太阳能电池硅工作原理ppt课件

1、太阳能电池硅任务原理张立强2021.5.12 太阳能电池硅任务原理太阳能电池分类半导体及其主要特征半导体物理有关概念本证半导体杂质半导体PN结太阳能电池原理1.太阳能电池分类按照构造分类：同质结太阳能电池：同一半导体资料同质结太阳能电池：同一半导体资料异质结太阳能电池：不同半导体资料异质结太阳能电池：不同半导体资料肖特基太阳能电池：金属与半导体界面肖特基势垒肖特基太阳能电池：金属与半导体界面肖特基势垒多结太阳能电池：多个多结太阳能电池：多个pn结，复合半导体电池结，复合半导体电池液结太阳能电池：电解液和半导体液结太阳能电池：电解液和半导体按照资料分类：硅太阳能电池：单晶硅、多晶硅、硅太阳能电池

2、：单晶硅、多晶硅、化合物半导体太阳能电池：具有半导体特性的化合物，砷化合物半导体太阳能电池：具有半导体特性的化合物，砷化镓、硫化镉化镓、硫化镉有机半导体太阳能电池：含有一定数量炭有机半导体太阳能电池：含有一定数量炭-炭键的半导体资炭键的半导体资料做成的电池，如萘、芳烃料做成的电池，如萘、芳烃-卤素络合物、高聚物等卤素络合物、高聚物等薄膜太阳能电池：用单质、无机物、有机物等资料制造的薄膜太阳能电池：用单质、无机物、有机物等资料制造的薄膜作为机体资料的太阳能电池，如非晶硅薄膜、单晶硅薄膜作为机体资料的太阳能电池，如非晶硅薄膜、单晶硅薄膜、纳米晶薄膜太阳能电池薄膜、纳米晶薄膜太阳能电池2 2 半导体

3、及其主要特征半导体及其主要特征 在物理学中。根据资料的导电才干，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。 导体：导电才干强，电阻率导体：导电才干强，电阻率10-810-6m10-810-6m，如金银，如金银铜铁等铜铁等绝缘体：导电才干弱或根本不导电，电阻率绝缘体：导电才干弱或根本不导电，电阻率1081020m1081020m，橡胶、塑料、木材、玻璃，橡胶、塑料、木材、玻璃半导体：导电才干居中，电阻率半导体：导电才干居中，电阻率10-5107m10-5107m，锗、，锗、硅、砷化镓等硅、砷化镓等典型的半导体是硅典型的半导体是硅SiSi和锗和锗GeGe，它们都是，它们都是4 4价元素。价元素。2.1

4、2.1 资料分类资料分类2.2 半导体特性半导体特性导电才干介于导体与绝缘体之间的，称之为半导电才干介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。导体。(1)热敏性：导体的导电才干对温度反响灵敏，热敏性：导体的导电才干对温度反响灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电受温度影响大。当环境温度升高时，其导电才干加强，称为热敏性。利用热敏性可制成才干加强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。热敏元件。(2)光敏性：导体的导电才干随光照的不同而不光敏性：导体的导电才干随光照的不同而不同。当光照加强时，导电才干加强，称为光同。当光照加强时，导电才干加强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。敏性。利用光

5、敏性可制成光敏元件。(3)掺杂性：导体更为独特的导电性能表达在其掺杂性：导体更为独特的导电性能表达在其导电才干受杂质影响极大，称为掺杂性。导电才干受杂质影响极大，称为掺杂性。 例如：例如：锗的温度从锗的温度从200升到升到300 ，电阻率下降一，电阻率下降一半半纯硅中掺杂百万分之一的硼，电阻率纯硅中掺杂百万分之一的硼，电阻率2140降至降至0.0042.3半导体的晶体构造晶体：具有明确熔点的物质非晶体：无明确熔点，加热时逐渐软化一切晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规那么陈列而成的。这种对称的、有规那么的陈列，叫晶体的点阵或晶体格子，简称为晶格。单晶体：整块资料从头到尾都按同

6、一规那么作周期性陈列的晶体多晶体：整个晶体由多个同样成分、同样晶体构造的小晶体 组成的晶体2.4 晶体原子组成硅的原子序数为14，即其原子核周围有14个电子，这些电子按照轨道层层分布：典型的半导体是硅典型的半导体是硅SiSi和锗和锗GeGe，它们都是，它们都是4 4价元素。价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。四个电子称为价电子。+142 8 4Ge+322 8 18 4+43半导体物理有关概念3.1 能级和能带原子的壳层模型以为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不延续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳

