太陽能電池培訓(xùn)手冊(cè)

太陽能電池培訓(xùn)手冊(cè)

第一章太陽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、橡膠、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、神化鐵、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)一，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，這些電子有規(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)載電量的粒子，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，在一些特定條件下才能導(dǎo)電。

半導(dǎo)體可以是元素，如硅(Si)和錯(cuò)(Ge),也可以是化合物，

如硫化鎘(OCLS)和碑化線(GaAs),還可以是合金，如G^AL-As,

其中X為0-1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105<P<107Q.m）,而金屬的電阻率則很

?。s10-8?106。?）,絕緣體的電阻率則很大（約p21（）8Q.m）。半導(dǎo)

體的電阻率對(duì)溫度的反應(yīng)靈敏，例如錯(cuò)的溫度從20℃升高到30℃,

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℃,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

入百萬分之一的硼，硅的電阻率就從2.14x10'。包減小到0.004am

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?/p>

線照射下可以發(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。硅是四價(jià)元

素，每個(gè)原子的最外殼層上有4個(gè)電子，在硅晶體中每個(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

冗-=i=r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。

＜晶格間距）康于間距離

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?/p>

一泡利（Pauli）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

旋方向相反的電子所占據(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)（EQ。

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)果是由下式給出的費(fèi)米-狄拉克分布

函數(shù)f（E）,即

于⑻=1

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

電場(chǎng)E

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2.2o

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)電子移動(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)帶中的自由電子一樣成為導(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)和載流子的移動(dòng)

1.1.2.2本征半導(dǎo)體、摻雜半導(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)的產(chǎn)生并具有一定電導(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

的硅原子組成共價(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)硅原子的部分硅晶格

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

______，匕

(a)<bl

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),

III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)入晶格點(diǎn)。它的5個(gè)價(jià)電子除與相鄰的硅

原子形成共價(jià)鍵外，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)載流子，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m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。

上述的例子都是由摻雜形成的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載流子濃度

半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)一，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/dt-g—rpn(2.1)

電子—空穴對(duì)的產(chǎn)生兒率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

pn=g/r=常數(shù)⑵2)

它意味著多數(shù)載流子濃度和少數(shù)載流子濃度的乘積為確定值。這個(gè)關(guān)

系式也適用于本征半導(dǎo)體，可得到

P,〃,=〃：=g/r(2.3)

根據(jù)量子理論和量子統(tǒng)計(jì)理論可以得到

式中，k——玻耳茲曼常數(shù)；

h——普朗克常數(shù)；

m*n--------------電子有效質(zhì)量；

m；——空穴有效質(zhì)量；

T——絕對(duì)溫度；

Ev——價(jià)帶頂能量；

Ec——導(dǎo)帶底能量；

Nv——價(jià)帶頂?shù)挠行B(tài)密度

Nc——導(dǎo)帶底的有效態(tài)密度

假如知道半導(dǎo)體的禁帶亮度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)圖上是重要的參量。所謂費(fèi)米能

級(jí)，即為電子占據(jù)兒率為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

⑵5)

費(fèi)米能級(jí)在本征半導(dǎo)體中兒乎位于禁帶中央，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)米能級(jí)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

為風(fēng),可給出：

Ec-Er?(2.6)

N

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)受主濃度為則可給出:

N

EF-Ev?kTln^(2.7)

N.

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)。

LL2.4載流子的傳輸

一、漂移

在外加電場(chǎng)C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a=U/m,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，最終將與晶格原子、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

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)間稱為弛豫時(shí)間tr,由電子無規(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：

1

=—at=⑵8)

2

（如果L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:

〃”=卷=竺⑵9）

來自導(dǎo)帶電子的相應(yīng)的電流密度將是

Je-qnvd-喈（2.10）

對(duì)于價(jià)帶內(nèi)的空穴，其類似公式為

Jh=q%,p&（2.11）

總電流就是這兩部分的和。因此半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。為

1J

b=—=工=(2.12)

P4

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，使載流子速度變得紊

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O

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?

從而降低了兩次碰撞間的平均時(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，最終將使載流子的漂移速度增加到可與無規(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)于電子的一維濃度梯度的電流密度是

?/,=亞學(xué)⑵13)

ax

其中必是擴(kuò)散常數(shù)。同樣對(duì)于空穴，有

Jh=~cl^h~T~⑵14)

ax

從根本上講，漂移和擴(kuò)散兩個(gè)過程是有關(guān)系的，因而，遷移率和擴(kuò)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

De=—Me和Db=—/Jh⑵⑸

qq

kT/q是在與太陽電池有關(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26mv。

1.L2.5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)體的禁帶寬度瓦小時(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)沒有聲子參與的情況，即不伴隨有動(dòng)量變化的躍遷稱

