太陽(yáng)能電池工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用課件太陽(yáng)能電池課件新南威爾士大學(xué)

太陽(yáng)能電池工作原理、技術(shù)及應(yīng)用課件第一頁(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：第二頁(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%）、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%）。第三頁(yè)，共276頁(yè)。（一）教材MartinA.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、教材及參考資料第四頁(yè)，共276頁(yè)。

第一章

太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)光第五頁(yè)，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)第六頁(yè)，共276頁(yè)。1.1引言第七頁(yè)，共276頁(yè)。第八頁(yè)，共276頁(yè)。第九頁(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第十頁(yè)，共276頁(yè)?；竟ぷ髟恚汗夥?yīng)（Photovoltaiceffect）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)能電池工作原理第十一頁(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-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？第十二頁(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第十三頁(yè)，共276頁(yè)。帶隙第十四頁(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(chēng)為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體不均勻半導(dǎo)體（P-N結(jié)）？？第十五頁(yè)，共276頁(yè)。價(jià)電子（熱激發(fā)）自由電子-空穴對(duì)復(fù)合平衡本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體第十六頁(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++++++++--------第十七頁(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++++++++--------第十八頁(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)體第十九頁(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)體一般不能在半導(dǎo)體器件中直接使用第二十頁(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)。第二十一頁(yè)，共276頁(yè)。雜質(zhì)半導(dǎo)體磷原子硅原子SiPSiSi多余電子第二十二頁(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)體第二十三頁(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(chēng)p型半導(dǎo)體。SiSiSiSiSiSiSi+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。第二十四頁(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1-5P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)雜質(zhì)半導(dǎo)體第二十五頁(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(chēng)為P-N結(jié)(P-Njunction)。在交界面，由于兩種載流子的濃度差，出現(xiàn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。PN第二十六頁(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)?？臻g電荷區(qū)耗盡層PNP-N結(jié)的形成過(guò)程第二十七頁(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第二十八頁(yè)，共276頁(yè)。由于Ｎ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np的電場(chǎng)，稱(chēng)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)到平衡后，擴(kuò)散產(chǎn)生的電流和漂移產(chǎn)生的電流相等。第二十九頁(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(chēng)為光生伏特現(xiàn)象或光生伏特效應(yīng)。第三十頁(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。第三十一頁(yè)，共276頁(yè)。第三十二頁(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)第三十三頁(yè)，共276頁(yè)。法國(guó)物理學(xué)家EdmondBecquerel（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。第三十四頁(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)晶化了。第三十五頁(yè)，共276頁(yè)。

1883年美國(guó)科學(xué)家CharlesFritts（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。第三十六頁(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。第三十七頁(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。第三十八頁(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)。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)示意圖第三十九頁(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)第四十頁(yè)，共276頁(yè)。太陽(yáng)能電池的發(fā)展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。第四十一頁(yè)，共276頁(yè)。1973年，第一次石油危機(jī)后，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。第四十二頁(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)Passivationemittersolarcells)型太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率超過(guò)20%。第四十三頁(yè)，共276頁(yè)。德國(guó)弗賴(lài)堡1990年以后，太陽(yáng)能電池發(fā)電與民用發(fā)電相結(jié)合。第四十四頁(yè)，共276頁(yè)。第四十五頁(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)。第四十六頁(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%。現(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。第四十七頁(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)。第四十八頁(yè)，共276頁(yè)。49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，λ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λ的單位為nm第四十九頁(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GlassprismlowenergyphotonsHighenergyphotons第五十頁(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磁波，并基于溫度的不同輻射出不同的電磁波。黑體：式中，λ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/(m2μm)

