第九章補充太陽能電池原理

一、太陽能電池和太陽光1.1引言太陽能電池利用半導體材料的電子特性，把陽光直接轉(zhuǎn)換為電能。光能太陽能電池分類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(zhuǎn)換效率高。目前轉(zhuǎn)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(gòu)成，因而轉(zhuǎn)換效率低。目前轉(zhuǎn)換效率達到15%--17%。多晶硅太陽電池生產(chǎn)流程直拉法拉制單晶示意圖及單晶爐非晶硅太陽電池：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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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。1太陽能電池的原理

P區(qū)N區(qū)內(nèi)建電場耗盡區(qū)P區(qū)空間電荷區(qū)N區(qū)當入射輻射作用在PN結(jié)區(qū)時，本征吸收產(chǎn)生光生電子與空穴在內(nèi)建電場的作用下做漂移運動，電子被內(nèi)建電場拉到N區(qū)，空穴被拉到P區(qū)。結(jié)果P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成伏特電壓。I光

P

N將PN結(jié)兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。2太陽能電池的結(jié)構(gòu)1.3陽光的物理來源太陽實質(zhì)上是一個由其中心發(fā)生的核聚變反應(yīng)所加熱的氣體球。熱物體發(fā)出電磁輻射，其波長或光譜分布由該物體的溫度所決定。例如：鐵塊燃燒時，溫度升高過程：從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色。黑體所發(fā)出的輻射的光譜分布由普朗克輻射定律決定。0123

6瑞利-金斯公式2

4普朗克公式的理論曲線實驗值****************T=2000K每條曲線都有一個最大值，最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動。太陽的核心溫度高達2×107K光球?qū)拥臏囟葹?000K。在此溫度下與黑體輻射光譜很接近。1.4太陽常數(shù)在地球大氣層之外，地球—-太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射功率基本上為一常數(shù)，這個輻射強度稱為太陽常數(shù)，或稱此輻射為大氣光學質(zhì)量為零（AM0）的輻射。太陽常數(shù)1.353kW/m21.5地球表面的日照強度陽光穿過地球大氣層時至少衰減了30%。造成衰減的原因：1.瑞利散射或大氣中的分子引起的散射。2.懸浮微粒和灰塵引起的散射。3.大氣及其組成氣體，特別是氧氣、臭氧、水蒸氣和二氧化碳的吸收。輸入100%臭氧20—40km高層塵埃15—25km大氣分子0—30km水蒸汽0—3km低層塵埃0—3km2%1%8%6%1%18%吸收0.5%1.0%0.5%1.0%1%4%1%1%7%散射到地表70%直達地表3%散射到太空決定總?cè)肷涔β首钪匾膮?shù)是光線通過大氣層的路程。太陽在頭頂正上方時，路程最短。實際路程和此最短路程之比稱為大氣光學質(zhì)量（AM）。1.太陽在頭頂正上方時，大氣光學質(zhì)量為1，這時的輻射稱為大氣光學質(zhì)量1（AM1）的輻射。2.當太陽和頭頂正上方成一個角度θ時，大氣光學質(zhì)量為：

AM=1/cosθ例：當θ=60°時，AM=1/cos60=2EarthAM0AM1AM1.5大氣層45o在無法知道θ值的情況下，如何估算大氣光學質(zhì)量AM？hSh：物體的高度s：豎直物體投影的陰影長度1.6直接輻射和漫射輻射到達地面的太陽光，除了直接由太陽輻射來的分量之外，還包括大氣層散射引起的相當可觀的間接輻射或漫射輻射分量。1.直接輻射太陽高度角增大，直接輻射增強。大氣透明系數(shù)增加，直接輻射增強。海拔高度升高，直接輻射增強。緯度高，直接輻射增強。2.散射輻射

