太陽(yáng)能電池工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用的教學(xué)課件太陽(yáng)能電池教學(xué)課件

1、太陽(yáng)能電池工作原理、技術(shù)及應(yīng)用課件第1頁(yè)，共276頁(yè)。一、課程內(nèi)容簡(jiǎn)介與教學(xué)目的（一）內(nèi)容簡(jiǎn)介 太陽(yáng)能電池概論是能源化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的選修課程，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠在掌握半導(dǎo)體材料的各項(xiàng)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)掌握太陽(yáng)能電池基本工作原理、設(shè)計(jì)和工藝方面的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)太陽(yáng)能電池有全面的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生畢業(yè)后從事光電子及其相關(guān)學(xué)科的工作和學(xué)習(xí)奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，主要包括以下內(nèi)容：第2頁(yè)，共276頁(yè)。（二）課程要求： 本課程要求學(xué)生上課不遲到、不早退、不曠課，請(qǐng)假需要有正規(guī)假條；能夠按照要求認(rèn)真完成作業(yè)。課程教學(xué)中提倡學(xué)生積極參與。二、成績(jī)考核成績(jī)考核由以下部分組成：（一）平時(shí)成績(jī)：出勤及課堂表現(xiàn)（20%

2、）、作業(yè)（10%）。（二）期末考試成績(jī)：考試（70%），采用百分制。（三）最終成績(jī)=平時(shí)成績(jī)（30%）+期末考試成績(jī)（70%）。第3頁(yè)，共276頁(yè)。（一）教材Martin A.Green，太陽(yáng)能電池工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用，上海交通大學(xué)出版社，2010年。（二）參考資料施鈺川 主編，太陽(yáng)能原理與技術(shù)，西安交通大學(xué)出版社，2009年；熊紹珍 等主編，太陽(yáng)電池基礎(chǔ)與應(yīng)用，科學(xué)出版社，2009年；錢(qián)伯章 主編，太陽(yáng)能技術(shù)與應(yīng)用/新能源技術(shù)叢書(shū)，科學(xué)出版社，2010年；趙雨等 主編，太陽(yáng)能電池技術(shù)及應(yīng)用，中國(guó)鐵道出版社，2013年。三、教材及參考資料第4頁(yè)，共276頁(yè)。第一章太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)光第5頁(yè)，

3、共276頁(yè)。主要內(nèi)容1.1 引言1.2 太陽(yáng)能電池工作原理及發(fā)展概況1.3 陽(yáng)光的物理來(lái)源1.4 太陽(yáng)常數(shù)1.5 地球表面的日照強(qiáng)度1.6太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)第6頁(yè)，共276頁(yè)。1.1引言第7頁(yè)，共276頁(yè)。第8頁(yè)，共276頁(yè)。第9頁(yè)，共276頁(yè)。預(yù)計(jì)2040年太陽(yáng)能電池占25%太陽(yáng)能電池風(fēng)力生物質(zhì)能水力20012010202020302040第10頁(yè)，共276頁(yè)。基本工作原理：光伏效應(yīng)（Photovoltaic effect）太陽(yáng)能電能半導(dǎo)體材料太陽(yáng)能電池1.2 太陽(yáng)能電池工作原理及發(fā)展概況1.2.1太陽(yáng)能電池工作原理第11頁(yè)，共276頁(yè)。光伏效應(yīng)：光照使不均勻半導(dǎo)體不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象（P

4、-N結(jié)）。光吸收：光照射到物體上，有一部分會(huì)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(dǎo)體對(duì)光的吸收？第12頁(yè)，共276頁(yè)。價(jià)帶： 0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶： 0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo) 帶價(jià) 帶Eg第13頁(yè)，共276頁(yè)。帶隙第14頁(yè)，共276頁(yè)。每個(gè)原子的價(jià)電子分別與相鄰的四個(gè)原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵，在空間形成排列有序的單晶體結(jié)構(gòu) 純凈的單晶半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體不均勻半導(dǎo)體（P-N結(jié)）？第15頁(yè)，共276頁(yè)。價(jià)電子（熱激發(fā)）自由電

5、子-空穴對(duì)復(fù)合平衡本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體第16頁(yè)，共276頁(yè)。在外電場(chǎng)作用下，電子的定向移動(dòng)形成電流+-第17頁(yè)，共276頁(yè)。在外電場(chǎng)作用下，空穴的定向移動(dòng)形成電流+-第18頁(yè)，共276頁(yè)。(1) 在半導(dǎo)體中有兩種載流子a. 電阻率大(2) 本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)b. 導(dǎo)電性能隨溫度變化大帶正電的空穴帶負(fù)電的自由電子本征半導(dǎo)體第19頁(yè)，共276頁(yè)。本征半導(dǎo)體缺點(diǎn) 1、電子濃度=空穴濃度； 2、載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！ 不適宜制造半導(dǎo)體器件，通常要摻入一些雜質(zhì)來(lái)提高導(dǎo)電能力。此外，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)后，由于導(dǎo)電性差和缺乏將電子-空穴繼續(xù)分開(kāi)的能量，電子-空穴會(huì)很快復(fù)合，不實(shí)用。本征半導(dǎo)體一般不

6、能在半導(dǎo)體器件中直接使用第20頁(yè)，共276頁(yè)。雜質(zhì)半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體 SiSiSiSiSiSiSiP 圖中摻入的五價(jià)P原子在晶體中替代Si的位置，構(gòu)成與Si相同的四電子結(jié)構(gòu)，多出的一個(gè)電子在雜質(zhì)離子的電場(chǎng)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 第21頁(yè)，共276頁(yè)。雜質(zhì)半導(dǎo)體磷原子硅原子SiPSiSi多余電子第22頁(yè)，共276頁(yè)。（1）N型半導(dǎo)體形成：本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)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(jiǎn)化圖 雜質(zhì)半導(dǎo)體第23頁(yè)，共276頁(yè)。雜質(zhì)半導(dǎo)體(2) P型半導(dǎo)體 四價(jià)的本征半導(dǎo)體 Si、Ge等，摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素(如B、Ga、In等)形成空穴型半導(dǎo)體，也稱p型半導(dǎo)體。S

7、iSiSiSiSiSiSi+B 圖中在硅晶體中摻入少量的硼，晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。第24頁(yè)，共276頁(yè)。P型半導(dǎo)體形成：本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)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(jiǎn)化圖 （a）結(jié)構(gòu)示意圖 圖1-5 P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)雜質(zhì)半導(dǎo)體第25頁(yè)，共276頁(yè)。P-N結(jié)的形成 在半導(dǎo)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(gòu)稱為P-N結(jié)(P-N junction)。在交