，W/m2指的是波長(zhǎng)為λ（μm）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：第五十一頁(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)光照度增加第五十二頁(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σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，T為黑體溫度(K)。σ=5.67×10-8W·m-2·K-4第五十三頁(yè)，共276頁(yè)。54峰值波長(zhǎng)λp峰值波長(zhǎng)λp是光照度最高時(shí)對(duì)應(yīng)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)λ進(jìn)行求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)為零處的波長(zhǎng)就是峰值波長(zhǎng)λp。這就是Wien定律，對(duì)應(yīng)方程為：第五十四頁(yè)，共276頁(yè)。太陽(yáng)的表面輻射功率強(qiáng)度Isun相當(dāng)于6000K（5762K±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4πR2，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。第五十五頁(yè)，共276頁(yè)。太陽(yáng)光照射在距離D處的球面面積為4πD2，入射到物體的光強(qiáng)為：第五十六頁(yè)，共276頁(yè)。第五十七頁(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（opticalairmass-zeroradiation），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：1.3661kW/m2第五十八頁(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，使得一年中季節(jié)不同；（4）一天里時(shí)間的不同。第五十九頁(yè)，共276頁(yè)。第六十頁(yè)，共276頁(yè)。第六十一頁(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(chēng)為大氣光學(xué)質(zhì)量1（AM1）的輻射?！按髿夤鈱W(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θ時(shí)，大氣光學(xué)質(zhì)量為：第六十二頁(yè)，共276頁(yè)。63大氣光學(xué)質(zhì)量估算估算大氣質(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第六十三頁(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(chēng)為AM1.5。地球大氣層外的標(biāo)準(zhǔn)光譜稱(chēng)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)。

第六十四頁(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(chēng)為視運(yùn)動(dòng)?？坍?huà)地球上某固定地點(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。第六十五頁(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Iincosθ，其中θ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)(θ=90o)，功率強(qiáng)度變?yōu)榱恪?1)當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射(θ=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。第六十六頁(yè)，共276頁(yè)。本章完第六十七頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)第六十八頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第六十九頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)70&2.2.1基本原理

--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?；谠觾?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)鍵第七十頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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Ⅴ族元素，或者是Ⅲ族元素與Ⅴ族元素相結(jié)合（叫做Ⅲ-Ⅴ型半導(dǎo)體），還可以是Ⅱ族元素與Ⅵ族元素相結(jié)合（叫做Ⅱ-Ⅵ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。第七十一頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)。電子的最低能量第七十二頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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七十三頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第七十四頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)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七十五頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)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(chēng)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。第七十六頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)帶第七十七頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第七十八頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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Ⅲ族元素（如硼）Ⅴ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七十九頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)的空穴第八十頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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第八十一頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)82&2.2.5基本原理

--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)帶第八十二頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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：Eph<Eg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。Eph<Eg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。Eph<Eg光子能量大于禁帶寬度并被強(qiáng)烈吸收。

第八十三頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)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。第八十四頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)α，實(shí)驗(yàn)在真空環(huán)境下進(jìn)行。第八十五頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)橹挥刑幵趦r(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。第八十六頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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α-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%（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?xún)?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。第八十七頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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：第八十八頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)（α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-αx

式中α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。即第八十九頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)90&2.3.4載流子的產(chǎn)生

--生成率

G=αN0e-αx其中N0=表面的光子通量（光子/單位面積.秒）α=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)的生成率第九十頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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，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)。第九十一頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第九十二頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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，它第九十三頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第九十四頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第九十五頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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?！吧僮訅勖保ㄓ梅?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。另外第九十六頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)。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1μs。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100-300μm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。第九十七頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)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?！氨砻鎻?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1×107cm/sec。半導(dǎo)體表面的掛鍵引起了此處的高復(fù)合率第九十八頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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，第九十九頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。在溫度為T(mén)的半導(dǎo)體內(nèi)載流子的平均運(yùn)動(dòng)能量為1/2mv2，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)的模型第一百頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第一百零一頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)102&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。第一百零二頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第一百零三頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第一百零四頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第一百零五頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第一百零六頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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)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。第一百零七頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)108&2.6.1P-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