為直接躍遷，其吸收過程的形式示于圖2.7,而伴隨聲子的躍遷稱為

間接躍遷，其吸收躍遷過程示于圖2.8。

硅屬于間接躍遷類型，其吸收系數(shù)上升非常平緩，所以在太陽光

照射下，光可到達(dá)距表面20卬）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211m左右的

極薄區(qū)域中發(fā)生。簡(jiǎn)言之，制造太陽電池時(shí)，用直接躍遷型材料，即

使厚度很薄，也能充分的吸收太陽光，而用間接躍遷型材料，沒有一

定的厚度，就不能保證光的充分吸收。但是作為太陽電池必要的厚度,

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載流子的復(fù)合

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

面將介紹兒種不同的復(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RR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B。

熱平衡時(shí)，即np="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■由總的復(fù)合率減去熱平衡時(shí)的產(chǎn)生率得到，即

UR(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

Te=~

U（2.18）

丁—包

Th~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)的值n。

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

硅的B值約為2xl0%m3/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

管就是以輻射復(fù)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)

比這重要得多。

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)電子而不是發(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)。俄歇復(fù)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T分別是

—=Cnp+Dn~或—=Cnp+Dp2(2.20)

rT

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)載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lOZn?時(shí)，俄歇

復(fù)合處于支配地位。

圖2.9俄歇復(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)復(fù)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)，然后再弛豫到價(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)復(fù)合過程

(b)在半導(dǎo)體表面位于禁帶中的表面態(tài)

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UT

可寫為

%=——(一華工——.(2.21)

式中，如和。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，m和口是分析過程中產(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Et的關(guān)系式：

%=Ncexp(E，kJ)(2.22)

〃iPi=(2.23)

式⑵22)在形式上與用費(fèi)米能級(jí)表示電子濃度的公式很相似。如果心。

和5數(shù)量級(jí)相同，可知當(dāng)寸，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

的凈復(fù)合率U具有與2.21類似的形式，即

I]=(224)

ASe(〃+〃J+S%(p+pJ

式中Se。和Sh。是表面復(fù)合速度。位于帶隙中央附近的表面態(tài)能級(jí)也是

最有效的復(fù)合中心。

1.1.2.7半導(dǎo)體器件物理學(xué)基本方程

前面幾節(jié)中已經(jīng)概述了半導(dǎo)體的有關(guān)特性，這些內(nèi)容現(xiàn)在將被歸

納為一組能描述半導(dǎo)體器件工作的基本方程。這些方程的解使我們能

夠確定包括太陽電池在內(nèi)的大部分半導(dǎo)體器件的理想特性。忽略其余

兩維空間的變化，方程組將寫成一維的形式。

1、泊松方程

它描述了電場(chǎng)散度與空間電荷密度p之間的關(guān)系，在一維情況下,

其形式為:

d。P⑵25)

dx8

式中￡是介電常數(shù)。p為電荷密度。在半導(dǎo)體中，p值為

P=q(p-〃+N；,-N。(2.26)

式中，p和n是空穴和電子的濃度，N/和N；分別是已電離的施主和受

主的濃度。在正常情況下，大部分施主和受主都被電離，因此

心“⑵27)

N…八

式中ND和NA為施主和受主雜質(zhì)的總濃度。

2、電流密度方程

電子和空穴通過漂移和擴(kuò)散過程可對(duì)電流作出貢獻(xiàn)。因此，電子

和空穴的總電流密度J。和，的表達(dá)式為

，匕ndn

Je=喈+q”—

dx⑵28)

J?=q〃hP4-qDh牛

ax

遷移率和擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系由愛因斯坦關(guān)系式［D0=(kT/q)內(nèi)和

Dh=(kT/q)的］確定。

3、連續(xù)方程

圖2.11推導(dǎo)電子連續(xù)方程用的單元體積

參看圖2.11中長(zhǎng)為Bx、橫截面積為A的單元體積，可以說這個(gè)

體積中電子的凈增加兒率等于它們進(jìn)入的速率減去它們出去的速率，

加上該體積中它們的產(chǎn)生率，減去它們的復(fù)合率，寫成方程為：

進(jìn)入速率一出去速率=4卜〃x)_[_〃x+&)]}=4也次(2.29)

qqdx

產(chǎn)生率一復(fù)合率=Ab、(G-U)(2.30)

式中G是由于外部作用(如光照)所一引起的凈產(chǎn)生率，U是凈復(fù)合

率。在穩(wěn)態(tài)情況下，凈增加率必須為0,這樣就有

L4.=U-G(2.31)

qdx

同樣，對(duì)于空穴有

(2.32)

qdx=

4、方程組

由上述方程，我們可得到應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的基本方程組:

亨=_n+ND_NA)

ax￡

,匕門〃

小利喈+m/d

人=q%p"qDh半(2.33)

ax

工U-G

qdx

!也=-(U-G)

qdx

利用計(jì)算機(jī)，通過引入一些考慮周詳?shù)慕铺幚?，可能極簡(jiǎn)單地就可

求得這些方程的解。

1.1.3半導(dǎo)體pn結(jié)

1.1.3.1能帶圖

在一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)，P型和n型緊接在一起時(shí)，將它們交界處

稱為pn結(jié)。當(dāng)p型，n型單獨(dú)存在時(shí)，費(fèi)米能級(jí)如圖2.12(a)所示,

分別位于介帶和導(dǎo)帶附近.

