第二章太阳能光电材料及物理基础

1、第二章第二章 太阳能光电材料及物理基础太阳能光电材料及物理基础 2.5 非平衡少数载流子非平衡少数载流子 2.6 p-n结结 2.7 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构 2.8 太阳能光电转换原理太阳能光电转换原理-光生伏特效应光生伏特效应 2.5 非平衡少数载流子非平衡少数载流子 非平衡载流子的产生、复合和寿命非平衡载流子的产生、复合和寿命 非平衡载流子的扩散非平衡载流子的扩散 非平衡载流子的运动非平衡载流子的运动非平衡载流子的非平衡载流子的基本性质及其运动规律基本性质及其运动规律（激发、运动、复合）（激发、运动、复合）光敏电阻光敏电阻二极管整流二极管整流晶体管的放大晶体管的放

2、大光电光电发光发光.半导体物理重要内容之一半导体物理重要内容之一半导体器件工作原理的基础半导体器件工作原理的基础 2.5 非平衡少数载流子非平衡少数载流子热激发（本征）热激发（本征）导带电子导带电子价带空穴价带空穴载流子复合载流子复合热平衡状态热平衡状态T1T热平衡载流子热平衡载流子：一定温度下，处于热平衡状态下的导电电子和空穴：一定温度下，处于热平衡状态下的导电电子和空穴热激发（本征）热激发（本征）导带电子导带电子价带空穴价带空穴载流子复合载流子复合热平衡状态热平衡状态T1处于热平衡状态的半导体，在一定温度下载流子浓度是一定的处于热平衡状态的半导体，在一定温度下载流子浓度是一定的平衡载流子浓

3、度平衡载流子浓度n0、p02i0gcv00)exp(nTkENNpn非简并半导体处于热平衡状态的判据式非简并半导体处于热平衡状态的判据式 本征载流子浓度本征载流子浓度ni只是温度的函数只是温度的函数 在非简并情况下，无论掺杂多少，在非简并情况下，无论掺杂多少，平衡载流子浓度必定满足上式平衡载流子浓度必定满足上式1.1.非平衡态和非平衡载流子非平衡态和非平衡载流子价带电子价带电子 晶格原子热振动获取能量晶格原子热振动获取能量 激发到导带激发到导带电子空穴产生电子空穴产生导带电子导带电子价带空穴价带空穴交给晶格原子多余的能量交给晶格原子多余的能量复合、消失复合、消失电子空穴复合电子空穴复合在单位时

4、间、单位体积内产生的数目在单位时间、单位体积内产生的数目Q产生率产生率在单位时间、单位体积内消失的数目在单位时间、单位体积内消失的数目R复合率复合率产生产生 复合复合稳态稳态相互平衡相互平衡热平衡状态（热平衡状态（动态、相对动态、相对）2i00npn费米或波耳兹曼分布）唯一的费米能级（服从非平衡态非平衡态：处于热平衡态的半导体，在外界条件作用下，破坏了：处于热平衡态的半导体，在外界条件作用下，破坏了 平衡条件，处于与热平衡态相偏离的状态。平衡条件，处于与热平衡态相偏离的状态。非平衡载流子非平衡载流子：比平衡状态多出来的部分载流子（过剩载流子）。：比平衡状态多出来的部分载流子（过剩载流子）。n

5、、p 表示非平衡状态的载流子浓度表示非平衡状态的载流子浓度n0、p0表示热平衡状态的载流子浓度表示热平衡状态的载流子浓度非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度n = n n0p = p p0 一般讨论一般讨论n0（或（或p0）即存在过剩载流子的情况）即存在过剩载流子的情况2.2.非平衡少数载流子注入及附加电导非平衡少数载流子注入及附加电导非平衡载流子的注入：非平衡载流子的注入：外界作用使半导体中产生非平衡载流子的过程。外界作用使半导体中产生非平衡载流子的过程。 光注入：适当波长的光照射半导体表面光注入：适当波长的光照射半导体表面 电注入：电注入：pn结施加正向偏压（结施加正向偏压（Why？） 光照产

6、生非平衡载流子光照产生非平衡载流子满足一定条件满足一定条件说明：说明： 一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度要少得多，浓度要少得多，n = pn0-（n型）型） n = pp0- （p型）型） 满足此条件的注入称为小注入。反之，称为大注入。满足此条件的注入称为小注入。反之，称为大注入。 即使在小注入的情况下，非平衡载流子浓度还是可以比平衡时即使在小注入的情况下，非平衡载流子浓度还是可以比平衡时的少数载流子浓度多的少数载流子浓度多 。 通常即说的非平衡载流子，通常即说的非平衡载流子，一般都是指非平衡少数载流子。一般都是指