第一百零八頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)109&2.6.1P-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)。第一百零九頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW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。第一百一十頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)111&2.6.1P-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)度的區(qū)域通過(guò)熱激發(fā)產(chǎn)生的。在平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的凈電流為零。電子的漂移電流與電子的擴(kuò)散電流是相互抵消的（試想如果沒(méi)有抵消的話，將在半導(dǎo)體的其中一邊出現(xiàn)電子的聚集）。同理，空穴的漂移電流與空穴擴(kuò)散電流也是相互抵消的。第一百一十一頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)112&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置半導(dǎo)體器件共有三種狀態(tài)模式：

1.熱平衡狀態(tài)

在熱平衡模式下，半導(dǎo)體沒(méi)有額外的刺激，如光照射或外加電壓。載流子的電流相互抵消所以在器件內(nèi)沒(méi)有凈電流。

2.穩(wěn)態(tài)

在恒穩(wěn)模式下，將有光線照射或施有外加電壓，但這些條件并不隨時(shí)間而改變。器件通常處在穩(wěn)定狀態(tài)，要么正向偏壓要么反向偏壓。

3.突變狀態(tài)

當(dāng)施加的電壓迅速改變時(shí)，太陽(yáng)能電池的對(duì)變化的響應(yīng)將會(huì)出現(xiàn)延遲。鑒于太陽(yáng)能電池并不是高速運(yùn)轉(zhuǎn)領(lǐng)域使用的電子器件，在這里將不對(duì)突變效應(yīng)多加描述。第一百一十二頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)113&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置正向偏壓下的二極管正向偏壓（也叫正向偏置）指的是在器件兩邊施加電壓，以使得pn結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)減小。即在p型半導(dǎo)體加正極電壓而在n型半導(dǎo)體加負(fù)極電壓，于是，一個(gè)穿過(guò)器件方向與內(nèi)建電場(chǎng)相反的電場(chǎng)便建立起來(lái)了。因?yàn)楹谋M區(qū)的電阻要比器件中其他區(qū)域的電阻要大得多（由于耗盡區(qū)的載流子很少的緣故），所以幾乎所有的外加電壓都施加在了耗盡區(qū)上。對(duì)于實(shí)際的半導(dǎo)體器件，內(nèi)建電場(chǎng)的電壓總是要比外加電場(chǎng)的高。而電場(chǎng)的減小將破壞pn結(jié)的平衡，即減小了對(duì)載流子從pn結(jié)的一邊到另一邊的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙，增大擴(kuò)散電流。當(dāng)擴(kuò)散電流增加時(shí)，漂移電流基本保持不變，因?yàn)槠齐娏鞯拇笮≈蝗Q于在與耗盡區(qū)的距離小于擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域還有耗散區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生的載流子的數(shù)目。因?yàn)樵谏厦娴倪^(guò)程中，耗散區(qū)的寬度只縮小了第一百一十三頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)114&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置一小部分，所以穿過(guò)電場(chǎng)的少子的數(shù)目也基本不變。第一百一十四頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)115&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置載流子的注入和正向偏置電流從pn結(jié)的一端到另一端的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的增加導(dǎo)致了少數(shù)載流子（少子）往耗散區(qū)邊緣的注入。這些少數(shù)載流子由于擴(kuò)散而漸漸遠(yuǎn)離pn結(jié)并最終與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合。多數(shù)載流子是由外部電流產(chǎn)生的，也因此在正向偏壓下產(chǎn)生凈電流。假設(shè)沒(méi)有復(fù)合作用，少數(shù)載流子的濃度將達(dá)到一個(gè)更高的水平，而從結(jié)的一端到另一端的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將會(huì)停止，這很像兩種不同氣體的相互擴(kuò)散。一開(kāi)始，氣體分子進(jìn)行著從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的凈運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)兩個(gè)區(qū)域的濃度達(dá)到統(tǒng)一以后，將不會(huì)再有氣體分子的凈運(yùn)動(dòng)。然而在半導(dǎo)體中，注入的少數(shù)載流子會(huì)被復(fù)合掉，因此不斷有更多的載流子擴(kuò)散過(guò)pn結(jié)。結(jié)果是，在正向偏置下的擴(kuò)散電流也是復(fù)合電流。復(fù)合的速度越高，通過(guò)pn結(jié)的擴(kuò)散電流就越大?！鞍碉柡碗娏鳌保↖0）是區(qū)第一百一十五頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)116&2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置別兩種不同二極管的非常重要的參數(shù)。I0是衡量一個(gè)器件復(fù)合特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，二極管的復(fù)合速率越大，I0也越大。