一旦形成pn結(jié)，由于結(jié)兩邊的電子和空穴的濃度不同，電子就

Affl.3熨

導(dǎo)帶

三三三三三曜主能取

/

費(fèi)米能級(jí)

受主戰(zhàn)級(jí)

ufEsr飾常中篇枷翻

(a)

空間電荷區(qū)

一

(b)

強(qiáng)烈地要從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散，空穴則要向相反方向擴(kuò)散，其結(jié)果在n

型一邊出現(xiàn)正電荷，在P型一邊出現(xiàn)負(fù)電荷，這兩種電荷層在半導(dǎo)體

內(nèi)部建立了一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)反過來又在結(jié)處產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部電

位降，阻擋了電子和空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，包含這兩種電荷層的空間稱

為耗盡區(qū)或空間電荷區(qū)。通過這個(gè)空間電荷區(qū)的作用，使費(fèi)米能級(jí)成

同一水平，達(dá)到平衡狀態(tài)。圖2.12(b)表示pn結(jié)的能帶圖及從p

區(qū)向n區(qū)變化的空間電荷區(qū)。內(nèi)建電場(chǎng)從n區(qū)指向p區(qū)，形成勢(shì)壘。

在平衡狀態(tài)下，由于擴(kuò)散，從P區(qū)越過勢(shì)壘向n區(qū)移動(dòng)的空穴數(shù)

目等同于空間電荷區(qū)附近n區(qū)中由于熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的少數(shù)載流子空穴

在空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下漂移到P區(qū)的數(shù)目，因此沒有電流流

過。對(duì)于電子也可做同樣的論述。

1.1.3.2電流電壓特性

在pn結(jié)上加偏置電壓時(shí)，由于空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子（又稱

為耗盡區(qū)）形成高阻區(qū)，因此，電壓兒乎全部跨落在空間電荷區(qū)上。

當(dāng)外加電壓使得P區(qū)為正時(shí)，勢(shì)壘高度減小，空穴從p區(qū)向n區(qū)的移

動(dòng)以及電子從n區(qū)向p區(qū)的移動(dòng)變得容易，在兩個(gè)區(qū)內(nèi)有少數(shù)載流子

注入，因此電流容易流動(dòng)（稱為正向）。當(dāng)外加電壓使得n區(qū)為正時(shí),

勢(shì)壘高度增加，載流子的移動(dòng)就變得困難，兒乎沒有電流流過（此時(shí)

稱為反向）。當(dāng)存在外加電壓時(shí)，空間電荷區(qū)的n區(qū)邊界和p區(qū)邊界

的空穴濃度g及電子濃度%如下：

…時(shí)喝）（2.34）

%=exp1%）

當(dāng)加正向電壓時(shí)V>0,加反向電壓時(shí)V<0。

由于我們認(rèn)為外加電壓僅跨越在空間電荷區(qū)，所以可視為n區(qū)內(nèi)

沒有電場(chǎng)，由空穴構(gòu)成的電流只是由于它的濃度梯度形成的擴(kuò)散電

流。電流密度工為

Jp=q+M-p“）=qp,為exp借■卜（2.35）

同樣，注入到p區(qū)的少數(shù)載流子電子的電流密度Jn為

=嗎%/exp借）-1（2.36）

因加編壓V而產(chǎn)生的總電流是空穴電流與電子電流之和，故總電

流密度J為：

/=小4="exp倚)—1](2.37)

J0=++q〃pe親(2.38)

總電流密度J具有如圖2.13所示的整流特性。正向時(shí)一，在電壓較大

的區(qū)域，電流密度與exp(qV/kT)成正比;反向時(shí)則趨近于-J。。稱J。

為飽和電流密度。

圖2.13pn結(jié)的電流一電壓特性

1.2太陽電池工作原理

1.2.1半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)

當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光子將能量提供給電子，電子將躍遷到

更高的能態(tài)，在這些電子中，作為實(shí)際使用的光電器件里可利用的電

子有：

(1)價(jià)帶電子；

(2)自由電子或空穴(FreeCarrier)；

(3)存在于雜質(zhì)能級(jí)上的電子。

太陽電池可利用的電子主要是價(jià)帶電子。由價(jià)帶電子得到光的能

量躍遷到導(dǎo)帶的過程決定的光的吸收稱為本征或固有吸收。

太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到Pn

結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，在半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)附近生成的載流子沒有