8、界面，由于兩種載流子的濃度差，出現(xiàn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。PN第26頁(yè)，共276頁(yè)。在交界面，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)復(fù)合,出現(xiàn)空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)耗盡層PNP-N結(jié)的形成過(guò)程第27頁(yè)，共276頁(yè)。P-N結(jié)當(dāng)擴(kuò)散電流等于漂移電流時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成P-N結(jié)。P-N結(jié)的形成過(guò)程不均勻半導(dǎo)體形成NP第28頁(yè)，共276頁(yè)。由于區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)由n p的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建場(chǎng)。 當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，形成P-N結(jié)時(shí)，由于多數(shù)載流子的擴(kuò)散，形成了空間電荷區(qū)，并形成一個(gè)不斷增強(qiáng)的從N型半導(dǎo)體指向P型半導(dǎo)體的內(nèi)建電場(chǎng)，導(dǎo)致多數(shù)載流子反向漂移。達(dá)

9、到平衡后，擴(kuò)散產(chǎn)生的電流和漂移產(chǎn)生的電流相等。第29頁(yè)，共276頁(yè)。光生伏特效應(yīng) 當(dāng)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(duì)。由于內(nèi)建電場(chǎng)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(shì)（電壓），破壞了原來(lái)的平衡。這時(shí)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(yīng)。第30頁(yè)，共276頁(yè)。太陽(yáng)能電池工作原理： 由光照射，基于光生伏特效應(yīng)，使p-n結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，使之形成電壓。將電池與一個(gè)負(fù)載連接起來(lái)，就會(huì)形成電流回路。第31頁(yè)，共276頁(yè)。第32頁(yè)，共276頁(yè)。1.2.2 太陽(yáng)能電池發(fā)展概況20世紀(jì)50

10、年代 第一個(gè)實(shí)用的光伏器件（硅電池）60年代 應(yīng)用于空間技術(shù)70年代 石油危機(jī)推動(dòng)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(yīng)第33頁(yè)，共276頁(yè)。 法國(guó)物理學(xué)家Edmond Becquerel（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(jìn)而檢測(cè)到電流，這就是光伏效應(yīng)，當(dāng)時(shí)他僅19歲。第34頁(yè)，共276頁(yè)。 1877年，Adams和Day研究了玻璃硒的光伏效應(yīng)。 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(lái)演示光電效應(yīng)的試驗(yàn)。他們認(rèn)為光照使得硒條的表明結(jié)

11、晶化了。第35頁(yè)，共276頁(yè)。 1883年美國(guó)科學(xué)家Charles Fritts（弗里茨）制造了第一個(gè)太陽(yáng)能電池。他用兩種不同材料的金屬板來(lái)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(gè)薄膜器件有30cm2大，當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)換效率僅1%。 他也是第一個(gè)認(rèn)識(shí)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(chǔ)存起來(lái)，或者傳送到另外一個(gè)地方。第36頁(yè)，共276頁(yè)。 1927年，人們研究在銅Cu表面生長(zhǎng)氧化亞銅Cu2O層的光伏效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了銅-氧化亞銅交界處的整流效應(yīng)。提出了利用

12、金屬銅及半導(dǎo)體氧化亞銅接合所形成的太陽(yáng)能電池，促進(jìn)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(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖。一圈圈的鉛線作為電極連接在電池接收光的表面。后來(lái)改為在表面濺射金屬層，然后移走一部分，形成由金屬線構(gòu)成的網(wǎng)格。第37頁(yè)，共276頁(yè)。 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(yīng)用在一些對(duì)光線敏感的儀器上，如亮度計(jì)、照相機(jī)的曝光計(jì)等。但這些早期電池的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率都在1%以下。第38頁(yè)，共276頁(yè)。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(shí)分離形成天然的p-n結(jié)

13、。切割硅錠便可制備太陽(yáng)能電池。1946年Ohl研發(fā)出了硅制太陽(yáng)能電池。早期太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖第39頁(yè)，共276頁(yè)。 1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在硅中摻雜一些雜質(zhì)后，硅對(duì)光更加敏感。他們共同研制出了第一塊現(xiàn)代太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6%。這是太陽(yáng)能電池發(fā)展史上一個(gè)重要里程碑，為人造衛(wèi)星提供了可貴的能源。利用擴(kuò)散方式制備的單晶硅p-n結(jié)第40頁(yè)，共276頁(yè)。太陽(yáng)能電池的發(fā)展41 1957年和1958年，蘇聯(lián)與美國(guó)相繼發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星。 20世紀(jì)60年代，用在人造衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池都是采用類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)沿用了10年以上。第41頁(yè)，共276頁(yè)。 1973年，第一次石油危機(jī)后，

14、太陽(yáng)能應(yīng)用轉(zhuǎn)移到一般民用，如手表、小型計(jì)算器。這些設(shè)備通常是利用太陽(yáng)能給鎳鎘電池充電。 1974年Haynos在硅結(jié)晶面蝕刻出許多類(lèi)似金字塔的幾何形狀，可以有效地降低太陽(yáng)光反射，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17%。 1976年出現(xiàn)第一塊多晶硅太陽(yáng)能電池。第42頁(yè)，共276頁(yè)。1985年，在太陽(yáng)能電池表面做出微溝槽的PESC(鈍化發(fā)射區(qū)Passivation emitter solar cells)型太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率超過(guò)20%。第43頁(yè)，共276頁(yè)。德國(guó)弗賴堡1990年以后，太陽(yáng)能電池發(fā)電與民用發(fā)電相結(jié)合。第44頁(yè)，共276頁(yè)。第45頁(yè)，共276頁(yè)。 德國(guó)是世界上太陽(yáng)能電池最普及的國(guó)家，其次是日本和美國(guó)。中

15、國(guó)是太陽(yáng)能電池生產(chǎn)大國(guó)。2009年3月，中國(guó)宣布了太陽(yáng)能補(bǔ)貼計(jì)劃。繼美國(guó)之后，2012年9月，歐盟對(duì)中國(guó)發(fā)起光伏反傾銷(xiāo)。第46頁(yè)，共276頁(yè)。2013年6月14日，日本太陽(yáng)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(dá)44.4%的太陽(yáng)能電池。目前商用的太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率不足25%。中國(guó)尚德的電池片早在2012年3月12日就宣布通過(guò)采用其專(zhuān)利Pluto(冥王星)技術(shù)已將多晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率提升至20.3%?，F(xiàn)在應(yīng)該更高了。2013年中電光伏單晶電池轉(zhuǎn)換率達(dá)到20.26%，刷新紀(jì)錄。第47頁(yè)，共276頁(yè)。1.3 陽(yáng)光的物理來(lái)源光是一種電磁波，具有波粒

