单元太阳能电池基础

1、1 太阳能电池的发展趋势太阳能电池的发展趋势 太阳能电池的原理和特性 太阳能电池的原理和特性 半导体基础 半导体基础 2 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 1 1、什么是半导体？、什么是半导体？ 固体材料从导电特性上分成：固体材料从导电特性上分成： 导体导体: :导电能力强的物体导电能力强的物体, ,金属一般都是导体。金属一般都是导体。 绝缘体绝缘体: :导电能力弱或基本不导电的物体，如橡皮、陶导电能力弱或基本不导电的物体，如橡皮、陶 瓷、塑料和石英。瓷、塑料和石英。 半导体半导体: :导电能力处于导体和绝缘体之间的物体，如锗、导电能力处于导体和绝缘体之间的物体，如锗、 硅、砷化镓和一些硫

2、化物、氧化物等。硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 1.1.1半导体及其主要特性 3 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 物体的导电能力，一般用材料电阻率的大 小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的 导电能力越弱。下表给出以电阻率来区分 导体，绝缘体和半导体的大致范围 1.1.1半导体及其主要特性 4 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于 其它物质的特点。例如：其它物质的特点。例如： 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改 变 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 1.1.1半导体及其主要特性 5 1.1 1.1 半导体基础

3、半导体基础 2 2、半导体的种类、半导体的种类 元素半导体和化合物半导体元素半导体和化合物半导体 晶态半导体、非晶及多晶半导体晶态半导体、非晶及多晶半导体 无机半导体和有机半导体无机半导体和有机半导体 本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体 1.1.1半导体及其主要特性 6 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 常见的半导体材料常见的半导体材料 1.1.1半导体及其主要特性 7 v 本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体 v 本征半导体的能带结构：禁带中无载流子可占据的能级状态 v 本征载流子浓度：电子和空穴浓度相同n=p 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 1.1.1半导体及其主要特性

4、 8 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半 导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价 或五价元素。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。 (1) N(1) N型半导体型半导体 (2) P(2) P型半导体型半导体 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 1.1.1半导体及其主要特性 9 N 型半导体中的载流子： 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓 度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子

5、（多子），空穴度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴 称为少数载流子（少子）。称为少数载流子（少子）。 N 型半导体型半导体 在本征半导体中掺入少 量的五价元素磷（或锑）， 外层有五个价电子，其中四 个与相邻的半导体原子形成 共价键，必定多出一个电子。 五价元素磷称为施主原子。 +4+4 +5+4 多余多余 电子电子 磷原子磷原子 10 P 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟）， 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外 层有三个价电子，与相邻

6、的层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产半导体原子形成共价键时，产 生一个空穴。生一个空穴。 这个空穴可能吸引束缚电子来这个空穴可能吸引束缚电子来 填补，使得硼原子成为不能移填补，使得硼原子成为不能移 动的带负电的离子。动的带负电的离子。 +4+4 +3+4 空穴空穴 硼原子硼原子 P 型半导体中空穴是多子，型半导体中空穴是多子， 电子是少子电子是少子。 由于硼原子接受电子，所以称为由于硼原子接受电子，所以称为 受主原子。受主原子。 11 杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法 P 型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

7、+ + + + + N 型半导体型半导体 杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数 量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂 质浓度相等。质浓度相等。 1.1 半导体基础半导体基础 12 v 施主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供 导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺入五价的P 和As. As：V族，其中的四个价电子与Si形成共价键，但多出一个电子只需要 很低的能量便能该电子电离进入导带，形成导电电子和带正电的电离 施主。 v 受主：掺入到半导体中的杂质原子

8、，能够向半导体中提供 导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺入三价的B. B：III族，只有三个价电子，与Si形成共价键，并出现一个空位，只 需要很低的能量便能使价带中的电子填补空位，并形成价带空穴和带 负电的电离受主。 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 13 1）杂质的带电性 未电离：均为电中性 电离后：施主失去电子带正电，受主得到电子带负电 2）对载流子数的影响 掺入施主后：电子数大于空穴数 掺入受主后：电子数小于空穴数 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 14 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 物质 固态物质 液态物质 气态物质 非晶体 晶体 多晶体 单晶体 单晶单晶 有周

