.1穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器和肽沖式太陽(yáng)模擬器.................................................49

3.2.2太陽(yáng)模擬器的電光源及漉光裝置.....................................................49

3.3太陽(yáng)模擬器某些光學(xué)特性的檢測(cè)..........................................................50

3.3.1輻照不均勻度的檢洌................................................................50

332輻照不穩(wěn)定的檢測(cè)...................................................................50

3.3.3光譜失配誤差計(jì)算..................................................................50

3.4單體太陽(yáng)電池測(cè)試......................................................................51

3.5非晶硅太陽(yáng)電池電性能測(cè)試須知............................................................57

351校準(zhǔn)輻照度........................................................................57

3.5.2光源.............................................................................57

3.5.3光譜響應(yīng).........................................................................57

3.6太陽(yáng)電流組件測(cè)試和環(huán)境試驗(yàn)方法.........................................................57

361測(cè)試項(xiàng)目..........................................................................57

3.6.2組件電性能參數(shù)測(cè)盤中所需的參考組件...............................................57

3.6.3太陽(yáng)電池組件測(cè)試方法.............................................................57

3.7地面用硅太陽(yáng)電池組件環(huán)境試驗(yàn)概況.......................................................58

第四章光伏陣列.................................................................................60

4.1光伏組件（陣列）.......................................................................60

（-）用于電子產(chǎn)品的組件..............................................................G0

（二）用于電力的組件..................................................................61

（三）聚光式組件......................................................................63

（四）混合型組件........................................................................65

4.2有四個(gè)因素決定了光伏組件的輸出功率.....................................................66

Imp....................................................................................................................................................................................................81

第三部分獨(dú)立光伏電站（集中供電）及用戶光伏系統(tǒng)（分散供電）........................................99

2

的設(shè)計(jì)，安裝及維修。............................................................................99

交流功率=（交流電壓）x（交流電流）............................................................102

直流功率=（直流電壓）x（直流電流）............................................................103

第三部分太陽(yáng)能電池系統(tǒng)應(yīng)用介紹................................................................109

一、航標(biāo)燈，無(wú)人燈塔的電源...............................................................109

二、在鐵路信號(hào)上的應(yīng)用....................................................................112

三.農(nóng)牧業(yè)設(shè)備電源........................................................................117

1、電圍欄電源.........................................................................117

原理圖................................................................................119

2、黑光燈電源.........................................................................119

3、割膠燈電源.........................................................................121

四、廣播、電視、通信設(shè)備電源..............................................................122

五、作為光伏抽水灌溉系統(tǒng)能源.............................................................125

六、太陽(yáng)電池電源在陰極保護(hù)中的應(yīng)用........................................................126

（1）在陰極金屬溶解變成金屬離子進(jìn)入溶液中Me——Me++e'（陽(yáng)極過程）..................127

（2）電子通過金屬?gòu)年?yáng)極流到陰極......................................................127

（3）在陰極，流過來的電子被溶液中能吸收電子的物質(zhì)（D）所接..........................127

七、并網(wǎng)發(fā)電..............................................................................129

八、太陽(yáng)電池作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用..........................................................130

1、作為光電開關(guān).....................................................................131

2、光電流隨著光照面枳大小的變化而變化的應(yīng)用。.......................................131

3、光電流隨光強(qiáng)度的變化而變化的應(yīng)用..................................................132

九.太陽(yáng)能節(jié)能燈..........................................................................133

十.太陽(yáng)能光電房..........................................................................135

圖無(wú)蓄電池系統(tǒng).......................................................................136

圖有蓄電池系統(tǒng).......................................................................137

十一.公路道班太陽(yáng)能電源..................................................................138

（1）馬山道班太陽(yáng)能電源：............................................................139

（2）女子道班太陽(yáng)能電源..............................................................139

十二.農(nóng)村中小學(xué)太陽(yáng)能電教系統(tǒng)............................................................139

第一部分地面太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)..................................................................142

第二部分風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng).....................................................................155

第三部分..................................................................................173

第三部分光電水泵系統(tǒng)原理及測(cè)試................................................................174

3.1引言................................................................................174

3.2光電水泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介...................................................................174

第二種分類方法是根據(jù)水泵的安裝位置分類：......................................................175

