光伏電池培訓(xùn)手冊(cè)上

1、.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(lái)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(chēng)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(chēng)為絕緣體，常見(jiàn)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(chēng)為半導(dǎo)體，主要有鍺、硅、砷化鎵、硫化鎘等等。眾所周知，原子是由原子核及其周?chē)碾娮訕?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(chēng)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

2、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(chēng)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）和鍺（Ge），也可以是化合物，如硫化鎘（OCLS）和砷化鎵（GaAs），還可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x為0-1之間的任意數(shù)。許多有機(jī)化合物，如蒽也是半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率較大（約10-5££107W×m），而金屬的電阻率則很?。s10-810-6W×m），絕緣體的電阻率則很大（約

3、79;108W×m）。半導(dǎo)體的電阻率對(duì)溫度的反應(yīng)靈敏，例如鍺的溫度從200C升高到300C，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1000C，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2.14´103W×m減小到0.004W×m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)

4、體的許多電特性可以用一種簡(jiǎn)單的模型來(lái)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(lái)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。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

5、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砼堇≒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(chēng)為費(fèi)米能級(jí)（EF）。隨著溫度的升高，一些電子得到超過(guò)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)，即現(xiàn)在就可用電子能帶結(jié)構(gòu)來(lái)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(chēng)為滿(mǎn)帶）上方，

6、隔著很寬的禁帶，存在完全空的允許帶（稱(chēng)為導(dǎo)帶），這時(shí)滿(mǎn)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(mǎn)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(chēng)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(mǎn)帶的電子獲得室溫的熱能，就有可能越過(guò)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(mǎn)帶能級(jí)在大多數(shù)情況下位于滿(mǎn)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(mǎn)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)

7、滿(mǎn)帶稱(chēng)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(lái)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(lái)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(chēng)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)

8、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(guò)程叫電子空穴對(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(chēng)為n型半導(dǎo)體，存在多余空穴的稱(chēng)為P型半導(dǎo)體。雜質(zhì)原子可通過(guò)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(chēng)它們?yōu)殚g隙雜質(zhì)；另一種方

9、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(chēng)為替位雜質(zhì)。周期表中族和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?chē)墓柙咏M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(guò)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1.1eV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

10、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)， 族雜質(zhì)的分析與此類(lèi)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）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(guò)剩的n型半導(dǎo)體。這類(lèi)可以向半導(dǎo)體提供自由電子的雜

11、質(zhì)稱(chēng)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(guò)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(chēng)為多數(shù)載流子，將數(shù)量少的空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子。圖2.5 n型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 圖2.6 p型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)把族元素（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(lái)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

12、由空穴，使半導(dǎo)體成為空穴過(guò)剩的P型半導(dǎo)體，可以接受電子的雜質(zhì)原子稱(chēng)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(chēng)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(guò)?；虿蛔?，有時(shí)導(dǎo)電類(lèi)型發(fā)生變化。另外，也有由于構(gòu)成元素蒸氣壓差過(guò)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(lèi)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)，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(guò)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(lái)的平衡的狀態(tài)。設(shè)電子濃度為n，空穴濃度為

13、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： (2.1)電子空穴對(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(lài)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=0,由此可導(dǎo)出 = 常數(shù) (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 (2.3)根據(jù)量子理論和量子統(tǒng)計(jì)理論可以得到 (2.4)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；mp*空穴有效質(zhì)量；T絕對(duì)溫度；EV價(jià)帶頂能量；EC導(dǎo)

14、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)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)體中幾乎位于禁帶中央，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Nd，可給出： (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Na，則可給出： (2.7)

15、如果知道了雜質(zhì)濃度就可以通過(guò)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)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=/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(wú)章，換句話說(shuō)，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(chēng)為弛豫時(shí)間tr，由電子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速度來(lái)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(chēng)為漂移速度。導(dǎo)帶

16、內(nèi)電子的漂移速度由下式得出： (2.8)（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： (2.9)來(lái)自導(dǎo)帶電子的相應(yīng)的電流密度將是 (2.10)對(duì)于價(jià)帶內(nèi)的空穴，其類(lèi)似公式為 (2.11)總電流就是這兩部分的和。因此半導(dǎo)體的電導(dǎo)率s為 (2.12)其中r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(lái)說(shuō)，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。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

17、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(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(guò)分集中時(shí)，若不受到限制，它們就會(huì)自己散開(kāi)。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)于電子的一維濃度梯度的電流密度是 (2.13)其中De是擴(kuò)散常數(shù)。同樣對(duì)于空穴，有 (2.14)從根本上講，漂移