9、期性有周期性 非晶非晶 无周期性无周期性 多晶多晶 每个小区域有周期性每个小区域有周期性 1.1.2晶体结构 15 1、晶体的结构 1）晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的 周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒 子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成为晶格。 2）晶体结构与原子结合的形式有关 晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结合、范德 瓦耳斯结合 半导体的晶体结构：主要有 金刚石结构（ Ge、Si） 闪锌矿结构（GaAs等III-V族和CdTe等II-VI族化合物） 纤锌 矿结构（部分III-V族和II-VI族化合物) 1.1 1.1 半导体基础半

10、导体基础 1.1.2晶体结构 16 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 17 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 18 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 19 晶格晶格 在点阵中把所有格点连接起来所构成网络在点阵中把所有格点连接起来所构成网络 空间点阵晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空空间点阵晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空 间有规则地作周期性的无限分布，结点的空间集合称为点阵。间有规则地作周期性的无限分布，结点的空间集合称为点阵。 结点结点(格点格点) 构成晶体空间结构的质点的重心构成晶体空间结构的质点的重心 NaClNaCl的晶体结构的晶体结构 结点示意图

11、结点示意图 晶体结构晶体结构 = = 点阵点阵 + + 结构基元结构基元 2、晶体结构的拓扑描述、晶体结构的拓扑描述 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 20 晶列指数和晶面指数晶列指数和晶面指数 晶列：在一个晶格结构中通过任意两个结点的连线。晶列：在一个晶格结构中通过任意两个结点的连线。 晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的组合。晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的组合。 晶面：在一个晶晶面：在一个晶 格结构中通过任格结构中通过任 意不在同一晶轴意不在同一晶轴 上的上的 三个结点三个结点 构成的平面构成的平面 晶面族：平行于晶面族：平行于 某一晶面的所有某一晶面的所有 晶面的组合晶面的组合 1

12、.1 1.1 半导体基础半导体基础 21 晶体的晶面用晶面指数（密勒指数）表示：该晶体的晶面用晶面指数（密勒指数）表示：该 晶面与坐标轴截距的倒数可以化为互质整数。晶面与坐标轴截距的倒数可以化为互质整数。 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 22 E5 E4 E3(4) E2(8) E1(2) 能级图 1.1.3 能及和能带 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 23 晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这个原子的作用。还将受到 相邻原子的作用 。相邻原子上的电子轨道将发生一定程度的相互交迭， 通过轨道的交迭，电子可以从一个原子转移到相邻的原子上去。这时电子 已不属于个别原子而成为整个

13、晶体所共有，这种电子运动称为“共有化”。 电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相同的轨道之间发生 转移。下图表示出这种共有化轨道的能级图。 能带能带 禁带禁带 能带能带 禁带禁带 能带能带 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 24 从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低到高的许多 组。分别和各原子能级相对应，每一组都包含着大量的能 量很接近的能级。这样一组密集的能级看上去象一条带子， 所以被称之为能带。能带之间的间隙叫做禁带。 未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满的能带称 为满带或价带。导体、半导体，绝缘体导电性质的差异可 以用它们的能带图的不同来加以说明。 1.1 1.1

14、半导体基础半导体基础 25 绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体 Ec Ev E9 E9 导导 带带 禁禁 带带 价价 带带 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 26 v 电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成 的自由电子，对应于导带中占据的电子。 v 空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成 的电子空位，对应于价带中的电子空位。 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子 1、什么是载流子 1.1.4 半导体中的载流子 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 27 (1)(1)电子空穴对电子空穴对 当导体处于热力学温度当导体处于热力学温度0

15、K0K时，导体中没有自时，导体中没有自 由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电 子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束 缚，而参与导电，成为自由电子。缚，而参与导电，成为自由电子。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中自由电子产生的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现 出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们 常称呈现正电性的这个空位为空穴。常称呈现正电性的这个空位为空穴。 这一现象称为本征激

16、发，也称热激发这一现象称为本征激发，也称热激发。 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 28 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电 子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 本征激发和复合的过程 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 29 (2) 空穴的移动 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的自由电子的定向运动形成了电子电流，空

17、穴的 定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。 只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依 次充填空穴来实现的。次充填空穴来实现的。 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 30 价带中空穴的运动 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 31 热运动:导带中的电子和价带中的空穴始终在进行着无规热 运动,热平衡时热运动是随机的统计平均的结果净电流为0。 漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生 的运动。其运动产生的电流方向一致。 扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向 浓度低的区域扩散，产

