光伏发电课程学习资料1、2要点

1、课程太阳能电池基础与应用学习讲义课程简介：从半导体基础理论及光伏电池的基本原理出发，首先，讲述应用最为广泛的晶体硅太阳能电池、硅系和化合物半导体薄膜太阳能电池的结构、特性、工艺特色及技术发展等，对染料敏化、有机、聚光太阳能电池等也做了简单介绍。其次，讲述了光伏发电系统的基本组成和性能，介绍了离、并网发电以及二次电池等能量存储器件。最后，叙述了光伏发电的常规应用及应用示例，同时结合太阳能电池领域的新发展，对更高效率光伏电池的新概念进行了综合的介绍与展望。本课程主要介绍了太阳能光伏发电的理论、技术和应用。教学分为7个章节，共 32个学时，目的是让学生对光伏发电这种新能源方式有一个简单而全面的认识。

2、本课程主要内容包括：太阳能的特点； 太阳能电池的发展历史；太阳能光伏发电的物理化学基础知识，如光伏发电原理、电池分类、光伏发电材料的基本特征及电池特性评价等；各类不同光伏电池的材料、结构特性及其制备工艺； 太阳能电池的最新发展及应用方式；光伏发电系统概述等；本课程主要根据实际应用的广泛程度，着重介绍晶体硅太阳能电池、硅系和化合物半导体薄膜太阳能电池、对有机太阳能电池也做了简单系统的介绍。本课程从光伏电池组件到发电系统，对光伏发电技术的离、并网发电及其重要组成部 件做了讲述，并重点介绍了二次电池等能量储存器件。同时举实例介绍了光伏发电系统设计的一些基础参数和设计常识。本课程最后介绍了国内外光伏发

3、电系统的主要应用实例及其发展趋势，对全球光伏发 电前景进行了展望。课程参考书目（目前无固定教材，下述书籍都可作为参考教材使用，教程进度基本符合）重点推荐：太阳能电池工作原理、技术和系统应用/ （澳大利亚） m.a.green编著，狄大卫等译，上海交通大学出版社（2010）应用光伏学/（澳大利亚）s.r.wenhanm, m.a.green等原著，狄大卫等译，上海交通 大学出版社（2008）太阳能电池基础与应用/熊绍珍，朱美芳主编，科学出版社（2009）太阳电池：材料、制备工艺及检测/tom markvart, luis castaner编著，梁骏吾等译，机械 工业出版社 （2009）太阳能光伏

4、发电系统设计施工与应用/李钟实主编，人民邮电出版社（2012）请注意：根据课程进度的学习资料，仅供本课程学习参考用。61第一章太阳能和太阳能资源本章概述及学习要点：本章从能源及其分类出发，结合现代科技、生活发展现状，认识能源危机和环境污染下太阳能利用的巨大价值，了解太阳光能的特征，阐述选择光伏发电这种能源形式作为主要发 展对象的理由。要点：1) 了解目前全球和我国的能源分布和使用状况，提出对应措施；2) 了解目前国内外绿色能源和新能源发展概况3) 了解什么是太阳能4) 了解太阳能中的光能5)认识太阳能的巨大价值，说明利用太阳光能的光伏发电是目前创造社会发展与能源需求 平衡的最佳能源形式。概念：

5、标准煤：标准煤亦称煤当量，具有统一的热值标准。我国规定每千克标准煤的热值为7000千卡。例如汽油为1 . 4714公斤标煤/公斤；标准油(油当量 oil equivalent) : 1吨油当量=1.4286吨标准煤参考文献：中国新能源产业十二五”发展规划翁史烈，中国工程院院士，专题讲演 第一节能源的分类能源定义：能源是指可产生各种能量(如热量、电能、光能和机械能等 )或可作功的物质的统称。1按其形成和来源分类：(1)来自地球外部天体的能源 (主要是太阳能)。除直接辐射外，还有煤、石油、天然气、水能、风能、生物能等源自太阳而形成的能量形式。(2)来自地球内部或地球本身蕴藏的能量，如：核能、地热能

6、。(3)地球和其他天体相互作用而产生的能量。如潮汐能。2按开发利用状况分类：(1)常规能源，如：煤、石油、天然气、水能、生物能。(2)新能源，如：核能、地热、海洋能、太阳能、沼气、风能。3按属性分类：(1)可再生能源，如：太阳能、地热、水能、风能、生物能、海洋能。(2)非可再生能源，如：煤、石油、天然气、核能。4按转换传递过程分类：(1) 一次能源，直接来自自然界的能源，及天然能源。如：煤、石油、天然气、水能、风 能、核能、海洋能、生物能。(2)二次能源，由一次能源加工转换而成的能源产品，如：沼气、汽油、柴油、焦炭、煤气、蒸汽、火电、水电、核电、太阳能发电、潮汐发电、波浪发电等。5其他：例如按

7、照使用时获得能量的方式，可分为化石能源(煤、石油、天然气)和非化石能源等等。第二节 能源危机和环境污染一 世界能源存储概况世界能源储量分布是不平衡的。石油储量最多地区是中东， 占 56.8% ；天然气和煤炭储量最多是欧洲，各占 54.6%和 45%。亚洲大洋洲除煤炭稍多（占18%）以外，石油、天然气都只有 5%左右。根据 bp 世界能源统计报告2004报告，目前非再生能源已探明的存量状况为：石油：资源的储量为10195 亿桶，可供开采43 年，高成本油田可供人类开采240 年；天然气：埋藏量为 144 万亿立方米，可开采63 年，高成本气田可供开采452 年；煤炭：埋藏量 10316 亿吨，可