反向偏壓

反向偏置電壓是指在器件兩端加電場(chǎng)，以使pn結(jié)增大。在pn結(jié)中的內(nèi)建電場(chǎng)越大，載流子能從pn結(jié)一段擴(kuò)散至另一端的概率就越小，即擴(kuò)散電流就越小。與正向偏壓時(shí)相同，由于受到進(jìn)入耗盡區(qū)的少數(shù)載流子的數(shù)量限制，pn結(jié)的漂移電流并沒(méi)有因內(nèi)建電場(chǎng)的增大而相應(yīng)增大。漂移電流的微量增加主要是因?yàn)楹谋M區(qū)寬度的微量擴(kuò)張，但這基本上只是一種二階效應(yīng)。第一百一十六頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)117&2.6.3P-N結(jié)

--二極管方程

理想二極管

二極管方程解釋了通過(guò)二極管的電流與電壓的關(guān)系，即理想二極管定律：I為通過(guò)二極管的凈電流，I0為暗飽和電流（在沒(méi)有光照情況下輸出的電流），V是施加在二極管兩端的電壓，q和k分別代表電荷的絕對(duì)值和玻耳茲曼常數(shù)，而T則表示絕對(duì)溫度（K）。值得注意的是，I0隨著T的升高而增大。在溫度為300k時(shí)，KT/q=25.85mV。I0隨著材料質(zhì)量的增大而增大。第一百一十七頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)118&2.6.3P-N結(jié)

--二極管方程

非理想二極管方程

對(duì)于實(shí)際的二極管來(lái)說(shuō)，其方程需稍作改變：

其中n為理想因子，數(shù)值在1到2之間，通常隨著電流的增大而增大。上面的兩個(gè)方程都是相對(duì)于硅材料來(lái)說(shuō)的。右圖顯示了硅二極管中電流與電壓和溫度的關(guān)系，當(dāng)電流大小一定時(shí)，曲線的改變規(guī)律大概為2mV/°c第一百一十八頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)119第三章：

太陽(yáng)能電池的特性&3.1理想太陽(yáng)能電池&3.2太陽(yáng)能電池的參數(shù)&3.3電阻效應(yīng)&3.4其他效應(yīng)&3.5對(duì)太陽(yáng)能電池的測(cè)量第一百一十九頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)120&3.1.1理想太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池是一種能直接把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電的電子器件。入射到電池的太陽(yáng)光通過(guò)同時(shí)產(chǎn)生電流和電壓的形式來(lái)產(chǎn)生電能。這個(gè)過(guò)程的發(fā)生需要兩個(gè)條件，首先，被吸收的光要能在材料中把一個(gè)電子激發(fā)到高能級(jí)，第二，處于高能級(jí)的電子能從電池中移動(dòng)到外部電路。在外部電路的電子消耗了能量然后回到電池中。許多不同的材料和工藝都基本上能滿足太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的需求，但實(shí)際上，幾乎所有的光伏電池轉(zhuǎn)化過(guò)程都是使用組成PN結(jié)形式的半導(dǎo)體材料來(lái)完成的。減反射膜前端接觸電極發(fā)射區(qū)基區(qū)背接觸電極電子空穴對(duì)太陽(yáng)能電池的橫截面第一百二十頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)121&3.1.1理想太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池運(yùn)行的基本步驟：光生載流子的產(chǎn)生光生載流子聚集成電流穿過(guò)電池的高電壓的產(chǎn)生能量在電路和外接電阻中消耗第一百二十一頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)122&3.1.2理想太陽(yáng)能電池