18、生扩散运动。 2、载流子的运动 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 32 漂移运动：漂移运动： 在电场作用引起的载流子的在电场作用引起的载流子的定向定向运动称为漂移运动称为漂移 运动。运动。形成的电流称为漂移电流。形成的电流称为漂移电流。 扩散运动：扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩 散运动。散运动。载流子从浓度较高的区域向浓度低的区载流子从浓度较高的区域向浓度低的区 域运动，形成的电流称为扩散电流。域运动，形成的电流称为扩散电流。 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 33 P型半导体型半导体 N型半导体型半导体 + + + + + +

19、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空间电荷区形成空间电荷区 + 五价的元素五价的元素+ 三价的元素三价的元素 产生多余电子产生多余电子产生多余空穴产生多余空穴 多子的扩散运动多子的扩散运动浓度差浓度差 内电场内电场 少子的漂移运动少子的漂移运动 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。 1.1.5 PN结 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 34 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 当扩散和漂移当扩散和漂移 这一对相反的这一对相反的

20、运动最终达到运动最终达到 平衡时，空间平衡时，空间 电荷区的厚度电荷区的厚度 固定不变。此固定不变。此 时时PNPN结达到动结达到动 态稳定！态稳定！ 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离子薄层形成型半导体结合面，离子薄层形成 的空间电荷区称为的空间电荷区称为PNPN结。结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 35 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分别形成分别形成N N型型 半导体和半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将

21、在N N型半导体和型半导体和P P型半导体的结合面型半导体的结合面 上形成如下物理过程上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后, ,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 36 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间电空间电 荷区荷区 N型区型区P型区型区

22、 平衡状态下的平衡状态下的PN结结 电位电位V Uho 势垒势垒 Uho 硅硅 0.5V 锗锗 0.1V 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 37 P接正、接正、N接负接负 外加的正向电压，方向与外加的正向电压，方向与PNPN结内电场方向相反，削弱了内电场。结内电场方向相反，削弱了内电场。 PN 结变窄结变窄 外电场外电场 IF 内电场内电场 PN + + + + + + + + + + + + + + + + + + + R 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 38 3.2.3 PN结的单向导电性 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 39 外加反向电压外加反向电压,方向方向 与与PN结

23、内电场方向结内电场方向 相同，加强了内电相同，加强了内电 场。对多子扩散运场。对多子扩散运 动的阻碍增强，扩动的阻碍增强，扩 散电流大大减小。散电流大大减小。 此时此时PN结区的少子结区的少子 在内电场的作用下在内电场的作用下 形成的漂移电流大形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽于扩散电流，可忽 略扩散电流，略扩散电流，由于少由于少 子数量很少，形成很子数量很少，形成很 小的反向电流。小的反向电流。 PN 结呈现高阻性。结呈现高阻性。 IR + R 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 40 在一定的温度条件下，由在一定的温度条件下，由 本征激发决定的少子浓度是一本征激发决定的少子浓度是一 定的

24、，故少子形成的漂移电流定的，故少子形成的漂移电流 是恒定的，基本上与所加反向是恒定的，基本上与所加反向 电压的大小无关，这个电流也电压的大小无关，这个电流也 称为反向饱和电流。称为反向饱和电流。 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 41 总结：总结： PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； 导通导通 PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 截止截止 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向导电性。结具有单向导电性。 相当一个开关。相

25、当一个开关。 PN结除了具有单向导电性以外，还具有击穿特性和 电容特性等 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 42 根据根据PNPN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用 其基本特性可以制造多种功能的其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管晶体二极管。如利用。如利用PNPN结单向导结单向导 电性可以制作电性可以制作整流二极管整流二极管、检波二极管和、检波二极管和开关二极管开关二极管，利用击穿，利用击穿 特性制作稳压二极管和特性制作稳压二极管和雪崩二极管雪崩二极管；利用高掺杂；利用高掺杂PNPN结结隧道效应隧道效应制制 作隧道二极管；