被復(fù)合而到達(dá)空間電荷區(qū)，受內(nèi)建電場(chǎng)的吸引，電子流入n區(qū)，空穴

流入P區(qū)，結(jié)果使n區(qū)儲(chǔ)存了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。它們

在pn結(jié)附近形成與勢(shì)壘方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)除了部分抵

消勢(shì)壘電場(chǎng)的作用外，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)

之間的薄層就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏特效應(yīng)。此時(shí)，如果將外電

路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個(gè)電

流稱作短路電流，另一方面，若將PN結(jié)兩端開路，則由于電子和空

穴分別流入N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)比P區(qū)的費(fèi)米能級(jí)高，在

這兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)之間就產(chǎn)生了電位差Voco可以測(cè)得這個(gè)值，并稱為

開路電壓。由于此時(shí)結(jié)處于正向偏置，因此，上述短路光電流和二極

管的正向電流相等，并由此可以決定Voc的值。

12.2太陽電池的能量轉(zhuǎn)換過程

太陽電池是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。它的基本構(gòu)造是由

半導(dǎo)體的PN結(jié)組成。此外，異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘等也可以得到較好

的光電轉(zhuǎn)換效率。本節(jié)以最普通的硅PN結(jié)太陽電池為例，詳細(xì)地觀

察光能轉(zhuǎn)換成電能的情況。

首先研究使太陽電池工作時(shí)，在外部觀測(cè)到的特性。圖2.14表

示了無光照時(shí)典型的電流電壓特性（喑電流）。當(dāng)太陽光照射到這個(gè)

太陽電池上時(shí)，將有和暗電流方向相反的光電流1戰(zhàn)流過。

圖2.14無光照及光照時(shí)電流一電壓特性

當(dāng)給太陽電池連結(jié)負(fù)載R,并用太陽光照射時(shí)，則負(fù)載上的電流

L和電壓k將由圖中有光照時(shí)的電流一電壓特性曲線與V=-IR表示的

直線的交點(diǎn)來確定。此時(shí)負(fù)載上有P0“=RI1的功率消耗，它清楚地表

明正在進(jìn)行著光電能量的轉(zhuǎn)換。通過調(diào)整負(fù)載的大小，可以在一個(gè)最

佳的工作點(diǎn)上得到最大輸出功率。輸出功率（電能）與輸入功率（光

能）之比稱為太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

下面我們把目光轉(zhuǎn)到太陽電池的內(nèi)部，詳細(xì)研究能量轉(zhuǎn)換過程。

太陽電池由硅pn結(jié)構(gòu)成，在表面及背面形成無整流特性的歐姆接觸。

并假設(shè)除負(fù)載電阻R外，電路中無其它電阻成分。當(dāng)具有hv(eV)

(hv>Eg,及為硅的禁帶寬度)能量的光子照射在太陽電池上時(shí)，產(chǎn)

生電子一空穴對(duì)。由于光子的能量比硅的禁帶寬度大，因此電子被激

發(fā)到比導(dǎo)帶底還高的能級(jí)處。對(duì)于p型硅來說，少數(shù)載流子濃度nP

極小(一般小于107cm),導(dǎo)帶的能級(jí)幾乎都是空的，因此電子又馬

上落在導(dǎo)帶底。這時(shí)電子及空穴將總的hv-Eg(ev)的多余能量

以聲子(晶格振動(dòng))的形式傳給晶格。落到導(dǎo)帶底的電子有的向表面

或結(jié)擴(kuò)散，有的在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面復(fù)合而消失了。但有一部分到達(dá)

結(jié)的載流子，受結(jié)處的內(nèi)建電場(chǎng)加速而流入n型硅中。在n型硅中，

由于電子是多數(shù)載流子，流入的電子按介電馳豫時(shí)間的順序傳播，同

時(shí)為滿足n型硅內(nèi)的載流子電中性條件，與流入的電子相同數(shù)目的電

子從連接n型硅的電極流出。這時(shí)，電子失去相當(dāng)于空間電荷區(qū)的電

位高度及導(dǎo)帶底和費(fèi)米能級(jí)之間電位差的能量。設(shè)負(fù)載電阻上每秒每

立方厘米流入N個(gè)電子，則加在負(fù)載電阻上的電壓V=QNr=IR表示。

由于電路中無電源，電壓V=IR實(shí)際加在太陽電池的結(jié)上，即結(jié)處于

正向偏置。一旦結(jié)處于正向偏置時(shí)，二極管電流Id=IJexp(qV/nkT)T]

朝著與光激發(fā)產(chǎn)生的載流子形成的光電流相反的方向流動(dòng)，因而

流入負(fù)載電阻的電流值為

I=/?-〃=J-/°[exp(qV/〃⑺-1]⑵39)