光生電流在太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生的電流叫做“光生電流”，它的產(chǎn)生包括了兩個(gè)主要的過(guò)程。第一個(gè)過(guò)程是吸收入射光電子并產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)只能由能量大于太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的光子產(chǎn)生。然而，電子（在p型材料中）和空穴（在N型材料中）是處在亞穩(wěn)定狀態(tài)的，在復(fù)合之前其平均生存時(shí)間等于少數(shù)載流子的壽命。如果載流子被復(fù)合了，光生電子空穴對(duì)將消失，也沒(méi)有電流和電能產(chǎn)生。第二個(gè)過(guò)程是，pn結(jié)通過(guò)對(duì)這些光生載流子的收集，即把電子和空穴分散到不同的區(qū)域，阻止了它們的復(fù)合。Pn結(jié)是通過(guò)其內(nèi)建電場(chǎng)的作用把載流子分開(kāi)的。如果光生少數(shù)載流子到達(dá)pn結(jié)，將會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)移到另一個(gè)區(qū)，然后它便成了多少載流子。如果用一根導(dǎo)線把發(fā)射區(qū)跟基區(qū)連接在一起（使電池短路），光生載流子將流到外部電路。下面的動(dòng)畫(huà)展示了短路情況下的理想電流。第一百二十二頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)123&3.1.2理想太陽(yáng)能電池

光生電流

理想短路情況下電子和空穴在pn結(jié)的流動(dòng)。少數(shù)載流子不能穿過(guò)半導(dǎo)體和金屬之間的界限，如果要阻止復(fù)合并對(duì)參與到電流中的話，必須通過(guò)pn結(jié)的收集。第一百二十三頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)124&3.1.3理想太陽(yáng)能電池

收集概率

“收集概率”描述了光照射到電池的某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的載流子被pn結(jié)收集并參與到電流流動(dòng)的概率，它的大小取決于光生載流子需要運(yùn)動(dòng)的距離和電池的表面特性。在耗散區(qū)的所有光生載流子的收集概率都是相同的，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域的電子空穴對(duì)會(huì)被電場(chǎng)迅速地分開(kāi)。在原來(lái)電場(chǎng)的區(qū)域，其收集概率將下降。當(dāng)載流子在與電場(chǎng)的距離大于擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域產(chǎn)生時(shí)，那么它的收集概率是相當(dāng)?shù)偷?。相似的，如果載流子是在靠近電池表面這樣的高復(fù)合區(qū)的區(qū)域產(chǎn)生，那么它將會(huì)被復(fù)合。下面的圖描述了表面鈍化和擴(kuò)散長(zhǎng)度對(duì)收集概率的影響。

對(duì)收集概率的計(jì)算，紅線代表發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度，藍(lán)線代表基區(qū)的發(fā)射長(zhǎng)度前端表面在高復(fù)合率的情況下，其表面的收集概率很低。低擴(kuò)散長(zhǎng)度的太陽(yáng)能電池。在電池中位置弱鈍化的太陽(yáng)能電池強(qiáng)鈍化的太陽(yáng)能電池在耗散區(qū)的收集概率相同背表面收集概率第一百二十四頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)125&3.1.3理想太陽(yáng)能電池

收集概率收集概率與載流子的生成率決定了電池的光生電流的大小。光生電流大小等于電池各處的載流子生成速率乘于那一處的收集概率。下面計(jì)算光生電流的方程包括了生成率和收集概率，其材料為硅，光照為1.5AM。收集概率生成率在電池中的距離第一百二十五頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)126&3.1.3理想太陽(yáng)能電池