26、利用结电容随外电压变化效应制作作隧道二极管；利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管变容二极管。 使半导体的使半导体的光电效应光电效应与与PNPN结相结合还可以制作多种光电器件。如结相结合还可以制作多种光电器件。如 利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二激光二 极管极管与与半导体发光二极管半导体发光二极管；利用光辐射对；利用光辐射对PNPN结反向电流的调制作结反向电流的调制作 用可以制成光电探测器；利用用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应光生伏特效应可制成可制成太阳电池太阳电池。此。此 外，利用两个外，利用两个 PNPN结之

27、间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能 。 PNPN结是构成结是构成双极型晶体管双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是和场效应晶体管的核心，是现代电子技现代电子技 术术的基础。在二级管中广泛应用。的基础。在二级管中广泛应用。 1.1 1.1 半导体基础半导体基础 43 在固体中，光子和电子之间在固体中，光子和电子之间 的相互作用有三种基本过程：的相互作用有三种基本过程： 吸收、自发发射和受激发射。吸收、自发发射和受激发射。 两个能级之间的三种基本跃迁过程两个能级之间的三种基本跃迁过程 (a) 吸收吸收 (b) 自发发射自发发射 (c) 受激发

28、射受激发射 电光效应和电光效应和 光电效应光电效应 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 1.2.1 光电效应 44 v 半导体发光包括激发过程和复合过程。这两个过程衔接， 是发光必不可少的两个环节。 v 在pn结上施加正偏压，产生注入效应，使结区及其左右 两边各一个少子扩散长度范围内的少子浓度超过其热平 衡少子浓度。超过部分就是由电能激发产生的处于不稳 定高能态的非平衡载流子，它们必须通过第二过程：复 合，达到恒定正向注入下新稳态。 1、电光效应、电光效应 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 45 v 复合分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合过程中，自由 电子

29、和空穴具有的能量将变成光而自然放出。非辐射复合 过程中，释放的能量将转变为其它形式的能，如热能。因 此，为提高发光效率应尽量避免非辐射复合。 v 辐射复合的几条途径是：带-带复合、浅施主-价带或导带 -浅受主间复合、施-受主之间复合、通过深能级复合等。 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 46 发光器件发光器件 q发光二极管：靠注入载流子自发复合而发光二极管：靠注入载流子自发复合而 引起的自发辐射；非相干光。引起的自发辐射；非相干光。 q半导体激光器则是在外界诱发的作用下半导体激光器则是在外界诱发的作用下 促使注入载流子复合而引起的受激辐射；促使注入载流子复合而引起的受激辐射

30、； 相干光，具有单色性好、方向性强、亮相干光，具有单色性好、方向性强、亮 度高等特点。度高等特点。 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 47 当光照射到半导体上时，光能量作用于物体而释放出当光照射到半导体上时，光能量作用于物体而释放出 电子的现象称为光电效应。光电效应分为内、外光电电子的现象称为光电效应。光电效应分为内、外光电 效应两大类。效应两大类。 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 48 1 1 外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射 的现象称为外光电效

31、应。基于这类效应的器件有光电管、的现象称为外光电效应。基于这类效应的器件有光电管、 光电倍增管。能否产生光电效应由爱因斯坦光电效应方程光电倍增管。能否产生光电效应由爱因斯坦光电效应方程 判别：判别： 从上式可知：当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应；当从上式可知：当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应；当 光子能量恰好等于逸出功时的光子能量恰好等于逸出功时的 0 0称为红限频率称为红限频率( (对应于长波限对应于长波限) )。 小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电效应。反之，小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电效应。反之， 入射频率高于红限频率，即使光线微弱也会有光电效应。入

32、射频率高于红限频率，即使光线微弱也会有光电效应。 0 2 02 1 Amvhv（每个光子具有的能量（每个光子具有的能量 = = 电子动能电子动能+ +逸出功）逸出功） 式中：式中：m m电子质量；电子质量； v v电子逸出速度电子逸出速度 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 49 2 内光电效应 受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的现象 称为内光电效应。 (1) (1) 光电导效应光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键在光线作用下，电子吸收光子能量从键 合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化，合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化， 此现象称为光电导效应。