16、二象性熱物體發(fā)出的電磁輻射，光譜或波長(zhǎng)與物體的溫度有關(guān)。第48頁(yè)，共276頁(yè)。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，為真空中的波長(zhǎng)。光的能量與波長(zhǎng)成反比。能量的單位：電子伏特（eV）能量與波長(zhǎng)的關(guān)系：其中的單位為 nm49第49頁(yè)，共276頁(yè)。1.4 太陽(yáng)常數(shù)-太陽(yáng)光內(nèi)核：核聚變反應(yīng)氫離子層：強(qiáng)烈吸收輻射光球?qū)?，溫?000K熱對(duì)流太陽(yáng)是一個(gè)充滿氣體的熱球地球輻射Glass prismlow energy photonsHigh energy photons第50頁(yè)，共276頁(yè)。黑體與光照度許多常見(jiàn)的光源如太陽(yáng)和白熾燈都是相似的黑體模型。一個(gè)黑體能夠吸收所有入射到它表面的電

17、磁波，并基于溫度的不同輻射出不同的電磁波。黑體：式中，是光的波長(zhǎng)，T分別為黑體的溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)。F的單位為W/ (m2m) ，W/m2指的是波長(zhǎng)為（m）光的光強(qiáng)（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(zhǎng)的關(guān)系公式由普朗克輻射定律給出：光照度：第51頁(yè)，共276頁(yè)。不同溫度下，黑體的光照度與波長(zhǎng)的關(guān)系溫度波長(zhǎng)豐富波峰移動(dòng)光照度增加第52頁(yè)，共276頁(yè)?？偟墓β蕪?qiáng)度 黑體發(fā)出的總的功率強(qiáng)度（單位W/ m2）為：式中為Stefan-Boltzmann常數(shù)，T為黑體溫度(K)。 =5.6710-8 Wm-2K-4第53頁(yè)，共276頁(yè)。峰值波長(zhǎng)p54峰值波長(zhǎng)p是光照度最高時(shí)對(duì)應(yīng)

18、的波長(zhǎng)。該波長(zhǎng)的光輻射出的能量最高。將光照度方程對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)為零處的波長(zhǎng)就是峰值波長(zhǎng)p 。這就是Wien定律，對(duì)應(yīng)方程為：第54頁(yè)，共276頁(yè)。 太陽(yáng)的表面輻射功率強(qiáng)度Isun相當(dāng)于6000K（5762 K 50K）黑體的輻射強(qiáng)度，其總的功率等于Isun乘于太陽(yáng)表面積4R2，R為太陽(yáng)的半徑。 越遠(yuǎn)離太陽(yáng)表面，太陽(yáng)總的功率強(qiáng)度就被擴(kuò)散到越大的表面。 隨著太空中物體與太陽(yáng)距離D的增加，照射到表面的太陽(yáng)光強(qiáng)減小。第55頁(yè)，共276頁(yè)。 太陽(yáng)光照射在距離D處的球面面積為4D2 ，入射到物體的光強(qiáng)為：第56頁(yè)，共276頁(yè)。第57頁(yè)，共276頁(yè)。太陽(yáng)常數(shù)AM0 地球以橢圓形軌道圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。由橢圓形軌

19、道引起的改變大概在3.4%左右，一月份時(shí)太陽(yáng)光照度達(dá)到最大，最小時(shí)為七月份。太陽(yáng)常數(shù)，也叫作大氣光學(xué)質(zhì)量零輻射（optical air mass-zero radiation），記作AM0（書(shū)圖1.3）：地球大氣層之外，地球-太陽(yáng)平均距離處，垂直于太陽(yáng)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(yīng)用中，采用的太陽(yáng)常數(shù)為：1.3661 kW/m2第58頁(yè)，共276頁(yè)。1.5 地球表面的日照常數(shù) 當(dāng)入射到地球大氣層的太陽(yáng)輻射相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，影響地球表面輻射的主要因素是（穿過(guò)大氣層衰減30%）:（1）大氣效應(yīng)，包括吸收和散射；（2）當(dāng)?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

20、年中季節(jié)不同；（4）一天里時(shí)間的不同。第59頁(yè)，共276頁(yè)。第60頁(yè)，共276頁(yè)。第61頁(yè)，共276頁(yè)。大氣光學(xué)質(zhì)量 大氣光學(xué)質(zhì)量（AM）定義為光穿過(guò)大氣層路徑的長(zhǎng)度與最短路程之比。當(dāng)太陽(yáng)處在頭頂正上方時(shí)，長(zhǎng)度最短時(shí)，大氣光學(xué)質(zhì)量為1，這時(shí)的輻射稱為大氣光學(xué)質(zhì)量1（AM1）的輻射。 “大氣光學(xué)質(zhì)量”描繪了太陽(yáng)光到達(dá)地面前的路程與太陽(yáng)處在頭頂處時(shí)的路程的比值，也等于Y/X。 大氣光學(xué)質(zhì)量量化了太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層時(shí)被空氣和塵埃吸收后的衰減程度。當(dāng)太陽(yáng)和頭頂正上方成角度時(shí)，大氣光學(xué)質(zhì)量為：第62頁(yè)，共276頁(yè)。大氣光學(xué)質(zhì)量估算63 估算大氣質(zhì)量的一個(gè)最簡(jiǎn)單的方法就是，測(cè)量一個(gè)垂直立著的標(biāo)桿長(zhǎng)度h和它

21、投影長(zhǎng)度s。大氣光學(xué)質(zhì)量等于斜邊的長(zhǎng)度除以標(biāo)桿的高度h:Sh第63頁(yè)，共276頁(yè)。 地球表面的標(biāo)準(zhǔn)光譜 太陽(yáng)能電池的效率對(duì)入射光的能量和光譜含量都非常敏感。為了對(duì)不同地點(diǎn)測(cè)得的太陽(yáng)能電池的性能比較，人們定義了地球表面的光譜和功率強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。 地球表面的標(biāo)準(zhǔn)光譜稱為AM1.5。 地球大氣層外的標(biāo)準(zhǔn)光譜稱為AM0，因?yàn)楣鉀](méi)有穿過(guò)任何大氣。 這個(gè)光譜通常被用來(lái)檢測(cè)太空中太陽(yáng)能電池的表現(xiàn)。 第64頁(yè)，共276頁(yè)。1.6 太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng) 太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)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(gè)固定位置來(lái)看，太陽(yáng)橫跨整個(gè)天空運(yùn)動(dòng)。 太陽(yáng)相對(duì)于地球上某一固定的觀察者所作的運(yùn)動(dòng)稱為視運(yùn)動(dòng)。 刻畫(huà)地

22、球上某固定地點(diǎn)的太陽(yáng)高度角需要緯度、經(jīng)度、一年中的日期和一天中的時(shí)間。第65頁(yè)，共276頁(yè)。太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)對(duì)日照、太陽(yáng)能電池收集的影響 太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)在很大程度上影響著太陽(yáng)能收集器件獲得的能量。(3) 對(duì)于0o和90o之間的角，它們相對(duì)的功率強(qiáng)度為Iincos，其中為太陽(yáng)光與器件平面法線之間的夾角。(2) 當(dāng)平面與太陽(yáng)光平行時(shí) (=90o)，功率強(qiáng)度變?yōu)榱恪?1) 當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射(=0)到吸收平面時(shí)，平面上的功率強(qiáng)度等于入射光的功率強(qiáng)度Iin。第66頁(yè)，共276頁(yè)。本章完第67頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)68第二章：半導(dǎo)體與PN結(jié)&2.1簡(jiǎn)介&2.2基本原理&2.3載流子的