收集概率在1.5光譜下硅的生成速率。注意，電池表面的生成率是最高的，因此電池對(duì)表面特性是很敏感的。收集概率的不一致產(chǎn)生了光生電流的光譜效應(yīng)。例如，表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比較下圖的藍(lán)光、紅光和紅外光，藍(lán)光在硅表面的零點(diǎn)幾微米處幾乎被全部吸收。因此，如果頂端表面的收集概率非常低的話，入射光中將沒(méi)有藍(lán)光對(duì)光生電池做出貢第一百二十六頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)127&3.1.3理想太陽(yáng)能電池

收集概率獻(xiàn)。上圖顯示了不同波長(zhǎng)的光在硅材料中的載流子生成率。波長(zhǎng)0.45μm的藍(lán)光擁有高吸收率，為105cm-1，也因此它在非?？拷敹吮砻嫣幈晃?。波長(zhǎng)0.8μm的紅光的吸收率103cm-1，因此其吸收長(zhǎng)度更深一些。1.1μm紅外光的吸收率為103cm-1，但是它幾乎不被吸收因?yàn)樗哪芰拷咏诠璨牧系慕麕挾鹊谝话俣唔?yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)128&3.1.4理想太陽(yáng)能電池

量子效率所謂“量子效率”，即太陽(yáng)能電池所收集的載流子的數(shù)量與入射光子的數(shù)量的比例。量子效率即可以與波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)又可以與光子能量相對(duì)應(yīng)。如果某個(gè)特定波長(zhǎng)的所有光子都被吸收，并且其所產(chǎn)生的少數(shù)載流子都能被收集，則這個(gè)特定波長(zhǎng)的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁帶寬度的光子的量子效率為零。下圖將描述理想太陽(yáng)能電池的量子效率曲線?？偭孔有实臏p小是由反射效應(yīng)和過(guò)短的擴(kuò)散長(zhǎng)度引起的。理想量子效率曲線能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以長(zhǎng)波長(zhǎng)的量子效率為零。量子效率前端表面復(fù)合導(dǎo)致藍(lán)光響應(yīng)的減小。紅光響應(yīng)的降低是由于背表面反射、對(duì)長(zhǎng)波光的吸收的減少和短擴(kuò)散長(zhǎng)度右圖為硅太陽(yáng)能電池的量子效率。通常，波長(zhǎng)小于350nm的光子的量子效率不予測(cè)量，因?yàn)樵?.5大氣質(zhì)量光譜中，這些短波的光所包含能量很小。第一百二十八頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)129&3.1.4理想太陽(yáng)能電池

量子效率盡管理想的量子效率曲線是矩形的（如上圖），但是實(shí)際上幾乎所有的太陽(yáng)能電池的都會(huì)因?yàn)閺?fù)合效應(yīng)而減小。影響收集效率的因素同樣影響著量子效率。例如，頂端表面鈍化會(huì)影響靠近表面的載流子的生成，而又因?yàn)樗{(lán)光是在非?？拷砻嫣幈晃盏?，所以頂端表面的高復(fù)合效應(yīng)會(huì)強(qiáng)烈地影響藍(lán)光部分量子效率。相似的，綠光能在電池體內(nèi)的大部分被吸收，但是電池內(nèi)過(guò)低的擴(kuò)散長(zhǎng)度將影響收集概率并減小光譜中綠光部分的量子效率。硅太陽(yáng)能電池中，“外部”量子效率包括光的損失，如透射和反射。然而，測(cè)量經(jīng)反射和透射損失后剩下的光的量子效率還是非常有用的?！眱?nèi)部“量子效率指的是那些沒(méi)有被反射和透射且能夠產(chǎn)生可收集的載流子的光的量子效率。通過(guò)測(cè)量電池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲線并得到內(nèi)部量子效率。第一百二十九頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)130&3.1.5理想太陽(yáng)能電池

光譜響應(yīng)

