半導(dǎo)體物理效應(yīng)探究與能源轉(zhuǎn)化應(yīng)用

1、半導(dǎo)體物理效應(yīng)探究與能源轉(zhuǎn)化應(yīng)用人員：陸放明單位：南京大學(xué)2017級軟件學(xué)院引言談及人類社會發(fā)展，離不開能源的利用。隨著化石能源的大量開采利用，隨之引發(fā)的環(huán)境污染問題、資源分配與資源緊缺問題接踵而至。如何開發(fā)新型能源、如何對現(xiàn)有能源綠色利用與高效利用，成為科研領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的一種重要課題。與此同時，半導(dǎo)體物理的不斷發(fā)展中，不同形式的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律被不斷揭示，由半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)及其光生伏特效應(yīng)，到半導(dǎo)體出色的熱電性質(zhì)，再到電磁能與光的轉(zhuǎn)化利用，無不體現(xiàn)出半導(dǎo)體材料在能源轉(zhuǎn)化方面所具有的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域和深遠(yuǎn)的利用前景。而在眾多能源形式當(dāng)中，電能以其靈活性，是作為其它能源轉(zhuǎn)化的目標(biāo)形式。全世界對電能的需求

2、正在不斷增長，在可預(yù)見的未來，這種增長趨勢不會改變。美孚2010年市場展望預(yù)測，至2030年，全球?qū)﹄娔艿男枨髮⒈痊F(xiàn)在高50%。即使我們有幸發(fā)現(xiàn)新的化石燃料儲備，出于對全球變暖的考慮，我們也不能再繼續(xù)燃燒化石燃料。無法停止的力量與無法移動的物體碰撞在一起。本文將帶你領(lǐng)略現(xiàn)有的半導(dǎo)體科技如何將其它形式的能量轉(zhuǎn)化為人們所期望的電能，介紹這些轉(zhuǎn)化方式所具有的可行性、前瞻性，再而延伸到當(dāng)下的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域與未來的發(fā)展展望。半導(dǎo)體物理效應(yīng)探究與能源轉(zhuǎn)化應(yīng)用Device performances are driven by new materials, scaling, and newdevice conc

3、epts such as bandstructure and polarization engineering. Semiconductor devices have mostly relied on Si but increasingly GaAs, InGaAs and heterostructures made from Si/SiGe, GaAs/AlGaAs etc have become important.Jasprit Singh半導(dǎo)體導(dǎo)電機制介紹原子間共價鍵結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的Si,Ge等元素均屬于IV族，原子之間通過的共價鍵結(jié)合形成類似于金剛石的正四面體結(jié)構(gòu)，每個原子

4、周圍均有四個近鄰原子，兩兩原子間通過sp3軌道雜化而使共價鍵所成夾角均為10928。右圖為鍺、硅的晶格結(jié)構(gòu)，可以看到其是由兩套面心立方晶格套構(gòu)而成。這兩套晶格形態(tài)中，四面體的中心原子和頂角原子的價鍵取向不一致，這是由晶體本身所處環(huán)境所決定的。制造半導(dǎo)體所使用的材料大多為單晶體，相鄰原子間的空隙在十分之一納米量級。如此小的原子間距使得單個原子外層電子，尤其是價電子的狀態(tài)產(chǎn)生顯著變化。因共價鍵的存在與較小的原子間距，電子層重疊程度大，表現(xiàn)出相鄰原子最外價電子層重疊最多，內(nèi)層電子重疊較少，使得電子可以在不同原子間移動，形成類似金屬自由電子的特性。從原子的能級轉(zhuǎn)向更加宏觀的能帶如前所述，在當(dāng)兩原子的距

5、離減小的時候，原子價電子層電子受到來自本身原子核的電場力和外來原子的原子核電場力的作用，使得電子所處能級分裂為兩個彼此相距接近的能級，也即軌道雜化。此時的電子我們稱被這兩個原子所共有。當(dāng)環(huán)境中存在多個原子的共價鍵電子能級分裂時，這些能級都會分裂至相互接近的狀態(tài)，則把這些能量接近的能級一并稱為一個能帶，又將能級定義處稱為允帶，無能級處稱為禁帶。在當(dāng)我們考慮材料的導(dǎo)電性質(zhì)的時候，便會首先考慮晶體結(jié)構(gòu)所能產(chǎn)生的能帶填充情況，來判定其導(dǎo)電的性質(zhì)。當(dāng)滿帶時材料的導(dǎo)電性能呈現(xiàn)出最壞的狀態(tài)，這是每個能帶都已電子飽和，不再會選擇接受外來電子的原因。這一點可以從內(nèi)層電子的性質(zhì)來驗證內(nèi)層電子會占據(jù)滿帶中的能級。在