太陽輻射在大氣中遇到空氣分子或微小的質(zhì)點時，當這些質(zhì)點的直徑小于組成太陽輻射的電磁波長時，太陽輻射中的一部分能量就以電磁波的形式從該質(zhì)點向四面八方傳播出去。通過散射形式傳播的能量稱為散射輻射。散射只改變輻射的傳播方向，不吸收太陽輻射。波長越短，散射越強?？梢姽庵校瞎夂退{光波長最短，散射最強。大氣層當日照特別少的天氣，大部分輻射是漫射輻射。漫射陽光的光譜成分通常不同于直射陽光的光譜成分。一般而言，漫射陽光中含有豐富的較短波長的光或“藍”波長的光，這使太陽能電池系統(tǒng)接收到光的光譜成分產(chǎn)生了變化。聚光式光伏系統(tǒng)只能在一定角度內(nèi)接收太陽光。為了利用太陽光的直接輻射分量，系統(tǒng)必須隨時跟蹤太陽。二半導體的特性1引言自然界物質(zhì)存在的狀態(tài)分為液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)。固態(tài)物質(zhì)根據(jù)它們的質(zhì)點（原子、離子和分子）排列規(guī)則的不同，分為晶體和非晶體兩大類。具有確定熔點的固態(tài)物質(zhì)稱為晶體，如硅、砷化鎵、冰及一般金屬等；沒有確定的熔點，加熱時在某以溫度范圍內(nèi)就逐漸軟化的固態(tài)物質(zhì)稱為非晶體，如玻璃、松香等。晶體又分為單晶體和多晶體。整塊材料從頭到尾都按同以規(guī)則作周期性排列的晶體，稱為單晶體。整個晶體由多個同樣成分、同樣晶體結(jié)構(gòu)的小晶體（即晶粒）組成的晶體，稱為多晶體。硅材料有多種形態(tài)，按晶體結(jié)構(gòu)，可分為單晶硅、多晶硅和非晶硅。單晶硅：原子在整個晶體中排列有序多晶硅：原子在微米數(shù)量級排列有序非晶硅：短程序包含：1、近鄰原子的種類和數(shù)目；2、近鄰原子之間的距離（鍵長）；3、近鄰原子的幾何方位（鍵角）；原子在原子尺度上排列有序單晶、多晶和非晶體原子排列金剛石結(jié)構(gòu)（與硅、鍺等半導體類似）金剛石109o28′共價鍵2禁帶寬度真空中的電子得到的能量值基本是連續(xù)的，但在晶體中情況不同。原子的殼層模型認為，原子的中心是一個帶正電荷的核，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轉(zhuǎn)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)，所以一個殼層相當于一個能量等級，稱為能級。+14E5E4E3(4)E2(8)E1(2)一個能級也表示電子的一種運動狀態(tài)，所以能態(tài)、狀態(tài)與能級的含義相同。圖為硅原子的電子能級圖。+14能級能級能級能帶能帶能帶禁帶禁帶電子軌道對應(yīng)的能帶在孤立原子中，電子只能在各允許軌道上運動。晶體中，原子之間距離很近，相鄰原子的電子軌道相互重疊、互相影響。與軌道相對應(yīng)的能級分裂成為能量非常接近但又大小不同的許多電子能級，稱為能帶。每層軌道都有一個對應(yīng)的能帶。電子在每個能帶中的分布，一般是先填滿能量較低的能級，然后逐步填充能量較高的能級，并且每條能級只允許填充兩個具有同樣能量的電子。能級能帶電子電子在價帶上的分布

內(nèi)層電子能級所對應(yīng)的能帶，都是被電子填滿的。最外層價電子能級所對應(yīng)的能帶，有的被電子填滿，有的未被填滿，主要取決于晶體種類。硅、鍺等半導體晶體的價電子能帶全部被電子填滿。3允許能態(tài)的占有幾率低溫下（0K），晶體的某一能級以下的所有可能能態(tài)都被兩個電子占據(jù)，該能級稱為費米能級（EF）。10ET>0T=00.5EF接近于0K時，能量低于EF，f(E)基本上是1，能量高于EF，f(E)為零。允許能態(tài)被電子占據(jù)的方式EFEFEF(a)在金屬中(b)在絕緣體中(c)在半導體中4電子和空穴底層完全被汽車占滿，而頂層完全空著，因此沒任何可供汽車移動的余地。其中一輛車從第一層移動到第二層，那么第二層的汽車就能任意自由移動。5電子和空穴的動力學對于晶體導帶內(nèi)的電子，牛頓定律變?yōu)椋簩е心芰拷咏钚∧苤档碾娮樱簝r帶中能量接近最大值的空穴：OECEV能量OECEV能量能量動量能量動量直接帶隙情況間接帶隙情況6電子和空穴的密度1、單位體積晶體中，在導帶內(nèi)的電子數(shù)2、單位體積晶體中，在價帶內(nèi)的空穴數(shù)表示導帶底Ec處的能態(tài)為電子占據(jù)的幾率表示價帶頂Ev處的能態(tài)為空穴占據(jù)的幾率本征型導帶中只有很少的電子，價帶中電子很多，只有很少空穴，費米分布函數(shù)對于能級EF是對稱的。導帶和價帶中的電子能態(tài)數(shù)相同，導帶中的電子數(shù)和價帶中的空穴數(shù)也相同，即EF必定位于禁帶中線0.51EFEcEFEvN型0.51EFEcEFEv導帶電子濃度比本征情況要大得多，而導帶中能態(tài)的密度與本征情況是一樣的，因此N型半導體的費米能級連同整個費米分布函數(shù)將一起在能帶圖上向上移動。P型0.51EFEcEFEvP型半導體的費米能級連同整個費米分布函數(shù)將一起在能帶圖上向下移動。注：溫度升高時，費米能級向本征費米能級靠近，電子和空穴濃度不斷增加，不論是P還是N，在溫度很高時都會變成本征硅。7Ⅳ族半導體的鍵模型在硅晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅的晶體結(jié)構(gòu)：硅晶體中的正常鍵共價鍵電子被激發(fā)，晶體中出現(xiàn)空穴+4+4+4+48Ⅲ族和Ⅴ族摻雜劑五價原子砷摻入四價硅中，多余的價電子環(huán)繞離子運動價帶導帶施主能級空穴三價原子硼摻入四價鍺晶體中，空穴環(huán)繞離子運動價帶導帶受主能級9載流子濃度（單位體積的載流子數(shù)目）載流子的運動形式有兩種：漂移運動與擴散運動。（1）.漂移運動載流子在外電場作用下的運動稱為漂移運動，由此引起的電流稱為漂移電流。（2）、擴散運動半導體材料內(nèi)部由于載流子的濃度差而引起載流子的移動稱為載流子的擴散運動。空穴將從濃度高的向濃度低的方向擴散，形成擴散電流IP，濃度差越大，擴散電流越大。小結(jié)：

