太阳能转化原理与技术课件-第四章光伏理化基础及光伏发电原理

太阳能转换原理与技术4.1量子力学基础4.2能带理论4.3本征半导体与杂质半导体4.4热平衡载流子4.5非平衡载流子4.6pn结4.7光伏发电原理及光伏电池性能第四章光伏理化基础及光伏发电原理光是粒子还是波？1672年，牛顿用三棱镜将光发现了光的色散。牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》提到：光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。该理论在一定程度上解释了光的直线传播、反射、折射及色散现象，但却错误地得出光在水中的传播速度大于在空气中的结论，且无法阐释光的干涉、衍射和偏振等现象。∴光是粒子4.1.1光的波粒二象性光是粒子还是波？∴光是波惠更斯：光是在一种特殊弹性介质中传播的机械波理论优势：能解释光的反射和折射现象，还能解释光的干涉、衍射和偏振等现象理论缺陷：将光视为纵波；虚构了“以太”（密度极低且弹性模量极大的物质）格里马第、胡克等科学家分别观察到了光的衍射现象，波意耳研究了薄膜产生的彩色干涉条纹光是粒子还是波？∴光是波光的衍射牛顿环由于牛顿的巨大影响力，光的微粒说在当时被众多科学家所接受，而光的波动说却未能得到广泛认可。牛顿对牛顿环的解释每一条光线在通过任何折射表面时，都会进入一种特定的瞬态结构或状态，在光线的行进过程中，它以相等的间隔返回，并在每次返回时将光线设置为易于透过下一个折射表面，并在返回之间易于被其反射。光是粒子还是波？托马斯杨：杨式双缝干涉实验∴光是波“尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”——《声和光的实验和探索纲要》托马斯・杨（ThomasYoung）和菲涅耳（Augustin-JeanFresnel）等人通过一系列实验和理论研究，极大地发展了光的波动理论，成功解释了光的干涉和衍射现象，初步测定了光的波长，并依据光的偏振现象确认光是横波。光的波动理论还推断出光在水中的传播速度小于在空气中的速度。光是粒子还是波？“泊松亮斑”（泊松提出，菲涅尔证明）∴光是波光是粒子还是波？19世纪60年代，麦克斯韦提出电磁理论，并预言电磁波的存在，认为光是一种电磁波。实验进一步证实了无线电波、红外线、紫外线、X射线等与光波一样，都有反射、折射、干涉、衍射等性质，其本质都是波长不同的电磁波。光的电磁理论最初也是基于“以太”假说，直到1887年，迈克尔逊-莫雷实验才彻底否定了这一假说。∴光是波光电效应赫兹：在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光电效应。现象:1、光频率超过某一频率时才会有电子逸出，f越大，逸出电子的能量就越大，反应时间极短（10-9s）；2、光频率低于某一频率时，无论光强多大，都不会有电子逸出。与波动学矛盾之处：1、光强应与振幅有关，与频率无关；2、能量可积累。“紫外灾难”Wien用麦克斯韦速率分布律解释实验曲线长波段不吻合Rayleigh-Jeans用能量按自由度均分原理短波段不吻合普朗克公式Planck《论正常光谱中的能量分布》，提出了量子化的假说能量是一份一份的，最小的一份就是ε=hv，能量只能是hv的整数倍。1918年诺贝尔奖物理学奖获得者光电效应爱因斯坦对光电效应的解释光也是一份一份的，每一份的能量ε=hv；光子数量多，光强大；存在逸出功W0，hv>W0，电子逸出，电子动能Ek=hv-W01921年，诺贝尔奖物理学奖获得者∴光具有波粒二象性4.1.2氢原子光谱及玻尔原子轨道模型