在負(fù)載電阻上，一個(gè)電子失去一個(gè)qV的能量，即等于光子能量hv

轉(zhuǎn)換成電能qVo流過負(fù)載電阻的電子到達(dá)p型硅表面電極處，在P

型硅中成為過剩載流子，于是和被掃出來的空穴復(fù)合，形成光電流

1.3太陽電池的基本特性

1.3.1短路電流

太陽電池的短路電流等于其光生電流。分析短路電流的最方便的

方法是將太陽光譜劃分成許多段，每一段只有很窄的波長(zhǎng)范圍，并找

出每一段光譜所對(duì)應(yīng)的電流，電池的總短路電流是全部光譜段貢獻(xiàn)的

總和：

/“=1P，，?)"人1L九(為“=R/I—RQ))"。力⑷"⑵40)

式中

入0----本征吸收波長(zhǎng)限

R(入)----表面反射率

F(入)——太陽光譜中波長(zhǎng)為入?入+認(rèn)間隔內(nèi)的光子數(shù)。

F(Z)的值很大的程度上依賴于太陽天頂角。作為表示F(X)分布

的參數(shù)是AM(AirMass)oAM表示入射到地球大氣的太陽直射光所通

過的路程長(zhǎng)度，定義為

AM=—secZ(2.41)

%

式中：

b0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

b-----測(cè)定時(shí)的大氣壓

Z——太陽天頂距離

一般情況下，b工b0,例如，AM1相當(dāng)于太陽在天頂位置時(shí)的情況，

AM2相當(dāng)于太陽高度角為30。時(shí)的情況,AM0則表示在宇宙空間中的分

布

在實(shí)際的半導(dǎo)體表面的反射率與入射光的波長(zhǎng)有關(guān),一般為30?

50%。為防止表面的反射，在半導(dǎo)體表面制備折射率介于半導(dǎo)體和空

氣折射率之間的透明薄膜層。這個(gè)薄膜層稱為減反射膜

(Antireflectivecoating)。

設(shè)半導(dǎo)體、減反射膜、空氣的折射率分別為止、m、no,減反射

膜厚度為則反射率R為

Rr2+r,2+2r,rcos10

(2⑵42)

1+r*+2廣心cos26

式中:

ri=(n0-m)/(n0+nJ

r2=(n,-n2)/(n,+n2)

0=2nnidi/人

入一波長(zhǎng)

顯然，減反射膜的厚度&為1/4波長(zhǎng)時(shí)，R為最小。即

d時(shí)

x4n.

一般在太陽光譜的峰值波長(zhǎng)處，使得R變?yōu)樽钚。源藖頉Q定小的值。

以硅電池為例，因?yàn)樵诳梢姽庵良t外光范圍內(nèi)，硅的折射率為

出=3.4?4.0,使式（2.43）為零,則m的值（/師；，n0=l）為

1.8<n,<2.0o設(shè)九二4800埃,則600埃4d￡667埃,滿足這些條件的

材料一般可采用一氧化硅，在中心波長(zhǎng)處，反射率達(dá)到1%左右。由

于制備了減反射膜，短路電流可以增加30?40%。此外，采用的減反

射膜SiO2（rii?l.5）>AI2O3（ni?l.9）、Sb2C>3（nel.9）>Ti02>Ta205（ni?2.25）。

將具有不同折射率的氧化膜重疊二層，在滿足一定的條件下，就可以

在更寬的的波長(zhǎng)范圍內(nèi)減少折射率。此外也可以將表面加工成棱錐體

狀的方法，來防止表面反射。

1.3.2開路電壓

當(dāng)太陽電池處于開路狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)光電流的大小產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這

就是開路電壓。在式（2.39）中，設(shè)1=0（開路），hh=Isc,則

/=膽同（晨//。）+1]（2.44）

q

在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時(shí)，Isc為與入射光強(qiáng)度成正比的值,

在很弱的陽光下，ISc?Io,因此

匕,四?=/小。(2.45)

qI。

其中"詈

在很強(qiáng)的陽光下,ISc?Io,

史1心(2.46)

q;o

>GaAs------------

;IAMO

sAM2AMI

臼

耳

m及

AMO

\

n

AM2AMI

°化

°OW20304050

短曙光電流7“（mAcm-1）

由此可見，在較弱陽光時(shí)，硅太陽電池的開路電壓隨光的強(qiáng)度作近似

直線的變化。而當(dāng)有較強(qiáng)的陽光時(shí)，v℃則與入射光的強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正