6、當(dāng)有外界能量輸入，例如光照激發(fā)，加熱激發(fā)，外電場激發(fā)等作用下，電子吸收外界能量直到這部分能量大于勢壘能級高度，便躍遷到?jīng)]有被電子填充滿的能帶中去。在金屬材料中價電子本身不會占滿能帶，而半導(dǎo)體中則表現(xiàn)出滿帶中的電子躍遷到空帶電子，形成電子空穴對，讓導(dǎo)帶電子與滿帶中產(chǎn)生的空穴共同參與導(dǎo)電行為。相比之下，產(chǎn)生電子-空穴對的導(dǎo)電形式不及直接進(jìn)行電子躍遷的效率高，從而使得半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能不及金屬導(dǎo)體。半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)與光能能源轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體與光電效應(yīng)光的波粒二象性中光所體現(xiàn)出的粒子性，具體展現(xiàn)于其具有的能量。德國物理學(xué)家普朗克率先發(fā)現(xiàn)，光是一種具有粒子性的波。愛因斯坦據(jù)此指出，光波由無數(shù)微小的顆粒組成。較強的

7、光擁有較高的能量，當(dāng)較強的光里面的量子將全部能量傳遞給一個電子時，電子就以較高的能量發(fā)射出來。每個電子的能量恒定，這就意味著，光的強度越高，發(fā)射出的電子就更多。導(dǎo)帶中的電子不被母體原子束縛，當(dāng)電子離開價帶并跳入導(dǎo)帶時，在電子位置產(chǎn)生空位。這個空缺被稱為空洞。因此，在半導(dǎo)體中，自由電子和空穴同時產(chǎn)生成對，并且產(chǎn)生電子空穴對的同時吸收熱量。如果施加在半導(dǎo)體上的光能進(jìn)一步增加，則會產(chǎn)生更多數(shù)量的自由電子。自由電子數(shù)量的增多便增加了電子密度大小，宏觀的角度來看，即降低了半導(dǎo)體的電阻。因此，半導(dǎo)體中的電流隨著光能的增加而增加。根據(jù)光強與產(chǎn)生的偏壓大小關(guān)系來進(jìn)行計算，可以得到外界光強大小從而有了光敏電阻、

8、光傳感器這類設(shè)備。從能源利用的角度來說，如何吸收更多的光能與太陽能，成為當(dāng)下光電半導(dǎo)體器件研發(fā)的重點。Shockley-Queisser極限探究Shockley-Queisser limit指：在理論計算下，單個pn結(jié)所能夠達(dá)到的最大太陽能轉(zhuǎn)換效率。我們所能做的就是將其從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。這意味著太陽能電池不能產(chǎn)生比每秒接收光更多的電能。實際上，正如我們很快就會看到的，大多數(shù)電池會將約10-20的能量轉(zhuǎn)化為電能。典型的單結(jié)硅太陽能電池的理論最大效率約為30，稱為Shockley-Queisser極限。因為太陽光包含不同波長波段范圍和能量分布的光子的混合物，并且任何單結(jié)太陽能電池都僅能在

9、特定波長范圍內(nèi)捕獲光子，在某些波段，比如紅外波段或波長較短的紫外波段將不會吸收，從而浪費這些部分光子所具有的能量。此外，一些撞擊太陽能電池的光子沒有足夠的能量使得電子達(dá)到激發(fā)態(tài)，所以它們被有效地浪費掉了，而有些太陽能電池的能量超過了電子激發(fā)所需的能帶高度，這些過剩的能量也是被浪費了的。最好的尖端實驗室電池可以在使用多個接點捕捉不同能量的光子的絕對完美條件下實現(xiàn)46的效率。若應(yīng)用到實際使用過程中，還需要考慮到設(shè)備本身所處環(huán)境的制約因素，例如吸收面板的構(gòu)造，如何定位和傾斜，它們是否曾經(jīng)處于陰影中，是否保持清潔，所處溫度是否適合（溫度升高往往會降低他們的效率），便也涉及到通風(fēng)（讓空氣在下面循環(huán)）問題

10、。下總結(jié)說明影響該極限存在的幾個因素：黑體輻射影響：室溫（300K）下，黑體輻射無法被太陽能Si單元所吸收，這部分能量占據(jù)了7%的可用能量。這部分無法吸收的能量將以熱能的形式散失。故太陽能電池元件在太陽光照射下的任何能量效率的丟失都將以熱能的形式散失而讓元件的溫度上升。Spectrum losses:光譜范圍限制上的能量丟失。光子能量過低的無法讓電子脫離原子束縛而無法被元件吸收；能量過高的光子中減去有效能量后將會有其他的能量損耗。當(dāng)下已有的幾代太陽能電板a)第一代太陽能電池：由晶體硅片制作，錠片切片組成。將錠片放置于超凈實驗室中生長，耗時一個月完成。采用單晶硅或多晶硅的形式制成。在n和p型硅層