8、开采231 年；铀：已探明储量436 万吨，可供 72 年使用（海水中的铀可供使用 1 万年，利用钚为燃料的增值核反应堆可使用 100 万年）；利用热核反应，海水中的锂能源可开采年限为 1600 万年 （dt 反应） ，而利用重水的dd 反应，则开采年限为 60 亿年。虽然探明的可开采量逐年递增， 但相比生产和消费量的增长趋势其前景仍然堪忧。 可以看出，人类必须要改变依赖传统化石能源的消费习惯。世界能源储量最多是太阳能，在再生能源中占99.44，而水能、风能、地热能、生物能等不到 1。在非再生能源中，利用海水中的氘资源产生的人造太阳能（聚变核能）几乎占 100，煤炭、石油、天然气、裂变核燃料加

9、起来也不足千万分之一。所以，人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发展的能源保证。二 我国能源特点（种类丰富，储存量普通，人均储存量低，消耗量大，利用效率低）我国能源种类丰富， 世界各国有的能量资源我国都有。我国煤炭资源（探明储量） 和水力资源均居世界第一位； 石油资源占世界第十一位； 天然气资源占世界第十四位； 太阳能资源居世界第二位；潮汐、地热、风力和核燃料资源都很丰富。但人均占有量很少，只有世界平均水平的一半。我国太阳能和风能资源丰富，有很大利用潜力。我国是全球最大的煤炭生产国和消费国，全球最大的水电生产国。 2009 年中国的一次能源生产总量为 28.0 亿吨标准煤， 其

10、中煤炭占 77.5%、石油 9.4%、天然气 3.8% ， 其他 （水电、核电、风电） 占 9.3% 。 2009 年中国的一次能源消费总量为 30.5 亿吨标准煤， 其中 ， 煤炭 70.0%、石油17.8%、天然气3.9%、水电、核电7.5%， 其他非化石能源（风电、太阳能和生物质能 ）0.8% ， 2009年2010 年开始，我国能源消费成为世界第一，占全球总消费 20%以上，美国 19%以上，俄罗斯6%左右。 2011 年我国能源消费总量34.78 亿吨标准煤。未来20年，我国能源消费增速将保持年均4.5%，煤炭累计需求826 亿吨，石油 120 亿吨，天然气5.8 万亿立方米，需求高

11、峰期将在2030-2035 年间到来。中国能源消费结构与世界能源消费结构相比存在较大的调整空间。在一次能源消费中 ，石油在中国的消费比重为17.8%， 世界平均水平为 34.8%， 中国比世界平均水平低17 个百分点 ； 天然气中国消费比重为 3.9% ， 低于世界平均水平（23.8%）20 个百分点左右， 而中国的煤炭消费比重高达70.0% ， 高于世界平均水平 （29.4%）40 多个百分点 。 目前中国的总体能源利用效率为33左右，比发达国家低约10 个百分点。三 能源与环保能源消耗对生态环境的影响日益突出，化石燃料的使用是co2 等温室气体增加的主要来源。科学观测表明，地球大气中 co

12、2 的浓度已从工业革命前的 280ppmv 上升到了目前的379 ppmv ；全球平均气温也在近百年内升高了0.74 ，特别是近30 年来升温明显。从中国情况看，能源结构长期以煤炭为主，煤炭生产使用中产生的so2、粉尘、co2等是大气污染和温室气体的主要来源。气候变化对能源发展影响加大，低碳和无碳能源成为新热点。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，在一次能源消费构成中，煤炭的份额比世界 平均值高41个百分点。调整能源消费结构的目的就是为了降低碳排放、实现低碳发展。按 单位热当量燃料燃烧后排放的二氧化碳计算，煤炭是石油的1.3倍，天然气的1.7倍,核电、水电和其他可再生能源低排放或者零排放。替

13、代煤炭和石油的清洁能源增长迅速，煤炭和石油在一次能源总需求中的份额将进一步下降，天然气、核能和可再生能源的份额将不断提高。预计在 2030年前，石油、天然气和 煤炭等化石能源仍将是世界的主流能源。各国把核能、水能、风能、太阳能、生物质能等低 碳和无碳能源作为今后发展的重点。典型非碳能源有：太阳能；生物质能；风能；氢气；潮汐能；地热能；核聚变能利用技 术，水力发电也可计入。四我国近期能源政策十二五”以来，中国能源结构调整重点围绕非化石能源比重增加和碳减排两个目标展开， 我国在哥本哈根大会上提出的目标：一是到2020年，非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右；二是到 2020年单位 gdp二

14、氧化碳排放强度比 2005年下降40%45%。至u 2015 年,煤炭在一次能源消费中的比重将从2009年的70%从上下降到63%左右，天然气、水电与核能以及其他非化石能源（主要是风能、太阳能和生物质能）的电力消费比重将从目前的3.9%、7.5%和0.8%上升至ij 8.3%、9%和2.6%）。2015年一次性能源供应能力按照 43亿吨标 准煤安排，其中非化石能源生产能力为4.7亿吨标准煤。核电规模达到3900万千瓦以上，水电装机规模至少达到 2.7亿千瓦以上，风电须达到 1亿千瓦以上，太阳能发电装机容量达 到500万千瓦，2012年重新规划后太阳能发电装机容量调整到2100万千瓦以上。201