23、產(chǎn)生&2.4載流子的復(fù)合&2.5載流子的運(yùn)動(dòng)&2.6 PN結(jié)第68頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)69&2.1簡(jiǎn)介 一直以來(lái)，太陽(yáng)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(lái)的幾節(jié)將講述半導(dǎo)體材料的基本問(wèn)題和物理原理，這些都是光伏器件的核心知識(shí)。這些物理原理可以用來(lái)解釋 PN結(jié)的運(yùn)作機(jī)制。PN結(jié)不僅是太陽(yáng)能電池的核心基礎(chǔ)，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(chǔ)。 右圖是一個(gè)硅錠，由一個(gè)大的單晶硅組成，這樣一個(gè)硅錠可以被切割成薄片然后被制成不同半導(dǎo)體器件，包括太陽(yáng)能電池和電腦芯片。第69頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)70&2.2.1基

24、本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)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(gòu)鍵合在一起，然后排列成型，借此，每個(gè)原子都被8個(gè)電子包圍著。一個(gè)單原子由原子核和電子構(gòu)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?chē)?。電子和質(zhì)子擁有相同的數(shù)量，因此一個(gè)原子的整體是顯電中性的。基于原子內(nèi)的電子數(shù)目（元素周期表中的每個(gè)元素都是不同的），每個(gè)電子都占據(jù)著特定的能級(jí)。下圖展示了一種半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu). 硅晶格中的共價(jià)鍵示意圖。硅原子共價(jià)鍵第70頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)71&2.2.1基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體材料可以來(lái)自元素周期表中的族

25、元素，或者是族元素與族元素相結(jié)合（叫做 -型半導(dǎo)體 ），還可以是族元素與族元素相結(jié)合（叫做 -型半導(dǎo)體 ）。硅是使用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，它是集成電路（IC）芯片的基礎(chǔ)，也是最為成熟的技術(shù)，而大多數(shù)的太陽(yáng)能電池也是以硅作為基本材料的。硅的相關(guān)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(lán)色字幕顯示了更多的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體可以由單原子構(gòu)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。 第71頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)72&2.2.1基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)決定

26、了半導(dǎo)體材料的性能。其中一個(gè)關(guān)鍵影響就是限制了電子能占據(jù)的能級(jí)和電子在晶格之間的移動(dòng)。半導(dǎo)體中，圍繞在每個(gè)原子的電子都是共價(jià)鍵的一部分。共價(jià)鍵就是兩個(gè)相鄰的原子都拿出自己的一個(gè)電子來(lái)與之共用，這樣，每個(gè)原子便被8個(gè)電子包圍著。共價(jià)鍵中的電子被共價(jià)鍵的力量束縛著，因此它們總是限制在原子周?chē)哪硞€(gè)地方。因?yàn)樗鼈儾荒芤苿?dòng)或者自行改變能量，所以共價(jià)鍵中的電子不能被認(rèn)為是自由的，也不能夠參與電流的流動(dòng)、能量的吸收以及其它與太陽(yáng)能電池相關(guān)的物理過(guò)程。然而，只有在絕對(duì)零度的時(shí)候才會(huì)讓全部電子都束縛在價(jià)鍵中。在高溫下，電子能夠獲得足夠的能量擺脫共價(jià)鍵，而當(dāng)它成功擺脫后，便能自由地在晶格之間運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。在室

27、溫下，半導(dǎo)體擁有足夠的自由電子使其導(dǎo)電，然而在到達(dá)或接近絕對(duì)零度的時(shí)候，它就像一個(gè)絕緣體。 價(jià)鍵的存在導(dǎo)致了電子有兩個(gè)不同能量狀態(tài)。電子的最低能量第72頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)73&2.2.1基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 態(tài)是其處在價(jià)帶的時(shí)候。然而，如果電子吸收了足夠的熱能來(lái)打破共價(jià)鍵，那么它將進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子。電子不能處在這兩個(gè)能帶之間的能量區(qū)域。它要么束縛在價(jià)鍵中除于低能量狀態(tài)，要么獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵，但它吸收的能量有個(gè)最低限度，這個(gè)最低能量值被叫做半導(dǎo)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(chǔ)。 電子擺脫共價(jià)鍵后留下來(lái)的空間能讓共價(jià)鍵從一

28、個(gè)電子移動(dòng)到另一個(gè)電子，也因此出現(xiàn)了正電荷在晶格中運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。這個(gè)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(dòng)畫(huà)展示了當(dāng)電子能夠逃脫共價(jià)鍵時(shí)自由電子和空穴是如何形成的第73頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)74&2.2.1基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 對(duì)于太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體最重要的參數(shù)是：禁帶寬度能參與導(dǎo)電的自由載流子的數(shù)目當(dāng)光射入到半導(dǎo)體材料時(shí)，自由載流子的產(chǎn)生和復(fù)合。 關(guān)于這些參數(shù)的更詳細(xì)描述將在下面幾頁(yè)給出。第74頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)75&2.2.2基本原理-禁帶 半導(dǎo)體的禁帶寬度是指一個(gè)電子從價(jià)帶運(yùn)動(dòng)到能參與導(dǎo)

29、電的自由狀態(tài)所需要吸收的最低能量值。半導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)顯示了（y軸）電子的能量，此圖也被叫做“能帶圖”。半導(dǎo)體中比較低的能級(jí)被叫做“價(jià)帶”（Ev），而處于其中的電子能被看成自由電子的能級(jí)叫“導(dǎo)帶”（Ec）。處于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的便是禁帶（EG）了。 固體中電子的能帶示意圖第75頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)76&2.2.2基本原理-禁帶 一旦進(jìn)入導(dǎo)帶，電子將自由地在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。然而，電子在導(dǎo)帶中的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致另外一種導(dǎo)電過(guò)程的發(fā)生。電子從原本的共價(jià)鍵移動(dòng)到導(dǎo)帶必然會(huì)留下一個(gè)空位。來(lái)自周?chē)拥碾娮幽芤苿?dòng)到這個(gè)空位上，然后又留下了另外一個(gè)空位，這種留給電子的不斷運(yùn)