7、层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量形状，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。一个能级也表示电子的一种运动形状一种元素的化学性质和物理性质是由其原子构造决议的，其中外层电子的数目起着最为重要的作用。习惯上把外层电子称为价电子，一个原子有几个外层电子就称它为几价。硅Si是第四族元素，称为价元素；硼B、铝、镓、铟为价元素；氮、磷P、砷为价元素。原子和原子的结合，主要靠外层的相互交合以及价电子运动的变化。电子在原子核周围转动时，每一层轨道上的电子都有确定的能量，最里层的轨道相应于最低的能量，第二层轨道具有较大的能量，越是外层的电子受原子核的束缚越弱而能量越大。晶体中，原

8、子电场相互叠加，轨道对应的能级由单个能级变为能量接近但又不同的能级，称为能带。外层：能带宽 有的填满内层：能带窄 被电子填满3.2 禁带、价带、导带禁带：两个能带之间的区域，不能被电子占据导带：未被电子填满的能带或空带，是导电的主因价带：又称满带，内层被电子填满的能带，每个能级上都有两个电子，即使有外加电场也不能由低能级到高能级，不能参与导电。金属：无禁带，导带和价带重合，即使温度0K，照样导电半导体：禁带宽度零点几eV到4eV之间，0K时，电子充溢价带，导带为空，不导电，温度升高后电子从价带跳到导带，可以导电绝缘体：禁带宽度510eV，难以激发电子 本征半导体的共价键构造束缚电子束缚电子+4

9、+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，一切的价电子都被共价键一切的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为自在电子，因此本会成为自在电子，因此本征半导体的导电才干很弱征半导体的导电才干很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。4. 本征半导体 本征半导体化学成分纯真的半导体晶体。制造半导体器件的半导体资料的纯度要到达99.9999999%，常称为“九个9。 这一景象称为本征激发，也称热激发。 当温度升高或遭到当温度升高或遭到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而

10、参与导电，成为自在与导电，成为自在电子。电子。自在电子自在电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自在电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。 可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高温度越高，产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的与本征激发相反的景象景象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进展，到发和复合同时进展，到达动态平衡。电子空穴达动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104 . 1锗：锗：313cm105 . 2自在电子自在电子+4+4+4+

11、4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自在电子自在电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在电子自在电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制5. 5. 杂质半导体杂质半导体 为了获得特殊性能的资料，需求人为将杂质加到半导体中，这个过程叫掺杂。经过分散或离子注入完成。资料的性能取决于杂质种类和数量5.1. N5.1. N型半导体型半导体 在本征半导体中

12、掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5电子数远大于空穴数目，导电主要由自在电子决议导电方向与电电子数远大于空穴数目，导电主要由自在电子决议导电方向与电场方向相反的半导体，称场方向相反的半导体，称N型半导体型半导体Negitive少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自在电子自在电子电子空穴对电子空穴对多数载流子多数载流子 电子电子 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼

13、原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自在电子自在电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对5.2 P5.2 P型半导体型半导体杂质半导体的表示图杂质半导体的表示图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关5.3 载流子载流子在半导体的导电过程中，运载电流的粒子，可以是带负在半导体的导电过程中，运载电流的粒子，可以是带负电荷的电子，也可以是带正电荷的空穴，这些电子或空电荷的电子，也可以是带正电荷

14、的空穴，这些电子或空穴叫做载流子穴叫做载流子半导体的导电性能与载流子的数目有关。单位体积的载流半导体的导电性能与载流子的数目有关。单位体积的载流子数目，叫做载流子浓度。子数目，叫做载流子浓度。半导体的载流子浓度随其中杂质的含量和外界条件如加半导体的载流子浓度随其中杂质的含量和外界条件如加热、光照等而显著变化。热、光照等而显著变化。在本征半导体中，电子和空穴的浓度是相等的。在本征半导体中，电子和空穴的浓度是相等的。在含有杂质和晶格缺陷的半导体中，电子和空穴的浓度在含有杂质和晶格缺陷的半导体中，电子和空穴的浓度那么不相等。那么不相等。占多数的载流子叫多数载流子，简称多子占多数的载流子叫多数载流子，

15、简称多子占少数的载流子叫少数载流子，简称少子占少数的载流子叫少数载流子，简称少子载流子产生和复合载流子产生和复合半导体中由于晶格的热运动，电子不断从价带被激发到半导体中由于晶格的热运动，电子不断从价带被激发到导带，构成一对电子和空穴，这就是载流子产生导带，构成一对电子和空穴，这就是载流子产生在不存在外电场时，在运动中电子和空穴经常碰在一同，在不存在外电场时，在运动中电子和空穴经常碰在一同，即电子跳到空穴的位置上把空穴填补掉即电子跳到空穴的位置上把空穴填补掉-载流子复合载流子复合在一定的温度下，半导体内电子和空穴不断产生和复合在一定的温度下，半导体内电子和空穴不断产生和复合没有外表的光和电的影响