15、4年计划新规全国装机容量 12gw,上半年在建项目约 3.7gw,国内光伏装机目标逐渐上调，表 明以国外市场为主的光伏市场将逐步转向国内。第三节太阳和太阳能一什么是太阳能太阳不断地进行核聚变反应，内部温度高达2x107k,表面6000k ,其能量通过辐射的方式到达地球，其辐射强度及频谱相当于温度为6000k的黑体辐射。所产生的能量约相当于3.75 m 023千瓦的功率，其中约22亿分之一能到达地球的大气高层，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨标煤。太阳辐射的波长范围很宽，可从数纳米到数千纳米。太阳辐射穿过地球大气层时，由 于吸收和散射，只有波长较长的辐射才能到达大气低层；大部

16、分较短的辐射波在电离层即被氮、氧等吸收，大部分紫外线被臭氧吸收，还有很多太阳辐射能被大气中的水蒸气吸收。因 此，到达地面的太阳辐射中，98%的辐射波长为0.33微米，最后约8.5 m013kw到达地球表面，每年地球表面的太阳辐射能约81万亿千瓦时，相当于全世界发电量的几十万倍。我国太阳能资源丰富，太阳能在三分之二的国土上的年辐射量超过60万焦耳/平方厘米，每年地表吸收的太阳能大约相当于17万亿吨标准煤的能量，开发利用前景广阔。太阳能既是一次能源，也是可再生能源，其优点是（1）普遍；（2）无害；（3）巨大；（4）长久；缺点也显而易见：（1）分散性；能流密度很低，例如北回归线附近即使夏季晴朗时，垂

17、直面正午太阳辐射的强度也只有1000w/平方米。若按全年日夜平均， 则只有200w左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右；（2）不稳定性；（3）低效率高成本。二光伏发电常用太阳能相关参数1）太阳常数：在平均日地距离时，在地球大气层的上界，在垂直于太阳光线的平面上，单 位时间内，在单位面积上所获得的太阳总辐射能的数值，13677w/m22）大气质量am （airmass）:指太阳光束穿过大气层的光学路径，表示了太阳光线通过大气 层的路程对到达地球表面的太阳辐射的影响。am-1/cos（）；是太阳入射角（入射光同地面垂直方向的夹角）。入射角越大， am越大，光达到地面所经过的路程就越长

18、，大气中各 种吸收对入射光的影响就越大。因此am不同代表了入射光的频谱分布不一样，对于对光波长非常敏感的光伏电池来说是非常重要的参数。am0 :地球大气层外的太阳辐射am1 :穿过1个大气层的太阳辐射（太阳入射角为0）am1.5 :太阳入射角为 48 的太阳辐射。3）太阳能电池标准测量光照条件：am1.5 , 1000kw/m2, 25c。4）日照时数 峰值日照小时数据：每日的日平均日照水平的一种，按照每日最强辐射量来平均总 辐射量得到的小时数； 日照小时数据（ssh）:描述了在一个给定的时间段 （一个月）中，每天超过210w/m2 辐射强度的日照小时数；同地球纬度关系很大，准确度较低，可用根

19、据大量统计数 据得出的经验公式表达； 典型气象年（tmy ）数据：从历史记录中所选取的代表该月的典型”气象数； 人造卫星云图的数据以及卫星数据的日照估算：可详细记录云层覆盖特征，对阴晴 天气的百分比记录准确； 标准日照小时数据： 每日的日平均日照水平， 按照标准辐射量 （1000w/m2）来平均 总辐射量得到的小时数。在估算太阳能电池的发电量时，大多时候采用标准日照小时数据来进行计算。三太阳能的利用根据太阳光频谱可将太阳光分为三个部分：紫外部分；可见光部分；红外部分。前两者 主要表现为光的形式，紫外光能量非常高，破坏力大，不容易转化为可应用的能量；红外部 分主要以热的形式表现出来。太阳能的直接

20、利用方式分为两大类，利用热能和利用光能。根据能量转化方式可分为光热技术和光电技术两大类，后者根据电能产生的方式又可以分为太阳能热发电和太阳能光发电两大类，分别包括热伏电池、太阳能热发电和光伏电池等。1）直接转化为热能的利用这种能量利用方式也被称为光热利用。 例如用太阳能集热器将太阳光能转变为物质内能 而储藏起来，比较著名的有太阳能热水器，以及光照后结构产生可逆变化的热储能材料等等。 这里太阳光频谱中的红外部分起到了主要作用。2）由热能转化为电能的利用也被称为太阳能热发电。 将吸收的太阳辐射热能转换成电能的发电技术称太阳能热发电 技术，它包括两大类型：一是利用太阳热能直接发电；二是太阳热能间接发