比。圖2.15表示具有代表性的硅和GaAs太陽電池的L與V比之間的

關(guān)系。Si與GaAs比較，因GaAs的禁帶寬度寬，故I。值比Si的小幾

個(gè)數(shù)量級(jí)，GaAs的V℃值比Si的高0.45伏左右。假如結(jié)形成的很好,

禁帶寬度愈寬的半導(dǎo)體，Voc也愈大。

圖2.15開路電壓與短路電流的關(guān)系

1.3.3太陽電池的輸出特性

1.3.3.1等效電路

為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負(fù)載系統(tǒng)用一等效電路

來模擬。在恒定光照下，一個(gè)處于工作狀態(tài)的太陽電池，其光電流不

隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可把它看作是恒流源。光電流一部

分流經(jīng)負(fù)載R,在負(fù)載兩端建立起端電壓V,反過來它又正向偏置于

p—n結(jié)二極管，引起一股與光電流方向相反的暗電流這樣，一

個(gè)理想的PN同質(zhì)結(jié)太陽電池的等效電路就被繪制成如圖2.16(a)所

示。但是，由于前面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的

電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免的要引入附加電阻。流經(jīng)負(fù)載的電流,

經(jīng)過它們時(shí)一，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一

個(gè)串聯(lián)電阻Rs來表示。由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時(shí)、在

電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應(yīng)通過負(fù)

載的電流短路，這種作用的大小可用一并聯(lián)電阻Rsh來等效。其等效

電路就繪制成上圖2.16(b)的形式。其中暗電流等于總面積AT與

九乘積，而光電流L.為電池的有效受光面積AE與工的乘積，這時(shí)的

結(jié)電壓不等于負(fù)載的端電壓，由圖可見

Vj=〃?s+V⑵47)

(Av。相

'R.

--------------------------E=3—1~~

?)卜，/.?Vb

(b)

圖2.16pn同質(zhì)結(jié)太陽電池等效電路

(a)不考慮串并聯(lián)電阻(b)考慮串并聯(lián)電阻

1.3.3.2輸出埒性

根據(jù)上圖就可以寫出輸出電流I和輸出電壓V之間的關(guān)系

RshV⑵48)

Rs+Rsh

其中暗電流幾應(yīng)為結(jié)電壓明的函數(shù)，而％又是通過式(2.47)與輸

出電壓V相聯(lián)系的。

當(dāng)負(fù)載RL從。變化到無窮大時(shí)，輸出電壓V則從0變到Voc,同

時(shí)輸出電流便從Isc變到0,由此得到電池的輸出特性曲線，如圖2.17

所示。曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱橫坐

標(biāo)，即為工作電流和工作電壓,其乘積

P=IV

為電池的輸出功率

圖2.17太陽電池的輸出特性

1.3.4轉(zhuǎn)換效率

轉(zhuǎn)換效率表示在外電路連接最佳負(fù)載電阻R時(shí)，得到的最大能量

轉(zhuǎn)換效率，其定義為

PmP,“

即電池的最大功率輸出與入射功率之比，

這里我們定義一個(gè)填充因子FF為

FF=n,pmp=(2.49)

填充因子正好是I-V曲線下最大長(zhǎng)方形面積與乘積V℃xlsc之比，所以

轉(zhuǎn)換效率可表示為

FFV3(2.50)

pin

1.3.5太陽電池的光譜響應(yīng)

太陽電池的光譜響應(yīng)是指光電流與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系，設(shè)單位時(shí)

間波長(zhǎng)為人的光入身到單位面積的光子數(shù)為①。(九)，表面反射系數(shù)為

P(X),產(chǎn)生的光電流為工，則光譜響應(yīng)SR(Z)定義為

SR⑷二4①。(*?P⑷]⑵51)

其中工=工|頂層+J/勢(shì)壘+JL|基區(qū)。

理想吸收材料的光譜響應(yīng)應(yīng)該是：當(dāng)光子能量hv〈Eg時(shí)，SR=0；h

v>Eg時(shí),SR=lo

1.3.6太陽電池的溫度效應(yīng)

載流子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的增高而增大，所以少數(shù)載流子的擴(kuò)散

長(zhǎng)度也隨溫度的升高稍有增大，因此，光生電流上也隨溫度的升高有

所增加。但是J。隨溫度的升高是指數(shù)增大，因而VK隨溫度的升高急

劇下降。當(dāng)溫度升高時(shí)，I—V曲線形狀改變，填充因子下降，所以

轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。

1.3.7太陽電池的輻照效應(yīng)

作為人造衛(wèi)星和宇宙飛船的電源，太陽電池已獲得了廣泛的應(yīng)

用。但是在外層空間存在著高能粒子，如電子、質(zhì)子、y粒子等。高

能粒子輻照時(shí)通過與晶格原子的碰撞，將能量傳給晶格，當(dāng)傳遞的能

量大于某一閾值時(shí)，便使晶格原子發(fā)生位移，產(chǎn)生晶格缺陷，如填隙

原子、空位、缺陷簇、空位一雜質(zhì)復(fù)合體等。這些缺陷將起復(fù)合中心

的作用，從而降低少子壽命。大量研究工作表明，壽命參數(shù)對(duì)輻照缺

陷最為靈敏，也正因?yàn)檩椪沼绊懥藟勖担瑥亩固栯姵匦阅芟陆怠?/p>

1.4影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素

一、禁帶亮度

V”：隨耳的增大而增大，但另一方面，加隨Eg的增大而減小。結(jié)