19世纪末，尽管不少物理学家已接受物质是由原子和分子构成的观点，但缺乏直接实验证据，且对原子的内部结构模型尚不明确。1803年，英国科学家约翰·道尔顿（JohnDalton）提出了世界上较早的原子结构模型——道尔顿模型，认为原子是微小的实心球体。1897年，约瑟夫·J·汤姆逊发现了电子，并否定了道尔顿模型。1903年，汤姆逊提出新的原子结构模型，认为正电荷均匀分布在整个原子球体中，电子则较为平均地分布在整个原子上，该模型又形象地称为“葡萄干蛋糕模型”。1909年，盖革和马斯登在卢瑟福的指导下，用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔，该实验就是著名的卢瑟福α粒子散射实验。实验结果表明，大多数α射线几乎毫无阻碍地穿过原子，最多发生一些小角度散射，这说明原子内的大部分体积是空的，与汤姆逊模型不符，该模型又称为“行星模型”。氢原子光谱

含有低压氢气的放电管所发生的光，经过色散系统后形成了一条条孤立的谱线。卢瑟福模型并不能解释氢原子的线状光谱。波尔理论

波尔，1922年诺贝尔物理学奖获得者波尔假设1、定态假设：只能在某些量子化轨道运动，在某一轨道上运动的电子不辐射不吸收能量2、频率公式的假定：电子从一个定态跃迁到另一个定态，就会放出或者吸收能量。1913年，丹麦物理学家玻尔把量子论的基本观点用于原子核外电子的运动，从而创立了玻尔原子模型。物质波德布罗意，1929年诺贝尔物理学奖获得者受爱因斯坦理论的影响，德布罗意提出实物粒子也具有波粒二象性。证明物质波的存在1937年，戴维森与乔治·P·汤姆逊（GeorgePagetThomson）因实验发现电子在晶体中的衍射现象，共同获得诺贝尔物理学奖。1961年，约恩逊，电子双缝反射实验美国的戴维森，英国的汤姆逊：电子在晶体中的衍射现象。物质波是一种概率波测不准原理对于微观粒子而言，不可能同时测得位置和动量海森堡，1932年诺贝尔物理学奖获得者波函数与薛定谔方程

薛定谔，1933年诺贝尔物理学奖获得者一维定态薛定谔方程波函数ψ：描述微观粒子的运动状态主量子数n代表电子距离原子核的平均距离——“大小”n=1,2,3,4,5,6,7，n越大距离越远对应的电子层：KLMNOPQ角量子数l描述原子轨道的

“形状”，表示的就是电子的亚层。l=0,1,2,…,(n-1)

对应的电子层：spdfg对应的形状为球形、双球形、花瓣形等主量子数n和角量子数l决定了轨道的能量大小。磁量子数m决定了原子在空间轨道的伸展方向。m=0,±1,±2,…,±l自旋量子数ms自旋量子数用于表示原子中电子绕自身旋转的方向，共两种。+1/2表示顺时针旋转；-1/2表示逆时针旋转。核外电子排布原则能量最低理论：能量是由主量子数n和角量子数l决定，从小到大为1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p近似规律：n+0.7l（中国徐光宪）4s:4+0.7×0=46s:6+0.7×0=63d:3+0.7×2=4.44f:4+0.7×3=6.14p:4+0.7×1=4.75d:5+0.7×2=6.4核外电子排布原则泡利不相容理论：不存在运动状态完全相同的电子两个电子的nlmms不能同时相等例如：s轨道(l=0)，m=0，最多容纳2个电子p轨道(l=1)，m=0，±1，最多容纳6个电子d轨道(l=2)，m=0，±1，±2，最多容纳10个电子泡利，1945年诺贝尔物理学奖获得者核外电子排布原则洪特规则：电子分布到能量相同的等价轨道时，总是优先占满能量相同的轨道并保持自旋方向相同。等价轨道处于全满（p6，d10，f14），半满（p3，d5，f7）或全空（p0，d0，f0），能量较为稳定。4.1量子力学基础4.2能带理论4.3本征半导体与杂质半导体4.4热平衡载流子4.5非平衡载流子4.6pn结4.7光伏发电原理及光伏电池性能第四章光伏理化基础及光伏发电原理电子的共有化运动晶格中，各原子相互靠得很近，不同原子之间的内、外壳层都有一定的重叠。