21、电，就是利用光 一热一电转换，即通常所说的太阳能热发电。太阳热能直接发电主要是指将太阳光谱中的热能直接转换为电能的发电方式，主要有电解质热伏电池、利用pn结两端温度差产生电压的半导体温差电池等等。热能间接发电其实是光热技术的一个延续，其主要模式还是利用太阳光产生热能然后驱动发电机发电，太阳能频谱中的红外部分是主要利用对象。 3）由光能转化为电能的利用也被称为太阳能光发电。太阳能光发电技术是指不通过热过程直接将太阳的光能转换成 电能的太阳能发电方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电、光生物发电，其中光伏发电是太阳能光发电的主流，通常所说的太阳能光发电就指光伏发电。光伏发电是根据光生伏打效应

22、原理，利用太阳能电池（光伏电池）将太阳能直接转化成 电能。这种发电方式主要利用了太阳能频谱中的紫外和可见光部分。第二章光伏电池基础理论第一节半导体基础第二节半导体pn结第三节光伏电池基础第四节光伏电池发展史本章概述及学习要点（扩展）：本章从半导体材料导电特性及其基本原理出发，阐述了太阳能光伏电池的物理化学基 础。重点介绍了基于半导体 pn结的光伏电池的基本结构及其电力输出的基本特性；介绍了 光伏电池的发展历史，总结了光伏电池的类型及其分类方式，说明了常用的光伏电池及其效率。重点参考书目：半导体物理学，刘恩科等编， 西安交通大学出版社 出版日期：1998-10-01学习要点：1）什么是半导体，它

23、的基本物理特性是什么。2）半导体的导电特性；3） pn结形成及其导电特性；4）光伏电池的基本结构，光伏发电的物理过程及其输入输出特性。5）光伏电池效率及影响效率的因素。第一节半导体基础知识材料根据其导电性能的高低，可以顺势分为金属导体、半导体和绝缘体三大类。半导体 材料的导电性介于其余两者之间，最为重要的是在某些特殊情况下，半导体的导电性能可以在导体和绝缘体之间转换，因此它成为了现代电子工业中的基础材料。 一半导体定义材料是否是半导体，可以根据电阻率做大致的分类。金属材料电阻率小于 10-4dcm,绝缘材料电阻率大于 109fcm,半导体材料电阻率介于他们中间。 （一）半导体材料的晶体结构半导

24、体的特殊物理性能同其材料结构是密不可分的。常温下半导体材料多数属于晶体材料。晶体和非晶体是固体材料的两大分类。由原子规则排列所组成的物质是晶体，原子无规则排列所组成的物质为非晶体。晶体材料又分为单晶和多晶，在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。 1.晶胞和晶体结构晶体中对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。 大多数半导体材料属于立方晶系，常见的晶胞有a）简单立方；b）体心立方；（c）面心立方等，这几种晶胞或者它们的不同叠加组合形成了半导体材料的晶体结构。半导体中比较著名的晶体结构 有：a）金刚石结构，

25、它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1/4互相套构而成，常见于单体元素组成的半导体，例如硅、错等； b）闪锌矿结构，同金刚石结构一样，也可看成为 是由两套面心立方格子沿着体对角线方向措开1/4对角线长度而套构起来的，只不过这两套格子的化学元素不同，例如 gaas晶体，其中一套是 as原子的面心立方格子，另一种是ga原子的面心立方格子。2 .晶面和晶向通过晶格中任意两格点可以作一条直线，而且通过其它格点还可以作出很多条与它彼此平行的直线，而晶格中的所有格点全部位于这一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列，晶列的取向称为晶向。同样，晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，这些平

26、面就称为晶面。每个晶面的垂直方向也就是晶向。晶面指数( indices of crystal face)和晶列指数(indices of crystal array)都是晶体的常数。晶列指数指一组能表示晶列方向的数，即晶列上一个格点相对于另一个格点(原点)的位矢。立方晶系中，可用格点在三个坐标轴上的投影化为互质后表示，一般记为111213,具有相同晶列指数的晶列簇记为 111213。图2-1给出了立方晶系中的一些常用晶列指数。图2-1晶列与晶列(晶向)指数晶面指数是晶面在 3个结晶轴上的截距系数的倒数比，当化为最简单的整数比后，所得出的3个整数称为该晶面的米勒指数( miller indice

27、s)。一般记为(hkl),例如(110), (111) , ( 112)等。晶面指数的确定方法如下：1 .对晶胞作晶轴 x、y、z,以晶胞的边长作为晶轴上的单位长度；2 .求出待定晶面在三个晶轴上的截距(如该晶面与某轴平行，则截距为8),例如l、1、8, 1、1、1, 1、1、1/2 等；3 .取这些截距数的倒数，例如 110, 111, 112等；4 .将上述倒数化为最小的简单整数，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，口。“品面itin品面1门11品面)图2-2立方晶系里几种常用到的晶面当截距为负时，在指数上方加一短横，如果晶面和某个晶轴平行，截距为8 ,相应指数为零，同类型白晶面通常用 hk

28、l表示。图2-2是立方晶系里几种常用到的晶面。3 .晶体结合的基本方式:_原子以何种方式结合成固体，完全决定于其得到或失去电子的能力，即电负性(electronegativity )。离子结合：原子间交换电子，形成正负离子，之间相互库仑作用结合成固体。共价结合：相邻原子共用电子对形成共价键。金属结合:价电子共有化形成负电子云，正离子浸泡在电子云中。范德瓦尔结合：发生在饱和电子结构中，相互作用靠很弱的瞬时偶极矩。半导体材料大多数为共价结合。原子之间形成共价键。两原子的两个价电子为两原子共故形有。电子云集中在两原子核之间，同时受到两个原子核的库仑吸引作用，库仑能下降，成共价键。因此共价键形成必须是