一、部件特性。.................................................................................181

二、全泵系統(tǒng)特性。

三、補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。.................................................................................181

3

第一章太陽(yáng)電池的工作原理和基本特性

1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

1.1.1半導(dǎo)體的性質(zhì)

世界上的物體如果以導(dǎo)電的性能來區(qū)分，有的容易導(dǎo)電，有的不容易導(dǎo)電。容易導(dǎo)電

的稱為導(dǎo)體，如金、銀、銅、鋁、鉛、錫等各種金屬：不容易導(dǎo)電的物體稱為絕緣體，常見的有

玻璃、橡狡、塑料、石英等等；導(dǎo)電性能介于這兩者之間的物體稱為半導(dǎo)體，主要有錯(cuò)、硅、硅化鐐、

硫化鎘等等。眾所周知，原子是由原子核及其周圍的電子構(gòu)成的，一些電子脫離原子核的束縛，

能夠自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，稱為自由電子。金屬之所以容易導(dǎo)電，是因?yàn)樵诮饘袤w內(nèi)有大量能夠自由運(yùn)動(dòng)

的電子，在電場(chǎng)的作用下，這些電了?有規(guī)則地沿著電場(chǎng)的相反方向流動(dòng)，形成了電流。自由電子的

數(shù)量越多，或者它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下有規(guī)則流動(dòng)的平均速度越高，電流就越大。電子流動(dòng)運(yùn)載的

是電量，我們把這種運(yùn)我電量的粒子，稱為載流子。在常溫下，絕緣體內(nèi)僅有極少量的自由電子,

因此對(duì)外不呈現(xiàn)導(dǎo)電性。半導(dǎo)體內(nèi)有少量的自由電子，在一些特定條件卜才能導(dǎo)電。

半導(dǎo)體可以是元素，如硅(Si)和銘?(Ge),也可以是化合物，如硫化鎘(OCLS)和

神化錢(GaAs),還可以是合金，如G&AL-As,其中x為0T之間的任意數(shù)。許多有機(jī)化合

物，如意也是半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體的電阻率較大(約lOMpRO'Cm),而金屬的電阻率則很小(約10'~10七加)，

絕緣體的電阻率則很大(約PNlO,Cm)。半導(dǎo)體的電阻率對(duì)溫度的反應(yīng)靈敏，例如銘的溫度從

200C升高到3O?C,電阻率就要降低一半左右。金屬的電阻率隨溫度的變化則較小，例如銅的

溫度每升高100°C,P增加40%左右。電阻率受雜質(zhì)的影響顯著。金屬中含有少量雜質(zhì)時(shí)，看

不出電阻率有多大的變化，但在半導(dǎo)體里摻入微量的雜質(zhì)時(shí)，卻可以引起電阻率很大的變化，

例如在純硅中摻入百萬(wàn)分之一的硼，硅的電阻率就從2.1僅1()001減小到().()04。加左右。金屬

的電阻率不受光照影響，但是半導(dǎo)體的電阻率在適當(dāng)?shù)墓饩€照射卜可以發(fā)生顯著的變化。

1.1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

1.1.2.1能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性

半導(dǎo)體的許多電特性可以用一種簡(jiǎn)單的模型來解釋。硅是四為元素，每個(gè)原子的最外殼

層上有4個(gè)電子，在硅品體中每個(gè)原子有4個(gè)相鄰原子，并和每一個(gè)相鄰原子共有兩個(gè)價(jià)