11、之間用錠切片切割為一些簡單的連接處，使用加熱大塊的硅和少量的磷，銻或砷（作為摻雜劑制作n型），或少量的硼（作為摻雜劑制作p型）制成相對應(yīng)的n，p型半導(dǎo)體。此后將兩片薄硅片熔合形成pn結(jié)。b)第二代太陽能電池：經(jīng)典的太陽能電池組成為相對較薄的晶體，通常為百毫米級別的厚度。第二代太陽能電池制作成一個絕對的平面，被稱為薄膜太陽能電池（TPSC），它的厚度減少了百倍，達(dá)到了微米級別的厚度。雖然TPSC大多數(shù)仍舊以硅為原料制作而成，但這代太陽能電池增加了以碲化鎘（Cd -Te）和銅銦鎵聯(lián)硒化物（CIGS）為原料。由于第二代太陽能電池非常薄，重量輕且靈活，可以層壓在窗戶，天窗，屋頂瓦片和各種基材上（包括金

12、屬， 玻璃和 聚合物（塑料）。第二代電池犧牲了效率光能轉(zhuǎn)化：經(jīng)典的第一代太陽能電池仍然優(yōu)于它們。折讓新型光伏材料的選取受到了一定困難。雖然可以達(dá)到15-20的效率，但非晶硅難以達(dá)到7以上，最好的薄膜Cd-Te電池只能處理約11，而CIGS電池不會高于7-12。這就是為什么盡管具有技術(shù)上的優(yōu)勢，第二代電池迄今對太陽能市場影響相對較小的原因之一。c)第三代太陽能電池：最新的技術(shù)結(jié)合了第一代和第二代電池的最佳特性。像第一代電池一樣，它們可以提供相對較高的效率（30或更高）。同時，它結(jié)合了第二代電池的有點，由非“硅”材料制成，如非晶硅，有機聚合物（制造有機光伏電池，OPV），鈣鈦礦晶體等材料，并具有多

13、個連接點（由多層不同的半導(dǎo)體材料）。理想情況下，這將使它們比第一代或第二代電池更便宜，更高效，更實用。太陽能發(fā)電未來的發(fā)展期望a.空間資源的思考：假設(shè)我們要真正的大功率的太陽能發(fā)電。為了產(chǎn)生與大型風(fēng)力渦輪機（峰值功率可能達(dá)到2或3兆瓦）相當(dāng)?shù)碾娏?，這將需要大約500-1000個太陽能屋頂。為了與大型煤電廠或核電廠競爭（額定千兆瓦或數(shù)十億瓦），需要再次使用1000倍到2000倍的空間面積大小，來達(dá)到這個功率大?。僭O(shè)我們的太陽能和風(fēng)能產(chǎn)出的產(chǎn)量均為最大產(chǎn)量）雖然太陽能電池是干凈而有效的電力來源，但目前無法做到有效的土地資源利用。即使那些現(xiàn)在遍地開花的巨大太陽能農(nóng)場也只產(chǎn)生有限的電力（通常約為20

14、兆瓦，約相當(dāng)于2千兆瓦的煤或核電廠的1）。根據(jù)英國可再生能源公司Ecotricity估計，在12英畝（30英畝）的場地上鋪設(shè)大約22,000塊面板，產(chǎn)生4.2兆瓦的功率，大約相當(dāng)于兩臺大型風(fēng)力渦輪機，僅足夠為1,200個家庭供電。人們愿意耗費如此大的土地資源（尤其在土地資源愈發(fā)緊缺的情況下），來換回太陽能發(fā)電的可能性是很小的。b.如果我們將太陽能電池板放在家庭屋頂上，太陽能的真正意義在于不建立大型集中式太陽能發(fā)電站（因此強大的公用事業(yè)可以繼續(xù)以高利潤向無能力的人出售電力），而是通過允許取代骯臟、低效的集中式發(fā)電方式，以消除化石燃料發(fā)電的低效問題，空氣污染和二氧化碳排放問題，以及通過架空電線或通