18、和擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)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(guò)愛(ài)因斯坦關(guān)系相互聯(lián)系，即 和 (2.15)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26mv。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n和材料的禁帶寬度所決定。當(dāng)頻率低、光子能量hn比半導(dǎo)體的禁帶寬度 Eg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)l 的光的能力用吸收系數(shù)a（hn）來(lái)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(lài)于導(dǎo)帶、

19、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(guò)程中，能量和動(dòng)量守恒，對(duì)沒(méi)有聲子參與的情況，即不伴隨有動(dòng)量變化的躍遷稱(chēng)為直接躍遷，其吸收過(guò)程的形式示于圖2.7，而伴隨聲子的躍遷稱(chēng)為間接躍遷，其吸收躍遷過(guò)程示于圖2.8。圖2.7 直接帶隙半導(dǎo)體的能量晶體動(dòng)量圖 圖2.8 間接帶隙半導(dǎo)體的能量晶體動(dòng)量圖硅屬于間接躍遷類(lèi)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20mm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

20、面2mm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(méi)有一定的厚度，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(lái)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)生電子空穴對(duì)。因此，光照射時(shí)材料的載流子濃度將超過(guò)無(wú)光照時(shí)的值。

21、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(guò)程通稱(chēng)為復(fù)合過(guò)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(guò)程的逆過(guò)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(guò)程。由于間接帶隙半導(dǎo)體需要包括聲子的兩級(jí)過(guò)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?？偟妮椛鋸?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 (2.16)式中，B對(duì)給定的半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)是一個(gè)常數(shù)。由于光吸收和這種復(fù)合過(guò)程之間的關(guān)系，由半導(dǎo)體的吸收系數(shù)

22、能夠計(jì)算出B。熱平衡時(shí)，即np=ni2時(shí)，復(fù)合率由數(shù)目相等但過(guò)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UR由總的復(fù)合率減去熱平衡時(shí)的產(chǎn)生率得到，即 (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 (2.18)式中，U為凈復(fù)合率, Dn和Dp是相應(yīng)載流子從它們熱平衡時(shí)的值n0和p0的擾動(dòng)。對(duì)Dn=Dp的輻射復(fù)合機(jī)構(gòu)而言，由式（2.17）確定的特征壽命是 (2.19)硅的B值約為2´10-15cm3/s。正如前面所說(shuō)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

23、和光發(fā)射二極管就是以輻射復(fù)合過(guò)程作為基礎(chǔ)的。但對(duì)硅來(lái)說(shuō)，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(guò)程。然后，第二個(gè)電子通過(guò)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(guò)程。對(duì)具有充足的電子和空穴的材料來(lái)說(shuō)，與俄歇過(guò)程有關(guān)的特征壽命t分別是 或 (2.20)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1017cm3時(shí)，俄歇復(fù)合處于支配地位。圖2.

24、9 俄歇復(fù)合過(guò)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(guò)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(guò)程。如圖2.10（a）所示，在此過(guò)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(guò)半導(dǎo)體禁帶中的陷阱能級(jí)的兩級(jí)復(fù)合過(guò)程（b） 在半導(dǎo)體表面位于禁帶中的表面態(tài)對(duì)此過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析可得，通過(guò)陷阱的凈復(fù)合產(chǎn)生率UT可寫(xiě)為 (2.21)式中，th0和te0 是壽命參數(shù)，它們的大小取決于陷阱的類(lèi)型和陷阱缺陷的體密度，n1和p1是分析過(guò)程中產(chǎn)生的參數(shù)，此分析過(guò)程

25、還引入一個(gè)復(fù)合速率與陷阱能Et的關(guān)系式： (2.22) (2.23)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te0和th0數(shù)量級(jí)相同，可知當(dāng)n1»p1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(shuō)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UA具有與2.21類(lèi)似的形式，即 (2.24)式中Se0和Sh0是表面復(fù)合速度。位于帶隙中央附近的表

26、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(yáng)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(xiě)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r之間的關(guān)系，在一維情況下，其形式為： (2.25)式中e是介電常數(shù)。r為電荷密度。在半導(dǎo)體中，r值為 (2.26)式中，p和n是空穴和電子的濃度，ND+和NA-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 (2.27)式中ND和NA為施主