30、動(dòng)的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格間運(yùn)動(dòng)的正電荷。因此，電子移向?qū)У倪\(yùn)動(dòng)不僅導(dǎo)致了電子本身的移動(dòng)，還產(chǎn)生了空穴在價(jià)帶中的運(yùn)動(dòng)。電子和空穴都能參與導(dǎo)電并都稱為“載流子”。 移動(dòng)的“空穴”這一概念有點(diǎn)類(lèi)似于液體中的氣泡。盡管實(shí)際上是液體在流動(dòng)，但是把它想象成是液體中的氣泡往相反的方向運(yùn)動(dòng)更容易理解些。第76頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)77&2.2.3基本原理 -本征載流子濃度 把電子從價(jià)帶移向?qū)У臒峒ぐl(fā)使得價(jià)帶和導(dǎo)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(hào)ni表示。沒(méi)有注入能改變載流子濃度的雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料叫做本征材料。本征載流子濃度就是指本征材

31、料中導(dǎo)帶中的電子數(shù)目或價(jià)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(huì)使得載流子很難通過(guò)熱激發(fā)來(lái)穿過(guò)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(guò)提高溫度讓電子更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)也提高了本征載流子的濃度。 右圖顯示了兩個(gè)溫度下的半導(dǎo)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(dǎo)帶價(jià)帶第77頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)78&2.2.4基本原理-摻雜 通過(guò)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(gè)價(jià)電子的原子可以用來(lái)制成n型半導(dǎo)體材料，這種原子把一個(gè)電子注入到導(dǎo)帶中，因此

32、增加了導(dǎo)帶中電子的數(shù)目。相對(duì)的，比硅原少一個(gè)電子的原子可以制成p型半導(dǎo)體材料。在p型半導(dǎo)體材料中，被束縛在共價(jià)鍵中的電子數(shù)目比本征半導(dǎo)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(dǎo)體。第78頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)79&2.2.4基本原理-摻雜下表總結(jié)了不同類(lèi)型半導(dǎo)體的特性P型（正）N型（負(fù)）摻雜族元素（如硼）族元素（如磷）價(jià)鍵失去一個(gè)電子（空穴）多出一個(gè)電子多子空穴電子少子電子空穴第79頁(yè)，共27

33、6頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)80&2.2.4基本原理-摻雜 下面的動(dòng)畫(huà)展示了p型硅與n型硅。在一塊典型的半導(dǎo)體中，多子的濃度可能達(dá)到1017cm-3，少子的濃度則為106cm-3。這是一個(gè)怎樣的數(shù)字概念呢？少子與多子的比例比一個(gè)人與地球總的人口數(shù)目的比還要小。少子既可以通過(guò)熱激發(fā)又可以通過(guò)光照產(chǎn)生。 N型半導(dǎo)體。之所以叫n型是因?yàn)槎嘧邮菐ж?fù)電（negatively）的電子 P型半導(dǎo)體。之所以叫p型是因?yàn)槎嘧邮菐д姡╬ositively)的空穴第80頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)81&2.2.5基本原理-平衡載流子濃度 在沒(méi)有外加偏壓的情況下，導(dǎo)帶和價(jià)帶

34、中的載流子濃度就叫本征載流子濃度。對(duì)于多子來(lái)說(shuō)，其平衡載流子濃度等于本征載流子濃度加上摻雜入半導(dǎo)體的自由載流子的濃度。在多數(shù)情況下，摻雜后半導(dǎo)體的自由載流子濃度要比本征載流子濃度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(xué)表達(dá)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/NA第81頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)82&2.2.5基本原理

35、-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(guò)程而加入到材料當(dāng)中并占據(jù)價(jià)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(dāng)摻雜水平提高時(shí)，少子的濃度減小。N型半導(dǎo)體材料低摻雜高摻雜價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶第82頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)83&2.3.1載流子的產(chǎn)生-光的吸收 入射到半導(dǎo)體表面的光子要么在表面被反射，要么被半導(dǎo)體材料所吸收，或者兩者都不是，即只是從此材料透射而過(guò)。對(duì)于光伏器件來(lái)說(shuō)，反射和透射通常被認(rèn)為損失部分，就像沒(méi)有被吸收的光子一樣不產(chǎn)生電。如果光子

36、被吸收，將在價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)電子并運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶。決定一個(gè)光子是被吸收還是透射的關(guān)鍵因素是光子的能量?；诠庾拥哪芰颗c半導(dǎo)體禁帶寬度的比較，入射到半導(dǎo)體材料的光子可以分為三種：EphEg 光子能量Eph小于禁帶寬度Eg，光子與半導(dǎo)體的相互作用很弱，只是穿過(guò)，似乎半導(dǎo)體是透明的一樣。EphEg 光子的能量剛剛好足夠激發(fā)出一個(gè)電子-空穴對(duì)，能量被完全吸收。EphEg 光子能量大于禁帶寬度并被強(qiáng)烈吸收。 第83頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)84&2.3.1載流子的產(chǎn)生-光的吸收 右邊的動(dòng)畫(huà)展示了三種不同能量層次的光子在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的效應(yīng)。對(duì)光的吸收即產(chǎn)生了多子又產(chǎn)生少子。在很多光伏應(yīng)

37、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(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在被光照的半導(dǎo)體內(nèi)部，多子的數(shù)量變化并不明顯。但是對(duì)少子的數(shù)量來(lái)說(shuō)情況則完全相反。由光產(chǎn)生的少子的數(shù)目要遠(yuǎn)高于原本無(wú)光照時(shí)的光子數(shù)目，也因此在有光照的太陽(yáng)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。第84頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)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(gè)給定波長(zhǎng)的光子在被吸收之前能在材料走多遠(yuǎn)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(dāng)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(zhǎng)。在半導(dǎo)體的吸收系數(shù)曲線圖中出

38、現(xiàn)了一個(gè)很清晰的邊緣，這是因?yàn)槟芰康陀诮麕挾鹊墓鉀](méi)有足夠的能量把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶。因此，光線也就沒(méi)被吸收了。下圖顯示幾種半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)：砷化鎵磷化銦鍺硅 四種不同半導(dǎo)體才在溫度為300K時(shí)的吸收系數(shù)，實(shí)驗(yàn)在真空環(huán)境下進(jìn)行。第85頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)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(zhǎng)有密切的聯(lián)系。一個(gè)光子被吸收的概率取決于這個(gè)光子能與電子作用（即把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶）的可能性。對(duì)于一個(gè)能量大小非常接近于禁帶寬度的光子來(lái)說(shuō)，其吸收的概率是相對(duì)較低的，因?yàn)橹?/p>

39、有處在價(jià)帶邊緣的電子才能與之作用并被吸收。當(dāng)光子的能量增大時(shí)，能夠與之相互作用并吸收光子的電子數(shù)目也會(huì)增大。然而，對(duì)于光伏應(yīng)用來(lái)說(shuō)，比禁帶寬度多出的那部分光子能量是沒(méi)有實(shí)際作用 的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶后的電子又很快因?yàn)闊嶙饔没氐綄?dǎo)帶的邊緣。 硅的其它光學(xué)性質(zhì)在硅的光學(xué)性質(zhì)一頁(yè)中給出。第86頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)87&2.3.3載流子的產(chǎn)生-吸收深度 吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系導(dǎo)致了不同波長(zhǎng)的光在被完全吸收之前進(jìn)入半導(dǎo)體的深度的不同。下面將給出另一個(gè)參數(shù)-吸收深度，它與吸收系數(shù)成反比例關(guān)系，即為-1。吸收深度是一個(gè)非常有用的參數(shù)，它顯示了在光在其能量下降到最初強(qiáng)度的大概36