①在電場作用下，任何載流子都要作漂移運動。一般少子數(shù)目少于多子數(shù)目，因此漂移電流主要是多子貢獻。②擴散運動中，只有注入的少子存在很大的濃度梯度，因此擴散電流主要是少子貢獻。三、產(chǎn)生、復(fù)合及器件物理學的基本方程在半導體中，載流子包括導帶中的電子和價帶中的空穴。由于晶格的熱運動，電子不斷從價帶被激發(fā)到導帶，形成一對電子和空穴，這就是載流子產(chǎn)生的過程。在不存在外電場時，由于電子和空穴在晶格中的運動是沒有規(guī)則的，所以在運動中電子和空穴常常碰在一起，即電子跳到空穴位置把空穴填補掉，這時，電子和空穴就隨之消失。這種半導體的電子和空穴在運動中相遇而造成的消失，并釋放出多余能量的現(xiàn)象，稱為載流子復(fù)合。在一定溫度下，半導體內(nèi)不斷產(chǎn)生電子和空穴，電子和空穴不斷復(fù)合，如果沒有外表的光和電的影響，那么單位時間內(nèi)產(chǎn)生和復(fù)合的電子與空穴即達到相對平衡，稱為平衡載流子。這種半導體的總載流子濃度保持不變的狀態(tài)，稱為熱平衡狀態(tài)。在外界因素的作用下，例如n型硅受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量跳入導帶（光生電子），在價帶中留下等量空穴（光激發(fā)），電子和空穴的產(chǎn)生率就大于復(fù)合率。這些多余平衡濃度的光生電子和空穴，稱為非平衡載流子或過剩載流子。由于外界條件的改變而使半導體產(chǎn)生非平衡載流子的過程，稱為載流子注入。載流子注入的方法有多種。用適當波長的光照射半導體使之產(chǎn)生非平衡載流子，叫光注入。用電學方法使半導體產(chǎn)生非平衡載流子，叫電注入。半導體中非平衡少數(shù)載流子從產(chǎn)生到復(fù)合的平均時間間隔稱為壽命。在n型半導體中出現(xiàn)非平衡的電子和空穴時，電子是非平衡多子，空穴是非平衡少子。P型半導體中，空穴是非平衡多子，電子是非平衡少子。在低注入條件下，非平衡多子和少子之間是少子處于主導地位，少子壽命就是非平衡少子產(chǎn)生、復(fù)合又消失的時間。載流子的復(fù)合導帶價帶EF1.直接復(fù)合導帶電子直接跳回價帶與空穴復(fù)合叫直接復(fù)合。2.間接復(fù)合電子和空穴通過復(fù)合中心復(fù)合叫作間接復(fù)合。由于半導體中晶體的不完整性和存在有害雜質(zhì)，在禁帶中存在一些深能級，這些能級能俘獲自由電子和自由空穴，從而使它們復(fù)合，這種深能級稱為復(fù)合中心。導帶價帶EF復(fù)合中心通常，在自由載流子密度較低時，復(fù)合過程主要是通過復(fù)合中心進行；在自由載流子密度較高時，復(fù)合過程則主要是直接復(fù)合。3.表面復(fù)合復(fù)合過程可發(fā)生在半導體內(nèi)，也可發(fā)生在半導體表面。電子和空穴發(fā)生于半導體內(nèi)的復(fù)合叫體內(nèi)復(fù)合；電子和空穴發(fā)生于靠近半導體表面的一個非常薄的區(qū)域內(nèi)的復(fù)合叫作表面復(fù)合。導帶價帶EF表面陷阱四、p-n結(jié)二極管導電能力最終決定于：

1.載流子的多少；2.載流子的性質(zhì)；3.載流子的運動速度。一.本征半導體指“純凈”的半導體單晶體。在常溫下，它有微弱的導電能力，其中載流子是由本征熱激發(fā)產(chǎn)生的。激發(fā)使“電子——空穴對”增加，復(fù)合使“電子——空穴對”減少，一定溫度下，這兩種過程最終將達到動態(tài)平衡，在動態(tài)平衡狀態(tài)下，單位時間內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)目等于因復(fù)合消失的載流子數(shù)目，因而自由電子（或空穴）的濃度不再發(fā)生變化，該濃度統(tǒng)稱為“本征載流子濃度