果是可期望在某一個(gè)確定的反隨處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。

二、溫度

隨溫度的增加，效率n下降。Isc對(duì)溫度T很敏感，溫度還對(duì)

起主要作用。

對(duì)于Si,溫度每增加l°c,Voc下降室溫值的0.4%,n也因而降低

約同樣的百分?jǐn)?shù)。例如，一個(gè)硅電池在20久時(shí)的效率為20%,當(dāng)溫度

升到12(TC時(shí)，效率僅為12%。又如GaAs電池，溫度每升高1℃,

V℃降低1.7mv或降低0.2%。

三、復(fù)合壽命

希望載流子的復(fù)合壽命越長(zhǎng)越好，這主要是因?yàn)檫@樣做Isc大。

在間接帶隙半導(dǎo)體材料如Si中，離結(jié)100即1處也產(chǎn)生相當(dāng)多的載流

子，所以希望它們的壽命能大于iRSo在直接帶隙材料，如GaAs或

G2s中，只要10ns的復(fù)合壽命就已足夠長(zhǎng)了。長(zhǎng)壽命也會(huì)減小暗電

流并增大Voc。

達(dá)到長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過程中，要避免形

成復(fù)合中心。在加工過程中，適當(dāng)而且經(jīng)常進(jìn)行工藝處理，可以使復(fù)

合中心移走，因而延長(zhǎng)壽命。

四、光強(qiáng)

將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個(gè)小小的太陽電池產(chǎn)生出大量

的電能。設(shè)想光強(qiáng)被濃縮了X倍，單位電池面積的輸入功率和Jsc都

將增加X倍，同時(shí)Voc也隨著增加(kT/q)lnX倍。因而輸出功率的增加

將大大超過X倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了。

五、摻雜濃度及剖面分布

對(duì)Voc有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。雖然Nd和Na出現(xiàn)在

v℃定義的對(duì)數(shù)項(xiàng)中，它們的數(shù)量級(jí)也是很容易改變的。摻雜濃度愈高,

愈高。一種稱為重?fù)诫s效應(yīng)的現(xiàn)象近年來已引起較多的關(guān)注，在高

7

6

/

趙

姓

茶

祭

/

遼

￡

十

一

妲

摻雜濃度下，由于能帶結(jié)構(gòu)變形及電子統(tǒng)計(jì)規(guī)律的變化，所有方程中

的Nd和Na都應(yīng)以(Nd)eff和(Na)eff代替。如圖2.18。既然的d)off

和(Na)“f顯現(xiàn)出峰值，那么用很高的Nd和Na不會(huì)再有好處，特別是

在高摻雜濃度下壽命還會(huì)減小。上圖(b)說明了這一點(diǎn)。

圖2.18高摻雜效應(yīng)。隨摻雜濃度增加有效摻雜濃度飽和，甚至?xí)?/p>

降

目前，在Si太陽電池中，摻雜濃度大約為在直接帶隙

材料制做的太陽電池中約為10"cm?為了減小串聯(lián)電阻，前擴(kuò)散區(qū)

的摻雜濃度經(jīng)常高于IO'9cm-3'因此重?fù)诫s效應(yīng)在擴(kuò)散區(qū)是較為重要

的。

當(dāng)Nd和Na或（Nd）eff和（Na）eff不均勻且朝著結(jié)的方向降低時(shí)、

就會(huì)建立起一個(gè)電場(chǎng)，其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改

善了卜。這種不均勻摻雜的剖面分布，在電池基區(qū)中通常是做不到

的；而在擴(kuò)散區(qū)中是很自然的。

六、表面復(fù)合速率

低的表面復(fù)合速率有助于提高Isc,并由于I。的減小而使V℃改善。

前表面的復(fù)合速率測(cè)量起來很困難，經(jīng)常被假設(shè)為無窮大。一種稱為

背表面場(chǎng)（BSF）電池設(shè)計(jì)為，在沉積金屬接觸之前，電池的背面先

擴(kuò)散一層P+附加層。圖2.19表示了這種結(jié)構(gòu)，在P/P+界面

圖2.19背表面場(chǎng)電池。在P/P*結(jié)處的電場(chǎng)妨礙電子朝背表面流動(dòng)

存在一個(gè)電子勢(shì)壘，它容易做到歐姆接觸，在這里電子也被復(fù)合，在

P/P+界面處的復(fù)合速率可表示為

組2w.