40、%（或者說(shuō)1/e）的時(shí)候在材料中走的深度。因?yàn)楦吣芰抗庾拥奈障禂?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(yáng)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(dòng)畫(huà)顯示了紅光與藍(lán)光的吸收深度的不同。 藍(lán)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。第87頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)88&2.3.3載流子的產(chǎn)生-吸收深度下圖顯示了幾種半導(dǎo)體的吸收深度：第88頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)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(dǎo)體每一點(diǎn)生

41、成電子的數(shù)目。忽略反射不計(jì)，半導(dǎo)體材料吸收的光線的多少?zèng)Q定于吸收系數(shù)（ 單位為cm-1）和半導(dǎo)體的厚度。半導(dǎo)體中每一點(diǎn)中光的強(qiáng)度可以通過(guò)以下的方程計(jì)算： I=I0e-x 式中為材料的吸收系數(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(qiáng)度。 上述方程可以用來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的數(shù)目。假設(shè)減少的那部分光線能量全部用來(lái)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那么通過(guò)測(cè)量透射過(guò)電池的光線強(qiáng)度便可以算出半導(dǎo)體材料生成的電子空穴對(duì)的數(shù)目。因此，對(duì)上面的方程進(jìn)行微分將得到半導(dǎo)體中任何一點(diǎn)的生成率。即第89頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)90&2.3.4載流子的產(chǎn)生-生

42、成率 G=N0e-x其中N0=表面的光子通量（光子/單位面積.秒）=吸收系數(shù)，x=進(jìn)入材料的距離。 上面的方程顯示，光的強(qiáng)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(duì)于光伏應(yīng)用來(lái)說(shuō)，入射光是由一系列不同波長(zhǎng)的光組成的，因此不同波長(zhǎng)的生成率也是不同的。下圖顯示三種不同波長(zhǎng)的光在硅材料中的生成率。進(jìn)入硅的深度電子空穴對(duì)的生成率第90頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)91&2.3.4載流子的產(chǎn)生-生成率 計(jì)算一系列不同波長(zhǎng)的光的生成率時(shí)，總的生成率等于每種波長(zhǎng)的總和。下圖將展示入射到硅片的光為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜時(shí)，不同深度的生成率大小。Y軸的范圍大小是成對(duì)數(shù)的，

43、顯示著在電池表面的產(chǎn)生了數(shù)量巨大的電子空穴對(duì)，而在電池的更深處，生成率幾乎是常數(shù)。第91頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)92&2.4.1復(fù)合理論-復(fù)合的類(lèi)型 所有處在導(dǎo)帶中的電子都是亞穩(wěn)定狀態(tài)的，并最終會(huì)回到價(jià)帶中更低的能量狀態(tài)。它必須移回到一個(gè)空的價(jià)帶能級(jí)中，所以，當(dāng)電子回到價(jià)帶的同時(shí)也有效地消除了一個(gè)空穴。這種過(guò)程叫做復(fù)合。在單晶半導(dǎo)體材料中，復(fù)合過(guò)程大致可以分為三種：輻射復(fù)合俄歇復(fù)合肖克萊-雷德-霍爾復(fù)合這些復(fù)合在右邊的動(dòng)畫(huà)中都有描述。第92頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)93&2.4.1復(fù)合理論-復(fù)合的類(lèi)型輻射復(fù)合 輻射復(fù)合是LED燈和激光這

44、類(lèi)的半導(dǎo)體器件的主要復(fù)合機(jī)制。然而，對(duì)于由硅制成的陸地用太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，輻射復(fù)合并不是主要的，因?yàn)楣璧慕麕Р⒉皇侵苯咏麕?，它使得電子不能直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。輻射復(fù)合的幾個(gè)主要特征是：在輻射復(fù)合中，電子與空穴直接在導(dǎo)帶結(jié)合并釋放一個(gè)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(dǎo)體。通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合 通過(guò)復(fù)合中心的輻射也被叫做肖克萊-萊德-霍爾或SRH復(fù)合，它第93頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)94&2.4.1復(fù)合理論-復(fù)合的類(lèi)型 不會(huì)發(fā)生在完全純凈的、沒(méi)有缺陷的材料中。SRH復(fù)合過(guò)程分為兩步：一個(gè)電子（或空穴）被由晶格中的缺陷產(chǎn)生的禁帶中的一

45、個(gè)能級(jí)所俘獲。這些缺陷要么是無(wú)意中引入的要么是故意加入 到材料當(dāng)中去的，比如往材料中摻雜。如果在電子被熱激發(fā)到導(dǎo)帶之前，一個(gè)空穴（或電子）也被俘獲到同一個(gè)能級(jí)中，那么復(fù)合過(guò)程就完成了。 載流子被俘獲到禁帶中的缺陷能級(jí)的概率取決于能級(jí)到兩能帶（導(dǎo)帶和禁帶）的距離。因此，如果一個(gè)能級(jí)被引入到靠近其中一能帶的邊緣地區(qū)，發(fā)生復(fù)合的可能性將比較小，因?yàn)殡娮颖容^容易被激發(fā)到導(dǎo)帶去，而不是與從價(jià)帶移動(dòng)到同一個(gè)能級(jí)的空穴復(fù)合。基于這個(gè)因素，處在禁帶中間的能級(jí)發(fā)生復(fù)合的概率最大。第94頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)95&2.4.1復(fù)合理論-復(fù)合的類(lèi)型 俄歇復(fù)合 一個(gè)俄歇復(fù)合過(guò)程有三個(gè)載流

46、子參與。一個(gè)光子與一個(gè)空穴復(fù)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(gè)載流子，即在導(dǎo)帶中的電子。這個(gè)電子接收能量后因?yàn)闊嶙饔米罱K又回到導(dǎo)帶的邊緣。 俄歇復(fù)合是重?fù)诫s材料和被加熱至高溫的材料最主要的復(fù)合形式。第95頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)96&2.4.2復(fù)合理論-擴(kuò)散長(zhǎng)度 如果半導(dǎo)體中少子的數(shù)目因?yàn)橥饨绲亩虝杭ぐl(fā)而在原來(lái)平衡的基礎(chǔ)上增加，這些額外激發(fā)的少子將因?yàn)閺?fù)合過(guò)程而漸漸衰退回原本平衡時(shí)的狀態(tài)。在太陽(yáng)能電池中一個(gè)重要的參數(shù)是復(fù)合發(fā)生的速率，這樣也叫做”復(fù)合率”.復(fù)合率決定于額外少子的數(shù)目。例如，當(dāng)沒(méi)有額外少子時(shí)，復(fù)合率將為零?！吧僮?/p>