电子的共有化运动：当大量原子紧密排列组成晶体时，内层和外层原子轨道会发生重叠。原子轨道重叠的结果使得电子不再局限于某一个原子，而是通过轨道交叠区域转移到相邻原子，并通过相邻原子逐步扩展至整个晶体中运动原子轨道重叠与电子的共有化运动能带结构孤立原子的单一能级分裂2N个能态、组成“准连续的”能带。

能带的相关概念（1）允带：可以被电子占据的能带-满带：已被电子填满的能带--价带：有电子占据的能量最高的能带

-导带：没有被电子填满的能带--空带：没有电子填充的能带--半满带：有电子填充但未填满的能带（2）禁带：两个允带之间不允许电子存在的能带（3）禁带宽度：特指价带顶能级Ev与相邻导带底能级Ec之间禁带的宽度导体、半导体、绝缘体的能带

硅原子能带结构

硅原子3s和3p能级对应的允带随原子间距减小的演化过程对于硅晶体，3s能级和3p能级共同分裂出两个允带，这两个允带被称为sp杂化轨道。N个硅原子从无穷远逐渐靠近，硅的3s和3p能级开始分裂并展宽成允带，分别可包含2N和6N个量子态；随着原子间距的进一步减小，两个允带合并为一个大允带；当原子间距减小至硅的晶格常数时，又分裂形成两个允带，这两个允带中的任何一个都不是由s轨道或p轨道单独分裂形成的，两个允带之间为禁带。4.1量子力学基础4.2能带理论4.3本征半导体与杂质半导体4.4热平衡载流子4.5非平衡载流子4.6pn结4.7光伏发电原理及光伏电池性能第四章光伏理化基础及光伏发电原理本征半导体定义：纯净的晶体结构的半导体。非常纯的硅：本征硅（单晶、多晶，纯度可达99.9999999%）。晶体结构：共价键、稳定。T>0K，部分价电子会挣脱束缚称为自由电子同时产生一个空穴。温度越高，自有电子和空穴的浓度越高，但温度一定时，自由电子产生与自由电子与空穴复合处于动态平衡。

载流子定义：运载电荷的粒子。本征半导体的载流子：自由电子（-），空穴（+）电场力作用：自由电子与电场力相反；空穴与电场力相同本征激发：当半导体的温度大于绝对零度，就会有电子从价带激发到导带，同时在导带形成一个空穴。Eg：单晶硅1.12eV，非晶硅是1.75eV，InP1.34eVGaAs1.42eV

N型半导体定义：本征半导体掺杂V族元素后，自由电子浓度大大增加的杂质半导体施主杂质：掺入杂质元素与半导体材料价电子的不同而产生的多余价电子会挣脱束缚，成为导电的自由电子，杂质电离后形成正电中心。施主电离能：ΔED

磷原子就形成了一个不可移动的正点中心，这时的状态称为称为施主离化态。多子：自由电子；少子：空穴。

P型半导体定义：本征半导体掺杂III族元素后，空穴浓度大大增加的杂质半导体受主杂质：杂质原子缺少电子与硅形成共价键，需要从别处的硅原子夺取一个价电子，形成空穴和负电中心。受主电离能：ΔEA

B原子就形成了一个负电中心，这时的状态称为称为受主离化态。多子：空穴；少子：自由电子。

4.1量子力学基础4.2能带理论4.3本征半导体与杂质半导体4.4热平衡载流子4.5非平衡载流子4.6pn结4.7光伏发电原理及光伏电池性能第四章光伏理化基础及光伏发电原理本征半导体的载流子浓度热平衡状态：一定温度下，本征半导体中载流子（电子和空穴）的产生和消失这两个相反过程中建立起来的动态平衡状态。热平衡态载流子：半导体中含有的价带电子和价带空穴。在本征半导体中，自由电子和空穴的浓度相同，且温度越高，浓度越高。

