第二章 物理基礎(chǔ)

太陽能電池材料及技術(shù)信息材料與納米技術(shù)研究院材料科學(xué)與工程學(xué)院授課內(nèi)容第一章發(fā)展史

第二章物理基礎(chǔ)第三章工作原理及表征參數(shù)第五章薄膜太陽電池第六章空間電池——砷化鎵太陽電池第四章晶體硅太陽電池第七章染料敏化和有機太陽電池

第八章檢測和校準(zhǔn)

第二章物理基礎(chǔ)原子的能級晶體結(jié)構(gòu)固體的能帶理論本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體電子和空穴的輸運載流子的產(chǎn)生和復(fù)合原子的能級原子的殼層模型認(rèn)為：原子的中心是一個帶正電的核，核外存在著一系列不連續(xù)的、由電子運動軌道構(gòu)成的殼層，電子只能在殼層里繞核運動。在穩(wěn)定狀態(tài)，每個殼層里運動的電子具有一定的能量狀態(tài)，所以一個殼層相當(dāng)于一個能量等級，稱為能級。電子優(yōu)先占據(jù)能量最低的能級。外層電子叫做價電子，一個原子有幾個價電子就稱為幾價。比如：硼、鋁、鎵；氮、磷、砷3價、3價、3價5價、5價、5價元素晶體結(jié)構(gòu)固體晶體非晶體有固定熔點的固體沒有固定熔點、加熱時在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化的固體如冰、金屬、硅、砷化鎵如玻璃、塑料、膠等所有晶體都是由原子、離子、分子在三維空間有規(guī)則排列而成的這種對稱的有規(guī)則的排列叫晶體的點陣或晶體格子，簡稱晶格。最小的晶格稱為晶胞，晶格的各向長度稱為晶格常數(shù)。晶格周期性排列，得到晶體。單晶：一塊晶體從頭到尾都按同一種排列重復(fù)。多晶：由許多微小單晶顆粒雜亂的排列在一起的固體。單晶、多晶、無定形無定形：玻璃式近程有序而遠(yuǎn)程無序的排列螢石鐵礦石榴石菊花石天然晶體藍(lán)銅礦剛玉（氧化鋁）方解石紅寶石水晶三斜晶系單斜晶系簡單單斜底心單斜

a≠b≠cα≠β≠γabcαβγ

a≠b≠cα=γ=900

β≠900晶格結(jié)構(gòu)七個晶系十四種布拉伐點陣正交晶系簡單正交底心正交面心正交體心正交a≠b≠cα=β=γ=900四方晶系簡單四方體心四方a=b≠cα=β=γ=900立方晶系簡單立方體心立方面心立方a=b=cα=β=γ=900γαβabc三方晶系六方晶系a=b≠c

α=β=900

γ=1200bcγαβa=b=cα=β=γ≠

900<1200a

金剛石結(jié)構(gòu)

C、Si、Ge復(fù)式格子，是由兩套面心立方晶格沿體對角線方向移動1/4套構(gòu)而成。Si、Ge：兩套相同的晶格閃鋅礦：是由兩套含有不同原子的面心立方晶格沿對角線方向移動1/4套構(gòu)而成。GaAs:一套晶格是As、一套晶格是Ga晶向和密勒指數(shù)通過晶格的格點可作很多間距相同且互相平行的平面，稱為晶面。垂直于晶面的法線方向稱為晶向。晶面：晶向：有同一晶向的晶面都相似，屬于同一晶面族。一塊晶體可以劃分出很多族晶面。晶面的方向一般用密勒指數(shù)（h，k，l）來標(biāo)記。如何求晶面的方向（密勒指數(shù)）？abc一般選晶格的三條棱邊a，b，c作為坐標(biāo)軸方法：將晶面在每個坐標(biāo)軸的截距分別化為晶格常數(shù)的倍數(shù)，取這些倍數(shù)的倒數(shù)，并把它們化成互質(zhì)的整數(shù)，即為一個晶面或一族晶面的密勒指數(shù)（h，k，l）2：1：21/2：1：1/21：2：1(121)xyz（100）xyz（110）xyz（111）在立方晶體中，常用加方括號[h，k，l]來表示垂直于晶面的方向，也就是晶軸方向。如：[100]、[110]、[111]分別表示（100）、（110）、（111）晶面的垂直方向。晶體中的缺陷晶體中原子周期性排列遭到破壞的地方形成缺陷。通常有點缺陷、線缺陷、面缺陷等。點缺陷線缺陷面缺陷描述電子在固體中的運動要用到固體能帶理論。1、能帶的形成孤立原子中的電子只能在各個允許的殼層上運動，而在晶體中，各個原子靠得很近，不同的原子內(nèi)、外殼層都有一定的重疊，重疊殼層的電子不再屬于原來的原子獨自所有，可通過量子數(shù)相同且又互相重疊的殼層，轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，這就是晶體中的共有化運動。結(jié)果：使得孤立原子的單一能級分裂成能帶。固體的能帶理論每個能帶由許多相距極近的能級組成，這些可以被電子占據(jù)的能帶稱為允帶，兩個允帶之間的間隙不允許電子存在，稱為禁帶。2、導(dǎo)帶、禁帶、價帶：未被電子填滿的能帶或空能帶稱為導(dǎo)帶（Ec）；已被電子填滿的能帶稱為滿帶或價帶(Ev)。金屬、絕緣體、半導(dǎo)體的區(qū)分：價帶價帶價帶導(dǎo)帶禁帶禁帶禁帶（a）兩種可能性的導(dǎo)體（上半部的導(dǎo)帶部分填滿或下半部的能帶重疊）（b）半導(dǎo)體（c）絕緣體因為接近占滿電子的能態(tài)處尚有許多未被占據(jù)的能態(tài)，因此只要有一個小小的外加電場，電子就可自由移動，故金屬導(dǎo)體可以輕易傳導(dǎo)電流。