29、未成对电子。以硅原子为例，si的原子组态为：(1s)2 (2s)2 (2p)6 (3s)2 (3p)2稳定电子价电子实际上硅原子的最外层电子sp3杂化，价电子的组态为：(3s)2 (3p)2 一 (3s1) (3px) (3py)(3pz),组成了新的4个轨道态，有四个未成对电子，形成四个共价键。4 .晶格缺陷晶格缺陷分3类：点缺陷:间隙原子和空位。线缺陷:位错。面缺陷:层错。其中，点缺陷的类型分为：弗兰克尔缺陷：原子热运动，少量原子离开格点位置进入间隙形成空位间隙原子对。 肖特基缺陷:单一空位的缺陷。(二)半导体中的电子状态1 .半导体的能带结构1)能带的起源：孤立原子周围的电子能量分布是不

30、连续的，在原子中内层电子受原子核束 缚较紧，相应的能量较小，外层电子(价电子)能量较大。电子按照不同的能量轨道在原子 核外运行。一个电子轨道对应于一个电子能级(例如1s, 2s, 2p)。而当两个原子靠近时，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，因此一个电子能级会分裂成2个，如果n个原子之间存在这种相互作用，则一个电子能级讲分裂成非常接 近的n个能级，形成能带(如图2-3所示)。在半导体晶体结构中，晶体由大量原子组成，原子之间存在相互作用，原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能 级。这些新能级基本上连成一片，形成能带 (energy band)。这些

31、分裂的能级构成的能带可以 被电子占据，能带和能带之间没有电子存在，被称为禁带，也被称为带隙。共有化能带原子能服原子仙道图2-3从孤立原子的原子轨道到晶体能带2)半导体能带结构特性晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一条能级上。能带中电子的排布服从泡里不相容原理和能量最小原理，即电子的填充从能量低的能级到能量高的能级，每个能级最多能填充2个电子。没有电子填充的能带被称为空带。完全被电子填满的能带不能提供电子移动 的空间，是不能导电的，又被称为满带或价带。未被电子填满，具有空的能级，可以起导电作用的能带又被称为导带，其在有外加电场时可以产生电流。当然，更加严格的定义是：价带：绝对零度时，被电子占

32、据的最高能带（ev）导带：绝对零度时，未被电子占据的最低能带（ec ）导带底和价带顶之间的能量差被称为禁带或带隙宽度，其能量值也可分别用ec和ev表不。在实际情况下，电子总会因为某些外来的能量， 例如热能，光能等等而从其本来所处能 级位置跃迁到更高的能级。同一能带中各能级能量非常接近，电子基本上处于共有化的状态； 不同能带之间的能量差，也就是说禁带宽带如果不大，电子也会有较大几率从能量低的能带 跃迁到能量高的能带，并同时在能量低的能带中留下未被电子占据的能级空位。半导体、金属和绝缘材料的特点也可以从能带结构来说明。如下图（图 2-4）所示。导带导带图2-4能带结构示意图金属材料有两种状况， 一

33、是金属中存在半满带，二是一个满带同一个空带部分重叠,致空带成为只有部分被电子填充的能带，当外加电场时，两种情况下电子都可以在能带中移 动，因此金属具有良好的导电性能。绝缘体和半导体只有一系列满带和一系列空带，不存在半满带，最上面的满带叫价带,最下面的空带叫导苴一 导带底与价带顶之间的能量间隙称为禁带（也叫能隙），禁带宽度用eg表示。绝缘体和半导体的差异在于禁带宽度，eg在1ev附近的称为半导体，热激发时满带不满，空带不空，有一定的导电性； eg大于5ev的称为绝缘体，电子很少激发，因而几乎 不导电。3）量子力学和固体物理对能带的描述前面定性的讲述了半导体能带的来源和基本特征，实际上在半导体物理

34、中， 半导体的能带结构可以根据量子力学和固体物理的相关理论、假设和公式进行计算，实验证明，计算出的各类半导体材料的能带结构和材料特征是相符合的。量子力学最著名的公式就是薛定渭方程。薛定谓方程反应了物质的波粒二象性，采用了波函数来描述微观粒子的运动状态，即势场中粒子状态随时间的变化，也称微观粒子波动方程。只要知道势场的具体形式就可求解该方程得到粒子波函数的具体形式，从而得出粒子的(2-1)(2-2)运动状态和能量状态。它的基本形式是：-=-#2 +u (r)y t 2m ( )般设定势场u（r）与时间t无关，因此波函数可以写成分离变量的形式:i?l?9?f (t) = exp( - et )厅2

35、2m? y (r) u(r)y(r)= ey (r)我们一般将不含时间变量的方程作为电子运动的薛定谓方程来简化计算。没有势场作用 时(u=0)的一维自由电子的解的形式是：y(x)= aexp(ikx)(2式中，称k为波矢，单位是长度单位的倒数。 自由电子能量和波矢的关系图 (e-k曲线) 是一个过原点的抛物线。此时 e=/k2/2mb , (m0为电子有效质量)，可知 k可以连续取 值，自由电子的波函数，表示一平行于 x轴传播的平面波。实际晶体中，电子是在晶格中所有格点上的离子实及其所有的电子共同所产生的势场中 运动，这个势场具有与晶格相同的周期性，一维周期性势场中的薛定谓方程可写为：2 d