47、壽命”（用符號(hào) 和 表示）是指產(chǎn)生電子空穴對(duì)之后處在激發(fā)狀態(tài)的載流子在復(fù)合之前能存在的平均時(shí)間。還有一個(gè)相關(guān)的參數(shù)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，是指在復(fù)合之前一個(gè)載流子從產(chǎn)生處開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的平均路程。 少數(shù)載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度在很大程度上取決于材料的類(lèi)型和復(fù)合的數(shù)量。對(duì)于許多種類(lèi)的硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，SHR復(fù)合式主要的復(fù)合機(jī)制。而復(fù)合率則決定于材料中存在的缺陷數(shù)量，因此，當(dāng)太陽(yáng)能電池的摻雜量增加時(shí)，SHR復(fù)合的速率也將隨著增加。另外第96頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)97&2.4.2復(fù)合理論-擴(kuò)散長(zhǎng)度 ，因?yàn)槎硇獜?fù)合更多的是在重?fù)诫s和被加熱的材料發(fā)生，所以俄歇復(fù)合過(guò)程也會(huì)隨著摻雜的增加而增強(qiáng)

48、。此外，生成半導(dǎo)體薄片的方法和過(guò)程對(duì)擴(kuò)散長(zhǎng)度也有重要影響。 右圖為高效率的PERL多晶硅太陽(yáng)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(yáng)能電池中擴(kuò)散長(zhǎng)度的不同而引起的電池中不同區(qū)域的差異，而擴(kuò)散長(zhǎng)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(dá)到1s。對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散長(zhǎng)度通常在100-300m之間。這兩個(gè)參數(shù)表征了材料相對(duì)于電池應(yīng)用的質(zhì)量和適用度。第97頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)98&2.4.3復(fù)合理論-表面復(fù)合 任何在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面的缺陷和雜質(zhì)都會(huì)促進(jìn)復(fù)合。因?yàn)樘?yáng)能電池表面存在著嚴(yán)重的晶格分裂，所以電池表面是一個(gè)

49、復(fù)合率非常高的區(qū)域。高復(fù)合率導(dǎo)致表面附近的區(qū)域的少子枯竭。就如擴(kuò)散這一節(jié)所解釋的，某些區(qū)域的低載流子濃度會(huì)引起周?chē)邼舛葏^(qū)域的載流子往此處擴(kuò)散。因此，表面復(fù)合率受到擴(kuò)散到表面的載流子的速率的限制。“表面復(fù)合率”的單位為cm/sec，被用來(lái)描述表面的復(fù)合。在沒(méi)有發(fā)生復(fù)合的表面，往表面運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目也為零，因此表面復(fù)合率也為零。當(dāng)表面復(fù)合非?？鞎r(shí),運(yùn)動(dòng)指向表面的載流子讀速度受到最大復(fù)合速率的限制，而對(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)最大速度為1107cm/sec。半導(dǎo)體表面的掛鍵引起了此處的高復(fù)合率第98頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)99&2.4.3復(fù)合理論-表面復(fù)合 半導(dǎo)體表面的缺陷是

50、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(guò)在半導(dǎo)體表面處生長(zhǎng)一層薄膜以連接這些掛鍵，這種方法也叫做表面鈍化，第99頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)100&2.5.1載流子的運(yùn)動(dòng) -半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴之所以被叫做自由載流子，是因?yàn)樗鼈兡茉诎雽?dǎo)體晶格間移動(dòng)。一個(gè)很簡(jiǎn)單但在多數(shù)情況下都適用的對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的描述是，在一定溫度下，在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)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(jī)方向運(yùn)動(dòng)的距離長(zhǎng)度叫做散射長(zhǎng)度。一旦與原子發(fā)生碰撞，載流子將往不同的隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。 載流子的速度決定于晶格的溫度。在溫度

51、為T(mén) 的半導(dǎo)體內(nèi)載流子的平均運(yùn)動(dòng)能量為1/2 mv2 ，其中m為載流子的質(zhì)量，v代表熱運(yùn)動(dòng)速度。熱運(yùn)動(dòng)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(dòng)畫(huà)將展示載流子運(yùn)動(dòng)的模型第100頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)101&2.5.1載流子的運(yùn)動(dòng) -半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng) 盡管半導(dǎo)體中的載流子在不停地做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，但是并不存在載流子勢(shì)運(yùn)動(dòng)，除非有濃度梯度或電場(chǎng)。因?yàn)檩d流子往每一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的概率都是一樣的，所以載流子往一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)最終會(huì)被它往相反方向的運(yùn)動(dòng)給平衡掉。第101頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)102

52、&2.5.1載流子的運(yùn)動(dòng) -半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng) 在下面的動(dòng)畫(huà)中，一個(gè)載流子在與晶格原子碰撞之前在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)了與散射長(zhǎng)度相等的距離（為了看得更加清晰，晶格原子并沒(méi)有顯示出來(lái)）。在與晶格原子碰撞后，載流子再次以隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。下面的動(dòng)畫(huà)舉出了50個(gè)散射粒子。盡管在動(dòng)畫(huà)中碰撞的次數(shù)很少，載流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)還是很小的。第102頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)103&2.5.2載流子的運(yùn)動(dòng)-擴(kuò)散 如果半導(dǎo)體中一個(gè)區(qū)域的載流子濃度要比另一個(gè)區(qū)域的高，那么，由于不停的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，將引起載流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，在兩個(gè)不同濃度的區(qū)域之間將會(huì)出現(xiàn)載流子梯度。載流子將從高濃度區(qū)域流向低濃

53、度區(qū)域。這種載流子的流動(dòng)叫做“擴(kuò)散”，是由于載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的。在器件的所有區(qū)域中，載流子往某一方向的運(yùn)動(dòng)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(gè)方向運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)的載流子也是很少的。這種不平衡導(dǎo)致了從高濃度區(qū)域往低濃度區(qū)域的勢(shì)運(yùn)動(dòng)。如下面的動(dòng)畫(huà)所示。第103頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)104&2.5.2載流子的運(yùn)動(dòng)-擴(kuò)散 擴(kuò)散的速率決定于載流子的運(yùn)動(dòng)速度和兩次散射點(diǎn)相隔的距離。在溫度更高的區(qū)域，擴(kuò)散速度會(huì)更快，因?yàn)樘岣邷囟饶芴岣咻d流子的熱運(yùn)動(dòng)速度。 擴(kuò)散現(xiàn)象的主要效應(yīng)之一是使載