33、此现象称为光电导效应。 光电导可分为：本征光电导和杂质光电导。光电导可分为：本征光电导和杂质光电导。 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 50 导 带 Eg 价 带 (充 满 带 ) h (a) 本 征 半 导 体 h 导 带 价 带 (充 满 带 ) 价 带 (充 满 带 ) (b) n型 杂 质 半 导 体 (c) p型 杂 质 半 导 体 导 带 h 杂 质 能 级 (受 主 能 级 ) 杂 质 能 级 (施 主 能 级 ) EI EI 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 51 光电导材料的电导率 无光照时：0 = n0qn+p0qp (暗电导) 有光

34、照时： = 0+pn 其中：pn= nqn+pqp (光电导) 利用光电导效应可以制造出各种波长范围的光敏电阻，利用光电导效应可以制造出各种波长范围的光敏电阻， 光敏二极管，光敏晶体管和光敏二极管，光敏晶体管和CCDCCD图象传感器。图象传感器。 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 52 半导体受光照射产生电势的现象称为光生伏特效应。 光照引起光照引起pnpn结两端产生电动势的结两端产生电动势的 现象称为现象称为pnpn结光生伏特效应。当结光生伏特效应。当 光照射到结区时，产生电子与空光照射到结区时，产生电子与空 穴对，其中电子被内建电场扫向穴对，其中电子被内建电场扫向 n

35、n区、空穴被内建电场扫向区、空穴被内建电场扫向p p区，区， 电子在电子在n n区积累而空穴在区积累而空穴在p p区积累，区积累， 使使pnpn结两端出现由光照而产生的结两端出现由光照而产生的 电动势。电动势。 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 53 流过电流 hEg 电极电极 电极电极 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 太阳光太阳光 E v 半导体光生伏特效应半导体光生伏特效应 当用适当波长的光照射非均匀半导体当用适当波长的光照射非均匀半导体(pn(pn结等结等) )时，由于内建场的作用时，由于内建场的作用 ( (不加外电场不加外电场) )，半导体内部产生电动势，半

36、导体内部产生电动势( (光生电压光生电压) )；如将；如将pnpn结短路，结短路， 则会山现电流则会山现电流( (光生电流光生电流) )。这种由内建场引起的光电效应，称为光。这种由内建场引起的光电效应，称为光 生伏特效应。生伏特效应。 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 54 v 什么是半导体？ v 什么是半导体中的载流子？ v 什么是本征半导体、n型、p型半导体？ v 什么因素影响半导体的导电特性？ v 载流子在半导体中是怎样运动的？ v PN结具有单向导电性的原因是什么？ v 什么是光电效应、外光电效应和内光电效应？ 作业作业 55 v 根据已学知识，试分析太阳能电池的结

37、构和发电过程分别 应是怎样的？ 思考题思考题 56 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 1.2.2 太阳能电池的基本工作原理 57 E n p 光照 v 半导体光生伏特效应半导体光生伏特效应 设入射光垂直设入射光垂直pn结面。如结结面。如结 较浅，光子将进入较浅，光子将进入pn结区，结区， 甚至更深入到半导体内部。甚至更深入到半导体内部。 能量大于禁带宽度的光子，能量大于禁带宽度的光子， 由本征吸收在结的两边产生由本征吸收在结的两边产生 电子一空穴对。在光激发下电子一空穴对。在光激发下 多数载流子浓度一般改变很多数载流子浓度一般改变很 小，而少数载流子浓度却变小，而少数载流子

38、浓度却变 化很大，因此应主要研究光化很大，因此应主要研究光 生少数载流子的运动。生少数载流子的运动。 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 58 光照 n p 由于由于pnpn结势垒区内存在较强的内建场结势垒区内存在较强的内建场 ( (自自n n区指向区指向p p区区) )，结两边的光生少数，结两边的光生少数 载流子受该场的作用，各自向相反方载流子受该场的作用，各自向相反方 向运动，向运动，P P区的电子穿过区的电子穿过pnpn结进入结进入n n 区，区，n n区的空穴进入区的空穴进入p p区，使区，使P P端电势端电势 升高升高n n端电势降低，于是端电势降低，于是pnpn结

39、两端结两端 形成了光生电动势，这就是形成了光生电动势，这就是pnpn结的光结的光 生伏特效应。由于光照产生的载流子生伏特效应。由于光照产生的载流子 各自向相反方向运动，从而在各自向相反方向运动，从而在pnpn结内结内 部形成自部形成自n n区向区向p p区的光生电流区的光生电流I IL L。 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 59 E 由于光照在由于光照在pn结两端产生光生电动势，相当于在结两端产生光生电动势，相当于在pn结两端加结两端加 正向电压正向电压V，使势垒降低为，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流，产生正向电流IF。在。在pn 结开始情况下，光生电流和正向电流