36、2y (x)(2-4)2m-dx(2-)+v(x)y(x)= ey(x)波函数可以写成平面波的形式，但平面波的振幅是一个与晶格周期性势场有相同周期 的函数，a是晶格常数。即：(2-5)(2-6)y (x)=l (x)exp(ikx)uk(x) = uk(x+na)边界条件 y(x + na) = y(x),边界处 k = 2p 1/na, (1=0,北1, 2,w)这里的k为波矢，单位是长度单位的倒数。为了计算方便，我们常把以k为变量的空间称为k空间，在k空间中形成了倒格子结构，同正常空间的晶格结构成傅里叶变换的关系。k是一个矢量，其大小通常也被表示为2泞%这里上是平面波的波长，方向是波传播的

37、方向。可以看出，晶体中电子的波函数是一个调幅的平面波，那么电子在周期势场中所受作用怎么表达呢，有几种常用的假设， 其中最有名的是准自由电子近似，把晶体的周期势场看为一个弱势场，认为是对自由电子情况下的微扰。这样，自由电子波函数和能量可以作为零级近似函数和零级近似能量。此时求得的电子的能量与波矢不再存在简单的抛物线关系，而出现复杂的依赖关系，在边界处电子的能量不连续，即电子不允许取某些能量值，如下图(图2-5) 所示，形成能带和禁带。(a)图中虚线所示抛物线是自由电子的能量分布曲线。图2-5准自由电子近似计算的电子能量与波矢关系曲线(一维)对于半导体材料来说，e(k)函数的不同决定了其许多重要物

38、理性质的不同。e- k关系和半导体能带结构可以有多种表示方式,采用原点所在的第般在描述半导体能带结构时，布里渊区的e-k曲线，如图2-5(c)。三维状态下的情况更为复杂，因为不同方向的能量在布 里渊区边界的e(k)都是间断的，但不同方向断开的能量大小不同，因而有可能使能带发生一定交叠。另外，e(k)函数也可以采用等能面的方式表示，此时e(k)=常数，k空间是一个曲面。对于半导体材料来说，最值得关心的是导带底和价带顶的性质，这决定了半导体的禁带宽度(eg),也决定了半导体的大部分光电性能。对太阳能电池来说，禁带宽度决定了可以利 用的光的波长范围，因为光照射半导体从而激发价带电子到导带形成电子空穴

39、对时，所吸收光子的能量要大于半导体的禁带宽度。半导体材料的导带底和价带顶特性不仅决定了禁带宽度，根据它们对应的波矢k的不同，导致了两种不同的光的吸收过程，半导体材料因而也分为直接半导体和间接半导体。图2-6 直接带隙半导体和间接带隙半导体的能带结构特征4)直接带隙半导体：价带顶和导带底有相同的k,(如图2-6甲)。位于价带顶和导带底的电子只有能量差，电子动量不变。电子吸收光子跃迁为竖直跃迁，电子能量差等于光子等量。 这类半导体称为直接禁带半导体，常见的半导体中insb, gaas, inp等都属于直接禁带半导体，最大的特征是光吸收系数较大，或者电子从高能态回到低能态时容易通过放出光子的 形式来

40、消耗能量，因此常用来做光学器件。5)间接带隙半导体：价带顶禾口导带底不在相同的k上，(如图2-6乙)。位于价带顶和导带底的电子不仅有能量差，还伴随动量改变。动量可以用p=rk表示，此时在电子吸收光子而跃迁时，为了保持电子动量的守恒， 必须要伴随着吸收一个声子，由光子提供能量变化，声子提供准动量变化。晶体中的声子多数来源于晶格的振动。此时跃迁不再是竖直跃迁。这类半导体称为间接禁带半导体，常见半导体中ge, si等都属于间接禁带半导体。由于跃迁需要光子，声子二维作用，所以跃迁几率大大减小，复合几率小，光吸收系数或荧光效应等都较弱，因此常用来做电子器件。总之，实际上半导体的能带结构非常复杂，不同晶向

41、上的e-k关系也有非常大的差别，涉及到非常复杂的计算过程，图2-7给出了一个实际半导体能带分布的例子，可以看出不同晶向上的e-k曲线完全不同，价带顶的位置虽然基本相同， 但导带底所处的位置有较大差异， 这导致了半导体电子跃迁类型的不同。在处理半导体相关问题时，我们常说的能带结构主要表示了价带顶和导带底所处的能量位置的不同，如图2-4所示。4 -与 ioo波矢 ts 3 俯、硅和璋化煤隹不同品向111和 。岫上的e k能带囤.调部g6q雷0.com图2-7 ge , si和gase在不同晶向上的 e-k能带图图中r是指brillouin区中心， x是指brillouin区边缘与100轴的交点，l