15、過高壓電纜從發(fā)電點傳輸?shù)绞褂玫攸c的低效問題。若用太陽能電池板覆蓋整個屋頂（以及在所有窗戶上層覆蓋薄膜太陽能電池），可以滿足全部電力需求（甚至是很大一部分電力需求），其實是一種很好的空間利用方式。根據(jù)歐洲光伏行業(yè)協(xié)會和綠色和平組織2011年的報告，沒有必要用太陽能電池板覆蓋寶貴的農(nóng)田：歐盟國家約40的屋頂和建筑物外墻面積的15適用于太陽能電池板的安裝，這些空間能源的充分利用，所能夠產(chǎn)生的電力供應(yīng)，到2020年將達(dá)到總電力需求的40。三、半導(dǎo)體熱電效應(yīng)及其應(yīng)用探究1.熱電效應(yīng)中塞貝克效應(yīng)的思考：當(dāng)半導(dǎo)體兩端存在溫度梯度的時候，因熱激發(fā)而產(chǎn)生的電子空穴對將會趨向于由熱端向冷端移動。通過公式推導(dǎo)來理解

16、。對于小的溫差，單個導(dǎo)電棒的熱端和冷端之間產(chǎn)生的電壓與兩端之間的溫差成正比。比例常數(shù)S現(xiàn)在稱為塞貝克系數(shù)，定義如下：S =V/T其中T是材料兩端之間的溫差，V是產(chǎn)生的熱電電壓。所以產(chǎn)生的電壓由下式給出：V= S *T因此，它能夠作為響應(yīng)于材料兩端的溫度差異而引起的感應(yīng)熱電電壓大小的量度。對于大多數(shù)導(dǎo)體而言，所產(chǎn)生的電壓非常小，每度溫差只有幾微伏。對于半導(dǎo)體材料，系數(shù)可能在100V/K和300V/K之間，在任何情況下仍然非常小。這主要是因為半導(dǎo)體中電荷載流子所具有的動能大小依賴于溫度，而在金屬這種依賴性不再那么強。更一般地，塞貝克系數(shù)是非線性的，并且取決于導(dǎo)體的材料，其分子結(jié)構(gòu)和絕對溫度。塞貝克

17、電壓不取決于沿導(dǎo)體的溫度分布，而僅取決于兩端之間的溫差。塞貝克系數(shù)通常被錯誤地稱為熱電功率或熱電功率（這是一個電壓而不是功率）。2.實際器件堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器（AMTEC）AMTEC是一種將熱量直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置。它使用循環(huán)的堿金屬（鈉或鉀）工作流體，通過閉路中的固體電解質(zhì)在外部負(fù)載中產(chǎn)生電子流。AMTEC器件取決于一些固體陶瓷電解質(zhì)如“或P”氧化鋁的獨特性質(zhì)，由于它們的晶體結(jié)構(gòu)，它們是非常好的離子導(dǎo)體但是電子導(dǎo)體不佳。工作流體在保持在不同溫度下的熱源和散熱器之間的閉合熱力循環(huán)周圍被驅(qū)動，并且在循環(huán)的氣相期間，工作流體在通過電解質(zhì)時等溫膨脹的可用功是直接轉(zhuǎn)換成電力。固體電解質(zhì)BASE屬于

18、陽離子道題，但也是電子絕緣體，它位于鈉工作流體回路中并且在其上保持高溫差。在陽極側(cè)加熱，將鈉的溫度升高到超過1000K，使Na蒸發(fā)并使其壓力增加到超過20千帕。在設(shè)備的冷端，熱量被排斥，使溫度降至700K以下，相應(yīng)的壓力降至100帕斯卡以下。盡管它是“冷”的一面，但溫度仍然較高，因為鈉必須保持液態(tài)。在BASE的陽極表面，蒸汽中的中性鈉原子被電離釋放出電子。（氧化 - 原子失去電子）生成的鈉離子吸收汽化的潛熱。由于BASE上的高壓差以及電子和離子之間的差異導(dǎo)電性，正的鈉離子通過BASE擴散到陰極，而電極為自由電子提供傳導(dǎo)路徑，而不是通過外部負(fù)載在去往陰極的路上工作，在那里它們與鈉離子重新結(jié)合以重新形成中和的金屬鈉蒸氣。（還原 - 離子獲得電子）在冷端蒸汽釋放其蒸發(fā)潛熱并被冷凝成液態(tài)鈉，液態(tài)鈉通過電磁泵或在小型系統(tǒng)中通過簡單的被動芯吸結(jié)構(gòu)返回到熱端。回到熱端之后，鈉在蒸發(fā)器中再次蒸發(fā)，循環(huán)再次開始，使如此過程一直進(jìn)行。電極之間產(chǎn)生的輸出電壓在1.4和1.6伏直流電之間。該系統(tǒng)沒有移動部件，并且只要向系統(tǒng)提供熱量并保持BASE上的溫差，就會繼續(xù)發(fā)電。