電子，形成穩(wěn)定的8電子殼層。

自由空間的電子所能得到的能量值基本上是連續(xù)的，但在晶體中的情況就可能截然不

同了，孤立原子中的電子占據(jù)非常固定的一組分立的能線，當(dāng)孤立原子相互靠近，規(guī)則整齊排

列的晶體中，由于各原子的核外電子相互作用，本來在孤立原子狀態(tài)是分離的能級(jí)擴(kuò)展，根據(jù)情

況相互重疊，變成如圖2.1所示的帶狀。電子許可占據(jù)的能帶叫允許帶，允許帶與允許帶間不

許可電子存在的范圍叫禁帶。

4

圖2.1原子間距和電子能級(jí)的關(guān)系

在低溫時(shí)，晶體內(nèi)的電子占有最低的可能能態(tài)。但是晶體的平衡狀態(tài)并不是電子全都處

在最低允許能級(jí)的一種狀態(tài)?；疚锢矶ɡ硪灰慌堇≒auli）不相容原理規(guī)定，每個(gè)允許

能級(jí)最多只能被兩個(gè)自旋方向相反的電了?所占據(jù)。這意味著，在低溫下，晶體的某一能級(jí)以下的

所有可能能態(tài)都將被兩個(gè)電子占據(jù)，該能級(jí)稱為費(fèi)米能級(jí)（E。。隨著溫度的升高，一些電子

得到超過費(fèi)米能級(jí)的能量，考慮到泡利不相容原理的限制，任一給定能量E的一個(gè)所允許的

電子能態(tài)的占有幾率可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律計(jì)算，其結(jié)果是由下式給出的贄米一狄拉克分布函數(shù)

f（E）,即

J、/一（E-EQ/

1+eR

現(xiàn)在就可用電子能帶結(jié)構(gòu)來描述金屬、絕緣體和半導(dǎo)體之間的差別。

電導(dǎo)現(xiàn)象是隨電子填充允許帶的方式不同而不同。被電子完全占據(jù)的允許帶（稱為滿

帶）上方，隔著很寬的禁帶，存在完全空的允許帶（稱為導(dǎo)帶），這時(shí)滿帶的電子即使加電場(chǎng)

也不能移動(dòng)，所以這種物質(zhì)便成為絕緣體。允許帶不完全占滿的情況下，電子在很小的電場(chǎng)作用

下就能移動(dòng)到離允許帶少許上方的另一個(gè)能級(jí)，成為自由電子，而使電導(dǎo)率變得很大，這種物質(zhì)稱為

導(dǎo)體。所謂半導(dǎo)體，即是天然具有和絕緣體一樣的能帶結(jié)構(gòu)，但禁帶寬度較小的物質(zhì)。在這種情況

下，滿帶的電子獲得室溫的熱能，就有可能越過禁帶跳到導(dǎo)帶成為自由電子，它們將有助于物質(zhì)

的導(dǎo)電性。參與這種電導(dǎo)現(xiàn)象的滿帶能級(jí)在大多數(shù)情況下位于滿帶的最高能級(jí)，因此可將能帶結(jié)

構(gòu)簡(jiǎn)化為圖2.2。另外，因?yàn)檫@個(gè)滿帶的電子處于各原子的最外層，是參與原子間結(jié)合的價(jià)

電子，所以又把這個(gè)滿帶稱為價(jià)帶。圖中省略了導(dǎo)帶的上部和價(jià)帶的下部。半導(dǎo)體結(jié)晶在相鄰原

子間存在著共用價(jià)電子的共價(jià)鍵。如圖2.2所示，一旦從外部獲得能量，共價(jià)鍵被破壞后，電子

將從價(jià)帶躍造到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留出電子的一個(gè)空位。這個(gè)空位可由價(jià)帶中鄰鍵上的電子來占

據(jù)，而這個(gè)電了?移動(dòng)所留下的新的空位又可以由其它電子來填補(bǔ)。這樣，我們可以看成是空位在

依次地移動(dòng)，等效于帶正電荷的粒子朝著與電子運(yùn)動(dòng)方向相反的方向移動(dòng)，稱它為空穴。在半導(dǎo)體

中，空穴和導(dǎo)帶中的自由電子?樣成為導(dǎo)電的帶電粒子（即載流子），電子和空穴在外電場(chǎng)作用下,

朝相反方向運(yùn)動(dòng)，但是由于電荷符號(hào)也相反，因此，作為電流流動(dòng)方向則相同，對(duì)電導(dǎo)率起

迭加作用。

圖2.2半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和我流子的移動(dòng)

1.1.2.2本征半導(dǎo)體、摻朵半導(dǎo)體

圖2.2所示的能帶結(jié)構(gòu)中，當(dāng)禁帶寬度Eg比較小的情況下，隨著溫度上升，從價(jià)帶

躍遷到導(dǎo)帶的電子數(shù)增多，同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生同樣數(shù)目的空穴。這個(gè)過程叫電子一空穴對(duì)的產(chǎn)生，把