42、是指brillouin 区边缘与111轴的交点。关于 brillouin （布里渊区）的更为详尽的资料，可以参考一些材 料物理或者固体物理的书籍，例如黄昆的固体物理学，h.琼斯的晶体中的布里渊区和电子态理论等。6 .描述半导体能带的一些常用概念。能带是由许多准连续的能级组成的，同半导体材料的光、电等性能密切相关。 在描述半导体能带特性时常用以下一些概念。满带:排满电子的能带；空带:未排电子的能带；价带（valence band）:也称为价电带，对于半导体或绝缘体来说顾名思义是指被价电子占据的允带（注意金属价电子所处能带是导带） 。更严格的说是指半导体或绝缘体中，在 0k时 能被电子占满的最高能

43、带。 价带中填满电子时电子无法运动， 因此不能产生电流， 但价带中 的电子可以在外界条件帮助下（光、 热等）吸收足够能量而跳入下一个容许的最高能区，从而使价带变成部分充填，此时价带中留下的电子可在固体中自由运动从而产生电流。导带（conduction band ）:价带以上能量最低的允许带。对半导体和绝缘体来说电子在光， 热等外界条件作用下从满带（价带）跃迁到能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带一一导带。导带中往往只有少量的电子，大多数状态（能级）是空着的，故导带中的 电子能够导电。禁带（forbidden band）:不能排电子的能带。在能带结构中能态密度为零的能量区间。常用 来

44、表示价带和导带之间的能态密度为零的能量区间。能隙或禁带宽度（bandgap; energy gap）:在固态物理学中泛指半导体或绝缘体的价带顶端 至导带底端的能量差。禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有绝缘体性质。半导体的禁带宽度较小， 当温度升高时，电子可以被激发传到导带，从而使材料具有导电性。绝缘体的禁带宽度很大，即使在较高的温度下，仍是电的不良导体。导带的底能级表示为 ec,价带的顶能级表示为 ev,禁带宽度表示为 eg。半导体电子亲和能和电离能：半导体导带底到真空中自由电子能级的间距，称为半导体的亲和能，即是把一个电子从真空中移到导带底所需放出的能量，反映了半导体得到电子的

45、能力。电离能即为将电子从价带顶移到真空能级所需的最小能量。在多种半导体材料形成叠层结构时，材料电子亲和能同电离能的大小会影响界面能带的相对位置，导致能带的弯曲情况受到影响。7 .费米分布和费米能级图2-3描述了能带的起源，可以看出，允带是由一系列间隔非常小的非连续能量状态连 成一片组合而成的。这些非连续的能量态也可以被看成是能级。在描述半导体电子状态时费米分布和费米能级是非常重要的两个概念。让我们想象一下电子在能带中的填充状态。首先可以确定的是电子只能填充在能级上， 那么对于能带中数目庞大的能级，电子选择什么样的能级填充，每一个能级可以填充多少电子呢？量子统计理论用在给定能量e的量子态中有粒子

46、或没有粒子的概率来描述粒子的状态，它指出系统中所有微观粒子具有同一性，粒子在量子态上的填充遵从泡利不相容原理， 即一个量子态，只能被一个粒子所占据。满足这种条件的微观粒子被称为费米子。在半导体中，微观粒子对应电子，能级对应量子态(一个能级上可以填充自旋方向相反的两个电子， 也可以看成包含两个量子态)，电子是一种典型的费米子，在能带中的分布状态符合费米-狄拉克分布(fermi-dirac分布)。费米-狄拉克分布函数是粒子体系处于热平衡状态下的一 种统计分布规律，如式 2-7所示。式中的f(e)表示了在热平衡状态下，能量为e的一个能级被电子占据的概率。f (e)也被称为电子的费米分布函数，式中的

47、ef被称为费米能级，kb 是玻尔兹曼常数(请注意，本讲义中玻尔兹曼常数有时也简写为k,不要同波矢混淆)。(2-7)图2-8电子的费米分布和费米能级图2-8显示了能带中各能级对应的电子占据几率，即根据式2-1得到的电子费米分布函数。可以看出当温度对电子的费米分布函数有非常大的影响，主要可以分为两种情况：i)当温度为绝对零度时(t=0),能量大于 ef的能级被电子占据的概率为0,小于ef的能级被电子占据的概率为1,也就是说能量小于ef的能级被电子填满。参照上面给出的满带和价带的概念，这个时候的费米能级ef相当于价带顶的能级。ii)当温度大于绝对零度时(t0k),能级能量等于 ef (e= ef)时

48、，f(e) =1/2,即能级 ef被电子占据的概率为 50%；如果能级e1/2，说明低于ef 的能级电子占有几率大于50%;如果能级e ef ,则费米分布函数f(e) 5kbt 时，f（e） 0.007e-ef 0.993（2-8）从式2-8可以看出，能级稍微高于ef,电子的占有率就很低了。式2-8说明了温度不为绝对零度且不是特别高时，ef以上的能级基本上是空的，例如半导体导带中的自由电子很少，而且能级越接近ef,被电子占据的概率就越高，例如导带中的电子基本上位于导带底部；相反，ef以下的能级基本上被电子填满了，例如半导体价带中的电子空位（自由空穴） 也很少，而且基本上位于价带顶部。也就是说，