”光譜響應(yīng)“在概念上類(lèi)似于量子效率。量子效率描述的是電池產(chǎn)生的光生電子數(shù)量與入射到電池的光子數(shù)量的比，而光譜響應(yīng)指的是太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電流大小與入射能量的比例。下圖將描述一光譜響應(yīng)曲線理想的光譜響應(yīng)硅太陽(yáng)能電池的響應(yīng)曲線。理想的光譜響應(yīng)在長(zhǎng)波長(zhǎng)段受到限制，因?yàn)榘雽?dǎo)體不能吸收能量低于禁帶寬度的光子。這種限制在量子效率曲線中同樣起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲線，光譜響應(yīng)曲線在隨著波長(zhǎng)減小能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以在長(zhǎng)波長(zhǎng)段的光譜響應(yīng)為零。光譜響應(yīng)第一百三十頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)131&3.1.5理想太陽(yáng)能電池

光譜響應(yīng)

而下降。因?yàn)檫@些短波長(zhǎng)的光子的能量很高，導(dǎo)致光子與能量的比例下降。光子的能量中，所有超出禁帶寬度的部分都不能被電池利用，而是只能加熱電池。在太陽(yáng)能電池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的無(wú)法吸收，導(dǎo)致了顯著的能量損失。光譜響應(yīng)是非常重要的量，因?yàn)橹挥袦y(cè)量了光譜響應(yīng)才能計(jì)算出量子效率。公式如下第一百三十一頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)132

&3.1.6理想太陽(yáng)能電池

光伏效應(yīng)被收集的光生載流子并不是靠其本身來(lái)產(chǎn)生電能的。為了產(chǎn)生電能，必須同時(shí)產(chǎn)生電壓和電流。在太陽(yáng)能電池中，電壓是由所謂的”光生伏打效應(yīng)”過(guò)程產(chǎn)生的。pn結(jié)對(duì)光生載流子的收集引起了電子穿過(guò)電場(chǎng)移向n型區(qū)，而空穴則移向p型區(qū)。在電池短路的情況下，將不會(huì)出現(xiàn)電荷的聚集，因?yàn)檩d流子都參與了光生電流的流動(dòng)。然而，如果光生載流子被阻止流出電池，那pn結(jié)對(duì)光生載流子的收集將引起n型區(qū)的電子數(shù)目增多，p型區(qū)的空穴數(shù)目增多。這樣，電荷的分開(kāi)將在電池兩邊產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，也因此降低了電池的總電場(chǎng)。因?yàn)閮?nèi)建電場(chǎng)代表著對(duì)前置擴(kuò)散電流的障礙，所以電場(chǎng)減小的同時(shí)也增大擴(kuò)散電流。穿過(guò)pn結(jié)的電壓將達(dá)到新的平衡。流出電池的電流大小就等于光生電流與擴(kuò)散電流的差。在電池開(kāi)路的情況下，pn結(jié)的正向偏壓處在新的一點(diǎn)，此時(shí)，光生第一百三十二頁(yè)，共276頁(yè)。2024/12/4UNSW新南威爾士大學(xué)133&3.1.6理想太陽(yáng)能電池

光伏效應(yīng)電流大小等于擴(kuò)散電流大小，且方向相反，即總的電流為零。當(dāng)兩個(gè)電流達(dá)到平衡時(shí)的電壓叫做“開(kāi)路電壓”。下面動(dòng)畫(huà)將展示載流子在分別在短路和開(kāi)路的下的流動(dòng)情況。動(dòng)畫(huà)顯示了太陽(yáng)能電池分別在熱平衡、短路和開(kāi)路下的載流子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。請(qǐng)注意不同情況下，流過(guò)pn結(jié)的電流的不同。在熱平衡下（光照為零），擴(kuò)散電流和漂移電流都非常小。而電池短路時(shí)，pn結(jié)兩邊的少數(shù)載流子濃度以及由少數(shù)載流子決定大小的漂移電流都將