在室溫條件下能進(jìn)行這樣成對(duì)的七生并具有?定電導(dǎo)率的半導(dǎo)體叫本征半導(dǎo)體，它只能在極純的

材料情況下得到的。而通常情況下，由于半導(dǎo)體內(nèi)含有雜質(zhì)或存在品格缺陷，作為自由載流子的

電子或空穴中任意一方增多，就成為摻雜半導(dǎo)體。存在多余電子的稱為n型半導(dǎo)體，存在多

余空穴的稱為P型半導(dǎo)體。

雜質(zhì)原子可通過兩種方式摻入晶體結(jié)構(gòu)：它們可以擠在基質(zhì)晶體原子間的位置上，這種

情況稱它們?yōu)殚g隙雜質(zhì)：另一種方式是，它們可以替換基質(zhì)晶體的原子，保持晶體結(jié)構(gòu)中的有

規(guī)律的原子排列，這種情況下，它們被稱為替位雜質(zhì)。

周期表中III族和V族原子在硅中充當(dāng)替位雜質(zhì)，圖2.3示出一個(gè)V族雜質(zhì)(如磷)替

換了一個(gè)硅原子的部分晶格。四個(gè)價(jià)電子與周圍的硅原了組成共價(jià)鍵，但第五個(gè)卻處于不同的

情況，它不在共價(jià)鍵內(nèi)，因此不在價(jià)帶內(nèi)，它被束縛于V族原子，所

圖2.3一個(gè)V族原子替代了一個(gè)畦原子的部分硅晶格

以不能穿過晶格自由運(yùn)動(dòng)，因此它也不在導(dǎo)帶內(nèi)?？梢灶A(yù)期，與束縛在共價(jià)鍵內(nèi)的自由電子相

比，釋放這個(gè)多余電子只須較小的能量，比硅的帶隙能量LleV小得多。自由電子位于導(dǎo)帶中,

因此束縛于V族原子的多余電子位于低于導(dǎo)帶底的能量為E的地方，如圖(格P28圖

2.13(a)所示那樣。這就在“禁止的”晶隙中安置了一個(gè)允許的能級(jí)，川族雜質(zhì)的分析與

此類似。例如，把V族元素(Sb,As,P)作為雜質(zhì)摻入單元素半導(dǎo)體硅單晶中時(shí)，這

圖2.4

(a)V族替位雜質(zhì)在禁帶中引入的允許能級(jí)(b〕HI族雜質(zhì)的對(duì)應(yīng)能態(tài)

些雜質(zhì)替代硅原子的位置進(jìn)入品格點(diǎn)。它的5個(gè)價(jià)電子除與相鄰的硅原子形成共價(jià)健外，還

多余1個(gè)價(jià)電子，與共價(jià)鍵相比，這個(gè)剩余價(jià)電子極松弛地結(jié)合于雜質(zhì)原子。因此，只要雜

質(zhì)原子得到很小的能量，就可以釋放出電子形成自由電子，而本身變成1價(jià)正離子，但因受

晶格點(diǎn)陣的束縛，它不能運(yùn)動(dòng)。這種情況下，形成電子過剩的n型半導(dǎo)體。這類可以向半導(dǎo)體

提供自由電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。其能帶結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。在n型半導(dǎo)體中，除存在

6

從這些施主能級(jí)產(chǎn)生的電子外，還存在從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的電子。由于這個(gè)過程是電子-空

穴成對(duì)產(chǎn)生的，因此，也存在相同數(shù)目的空穴。我們把數(shù)量多的電子稱為多數(shù)我流子，將數(shù)量少

的空穴稱為少數(shù)載流子。

圖2.5n型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)圖2.6p型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

把H1族元素(B、Al、Ga、In)作為雜質(zhì)摻入時(shí)，由于形成完整的共價(jià)鍵上缺少一個(gè)

電子。所以，就從相鄰的硅原子中奪取一個(gè)價(jià)電子來形成完整的共價(jià)鍵。被奪走的電子留下一個(gè)

