问题2太阳能电池应选用什么材料.doc

太阳的结构如下图所示。在太阳平均半径23%（0.23R）的区域内事太阳的内核，其温度约为84K，密度为水的80100倍，占太阳全部质量的40%，总体积的15%。这部分产生的能量占太阳总能量的90%。氢聚合时放出射线，当它经过较冷区域时由于消耗能量，波长增长，变成射线或紫外线及可见光。从0.230.7R的区域称为“辐射输能区”，温度降到1.3K，密度下降到g/。太阳的外部是一个光球层，它就是人们肉眼所看到的太阳表面，其温度为5762K，厚约500km，密度为g/，它是由强烈电离的气体组成，而且几乎是透明的太阳大气，称之为“反变层”，它是由极稀薄的气体组成，厚约数百公里，它能吸收某些可见光的光谱辐射。“反变层”的外面是太阳大气上层，称之为“色球层”，厚约11.5km，大部分由氢和氦组成。“色球层”外是伸入太空的银白色日冕，温度高达1百万度，高度有时达几十个太阳半径。太阳辐射的光谱可以划分为几个阶段。波长短于0.4微米的称为紫外波段，从0.4微米到0.75微米的称为可见光波段，而波长长于0.75微米的则称为红外波段，它还可以细分为近红外0.7525微米和远红外25-1000微米两个波段。在可见光谱的波长范围内，不同波长的电磁辐射对于人眼产生不同的颜色感觉。用辐射能量作为纵坐标、辐射波长作为横坐标所绘制的曲线称为太阳光谱的能量分布曲线。从图中可以看出，尽管太阳辐射的波长范围很宽，但绝大部分的能量却集中在0.224微米的波段内，占总能量的99%。其中可见光波段约占43%，红外波段约占48.3%，紫外波段约占8.7%。而能量分布最大值所对应的波长则是0.475微米，属于蓝色光。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础。固体材料按其导电能力强弱，分为超导体、导体、绝缘体和半导体四类。导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体。半导体的电阻率大约在10的-5次方10的7次方欧姆米，如锗、硅、砷化镓、硫化镉等。众 所周知，原子是由原子核及其周围的电子构成的，一些电子脱离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由电子。金属之所以容易导电，是因为在金属体内有大量能 够自由运动的电子，在电场的作用下，这些电子有规则地沿着电场的相反方向流动，形成了电流。在常温下，绝缘体内仅有极少量的自由电子，因此对外不呈现导电 性。半导体内有少量的自由电子，在一些特定条件下才能导电。半导体有如下特性：1） 电阻率的变化受杂质含量影响极大，且所含杂质不同，导电类型也不同。在半导体里掺入微量的杂质，就可以引起电阻率很大的变化，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从2.14 103m减小到0.004m左右。2） 电阻率受光和热等外界条件的影响很大。温度升高或光照时，均可使半导体材料的电阻率迅速下降。一些特殊的半导体在电场或磁场作用下，其电阻率也会发生变化。如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收。要发生光吸收必须满足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度 Eg，即 hEg（1）其中 h 是普朗克常量， 是光的频率。若光子能量小于禁带宽度，则光不能被吸收，而透射过晶体，这时晶体是透明的。例如食盐（NaCl）晶体，它的禁带宽度很大，约有 10eV，所有光都能透射过去，因此它是透明的。而半导体晶体的禁带宽度在 1eV 左右，例如硅的禁带宽度是1.1eV，砷化镓的禁带宽度是1.4eV，由式（1）可算出吸收光的波长（c/，c是光速）分别为1.127m 和0.885m，属于红外光范围。凡波长比上述波长短的光，即可见光都将被吸收，因此它们都是不透明的。电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴， 这种状态是不稳定的，由此产生的电子、空穴称为非平衡载流子。隔了一定时间后，电子将会从导带跃迁回价带，同时发射出一个光子，光子的能量也由式（1）决定，这种现象称为光发射。光发射现象有许多的应用，如半导体激光器都是利用光发射原理制成的，只不过其中非平衡载流子不是由光导体发光管、激发产生，而是由电注入产生的。发光管、激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽度决定，如半导体红色发光管是由GaP 晶体制成，而光纤通讯用的长波长（1.5m）激光器则是由GaxIn1-xAs 或GaxIn1-x AsyP1-y合金制成的。不是所有的半导体都能发射光。例如：最常见的半导体硅和锗就不能发射光，这是由它 们的能带性质所决定的。它们的能带称为间接能带，电子从导带通过发射光跃迁到价带的几率非常小，而只能通过其它方式，如同时发射一个声子跃迁至价带。因此硅和锗这两种在微 电子器件中已得到广泛应用的材料， 却不能用作光电子材料。其它的-族化合物， GaAs、如InP 等的能带大部分是直接能带，能发射光，因此被广泛用来制作发光管和激光器。现在市场上的半导体大多是硅元素. 不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。在纯净的硅晶体(本征半导体)中掺入五价元素（如磷，锑，砷等），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼、铟等）使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会 形成一个特殊的薄层，由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，