40、相等时，结开始情况下，光生电流和正向电流相等时，Pn结两端建立结两端建立 起稳定的电势差起稳定的电势差V0。(P区相对区相对n 区是正的区是正的)，这就是光电池的，这就是光电池的 开路电压。如将开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会结与外电路接通，只要光照不停止，就会 有源源不断的电流通过电路，有源源不断的电流通过电路，pn结起了电源的作用，这就是结起了电源的作用，这就是 光电池光电池(也称光电二极管也称光电二极管)的基本原理。的基本原理。 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 60 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 从以上分析可见，太阳能电

41、池的工作原理是：太阳光照在半导体p-n 结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p 区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。可将半导体太阳能电 池的发电过程概括为如下4点： 首先收集太阳光或其他光使之照射到太阳能电池表面上。 太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载 流子）电子空穴对。 这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池PN结内建电场的作用下 被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在PN结两边产生光生电 动势。 在太阳能电池PN结两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光 生电流流过，这样太阳能电池就把太阳能直接转换成了电能。 6

42、1 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 下图为在p型半导体材料上扩散磷元素，形成n+/p型结构的太阳电 池。上表面为负极；下表面为正极。 1.2.3 太阳能电池的基本结构 62 1.2.3 太阳能电池的基本结构 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 63 背面电极及背电场背面电极及背电场 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 64 v 太阳能光电材料 v 从原则上讲，所有的半导体材料都有光伏效应，都可以用作太阳能电从原则上讲，所有的半导体材料都有光伏效应，都可以用作太阳能电 池的基础材料；池的基础材料； v 由于三个方面的原因，并不是所有的半导

43、体材料都能用于实际太阳能由于三个方面的原因，并不是所有的半导体材料都能用于实际太阳能 光电材料；光电材料； 物理性质的限制物理性质的限制提纯、制备困难提纯、制备困难制备成本过高制备成本过高 在目前条件下，并在目前条件下，并 不是所有半导体材不是所有半导体材 料都能制备成太阳料都能制备成太阳 能电池所需纯度；能电池所需纯度； 禁带宽度、载流子禁带宽度、载流子 迁移率、光吸收系迁移率、光吸收系 数等，使得电池转数等，使得电池转 换效率过低；换效率过低； 1.2.4 太阳能电池的分类 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 65 v按基体材料分按基体材料分 v硅太阳能电池：单晶硅、多晶

44、硅、非晶硅、微晶硅太阳能电池：单晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶 硅、硅、HIT电池、双面太阳能电池电池、双面太阳能电池 v化合物太阳能电池：单晶化合物太阳能电池、多化合物太阳能电池：单晶化合物太阳能电池、多 晶化合物太阳能电池、有机半导体太阳能电池晶化合物太阳能电池、有机半导体太阳能电池 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 66 u单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 光电转换效率一般在光电转换效率一般在15%15%， 目前最高可到目前最高可到24%24%； 其光电转换效率目前是所其光电转换效率目前是所 有太阳电池中最高的；有太阳电池中最高的； 但其制作成本高，制作工但其制作成本高，

45、制作工 艺复杂；艺复杂； 使用寿命一般可达使用寿命一般可达1515年，年， 最高可达最高可达3030年；年； 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 67 光电转换效率较低，一般为光电转换效率较低，一般为 12%12%左右；左右； 制作成本比单晶硅电池要低，制作成本比单晶硅电池要低， 材料制备更便宜，能源消耗材料制备更便宜，能源消耗 较低；较低； 使用寿命比单晶硅电池短；使用寿命比单晶硅电池短； 性价比比单晶硅电池性价比性价比比单晶硅电池性价比 要低；要低； 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 68 一种薄膜太阳能电池；一种薄膜太阳能电池； 工艺过程相对简单，硅