7、非平衡少数载流子。n型半导体：平衡状态时的电子是多数载流子；型半导体：平衡状态时的电子是多数载流子； 非平衡态时注入的电子非平衡态时注入的电子n称为称为非平衡多数载流子非平衡多数载流子， 而注入的空穴而注入的空穴p称为称为非平衡少数载流子非平衡少数载流子。p型半导体：型半导体：平衡状态时的空穴是多数载流子；平衡状态时的空穴是多数载流子；非平衡态时注入的空穴非平衡态时注入的空穴p称为称为非平衡多数载流子，非平衡多数载流子， 注入的空穴注入的空穴n称为称为非平衡少数载流子非平衡少数载流子。4.4.非平衡载流子的衰减及寿命非平衡载流子的衰减及寿命(1)(1)光注入光注入(2)(2)光照停止光照停止光

8、注入引起附加光电导光注入引起附加光电导pVV,随时间按指数规律减少随时间按指数规律减少非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命外界作用消失后，非平衡载流子在导带和价带中有一定的生存外界作用消失后，非平衡载流子在导带和价带中有一定的生存时间，其平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，理论推导为时间，其平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，理论推导为非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度 衰减到原来数值衰减到原来数值1/e 1/e 所经历时间。所经历时间。 发射光子发射光子 发射声子发射声子 转移能量：（载流子间，转移能量：（载流子间，Auger）复合机构复合机构直接复合直接复合间接复合间接复合能量能量表表面面复

9、合中心复合中心放出放出1.1.直接复合直接复合定义：导带中的电子直接落入价带与空穴复合，使一对定义：导带中的电子直接落入价带与空穴复合，使一对 电子空穴消失。电子空穴消失。光或热光或热复合复合产生产生EcEv2.2.间接复合间接复合定义：非平衡载流子通过禁带中的杂质和缺陷能级进行的复合。定义：非平衡载流子通过禁带中的杂质和缺陷能级进行的复合。复合中心：对非平衡载流子的复合起促进作用的杂质和缺陷，复合复合中心：对非平衡载流子的复合起促进作用的杂质和缺陷，复合 中心能级越接近禁带中央，促进复合的作用也就越强。中心能级越接近禁带中央，促进复合的作用也就越强。间接复合的四个过程间接复合的四个过程(Nt

10、复合中心浓度，复合中心浓度，nt复合中心能级上电子浓度复合中心能级上电子浓度)过程前过程前过程后过程后1.1.非平衡载流子的扩散运动和扩散电流非平衡载流子的扩散运动和扩散电流非平衡载流子的扩散非平衡载流子的扩散扩散流密度：单位时间通过垂直于单位面积的载流子数，用扩散流密度：单位时间通过垂直于单位面积的载流子数，用S Sp p表示表示 xxpDxSddpp扩散系数扩散系数 浓度梯度浓度梯度 稳态扩散稳态扩散：扩散和复合达到平衡，内部各点少数载流子浓度扩散和复合达到平衡，内部各点少数载流子浓度不随时间变化。不随时间变化。 p22pddxpxxpD稳态扩散方程稳态扩散方程空穴的积累率空穴的积累率 p

11、pexpexpLxBLxAxppppDL 求解：求解：（非平衡载流子的扩散长度）（非平衡载流子的扩散长度） 复合而消失的空穴数复合而消失的空穴数2.2.非平衡载流子的漂移运动和漂移电流非平衡载流子的漂移运动和漂移电流|)(nn0nEqnEnnqJ漂非平衡载流子的漂移和扩散非平衡载流子的漂移和扩散|)(pp0pEqpEppqJ漂扩散和漂移同时存在时扩散和漂移同时存在时 ：xpDxnDqnpEqJJJdddd|pnnpnp小注入情况下：小注入情况下： （1）漂移电流是多子的主要电流形式漂移电流是多子的主要电流形式 。（2）扩散电流是少子的主要电流形式扩散电流是少子的主要电流形式 。 2.6 p-n

12、结结 p-np-n结的制备结的制备 p-np-n结的能带结构结的能带结构 p-np-n结的电流电压特性结的电流电压特性 2.6 p-n结结 合金法合金法：在一种半导体单晶上放置金属或半导体元素，通：在一种半导体单晶上放置金属或半导体元素，通过升温等工艺形成过升温等工艺形成p-np-n结。结。p-np-n结的制备结的制备（合金法、扩散法、离子注入法、薄膜生长法）（合金法、扩散法、离子注入法、薄膜生长法） 2.6 p-n结结 扩散法扩散法：在：在n n型（或型（或p p型）半导体材料中，利用扩散工艺掺型）半导体材料中，利用扩散工艺掺入相反类型的杂质，在一部分区域形成与体材料费相反类入相反类型的杂质

