功能材料概論8(半導體材料)

太陽能電池

報告人：蒙翀學號：1230060101單位：天津市師范大學物理與材料科學學院應用物理系1203班太陽能電池利用半導體材料的電子特性，把陽光直接轉換為電能。太陽能電池1.硅太陽能電池單晶硅太陽電池：采用單晶硅片制造制造，性能穩(wěn)定，轉換效率高。目前轉換效率已達到16%~18%。多晶硅太陽電池：作為原料的高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形硅錠，然后使用切割機切成薄片，再加工成電池。由于硅片是由多個不同大小、不同取向的晶粒構成，因而轉換效率低。目前轉換效率達到15%~17%。多晶硅太陽電池生產流程非晶硅太陽電池：一般采用高頻輝光放電等方法使硅烷氣體分解沉積而成。一般在P層與N層之間加入較厚的I層。非晶硅太陽電池的厚度不到1μm，不足晶體硅太陽電池厚度的1/100，降低制造成本。目前轉換效率為5%~8%，最高效率達14.6%，層疊的最高效率可達21.0%。微晶硅太陽電池：在接近室溫的低溫下制備，特別是使用大量氫氣稀釋的硅烷，可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2~3μm，目前轉換效率為10%以上。2.化合物太陽能電池單晶化合物太陽電池：主要有砷化鎵太陽電池（如圖）。砷化鎵的能隙為1.4eV，是單結電池中效率最高的電池，但價格昂貴，且砷有毒，所以極少使用。多晶化合物太陽電池：主要有碲化鎘太陽電池（如圖）

，銅銦鎵硒太陽電池等。碲化鎘太陽電池是最早發(fā)展的太陽電池之一，工藝過程簡單，制造成本低，轉換效率超過16%，不過鎘元素可能造成環(huán)境污染。銅銦鎵硒太陽電池在基地上成績銅銦鎵硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不銹鋼作為柔性襯底。實驗室最高效率接近20%，成品組件達到13%，是目前薄膜電池中效率最高的電池之一。如果在純凈的硅晶體中摻入少量的5價雜質磷（或砷，銻等），由于磷原子具有5個價電子，所以1個磷原子同相鄰的4個硅原子結成共價鍵時，還多余1個價電子，這個價電子很容易掙脫磷原子核的吸引而變成自由電子。所以一個摻入5價雜質的4價半導體，就成了電子導電類型的半導體，也稱為n型半導體。在n型半導體中，除了由于摻入雜質而產生大量的自由電子以外，還有由于熱激發(fā)而產生少量的電子-空穴對。然而空穴的數目相對于電子的數目是極少的，所以在n型半導體材料中，空穴數目很少，稱為少數載流子；而電子數目很多，稱為多數載流子。3.太陽能電池的原理n型半導體同樣如果在純凈的硅晶體中摻入3價雜質，如硼（或鋁、鎵或銦等），這些3價雜質原子的最外層只有3個價電子，當它與相鄰的硅原子形成共價鍵時，還缺少1個價電子，因而在一個共價鍵上要出現一個空穴，因此摻入3價雜質的4價半導體，也稱為p型半導體。對于p型半導體，空穴是多數載流子，而電子為少數載流子。

P型半導體若將p型半導體和n型半導體兩者緊密結合，聯(lián)成一體時，由導電類型相反的兩塊半導體之間的過渡區(qū)域，稱為p-n結。在p-n結兩邊，由于在p型區(qū)內，空穴很多，電子很少；而在n型區(qū)內，則電子很多，空穴很少。由于交界面兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會產生多數載流子的擴散運動。在靠近交界面附近的p區(qū)中，空穴要由濃度大的p區(qū)向濃度小的n區(qū)擴散，并與那里的電子復合，從而使那里出現一批帶正電荷的攙入雜質的離子。同時在p型區(qū)內，由于跑掉了一批空穴而呈現帶負電荷的攙入雜質的離子。同樣在靠近交界面附近的n區(qū)中，電子要由濃度大的n區(qū)向濃度小的p區(qū)擴散，而電子則由濃度大的n區(qū)要向濃度小的p區(qū)擴散，并與那里的空穴復合，從而使那里出現一批帶負電荷的攙入雜質的離子。同時在n型區(qū)內，由于跑掉了一批電子而呈現帶正電荷的攙入雜質的離子。于是，擴散的結果是在交界面的兩邊形成一邊帶正電荷而另一邊帶負電荷的一層很薄的區(qū)域，稱為空間電荷區(qū)。這就是p-n結。在p-n結內，由于兩邊分別積聚了負電荷和正電荷，會產生一個由正電荷指向負電荷的電場，因此在p-n結內，存在一個由n區(qū)指向p區(qū)的電場，稱為內建電場（或稱勢壘電場)。

P型半導體N型半導體內建電場

耗盡區(qū)P區(qū)空間電荷區(qū)N區(qū)太陽電池在光照下，能量大于半導體禁帶寬度的光子，使得半導體中原子的價電子受到激發(fā)，在p區(qū)、空間電荷區(qū)和n區(qū)都會產生光生電子-空穴對，也稱光生載流子。這樣形成的電子-空穴對由于熱運動，向各個方向遷移。光生電子-空穴對在空間電荷區(qū)中產生后，立即被內建電場分離，光生電子被推進n區(qū)，光生空穴被推進p區(qū)。在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度近似為0。在n區(qū)，光生電子-空穴產生后，光生空穴便向p-n結邊界擴散，一旦到達p-n結邊界，便立即受到內建電場的作用，在電場力作用下作漂移運動，越過空間電荷區(qū)進入p區(qū)，而光生電子（多數載流子）則被留在n區(qū)。p區(qū)中的光生電子也會向p-n結邊界擴散，并在到達p-n結邊界后，同樣由于受到內建電場的作用而在電場力作用下作漂移運動，進入n區(qū)，而光生空穴（多數載流子）則被留在p區(qū)。因此在p-n結兩側形成了正、負電荷的積累，形成與內建電場方向相反的光生電場。這個電場除了一部分抵消內建電場以外，還使p型層帶正電，n型層帶負電，因此產生