46、材料工艺过程相对简单，硅材料 消耗较少，电能消耗更低；消耗较少，电能消耗更低； 在光强较弱情况下也能发电；在光强较弱情况下也能发电； 光电转换效率较低，一般在光电转换效率较低，一般在 6%6%左右，最高水平为左右，最高水平为10%10%，稳，稳 定性也不高；定性也不高； 有光衰减现象；有光衰减现象； 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 69 目前属于开发试验和小批量目前属于开发试验和小批量 生产阶段；生产阶段； 主要有硫化镉（主要有硫化镉（CdSCdS）、砷）、砷 化镓（化镓（AsGaAsGa）、铜铟硒（）、铜铟硒（CISCIS） 集中类型；集中类型； 生产成本较低生产成本较

47、低 ，光电转换，光电转换 效率较高效率较高 ，可与单晶硅相比，可与单晶硅相比 较；较； 具有良好的发展前景；具有良好的发展前景； 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 70 v有机太阳能电池有机太阳能电池 有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构 成核心部分的太阳能电池。如今量产的太阳能电成核心部分的太阳能电池。如今量产的太阳能电 池里，池里，95以上是硅基的，而剩下的不到以上是硅基的，而剩下的不到5也也 是由其它无机材料制成的。与是由其它无机材料制成的。与Si基太阳能电池相基太阳能电池相 比比,有机太阳能电池的一大特点就是质量轻有机

48、太阳能电池的一大特点就是质量轻,柔软柔软 而可折叠，成本低廉，但转化效率不高。而可折叠，成本低廉，但转化效率不高。2009 5.9% 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 71 v 按太阳能电池结构分：按太阳能电池结构分： v 同质结太阳能电池：由同一种半导体材料所形成的同质结太阳能电池：由同一种半导体材料所形成的PNPN结称为同质结，用结称为同质结，用 同质结构成的太阳电池称为同质结太阳能电池同质结构成的太阳电池称为同质结太阳能电池 v 异质结太阳能电池：由两种禁带宽度不同的半导体材料所形成的异质结太阳能电池：由两种禁带宽度不同的半导体材料所形成的PNPN结称结称 为异质结，

49、用异质结构成的太阳电池称为异质结太阳能电池为异质结，用异质结构成的太阳电池称为异质结太阳能电池 v 肖特基结太阳能电池：金属肖特基结太阳能电池：金属- -半导体结构（半导体结构（MSMS）、金属）、金属- -氧化物氧化物- -半导体半导体 （MOSMOS）结构、金属）结构、金属- -绝缘体绝缘体- -半导体（半导体（MISMIS）结构）结构 v 复合结太阳能电池：垂直多结太阳能电池、水平多结太阳能电池复合结太阳能电池：垂直多结太阳能电池、水平多结太阳能电池 72 v按用途分为：按用途分为： v空间太阳能电池空间太阳能电池 v地面太阳能电池地面太阳能电池 v光敏传感器光敏传感器 1.2 太阳能电

50、池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 73 v按工作方式分按工作方式分 v平板太阳能电池平板太阳能电池 v聚光太阳能电池聚光太阳能电池 v分光太阳能电池分光太阳能电池 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 74 1.2.4 太阳能电池的基本特性 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太 阳能电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下阳能电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下 1 1、太阳能电池的极性、太阳能电池的极性 硅太阳能电池的一般制成硅

51、太阳能电池的一般制成P+/NP+/N型结构或型结构或N+/PN+/P型结构，型结构，P+P+和和N+,N+,表示表示 太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；N N和和P P，表示太阳能电池，表示太阳能电池 背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用 半导体材料的特性有关。半导体材料的特性有关。 2 2、太阳电池的性能参数、太阳电池的性能参数 太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填 充因子、转换效

52、率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。 75 1.2.4 太阳能电池的基本特性 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 3太阳能电池的伏安特性 P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个 条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面 欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光 谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能 量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,大于 Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此,在太阳能电池的设 计和制造过程中,必须考虑这部分热

53、量对电池稳定性、寿命 等的影响。 76 太阳能电池的等效电路图太阳能电池的等效电路图 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 77 根据根据pn结流方程，在正向偏压结流方程，在正向偏压V作用下，通过结的作用下，通过结的 正向电流为正向电流为 1exp 0T k qV II SF V是光生电压，是光生电压，IS是反向饱和电流是反向饱和电流 光电池的电流电压特性光电池的电流电压特性 78 如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应为如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应为 1exp 0T k qV IIIII SLFL 该负载电阻上电流与电压的该负载电阻上电流与电压的 关系，