空位，成為空穴。結(jié)果，雜質(zhì)原子成為1價(jià)負(fù)離子的同時(shí)，提供了束縛不緊的空穴。這種結(jié)合

用很小的能量就可以破壞，而形成自由空穴，使半導(dǎo)體成為空穴過剩的P型半導(dǎo)體，可以接受

電子的雜質(zhì)原子稱為受主雜質(zhì)。其能帶結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。這種情況下，多數(shù)載流子為空穴，少

數(shù)載流子為電子。

上述的例了?都是由摻雜形成的n型或P型半導(dǎo)體，因此稱為摻雜半導(dǎo)體。但為數(shù)很多的

化合物半導(dǎo)體，根據(jù)構(gòu)成元素某種過?；虿蛔?，有時(shí)導(dǎo)電類型發(fā)生變化。另外，也有由于構(gòu)成元

素蒸氣壓差過大等原因，造成即使摻入雜質(zhì)有時(shí)也得不到n、p兩種導(dǎo)電類型的情況。

1.1.2.3載流了濃度

半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子的濃度各自達(dá)到平衡值。因某種原

因，少數(shù)載流子一旦超過平衡值，就將發(fā)生與多數(shù)載流子的復(fù)合，企圖恢復(fù)到原來的平衡的狀態(tài)。

設(shè)電子濃度為n,空穴濃度為p,則空穴濃度隨時(shí)間的變化率由電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合之

差給出下式：

dp波三(2.1)

電子一一空穴對(duì)的產(chǎn)生幾率g是由價(jià)帶中成為激發(fā)對(duì)象的電子數(shù)和導(dǎo)帶中可允許占據(jù)的能級(jí)

數(shù)決定。然而，空穴少于導(dǎo)帶的允許能級(jí)時(shí)，不依賴于載流子數(shù)而成為定值。復(fù)合率正比于載流

子濃度n與p的乘積，比例系數(shù)r表示復(fù)合幾率。平衡狀態(tài)時(shí)dp/dt=O,由此可導(dǎo)出

=(2.2)

它意味著多數(shù)載流子濃度和少數(shù)載流子濃度的乘枳為確定值。這個(gè)關(guān)系式也適用于本征半導(dǎo)體,

可得到

P,%=%=g(2.3)

根據(jù)量子理論和量子統(tǒng)計(jì)理率可以得年

3(Ey

pn=n2=4p成7J\jnm)2.exp-&

(p-p\\J⑵4)

=NNexjv1

CVI

式中，k——玻耳茲曼常數(shù):

h一一普朗克常數(shù)：

----電子有效質(zhì)量；

明：一一空穴有效質(zhì)量：

T---絕對(duì)溫度；Ei—

一價(jià)帶頂能量：E7---

導(dǎo)帶底能曷.

1——價(jià)帶質(zhì)的有效態(tài)密度

Nf一一導(dǎo)帶底的有效態(tài)密度

假如知道半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg,就可以很容易地計(jì)算出本征載流子濃度。

費(fèi)米能級(jí)在描述半導(dǎo)體的能級(jí)圖上是型耍的參量。所謂費(fèi)米能級(jí)，即為電子占據(jù)幾率為

1/2處的能級(jí)，可根據(jù)半導(dǎo)體電中性條件求出，即

自由空穴濃度+電離施主濃度=自由電子濃度+電離受主濃度(2.5)

費(fèi)米能級(jí)在本征半導(dǎo)體口幾乎位于禁帶中央，而在n型半導(dǎo)體中靠近導(dǎo)帶。在P型半

導(dǎo)體中靠近價(jià)帶。同時(shí)費(fèi)米內(nèi)綴將根據(jù)摻雜濃度的不同，發(fā)生如圖2.6所示的變化。例如，n型

半導(dǎo)體中設(shè)施主濃度為N,?可給出：

Ec—E/kTln容(2.6)

圖2.6費(fèi)米能級(jí)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系

P型半導(dǎo)體中設(shè)受主濃度為N.,則可給出：

昂一心即n柒

⑵7)

如果知道了雜質(zhì)濃度就可以通過計(jì)算求得費(fèi)米能級(jí)。

1.1.2.4載流子的傳輸

一、漂移

在外加電場(chǎng)3的影響下，一個(gè)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的自由電子在與電場(chǎng)相反的方向上有一個(gè)加速