49、当温度高于绝对零度或变化时，基本上是价带顶和导带底的电子状态发生改变，这些电子的状态决定了半导体的导电性能，因此费米能级具有决定整个系统载流子分布的重要作用。对费米分布函数的每一能量值所包含的每个量子态求和，？f（ei）=n ，其结果等于总电i子数n,说明它描述了在热平衡状态下，能带中的总电子数。 因此反过来在决定费米能级的大小时，可用系统包含的电子总数n来决定。费米能级在能带中的位置与温度、半导体材料结构和组成等有关。对于金属晶体，价电子只能部分填满最外的导带，费米能级的位置在导带中，如果以真空能级为能量基点0ev,费米能级大小等同于金属的功函数（功函数是真空能级与费米能级之差）。在半导体中

50、，计算出来的费米能级的位置一般位于禁带中，实际上是一个不可以填充电子的能级，因此可以说是一个虚拟能级，是一个统计学上的概念。 半导体晶体的能带结构同绝缘体基本一致，区别只在禁带宽度的大小，在没有外来掺杂，价带中的电子空位和导带中的电子仅来源于价带中电子的能级跃迁时，费米能级位置基本位于禁带中心，且不随温度的变化而变化。但对于掺杂的半导体材料来说，随其中的杂质种类、杂质浓度以及温度的不同费米能级虽然一直处 于禁带内，但位置会发生变化。 费米能级如果靠近导带，说明电子浓度较高；费米能级如果靠近价带，说明材料中导电粒子的主体是空穴。关于费米能级更为详细的物理意义我们在后面讲述半导体光电特性时会进一步

51、说明。除了费米-狄拉克分布函数，另一个热平衡系统下的著名统计学分布规律：玻耳兹曼分 布函数（式2-9）在某些条件下也可以描述电子状态。玻尔兹曼分布条件下的微小粒子不用 满足泡利不相容原则，及一个量子态可以被一个或一个以上的粒子占据。从物理本质上讲电子不符合玻尔兹曼分布条件，但从数学上说，当粒子系统中的粒子非常稀少而量子态数目非常庞大时，粒子必须遵守的泡利不相容原理自动失去意义，因为此时系统中每一个量子态多于一个粒子占据的可能性非常小。ie - ef1c e-ef、efeff（e）= |十 exp 彘*? exp（-才尸ex哪方 expuke-ef kt 时，（2-9）前面已经说过，除去在ef附

52、近的几个kt处的能级外，能级为电子占据的几率很小。 即 在e- ef k1的条件下，费米分布和波耳兹曼分布这两种统计的结果是近似相同的，例如在描述导带底部的电子状态时， 这可以大大简化各种关于电子状态特性的计算。从式2-3也可以看出，随着能量的增大，电子填充几率快速下降，因此电子主要分布在导带底附近。（三）半导体的导电性任何材料要具有良好的导电性，必须有两个基本条件， 第一要有足够多的可以自由移动的电荷，即载流子；第二载流子在外加电场或其他外因下能够以足够快的速度定向移动一定的距离。我们从下面四点出发简单说明一下半导体的导电性：半导体中的载流子； 半导体中载流子的输送；半导体中的光生载流子；半

53、导体中载流子的复合。1 .半导体中的载流子半导体中的自由电荷，即载流子有两大类，一类是导带中的电子：电子（electron）,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。自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反的电流，自由电子始终在导带内运动；另一类是价带中的空位：空穴（hole）,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。价电子递补空穴形成的与外电场方向相同的电流，始终在价带内运动。根据载流子的产生方式，可以把半导体分为本征半导体和杂质半导体两大类。1）本征半导体及本征载流子：没有掺入杂质的纯净半导体被称为本征半

54、导体，本征半导体中的载流子也被称为本征载流子。本征载流子只有一个来源：位于价带中的电子受到外界因素，例如热、光等的激发， 从价带跃迁到导带，成为导带中的自由电子；同时在价带中留下一个电子空位，形成价带中的自由空穴。因此对本征载流子来说，电子和空穴总是成对出现的。导带中有一个电子，价 带中就一定有一个相应的空穴，它们的浓度一定相同。本征载流子的浓度同材料禁带宽度以及能带中所含能级密度有关。一般禁带宽度越低,电子从价带跃迁到导带的几率就越大，本征载流子浓度就越高。然而常温下一般半导体的本征载流子浓度还是比较低的，例如硅材料，在常温下本征载流子浓度约1010cm-3,导电率仅仅只有4.4ml0-6s

55、/cm,呈现出接近绝缘材料的导电特性。当然，绝缘材料由于禁带宽度大,正是因为本征半导体和绝缘材电子的自然热跃迁几率非常低，载流子浓度几乎可忽略不计。料电子浓度和空穴浓度相等，费米能级位于禁带正中央。除了用能带理论中电子的热跃迁来说明本征载流子的起源，我们还可以更直接的从半导体原子共价键结构上来描述本征载流子的起源，如下图图2-9晶体si中本征载流子的产生2-9所示。2）杂质半导体及其载流子：在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，使半导体的导电性发生显著变化的方法被称为半导体的掺杂。掺杂后的半导体被称为杂质半导体。本征半导体由于载流子浓度较低， 导电性非常差，而掺入特定元素的杂质后，载流子浓度及导电性能不仅可以大幅度提高，最重要的是可以定量控制。杂质半导体根据掺杂后增加的载流子类型分为n型和p型两种。其中n型半导体又被称为电子导电型半导体，顾名思义其中的主体载流子