54、也就是光电池的伏安关系，也就是光电池的伏安 特性，其曲线如右图所示。特性，其曲线如右图所示。 曲线和分别为无光照和曲线和分别为无光照和 有光照时光电池的伏安持性有光照时光电池的伏安持性 Isc Voc 1、光电池的电流电压特性、光电池的电流电压特性 79 Isc Voc 开路电压开路电压 （R=） 短路电流短路电流 （V=0） 1ln 0 s L I II q Tk V 1ln 0 s L I I q Tk Voc LSC II 光电池伏安特性光电池伏安特性 1、光电池的电流电压特性、光电池的电流电压特性 80 Voc、Isc随光强度的变化随光强度的变化 Voc Vmax Isc Voc、Is

55、c是光电池的两个重是光电池的两个重 要参数。两者都随着光照强要参数。两者都随着光照强 度的增强而增大；所不同的度的增强而增大；所不同的 是是Isc随光照强度线性上升，随光照强度线性上升， 而而Voc则成对数式增大。当则成对数式增大。当 光生电压增大到光生电压增大到pn 结势垒消结势垒消 失时，即可得到最大的光生失时，即可得到最大的光生 电压电压Vmax ，因此，因此Vmax应应 等于势垒高度等于势垒高度VD，与材料掺，与材料掺 杂程度有关。实际上杂程度有关。实际上Vmax 与禁带宽度与禁带宽度Eg相关。相关。 1、光电池的电流电压特性、光电池的电流电压特性 81 实际的太阳电池存在着串联电阻和

56、分流电阻。考虑到串联实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻。考虑到串联 电阻和分流电阻作用的特性，公式以及等效图如下：电阻和分流电阻作用的特性，公式以及等效图如下： 1、光电池的电流电压特性、光电池的电流电压特性 串联电阻：体电阻、串联电阻：体电阻、 接触电阻、扩散层接触电阻、扩散层 横向电阻与金属电横向电阻与金属电 极电阻。通常小于极电阻。通常小于 11 并联电阻：表面污并联电阻：表面污 染、边缘漏电、耗染、边缘漏电、耗 尽层复合电流等原尽层复合电流等原 因造成的。一般为因造成的。一般为 几千欧几千欧 82 表征太阳电池的电性能参数的主要是：开路电压表征太阳电池的电性能参数的主要是：开路电压

57、 （VOCVOC）、短路电流（）、短路电流（ISCISC）、填充因子（）、填充因子（FFFF）、）、 和转换效率（和转换效率（ ） ，还有并联电阻（，还有并联电阻（RshRsh）和串）和串 联电阻（联电阻（RsRs）。）。 （1 1）开路电压）开路电压VocVoc 当电池的负载阻抗无限大时，光照产生的输当电池的负载阻抗无限大时，光照产生的输 出电压。出电压。 （2 2）短路电流）短路电流IscIsc 当电池的负载阻抗为零时，光照产生的输出当电池的负载阻抗为零时，光照产生的输出 电流。电流。 83 典型的太阳能电池典型的太阳能电池I-VI-V特性曲线特性曲线 （3 3）最大功率点）最大功率点 m

58、ax PUIP mmm 通常太阳电池所通常太阳电池所 标明的功率，是标明的功率，是 指在标准工作条指在标准工作条 件下最大功率点件下最大功率点 所对应的功率。所对应的功率。 2 2、太阳能电池的主要技术参数、太阳能电池的主要技术参数 84 典型的太阳能电池典型的太阳能电池I-VI-V特性曲线特性曲线 （3 3）最大功率点）最大功率点 max PUIP mmm 通常太阳电池所通常太阳电池所 标明的功率，是标明的功率，是 指在标准工作条指在标准工作条 件下最大功率点件下最大功率点 所对应的功率。所对应的功率。 2 2、太阳能电池的主要技术参数、太阳能电池的主要技术参数 85 1.2.4 太阳能电池的基本特性 1.2 太阳能电池的原理和特性太阳能电池的原理和特性 2、有关太阳电池的性能参数 1、开路电压 开路电压UOC：即将太阳能电池置于100 mW/cm2的光源照射下，在 两端开路时，太阳能电池的输