16、，单位时间内产生和复合的电子没有外表的光和电的影响，单位时间内产生和复合的电子与空穴即到达相对平衡，称为平衡载流子与空穴即到达相对平衡，称为平衡载流子在这种情况下，电子浓度和空穴浓度的乘积等于本征半导在这种情况下，电子浓度和空穴浓度的乘积等于本征半导体载流子浓度。体载流子浓度。对于每种资料，本征半导体载流子浓度取决于温度。只需对于每种资料，本征半导体载流子浓度取决于温度。只需温度一定，那么电子浓度和空穴浓度的乘积即是一个与掺温度一定，那么电子浓度和空穴浓度的乘积即是一个与掺杂无关的常数。杂无关的常数。载流子注入载流子注入外界条件下，如光照，半导体中电子和空穴的产生率大于外界条件下，如光照，半导

17、体中电子和空穴的产生率大于复合率，产生非平衡载流子，这一过程称为载流子注入复合率，产生非平衡载流子，这一过程称为载流子注入光注入：光照产生光注入：光照产生电注入：电学方法电注入：电学方法低注入低注入注入的非平衡载流子浓度原低于平衡载流子浓度注入的非平衡载流子浓度原低于平衡载流子浓度高注入高注入注入的非平衡载流子浓度相当于平衡载流子浓度注入的非平衡载流子浓度相当于平衡载流子浓度太阳能电池：太阳能电池：普通为低注入普通为低注入强辐照条件下强辐照条件下100倍阳光下任务的聚光太阳能电池为高倍阳光下任务的聚光太阳能电池为高注入注入载流子输运载流子输运电子和空穴发生地净位移，叫载流子的输运电子和空穴发生

18、地净位移，叫载流子的输运两种输运方式：漂移运动和分散运动两种输运方式：漂移运动和分散运动漂移运动：外加电场作用下，载流子热运动将叠加一个附漂移运动：外加电场作用下，载流子热运动将叠加一个附加速度，称为漂移速度加速度，称为漂移速度电子：漂移速度与电场反向电子：漂移速度与电场反向空穴：漂移速度与电场同向空穴：漂移速度与电场同向分散运动：分散运动：微粒的热运动产生的物质迁移景象称为分散微粒的热运动产生的物质迁移景象称为分散主要由浓度差引起，从浓度高处向浓度低处分散，直到一样，主要由浓度差引起，从浓度高处向浓度低处分散，直到一样，浓度差越大、微粒质量愈小、温度愈高，分散速度越快浓度差越大、微粒质量愈小

19、、温度愈高，分散速度越快半导体中载流子因浓度不均匀而引起的从浓度高处向浓度低半导体中载流子因浓度不均匀而引起的从浓度高处向浓度低处的迁移运动称为分散运动处的迁移运动称为分散运动 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自在电子、空穴自在电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质6. PN结p-n结：一块半导体上，经过特殊工艺，使一部分呈结：一块半导体上，经过特殊工艺，使一部分呈p型，型，一部分呈一部分呈n型，那么型，那么p型和型和n型界面附近区域称为型界面附近区

20、域称为p-n结结同质结：同一半导体资料上构成同质结：同一半导体资料上构成异质结：不同半导体资料上构成异质结：不同半导体资料上构成生成工艺：生长、合金、外延、注入生成工艺：生长、合金、外延、注入p-n结：结：单导游电性单导游电性是太阳能电池的中心，是其赖以任务的根底是太阳能电池的中心，是其赖以任务的根底内电场E因多子浓度差因多子浓度差构成内电场构成内电场多子的分散多子的分散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子分散，促使少子漂移。阻止多子分散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子分散电流多子分散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层 6.1 . PN结的构

21、成结的构成 少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子分散多子分散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子分散电流多子分散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡： 分散电流分散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V6.2. PN结的单导游电性结的单导游电性(1) 加正向电压正偏加正向电压正偏电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场减弱内电场外电场减弱内电场耗尽层变窄耗尽层

22、变窄 分散运动漂移运动分散运动漂移运动多子分散构成正向电流多子分散构成正向电流I F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 (2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向一样。外电场的方向与内电场方向一样。 外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动分散运动漂移运动分散运动少子漂移构成反向电流少子漂移构成反向电流I R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR根本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。 PN PN结加正向电压时，具有较大的正结加正向电压时，具有较大的正向分散电流，呈现低电阻，向分散电流，呈现低电阻， PN PN结导通；结导通； PN PN结加反向电压时，具有很小的反结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，向漂移电流，呈现高电阻， PN PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单导结具有单导游电性。游电性。7.太阳能电池原理原理：半导体原理：半导体pn结的光生伏打效应结的光生伏打效应物体受阳光照射时，体内电荷分布发生变化而产生电势和电物体受阳光照射时，体内电荷分布发生变化而产生电