27、和受主雜質(zhì)的總濃度。2、電流密度方程電子和空穴通過(guò)漂移和擴(kuò)散過(guò)程可對(duì)電流作出貢獻(xiàn)。因此，電子和空穴的總電流密度Je和Jh的表達(dá)式為 (2.28)遷移率和擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系由愛(ài)因斯坦關(guān)系式De=(kT/q)me和Dh=(kT/q)mh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dx、橫截面積為A的單元體積，可以說(shuō)這個(gè)體積中電子的凈增加幾率等于它們進(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(xiě)成方程為：進(jìn)入速率出去速率 (2.29)產(chǎn)生率復(fù)合率 (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

28、加率必須為0，這樣就有 (2.31)同樣，對(duì)于空穴有 (2.32)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： (2.33)利用計(jì)算機(jī)，通過(guò)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(chēng)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)

29、內(nèi)建電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)反過(guò)來(lái)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(chēng)為耗盡區(qū)或空間電荷區(qū)。通過(guò)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(guò)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(méi)有電流流過(guò)。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(méi)有載流子（又稱(chēng)為耗盡區(qū)）形成高阻區(qū)，

30、因此，電壓幾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(chēng)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，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)（此時(shí)稱(chēng)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pn及電子濃度np如下： (2.34)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(méi)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Jp為 (2.35)同樣，注入到

31、p區(qū)的少數(shù)載流子電子的電流密度Jn為 (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： (2.37) (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)，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-J0。稱(chēng)J0為飽和電流密度。圖2.13 pn結(jié)的電流電壓特性1.2太陽(yáng)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（Free Carrier）；（3） 存在于雜質(zhì)能級(jí)上的電

32、子。太陽(yáng)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(guò)程決定的光的吸收稱(chēng)為本征或固有吸收。太陽(yáng)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(méi)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(guò)剩的電子，p區(qū)有過(guò)剩的空穴。它們?cè)趐n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(guò)，這個(gè)電流稱(chēng)作短路電

33、流，另一方面，若將PN結(jié)兩端開(kāi)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VOC。可以測(cè)得這個(gè)值，并稱(chēng)為開(kāi)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。1.2.2太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程太陽(yáng)電池是將太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)電池工作時(shí)，在外部觀測(cè)到的特性。圖2.14表示了無(wú)光照時(shí)典型的電流電壓特性（暗電

34、流）。當(dāng)太陽(yáng)光照射到這個(gè)太陽(yáng)電池上時(shí)，將有和暗電流方向相反的光電流Iph流過(guò)。圖2.14 無(wú)光照及光照時(shí)電流電壓特性當(dāng)給太陽(yáng)電池連結(jié)負(fù)載R，并用太陽(yáng)光照射時(shí)，則負(fù)載上的電流Im和電壓Vm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(lái)確定。此時(shí)負(fù)載上有Pout=RI2m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(guò)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(chēng)為太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率。下面我們把目光轉(zhuǎn)到太陽(yáng)電池的內(nèi)部，詳細(xì)研究能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。太陽(yáng)電池由硅pn結(jié)構(gòu)成，在表面及背面形成無(wú)整流特性的歐姆接觸。并假設(shè)除負(fù)載電阻

35、R外，電路中無(wú)其它電阻成分。當(dāng)具有h（eV）（h>Eg，Eg為硅的禁帶寬度）能量的光子照射在太陽(yáng)電池上時(shí)，產(chǎn)生電子空穴對(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(lái)說(shuō)，少數(shù)載流子濃度np極?。ㄒ话阈∮?05/cm），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h - 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，

36、同時(shí)為滿(mǎn)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(wú)電源，電壓V=IR實(shí)際加在太陽(yáng)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=I0exp(qV/nkT)-1朝著與光激發(fā)產(chǎn)生的載流子形成的光電流Iph相反的方向流動(dòng)，因而流入負(fù)載電阻的電流值為 (2.39)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h轉(zhuǎn)換成電能qV。流過(guò)負(fù)載電阻的電子到達(dá)p型硅表面電極處，

37、在P型硅中成為過(guò)剩載流子，于是和被掃出來(lái)的空穴復(fù)合，形成光電流1.3太陽(yáng)電池的基本特性1.3.1短路電流太陽(yáng)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(yáng)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： (2.40)式中 0 本征吸收波長(zhǎng)限 R()表面反射率 F()太陽(yáng)光譜中波長(zhǎng)為ll+dl間隔內(nèi)的光子數(shù)。F（l）的值很大的程度上依賴(lài)于太陽(yáng)天頂角。作為表示F（l）分布的參數(shù)是AM（AirMass）。AM表示入射到地球大氣的太陽(yáng)直射光所通過(guò)的路程長(zhǎng)度，定義為 (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(yáng)