度2=《/111,在此方向上，它的速度隨時(shí)間不斷地增加。晶體內(nèi)的電子處于一種不同的情況，

它運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量不同于自由電子的質(zhì)量，它不會(huì)長(zhǎng)久持續(xù)地加速，最終將與品格原子、雜質(zhì)原

子或晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的缺陷相碰撞。這種碰撞將造成電子運(yùn)動(dòng)的雜亂無(wú)章，換句話說，它將降低電子

從外加電場(chǎng)得到附加速度，兩次碰撞之間的“平均”時(shí)間稱為地孜時(shí)間3，由電子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)

動(dòng)的速度來決定。此速度通常要比電場(chǎng)給與的速度大得多，在兩次碰撞之間由電場(chǎng)所引起的電子

平均速度的增量稱為漂移速度。導(dǎo)帶內(nèi)電子的漂移速度由下式得出：

v=L=1(2.8)

d22fnc

8

(如果tr是對(duì)所有的電子速度取平均，則去掉系數(shù)2)。電子載流子的遷移率定義為:

M</=?=取(2.9)

來自導(dǎo)帶電子的相應(yīng)的電流密度將是

J(，=,9%=<7山相(2.10)

對(duì)于價(jià)帶內(nèi)的空穴，其類似公式為

Jh=q*hPW(2.ID

總電流就是這兩部分的和。因此半導(dǎo)體的電導(dǎo)率o為

c=L」=q%〃+q因P(2.12)

P;

其中p是電阻率。

對(duì)于結(jié)晶質(zhì)量很好的比較純的半導(dǎo)體來說，使我流子速度變得紊亂的碰撞是由晶體的原

子引起的。然而，電離了的摻雜劑是有效的散射體，因?yàn)樗鼈儙в袃綦姾?。因此，隨著半導(dǎo)體摻

雜的加重:，兩次碰撞間的平均時(shí)間以及遷移率都將降低。

當(dāng)溫度升高時(shí)，基體原子的振動(dòng)更劇烈，它們變?yōu)楦蟮摹鞍小保瑥亩档土藘纱闻鲎?/p>

間的平均時(shí)間及遷移率。重?fù)诫s時(shí)，這個(gè)影響就得不太顯著，因?yàn)榇藭r(shí)電離了的摻雜劑是有效的

載流子的散射體。

電場(chǎng)強(qiáng)度的提高，最終將使載流了的漂移速度增加到可與無(wú)規(guī)則熱速度相比。因此，電

子的總速度歸根結(jié)底將隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加。電場(chǎng)的增加使碰撞之間的時(shí)間及遷移率減

小了。

二、擴(kuò)散

除了漂移運(yùn)動(dòng)以外，半導(dǎo)體中的載流子也可以由于擴(kuò)散而流動(dòng)。象氣體分子那樣的任何

粒子過分集中時(shí)，若不受到限制，它們就會(huì)自己散開。此現(xiàn)象的基本原因是這些粒子的無(wú)規(guī)則

的熱速度。

粒子流與濃度梯度的負(fù)值成正比。因?yàn)殡娏髋c荷電粒子流成正比，所以對(duì)應(yīng)于電子的

維濃度梯度的電流密度是

J=qD(2.13)

0dx

其中D.是擴(kuò)散常數(shù).同樣對(duì)于空穴.有

J,『qD黑(2.14)

hdx

從根本上講，漂移和擴(kuò)散兩個(gè)過程是有關(guān)系的，因而，遷移率和獷散常數(shù)不是獨(dú)立的，它們通

過愛因斯坦關(guān)系相互聯(lián)系，即

9

kTkT

2=—叱和2=一同⑵⑸

qq

kT/q是在與太陽(yáng)電池有關(guān)的關(guān)系式中經(jīng)常出現(xiàn)的參數(shù)，它具有電壓的量綱，室溫時(shí)為26rnvo

1.1.2.5半導(dǎo)體的吸收系數(shù)

半導(dǎo)體晶體的吸光程度由光的頻率v和材料的禁帶寬度所決定。當(dāng)頻率低、光子能量hv比

半導(dǎo)體的禁帶寬度E,小時(shí)，大部分光都能穿透：隨著頻率變高，吸收光的能力急劇增強(qiáng)。

吸收某個(gè)波長(zhǎng)入的光的能力用吸收系數(shù)a(hv)來定義。半導(dǎo)體的光吸收由各種因素決定，

這里僅考慮到在太陽(yáng)電池上用到的電子能帶間的躍遷。一般禁帶寬度越寬，對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)的吸收