13、，在一部分区域形成与体材料费相反类型的型的p p型（或型（或n n型）半导体，从而形成型）半导体，从而形成p-np-n结。结。p-np-n结的制备结的制备 2.6 p-n结结 离子注入法离子注入法：在：在n n型（或型（或p p型）掺杂剂的离子束在静电场中型）掺杂剂的离子束在静电场中加速，使之具有高动能，注入加速，使之具有高动能，注入p p型（或型（或n n型）半导体，表面型）半导体，表面区域，在表面形成与体内相反的区域，在表面形成与体内相反的n n型（或型（或p p型）半导体，最型）半导体，最终形成终形成p-np-n结。结。p-np-n结的制备结的制备 2.6 p-n结结 薄膜生长法薄膜生长

14、法：在：在n n型（或型（或p p型）半导体表面，通过气相、液型）半导体表面，通过气相、液相等外延技术，生长一层具有相反导电类型的相等外延技术，生长一层具有相反导电类型的p p型（或型（或n n型）型）半导体薄膜，在两者的界面处形成半导体薄膜，在两者的界面处形成p-np-n结。结。p-np-n结的制备结的制备 2.6 p-n结结 突变结突变结 线性缓变结线性缓变结 2.6 p-n结结p-n结的能带结构结的能带结构1.p-n结的形成结的形成由于区的电子向区扩散由于区的电子向区扩散, 区的空穴向区扩散区的空穴向区扩散, 在型和型半在型和型半导体的交界面附近产生了一个电场导体的交界面附近产生了一个电

15、场,称为内建电场。称为内建电场。内建场阻止电子和空穴进一步扩散内建场阻止电子和空穴进一步扩散内建场大到一定程度内建场大到一定程度, ,不再有净电荷不再有净电荷的流动的流动, ,达到了新的平衡达到了新的平衡在在p p型型n n型交界面附近形成的这种特殊型交界面附近形成的这种特殊构称为构称为P-NP-N结结, ,约约0.1m0.1m厚厚. . 2.6 p-n结结p-n结的能带结构结的能带结构 2.6 p-n结结正向偏压：正向偏压：在在p-n结的结的p型区接电源正极，叫正向偏压。型区接电源正极，叫正向偏压。p-n结的电流电压特性结的电流电压特性外电场使阻挡层势垒被削弱、变窄外电场使阻挡层势垒被削弱、

16、变窄,有利于空穴向有利于空穴向N区运动，区运动，电子向电子向P区运动，形成区运动，形成正向电流正向电流（m级）级）.外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非非线性线性的伏安特性。的伏安特性。 2.6 p-n结结反向偏压：反向偏压：在在p-n结的结的p型区接电源负极，叫反向偏压。型区接电源负极，叫反向偏压。p-n结的电流电压特性结的电流电压特性阻挡层势垒增大、变宽阻挡层势垒增大、变宽,不有利于空穴向不有利于空穴向N区运动，也不利区运动，也不利于电子向于电子向P区运动，没有正向电流。区运动，没有正向电流。但是但是,由于少数载流子的存在由于少数载流子的存

17、在,会形成很弱反向电流会形成很弱反向电流,称为称为漏电电流漏电电流(A级级)当外电场么强，反向电压超过某一数值后，反向电当外电场么强，反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大流会急剧增大-反向击穿反向击穿。 2.6 p-n结结p-n结的电流电压特性结的电流电压特性 2.6 p-n结结p-n结的电流电压特性结的电流电压特性2.7 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构 2.7.1金属金属-半导体接触半导体接触 2.7.2 欧姆接触欧姆接触 2.7.3 MIS结构结构2.7 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构2.7.1 金属金属-半导体接触半导体接触2.7 金属金属-半导

18、体接触和半导体接触和MIS结构结构2.7.1 金属金属-半导体接触半导体接触金属和金属和n型半导体接触前后能带的变化情况型半导体接触前后能带的变化情况2.7 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构2.7.1 金属金属-半导体接触半导体接触金属和金属和n型半导体接触前后能带的变化情况型半导体接触前后能带的变化情况2.7 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构2.7.1 金属金属-半导体接触半导体接触外加电场外加电场具有整流效应具有整流效应 具有整流效应的金属具有整流效应的金属-半导体接触，称为肖特半导体接触，称为肖特基接触基接触（以此为基础制成的二极管称为肖特基二（以此为基础

19、制成的二极管称为肖特基二极管。极管。2.7 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构2.7.2 欧姆接触欧姆接触欧姆接触：在半导体器件制备过程中，常常需要没有欧姆接触：在半导体器件制备过程中，常常需要没有整流效应的金属和半导体的接触。整流效应的金属和半导体的接触。形成欧姆接触的条件：形成欧姆接触的条件：1） 从理论上：金属的功函数必须小于从理论上：金属的功函数必须小于n型半导体的型半导体的功函数，或大于功函数，或大于p型半导体的功函数。型半导体的功函数。2） 半导体具有高表面态密度半导体具有高表面态密度2.7 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构2.7.2 欧姆接触欧姆接触