38、天頂距離一般情況下，b » b0，例如，AM1相當(dāng)于太陽(yáng)在天頂位置時(shí)的情況，AM2相當(dāng)于太陽(yáng)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3050。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(chēng)為減反射膜（Antireflective coating）。設(shè)半導(dǎo)體、減反射膜、空氣的折射率分別為n2、n1、n0，減反射膜厚度為d1，則反射率R為 (2.42)式中：r1=(n0 - n1)/(n0 + n1)r2=(n1 - n2)/(n1 + n2)=2n1d1/波長(zhǎng)顯然，

39、減反射膜的厚度d1為1/4波長(zhǎng)時(shí)，R為最小。即 時(shí) ('） (2.43)一般在太陽(yáng)光譜的峰值波長(zhǎng)處，使得R變?yōu)樽钚。源藖?lái)決定d1的值。以硅電池為例，因?yàn)樵诳梢?jiàn)光至紅外光范圍內(nèi)，硅的折射率為n2 = 3.44.0，使式（2.43）為零，則n1的值（， n01）為1.8£ n1£2.0。設(shè)l'=4800埃，則600埃£d1£667埃，滿(mǎn)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3040%。此外，采用的減反射膜SiO2（n1»1.5）、Al2O3(n1»1.9

40、)、Sb2O3（n1»1.9）、TiO2、Ta2O5（n1»2.25）。將具有不同折射率的氧化膜重疊二層，在滿(mǎn)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(lái)防止表面反射。1.3.2開(kāi)路電壓當(dāng)太陽(yáng)電池處于開(kāi)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(kāi)路電壓。在式（2.39）中，設(shè)I=0（開(kāi)路），IphISC，則 (2.44)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(yáng)光下，ISC<<I0，因此 (2.45)其中 ，在很強(qiáng)的陽(yáng)光下，ISC>>I0， (2.46)由此可見(jiàn)，在

41、較弱陽(yáng)光時(shí)，硅太陽(yáng)電池的開(kāi)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(yáng)光時(shí)，VOC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(yáng)電池的ISC與Voc之間的關(guān)系。Si與GaAs比較，因GaAs的禁帶寬度寬，故I0值比Si的小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，GaAs的VOC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(kāi)路電壓與短路電流的關(guān)系1.3.3太陽(yáng)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(lái)模擬。在恒定光照下，一個(gè)處于工作狀態(tài)的太陽(yáng)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

42、看作是恒流源。光電流一部分流經(jīng)負(fù)載RL，在負(fù)載兩端建立起端電壓V，反過(guò)來(lái)它又正向偏置于pn結(jié)二極管，引起一股與光電流方向相反的暗電流Ibk，這樣，一個(gè)理想的PN同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)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(guò)它們時(shí)，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(lái)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(guò)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(lái)等效。其等效電路就繪制成上圖2.

43、16（b）的形式。其中暗電流等于總面積AT與Jbk乘積，而光電流IL為電池的有效受光面積AE與JL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(jiàn) (2.47)圖2.16 pn同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)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輸出特性根據(jù)上圖就可以寫(xiě)出輸出電流I和輸出電壓V之間的關(guān)系 (2.48)其中暗電流Ibk應(yīng)為結(jié)電壓Vj的函數(shù)，而Vj又是通過(guò)式（2.47）與 輸出電壓V相聯(lián)系的。當(dāng)負(fù)載RL從0變化到無(wú)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

44、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(yáng)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 (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Voc´Isc之比，所以轉(zhuǎn)換效率可表示為 (2.50)1.3.5太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)太陽(yáng)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)為的光入身到單位面積的光子數(shù)為F0（l），表面反射系數(shù)為（l），產(chǎn)生的光電流為JL，則光譜響應(yīng)SR（l）定義為 (2.51)其中JLJ

45、L|頂層JL|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h<Eg時(shí)，SR0；h>Eg時(shí)，SR1。1.3.6太陽(yáng)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JL也隨溫度的升高有所增加。但是J0隨溫度的升高是指數(shù)增大，因而VOC隨溫度的升高急劇下降。當(dāng)溫度升高時(shí)，IV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(yáng)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(yáng)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、g粒子等。高能粒子輻照時(shí)通過(guò)與晶格原子的碰撞，將能量