54、流子的濃度達(dá)到平衡，就像在沒(méi)有外界力量作用半導(dǎo)體時(shí)，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合也會(huì)使得半導(dǎo)體達(dá)到平衡。下面的動(dòng)畫(huà)將闡述這一現(xiàn)象，圖中一個(gè)區(qū)域有很高濃度的電子，另一個(gè)則有高濃度的空穴。因?yàn)橹挥休d流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，所以最終這兩種濃度會(huì)變成一致的。 這個(gè)動(dòng)畫(huà)顯示了半導(dǎo)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(guò)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，靜電斥力的影響甚微，因?yàn)檩d流子之間的距離很遠(yuǎn)。此外，空穴（藍(lán)色）的擴(kuò)散率比電子的低，所以需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)填滿整個(gè)空間。第104頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)105&2.5.3載流子的運(yùn)動(dòng)-漂移運(yùn)動(dòng) 在半導(dǎo)體外加一個(gè)電場(chǎng)可以使做隨

55、機(jī)運(yùn)動(dòng)的帶電載流子往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，載流子在隨機(jī)方向以一定的速度移動(dòng)一段距離。然而，在加了電場(chǎng)之后，其方向與載流子的隨機(jī)方向疊加。那么，如果此載流子是空穴，其在電場(chǎng)方向?qū)⒆黾铀龠\(yùn)動(dòng)，電子則反之。在特定方向的加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了載流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)，如下面動(dòng)畫(huà)所示。載流子的方向是其原來(lái)方向與電場(chǎng)方向的向量疊加。右邊動(dòng)畫(huà)顯示了電場(chǎng)的存在是如何使載流子是如何往一個(gè)總方向運(yùn)動(dòng)的。動(dòng)畫(huà)中的粒子是空穴，所以運(yùn)動(dòng)的方向與電場(chǎng)方向相同。第105頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)106&2.5.3載流子的運(yùn)動(dòng)-漂移運(yùn)動(dòng) 由外加電場(chǎng)所引起的載流子運(yùn)動(dòng)叫“漂移運(yùn)動(dòng)”。漂移運(yùn)動(dòng)不僅發(fā)生在半導(dǎo)體

56、材料中，在金屬材料中同樣存在。而接下來(lái)動(dòng)畫(huà)將分別展示有伴隨和沒(méi)有伴隨電場(chǎng)的載流子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。途中的載流子是電子。因?yàn)殡娮邮菐ж?fù)電的所以它將朝著與電場(chǎng)方向相反的方向運(yùn)動(dòng)。值得注意的是，在大多數(shù)情況下，電子是往電場(chǎng)相反的方向運(yùn)動(dòng)的。但是在有些情況中，例如電子跟隨著一系列往電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，則有可能是勢(shì)運(yùn)動(dòng)，并沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)了一小段距離。第106頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)107&2.5.3載流子的運(yùn)動(dòng)-漂移運(yùn)動(dòng) 下面一個(gè)動(dòng)畫(huà)描述了擁有相等數(shù)目的電子和空穴的本征半導(dǎo)體。沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，電子和空穴隨機(jī)地在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)。加入電場(chǎng)后電子和空穴往相反的方向漂移。為了看得更加清晰，動(dòng)畫(huà)

57、夸大了電場(chǎng)的作用效果。事實(shí)上，對(duì)于通常的半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)對(duì)載流子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響是很有限的。第107頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)108&2.6.1 P-N結(jié)-pn結(jié)二極管 pn結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)不僅是太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)還是其它許多電子器件的基礎(chǔ)，如LEDS、激光、光電二極管還有雙極結(jié)二極管（BJTS）。一個(gè)pn結(jié)把之前所描述的載流子復(fù)合、產(chǎn)生、擴(kuò)散和漂移全部集中到一個(gè)器件中。 pn結(jié)的形成 pn結(jié)是n型半導(dǎo)體材料和p型半導(dǎo)體材料的結(jié)合形成的，如下圖所示。因?yàn)閚型半導(dǎo)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(kuò)散到p型區(qū)，同理，空穴也從p型區(qū)擴(kuò)散到n型

58、區(qū)。如果電子和空穴都是不帶電的，擴(kuò)散過(guò)程將持續(xù)到兩個(gè)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(duì)方區(qū)域擴(kuò)散一樣。然而，對(duì)于pn結(jié)來(lái)說(shuō)，當(dāng)電子和空穴運(yùn)動(dòng)到pn結(jié)的另一邊 第108頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)109&2.6.1 P-N結(jié)-pn結(jié)二極管 時(shí)，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(dāng)中不能移動(dòng)。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(fù)電的原子核。于是，一個(gè)從n型區(qū)的正離子區(qū)域指向p型區(qū)的負(fù)離子區(qū)域的電場(chǎng)E就建立起來(lái)了。這個(gè)電場(chǎng)區(qū)域叫做“耗盡區(qū)”，因?yàn)榇穗妶?chǎng)能迅速把自由載流子移走，因此，這個(gè)區(qū)域的自由載流子

59、是被耗盡的。源于電場(chǎng)E的內(nèi)建電勢(shì)Vbi在pn結(jié)中形成。下面的動(dòng)畫(huà)將展示n型和p型材料之間的pn結(jié)所形成的電場(chǎng)E的結(jié)構(gòu)。第109頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)110&2.6.1P-N結(jié)-pn結(jié)二極管 平衡狀態(tài)下載流子運(yùn)動(dòng) 沒(méi)有外加刺激的pn結(jié)代表著，由于耗盡區(qū)的電場(chǎng)的存在，載流子之間的產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散以及漂移將會(huì)達(dá)到平衡。盡管電場(chǎng)的存在阻礙了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穿過(guò)電場(chǎng)，但有些載流子還是依然通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穿過(guò)了電場(chǎng)。在下面的動(dòng)畫(huà)中，大多數(shù)進(jìn)入耗盡區(qū)的多子都被移回它們本來(lái)的區(qū)域。然而，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，有一些載流子會(huì)以很高的速度往pn結(jié)方向運(yùn)動(dòng)，最終穿過(guò)電場(chǎng)。一旦多子穿過(guò)電場(chǎng)就會(huì)變成

60、另一區(qū)的少子。在被復(fù)合之前，這個(gè)載流子將繼續(xù)做遠(yuǎn)離電場(chǎng)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離等于平均擴(kuò)散長(zhǎng)度。由載流子通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穿過(guò)電場(chǎng)而產(chǎn)生的電流叫做擴(kuò)散電流。在下面的動(dòng)畫(huà)中，注意觀察跑入耗盡區(qū)的載流子，并留意穿過(guò)pn結(jié)的載流子。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，實(shí)際的pn結(jié)中載流子的數(shù)目和速度都是比動(dòng)畫(huà)中的要高得多，而穿過(guò)pn結(jié)的載流子數(shù)目也是非常大的。第110頁(yè)，共276頁(yè)。2022/8/4UNSW新南威爾士大學(xué)111&2.6.1 P-N結(jié)-pn結(jié)二極管 到達(dá)擴(kuò)散區(qū)與耗盡區(qū)的交界處時(shí)，少子會(huì)被電場(chǎng)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(kuò)散長(zhǎng)