S“coth——⑵52)

N：4L"*

其中N：和L；分別是P+區(qū)中的摻雜濃度、擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度。

H

二

如果W；=0,貝lJSn=8,正如前面提至1J的。如果W；與L:能比擬，且N；>>Na,

則Sn可以估計(jì)零,Sn對(duì)Jsc、Voc和n的影響見圖2.20。當(dāng)S.很小時(shí)，

Jsc和n都呈現(xiàn)出一個(gè)峰。

圖2.20背表面復(fù)合速率對(duì)電場(chǎng)參數(shù)的影響。注意，Sn較小時(shí)，在

某個(gè)電池厚度出現(xiàn)n峰

七、串聯(lián)電阻

在任何一個(gè)實(shí)際的太陽電池中，都存在著串聯(lián)電阻，其來源可以

是引線、金屬接觸柵或電池體電阻。不過通常情況下，串聯(lián)電阻主要

來自薄擴(kuò)散層。PN結(jié)收集的電流必須經(jīng)過表面薄層再流入最靠近的

金屬導(dǎo)線，這就是一條存在電阻的路線，顯然通過金屬線的密布可以

使串聯(lián)電阻減小。一定的串聯(lián)電阻Rs的影響是改變I—V曲線的位置。

八、金屬柵和光反射

在前表面上的金屬柵線不能透過陽光。為了使Isc最大，金屬柵

占有的面積應(yīng)最小。為了使Rs小，一般是使金屬柵做成又密又細(xì)的形

狀。

因?yàn)橛刑柟夥瓷涞拇嬖?，不是全部光線都能進(jìn)入Si中。裸Si

表面的反射率約為40%。使用減反射膜可降低反射率。對(duì)于垂直地投

射到電池上的單波長(zhǎng)的光，用一種厚為1/4波長(zhǎng)、折射率等于瓜（n

為Si的折射率）的涂層能使反射率降為零。對(duì)太陽光，采用多層涂

層能得到更好的效果。

1.5小結(jié)

許多結(jié)構(gòu)，如PN結(jié)和金屬半導(dǎo)體結(jié)，具有明顯的單向?qū)щ姷腎T

特性。在照明條件下，它們的『V曲線沿電流軸平移，接上負(fù)載后，

該器件在正電壓和正電流象限工作，給負(fù)載提供功率。

一個(gè)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是其輸出功率與輸入功率之比。為獲取

高效率，希望有大的短路電流，高的開路電壓和大的填充因子，如果

太陽電池用禁帶寬度（EQ小的材料做成，則短路電流較大。好的制

造工藝及好的電池設(shè)計(jì)因載流子復(fù)合最小，也能使短路電流提高。太

陽電池若用瓦大的材料做成，則具有較高的開路電壓。填充因子是I

-V曲線拐點(diǎn)處陡度的量度，串聯(lián)電阻可使它變小。通常開路電壓較

高時(shí)，F(xiàn)F也較大。轉(zhuǎn)換效率隨光強(qiáng)增大而增大，隨溫度降低也增大。

用Eg值介于1.2-1.6eV的材料做成太陽電池，可望達(dá)到最高效率。

薄膜電池用直接帶隙半導(dǎo)體更為可取，因?yàn)樗茉诒砻娓浇展?/p>

子。

第二章硅太陽電池常規(guī)工藝

自1953年研制出具有一定光電轉(zhuǎn)換效率的硅太陽電池后，便

被主要應(yīng)用于空間飛行器的能源系統(tǒng)。最早在尖兵一號(hào)衛(wèi)星上裝備了

太陽電池，從此，太陽電池在空間的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。

相應(yīng)地，研制了生產(chǎn)滿足空間電池的標(biāo)準(zhǔn)電池工藝流程。該工藝

在六十年代和七十年代初期一直被沿用。

到七十年代中期，由于石油危機(jī)，人們將注意力投到新能源上。

一些企業(yè)開始生產(chǎn)專門用于地面的電池，生產(chǎn)電池的工藝有了某些重

大的改變。其基本工藝可以歸納為下列步驟：

1、砂子還原成治金級(jí)硅

2、治金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅

3、半導(dǎo)體級(jí)硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杵?/p>

4、硅片制成太陽電池

5、太陽電池封裝成電池組件

2.1硅材料的制備與選取

硅是地球外殼第二位最豐富的元素，提煉硅的原料是Si02。在

目前工業(yè)提煉工藝中，一般采用Si的結(jié)晶態(tài)，即石英砂在電弧爐

中（如圖3.1）用碳還原的方法治煉得反應(yīng)方程為

SiO2+2C-Si+ICO

8

圖3.1生產(chǎn)冶金級(jí)硅的電弧爐的斷面圖

1.碳和石英巖；2.內(nèi)腔；3.電極；4.硅；5.碳化硅;

6.爐床；7.電極膏；8.銅電極；