46、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?，從而使太?yáng)電池性能下降。1.4影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的因素一、 禁帶亮度VOC隨Eg的增大而增大，但另一方面，JSC隨Eg的增大而減小。結(jié)果是可期望在某一個(gè)確定的Eg隨處出現(xiàn)太陽(yáng)電池效率的峰值。二、溫度隨溫度的增加，效率下降。ISC對(duì)溫度T很敏感，溫度還對(duì)VOC起主要作用。對(duì)于Si，溫度每增加1°C，VOC下降室溫值的0.4%，h也因而降低約同樣的百分

47、數(shù)。例如，一個(gè)硅電池在20°C時(shí)的效率為20%，當(dāng)溫度升到120°C時(shí)，效率僅為12。又如GaAs電池，溫度每升高1°C，VOC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)100mm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1ms。在直接帶隙材料，如GaAs或Gu2S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(guò)程中，要避免形成復(fù)合中心。在加工過(guò)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

48、而延長(zhǎng)壽命。四、光強(qiáng)將太陽(yáng)光聚焦于太陽(yáng)電池，可使一個(gè)小小的太陽(yáng)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(jué)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(guò)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Voc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，Voc愈高。一種稱(chēng)為重?fù)诫s效應(yīng)的現(xiàn)象近年來(lái)已引起較多的關(guān)注，在高摻雜濃度下，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

49、。既然（Nd）eff和（Na）eff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(shuō)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)陆的壳?，在Si太陽(yáng)電池中，摻雜濃度大約為1016cm-3，在直接帶隙材料制做的太陽(yáng)電池中約為1017 cm-3，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1019 cm-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ISC。這種不均勻摻雜的剖面分布，在電池基區(qū)中

50、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I0的減小而使VOC改善。前表面的復(fù)合速率測(cè)量起來(lái)很困難，經(jīng)常被假設(shè)為無(wú)窮大。一種稱(chēng)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 (2.52)其中N+a，Dn和Ln+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。如果Wp+=0，則Sn=，正如前面提到的。如果Wp+與Ln+能

51、比擬，且N+a>>Na，則Sn可以估計(jì)零，Sn對(duì)JSC、VOC和的影響見(jiàn)圖2.20。當(dāng)Sn很小時(shí)，JSC和都呈現(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)峰七、串聯(lián)電阻在任何一個(gè)實(shí)際的太陽(yáng)電池中，都存在著串聯(lián)電阻，其來(lái)源可以是引線、金屬接觸柵或電池體電阻。不過(guò)通常情況下，串聯(lián)電阻主要來(lái)自薄擴(kuò)散層。PN結(jié)收集的電流必須經(jīng)過(guò)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(guò)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IV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(guò)陽(yáng)光。為了使ISC最大，金屬

52、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?yáng)光反射的存在，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 （n為Si的折射率）的涂層能使反射率降為零。對(duì)太陽(yáng)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-V特性。在照明條件下，它們的I-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(yáng)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(kāi)

53、路電壓和大的填充因子，如果太陽(yáng)電池用禁帶寬度（Eg）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(yáng)電池若用Eg大的材料做成，則具有較高的開(kāi)路電壓。填充因子是IV曲線拐點(diǎn)處陡度的量度，串聯(lián)電阻可使它變小。通常開(kāi)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1.21.6eV的材料做成太陽(yáng)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展庾?。第二?硅太陽(yáng)電池常規(guī)工藝自年研制出具有一定光電轉(zhuǎn)換效率的硅太陽(yáng)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(yáng)電池

54、，從此，太陽(yáng)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(mǎn)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(kāi)始生產(chǎn)專(zhuān)門(mén)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：、砂子還原成治金級(jí)硅、治金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅、半導(dǎo)體級(jí)硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杵?、硅片制成太?yáng)電池、太陽(yáng)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iO。在目前工業(yè)提煉工藝中，一般采用i的結(jié)晶態(tài)，即石英砂在電弧爐中（如圖3.）用碳還原的方法治煉得反應(yīng)方程為圖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；9.出料噴口；10.鑄鐵壁；11.陶瓷；12.石墨蓋工業(yè)硅的純度一般為，所含的雜質(zhì)主要為、g等。由工業(yè)硅制成硅的鹵化物（如三氯硅烷，四氯化硅）通過(guò)還原劑還原成為元素硅，最后長(zhǎng)成棒狀（或針狀、塊狀）多晶硅。習(xí)慣上把這種還原沉積出的高純硅棒叫