系數(shù)就越小。除此以外，光的吸收還依賴于導(dǎo)帶、價(jià)帶的態(tài)密度。

光為價(jià)帶電子提供能量，使它躍遷到導(dǎo)帶，在躍遷過程中，能量和動(dòng)量守恒，對(duì)沒有

硅屬丁間按躍遼類型，其吸收系數(shù)上升非常平緩，所以在太陽(yáng)光照射下，光可到達(dá)距

表面20即1以上相當(dāng)深的地方，在此還能產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。與此相反，對(duì)直接躍遷型材料

GaAs,在其禁帶寬度附近吸收系數(shù)急劇增加，對(duì)能量大于禁帶寬度的光子的吸收緩慢增加，

此時(shí)，光吸收和電子一空穴對(duì)的產(chǎn)生，大部分是在距表面2即1左右的極薄區(qū)域中發(fā)生。簡(jiǎn)

言之，制造太陽(yáng)電池時(shí)，用直接躍遷型材料，即使厚度很薄，也能充分的吸收太陽(yáng)光，而用間接

躍遷型材料，沒有?定的厚度，就不能保證光的充分吸收。但是作為太陽(yáng)電池必要的厚度，并

不是僅僅由吸收系數(shù)來決定的，與少數(shù)載流子的壽命也有關(guān)系，當(dāng)半導(dǎo)體摻雜時(shí)，吸收系數(shù)將

向高能量一側(cè)發(fā)生偏移。

由于一部分光在半導(dǎo)體表面被反射掉，因此，進(jìn)入內(nèi)部的光實(shí)際上等于扣除反射后所剩

部分。為了充分利用太陽(yáng)光，應(yīng)在半導(dǎo)體表面制備絨面和減反射層，以減少光在其表面的反射

損失。

1.1.2.6我流子的復(fù)合

10

一馳豫到平衡

適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射在半導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。因此，光照射時(shí)材料的載流子濃度

將超過無(wú)光照時(shí)的值。如果切斷光源，則載流子濃度就衰減到它們平衡時(shí)的值。這個(gè)衰減過程

通稱為復(fù)合過程。下面將介紹幾種不同的復(fù)合機(jī)構(gòu)。

二輻射復(fù)合

輻射復(fù)合就是光吸收過程的逆過程。占據(jù)比熱平衡時(shí)更高能態(tài)的電子有可能躍遷到空的

低能態(tài)，其全部（或大部分）初末態(tài)間的能量差以光的方式發(fā)射。所有已考慮到的吸收機(jī)構(gòu)都

有相反的輻射復(fù)合過程。由于間接帶隙半導(dǎo)體需要包括聲子的兩級(jí)過程，所以輻射復(fù)合在直接

帶隙半導(dǎo)體中比間接帶隙半導(dǎo)體中進(jìn)行得快。

總的輻射復(fù)合速率R.與導(dǎo)帶中占有態(tài)（電子）的濃度和價(jià)帶中未占有態(tài)（空穴）的濃

度的乘積成正比，即

RR=Bnp（2.16）

式中，B對(duì)給定的半導(dǎo)體來說是一個(gè)常數(shù)。由于光吸收和這種復(fù)合過程之間的關(guān)系，由半導(dǎo)體

的吸收系數(shù)能夠計(jì)算出

熱平衡時(shí)，即np=n：時(shí)，復(fù)合率由數(shù)目相等但過程相反的產(chǎn)生率所平衡。在不存在由

外部激勵(lì)源產(chǎn)生載流子對(duì)的情況下，與上式相對(duì)應(yīng)的凈復(fù)合率5由總的復(fù)合率減去熱平衡

時(shí)的產(chǎn)生率得到，即

2＞

UR=B（＜np-n,）（2.17）

對(duì)任何復(fù)合機(jī)構(gòu)，都可定義有關(guān)載流子壽命（對(duì)電子）和（對(duì)空穴）它們分別為

.加？

Q7T

(2.18)

U

式中，U為凈復(fù)合率，An和Ap是相應(yīng)載流子從它們熱平衡時(shí)的佳小和p?的擾動(dòng)。

對(duì)An=Ap的輻射復(fù)合機(jī)構(gòu)而言，由式（2.17）確定的特征壽命是

T；JoPo（2.19）

一也”+?