20、制备技术：制备技术：低势垒接触、高复合接触和高掺杂接触低势垒接触、高复合接触和高掺杂接触2.7 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构金属金属-半导体接触半导体接触2.7 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构2.7.3 MIS接触接触在在金属金属和和半导体半导体之间插入一层之间插入一层绝缘层绝缘层，就形成了，就形成了金金属属绝缘层绝缘层半导体（半导体（MIS)结构结构。2.7 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构2.7.3 MIS接触接触 MIS 结构加上外加电场，会出现以下三种情况：结构加上外加电场，会出现以下三种情况：2.8 太阳能光电转换原理太阳能光电转

21、换原理光生伏特效应光生伏特效应2.8.1 半导体材料的光吸收半导体材料的光吸收2.8.2 光生伏特光生伏特2.8 太阳能光电转换原理太阳能光电转换原理光生伏特效应光生伏特效应2.8.1 半导体材料的光吸收半导体材料的光吸收0axII e当入射光的能量为当入射光的能量为I0，则在离表面距离，则在离表面距离x处，光的能量为处，光的能量为一束光照射到物体时：一束光照射到物体时： 一部分入射光线在物体表面一部分入射光线在物体表面反射反射或或散散射射，一部分可能，一部分可能透过物体透过物体。a 为为物体的吸收系数物体的吸收系数半导体材料的吸收系数较大，一般在半导体材料的吸收系数较大，一般在105cm-1

22、以上以上2.8 太阳能光电转换原理太阳能光电转换原理光生伏特效应光生伏特效应2.8.1 半导体材料的光吸收半导体材料的光吸收1.本征吸收本征吸收2.激子吸收：激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。 3.载流子吸收：载流子吸收

23、：当入射光子能量不够高，当入射光子能量不够高， 不足以引起带间跃迁或激不足以引起带间跃迁或激子吸收时，子吸收时， 可以发生载流子在同一能带中的跃迁吸可以发生载流子在同一能带中的跃迁吸 收，收， 称做载流称做载流子吸收。子吸收。 4.杂质吸收杂质吸收5.晶格吸收晶格吸收2.8 太阳能光电转换原理太阳能光电转换原理光生伏特效应光生伏特效应2.8.1 半导体材料的光吸收半导体材料的光吸收1.光电导现象光电导现象2.直接跃迁直接跃迁直接带隙半导体直接带隙半导体3.间接跃迁间接跃迁间接带隙半导体间接带隙半导体2.8 太阳能光电转换原理太阳能光电转换原理光生伏特效应光生伏特效应2.8.2 光生伏特光生伏特

24、2.8.2.1 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理 光生载流子光生载流子 载流子的迁移载流子的迁移 电荷分离电荷分离 光生电动势光生电动势太阳能电池基本原理太阳能电池基本原理1.1.太阳能电池太阳能电池 太阳能电池（太阳能电池（Solar CellsSolar Cells）, ,也称为光伏电池，是将也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件封装成太阳光辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件封装成太阳能电池组件，再按需要将一定数量的组件组合成一定太阳能电池组件，再按需要将一定数量的组件组合成一定功率的太阳电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直功率的太阳电池方阵，经与储能

25、装置、测量控制装置及直流流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系统，交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系统，也称为光伏发电系统。也称为光伏发电系统。 2.2.光伏特效应光伏特效应 光生伏特效应，是指光照使不均匀半导体或半导体与光生伏特效应，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电势差的现象，简称金属结合的不同部位之间产生电势差的现象，简称“光伏光伏效应效应”。太阳能电池基本原理太阳能电池基本原理 太阳能电池是由电性质不同的太阳能电池是由电性质不同的n n型半导体和型半导体和p p型半导体型半导体连接合成，一边是连接合成，一边是p p区区,一边是一边是 n 区，在

26、两个相互接触的界面区，在两个相互接触的界面附近形成一个结叫附近形成一个结叫p - n结，结区内形成内建电场，成为电荷结，结区内形成内建电场，成为电荷运动的势垒。运动的势垒。太阳能电池基本原理太阳能电池基本原理 当太阳光入射到太阳电池表面上后当太阳光入射到太阳电池表面上后, ,所吸收得能量大所吸收得能量大于禁带宽度，在于禁带宽度，在p-np-n结中产生电子结中产生电子- -空穴对，在空穴对，在p-np-n结内建结内建电场作用下，空穴向电场作用下，空穴向p p区移动，电子向区移动，电子向n n区移动，从而在区移动，从而在p p区形成空穴积累，在区形成空穴积累，在n n区形成电子积累。若电路闭合，形区形成电子积累。若电路闭合，形成电流。成电流。2.8 太阳能光电转换原理太阳能