有很大的禁帶寬度，電子完全占據(jù)滿價帶中的能級，而導(dǎo)帶中的能級則是空的。熱能或外加電場能量并不足以使價帶頂端的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，故絕緣體幾乎不導(dǎo)電。

在T＝0K時，所有電子都位于價帶，而導(dǎo)帶中并無電子，因此半導(dǎo)體在低溫時是不良導(dǎo)體。在室溫下，有些電子可以從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶,從而產(chǎn)生電流而導(dǎo)電。

本征半導(dǎo)體：絕對純的且沒有缺陷的半導(dǎo)體非常純的硅稱為本征硅本征硅中，導(dǎo)電的電子和空穴是由共價鍵破裂產(chǎn)生的，這時電子濃度n＝空穴濃度p，這個濃度ni稱為本征載流子濃度摻雜半導(dǎo)體:在本征半導(dǎo)體中摻入其它雜質(zhì)后就得到摻雜半導(dǎo)體。在硅中摻雜V族元素（如磷），V族元素可提供5個價電子，其中4個與硅價電子形成共價鍵，剩余一個價電子電離，脫離V族元素游離于半導(dǎo)體中而導(dǎo)電，這種可以提供電子的雜質(zhì)稱為施主；在摻雜磷的硅半導(dǎo)體中，摻雜濃度（施主濃度）為ND，電子濃度n≈ND。本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體在硅中摻雜Ⅲ族元素（如硼），硼可提供3個價電子，其中與硅中的3個價電子形成共價鍵，剩余一個價電子空位，很容易從別的地方奪來一個價電子，自身電離成負(fù)離子。可認(rèn)為硼原子帶著一個很容易電離的空穴。在半導(dǎo)體中，可以接受電子的雜質(zhì)稱為受主；在硼摻雜的硅半導(dǎo)體中，摻雜濃度（受主濃度）為NA，空穴濃度p≈NA。摻有施主的硅稱為n型硅n型硅中，電子濃度nn遠(yuǎn)大于空穴濃度pn，電流主要靠電子來輸運，這里電子是多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴是少數(shù)載流子，簡稱少子。摻有受主的硅稱為p型硅p型硅中，電子濃度np遠(yuǎn)小于空穴濃度pp，電流主要靠空穴來輸運，這里電子是少子，空穴是多子。電子和空穴的運動漂移擴散半導(dǎo)體中載流子受外電場作用，在載流子的熱運動上將迭加一個附加的速度，稱為漂移速度。對于電子，漂移速度和電場方向反向；對于空穴，漂移速度與電場同向。在半導(dǎo)體中，如果電子或空穴的濃度不均勻，則電子或空穴將在濃度梯度的影響下擴散，也同樣會使電子或空穴發(fā)生凈位移，而產(chǎn)生擴散電流。電子和空穴的輸運“產(chǎn)生－輸運－復(fù)合”過程1、產(chǎn)生半導(dǎo)體處于熱平衡時，載流子處于穩(wěn)定狀態(tài)。受到光照時，價帶中的電子吸收能量躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子－空穴對。價帶導(dǎo)帶當(dāng)載流子濃度偏離了它的平衡值時，它們就有恢復(fù)平衡的傾向，由此產(chǎn)生了復(fù)合。載流子的產(chǎn)生和復(fù)合2、復(fù)合復(fù)合和產(chǎn)生互為逆過程，載流子復(fù)合是電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶與空穴復(fù)合，同時釋放能量的過程價帶導(dǎo)帶當(dāng)熱平衡狀態(tài)受到擾亂時(亦即pn≠ni2)，會出現(xiàn)一些使系統(tǒng)回復(fù)平衡的機制(亦即pn=ni2)，在超量載流子注入的情形下，回復(fù)平衡的機制是將注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合。

按是否通過復(fù)合中心進(jìn)行復(fù)合來分：復(fù)合類型：

按復(fù)合過程釋放能量的方式分：輻射復(fù)合：能量以光子的形式輻射出去的復(fù)合過程非輻射復(fù)合：能量通過對晶格產(chǎn)生熱而消耗掉的復(fù)合過程直接復(fù)合：帶自帶間進(jìn)行的復(fù)合。通常在直接禁帶的半導(dǎo)體中較為顯著，如砷化鎵；間接復(fù)合：通過禁帶復(fù)合中心進(jìn)行的復(fù)合，通常在間接禁帶的半導(dǎo)體中較為顯著，如硅晶。直接復(fù)合電子-空穴對的產(chǎn)生與復(fù)合均存在于導(dǎo)帶與價帶之間EcEvGthRth間接復(fù)合通過中間能態(tài)(復(fù)合中心)而發(fā)生于復(fù)合過程中的各種躍遷。電子俘獲

(a)電子發(fā)射

(b)空穴俘獲