硅的B值約為2xl07m'/s。

正如前面所說的直接帶隙材料的復(fù)合壽命比間接帶隙材料的小得多。利用GaAs及其

合金為材料的商用半導(dǎo)體激光器和光發(fā)射二極管就是以融愎合過程作為基礎(chǔ)的。但對(duì)硅來說，其它的復(fù)

合機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)匕緇M螂多。

11

三、俄歇復(fù)合

在俄歇（Auger）效應(yīng)中，電子與空穴復(fù)合時(shí)，將多余的能量傳給第二個(gè)電了而不是

發(fā)射光。圖2.9示出了這個(gè)過程。然后，第二個(gè)電子通過發(fā)射聲子弛豫回到它初始所在的能級(jí)。

俄歇發(fā)合就是更熟悉的碰撞電離效應(yīng)的逆過程。對(duì)具有充足的電子和空穴的材料來說，與俄歇過程

有關(guān)的特征壽命。分別是

-=Cnp+Dn2或_=Cnp+Dp2（2.20）

TT

在每種情況下，右邊的第一項(xiàng)描述少數(shù)載流子能帶的電子激發(fā)，第二項(xiàng)描述多數(shù)我流子能帶的電

子激發(fā)。由于第二項(xiàng)的影響，高摻雜材料中俄歇復(fù)合尤其顯著。對(duì)于高質(zhì)量硅，摻雜濃度大于1017cm：,

時(shí)，俄歇復(fù)合處于支配地位。

圖2.9俄歌復(fù)合過程

(a)多余的能量傳給導(dǎo)帶中的電子

(b)多余的能量傳給價(jià)帶中的電子

四、通過陷阱的復(fù)合

前面已指出，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷會(huì)在禁帶中產(chǎn)生允許能級(jí)。這些缺陷能級(jí)引起一

種很有效的兩級(jí)第合過程。如圖2.10（a）所示，在此過程中，電子從導(dǎo)帶能級(jí)弛豫到缺陷

能級(jí)，然后再弛像到價(jià)帶，結(jié)果與一個(gè)空穴復(fù)合。

圖2.10

<a）通過半導(dǎo)體禁帶中的陷阱能級(jí)的兩級(jí)曳合過程

（b）在半導(dǎo)體表面位于禁帶中的表面態(tài)

12

對(duì)此過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析可得，通過陷阱的凈復(fù)合一產(chǎn)生率U可寫為

普工(”嗔()⑵2D

獷+%+,〃十.

式中，5和％是壽命參數(shù)，它們的大小取決于陷阱的類型和陷阱缺陷的體密度，必和Pi是

分析過程中產(chǎn)生的參數(shù)，此分析過程還引入一個(gè)復(fù)合速率與陷阱能E,的關(guān)系式：

n=N(瓦一瓦1(2.22)

1cexp-------

IkT)

np=n2(2.23)

IIi

式(2.22)在形式上與用費(fèi)米能級(jí)表示電子濃度的公式很相似。如果Q和人數(shù)量級(jí)相同，可

知當(dāng)n3Pl時(shí)，U有其峰值。當(dāng)缺陷能級(jí)位于禁帶間中央附近時(shí)，就出現(xiàn)這種情況。因此，

在帶隙中央引入能級(jí)的雜質(zhì)是有效的復(fù)合中心。

五、表面復(fù)合

表面可以說是晶體結(jié)構(gòu)中有相當(dāng)嚴(yán)重缺陷的地方。如圖2.10(b)所示，在表面處存

在許多能量位于禁帶中的允許能態(tài)。因此由上面所敘述的機(jī)構(gòu)，在表面處，復(fù)合很容易發(fā)生。單能級(jí)

表面態(tài)每單位面積的凈身合率UA具有與2.21類似的形式，即

5=①洵(叩-日))(2.24)

S%〃+勺+S^p+pi

式中S~＞和Sh(1