本征半导体的载流子浓度状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔的量子态数导带底附近电子状态密度：价带顶附近空穴状态密度：V是晶体体积，m*表示有效质量

本征半导体的载流子浓度在半导体中，对于某个确定的能态E，电子占据它的几率由费米-狄拉克分布函数描述：E：能态能量；EF：费米能级；kB：波尔兹曼常数；T：绝对温度。EF的其物理意义为该能级上的一个状态被电子占据的概率为50%，其大小不会随着温度而改变本征半导体：费米能级几乎在禁带的中央。N型半导体：费米能级靠近导带。P型半导体：费米能级靠近价带。

本征半导体的载流子浓度T=0KE>EF：f(E)=0；E<EF：f(E)1.T>0KE>EF：f(E)<1/2；E=EF：f(E)=1/2；E<EF：f(E)>1/2.f(E)为电子的占据概率，1-f(E)为空穴的占据概率。不同温度下的费米分布函数与能量的关系本征半导体的载流子浓度导带中，能量E~（E+dE）之间有的电子个数：单位体积内的晶体数：单位体积内的晶体数：本征半导体的载流子浓度对于一定温度的半导体材料，导带中自由电子浓度n0和价带中空穴浓度p0的乘积是一个常数，而与掺杂种类和掺杂浓度无关。因此，添加杂质若使n0或p0中的一个增大，则另一个必然会变小。本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度：本征载流子浓度仅与半导体自身的禁带宽度和温度有关。对于一定的半导体，本征载流子浓度随温度的上升而迅速增加；相同温度下，禁带宽度越大的半导体，本征载流子浓度越小。杂质半导体的载流子浓度载流子的产生途径：本征激发+施主电离或者受主电离T=0K，不发生本征激发和杂质电离；杂质电离区：温度较低，先发生杂质电离，本征激发较弱；非本征区：杂质电离饱和，本征激发依然很弱；本征区：本征激发变强（主导）。n型硅自由电子浓度与温度的关系曲线杂质半导体的载流子浓度n型半导体电中性条件：非本征区：n0≈n+D≈ND费米能级EF随着温度的升高逐渐下降，接近禁带中部。室温下，n型半导体的施主杂质基本上全部电离。因此，导带的电子浓度n0等于施主杂质的浓度ND。杂质半导体的载流子浓度p型半导体电中性条件：费米能级EF随着温度的升高逐渐下降，接近禁带中部。对于p型半导体而言，室温下，受主杂质基本上全部电离。因此，价带的空穴浓度p0等于施主杂质的浓度NA非本征区：p0≈p-A≈NA4.1量子力学基础4.2能带理论4.3本征半导体与杂质半导体4.4热平衡载流子4.5非平衡载流子4.6pn结4.7光伏发电原理及光伏电池性能第四章光伏理化基础及光伏发电原理非平衡载流子的产生光注入：光子的能量hv>Eg时，电子吸收能量就会从价带跃迁到导带，产生额外的电子空穴对。光照条件下，自由电子和空穴浓度分别变为n=n0+Δn和p=p0+Δp，其中Δn和Δp为非平衡载流子浓度。由于光激发导致电子从价带跃迁至导带，同时产生等量空穴，因此，Δn=Δp。非平衡载流子的产生非平衡载流子（非平衡少子）：n型半导体的非平衡少子：非平衡空穴；

p型半导体的非平衡少子：非平衡电子。非平衡少子影响少数载流子浓度和性质。因此，在非平衡状态下，非平衡少子对于半导体来说至关重要。非平衡载流子的产生大注入的条件：非平衡多数/少数载流子的浓度近似等于或远远大于热平衡多数载流子的浓度。小注入的条件：非平衡多数/少数载流子的浓度远远大于热平衡少数载流子浓度，同时，又远远小于热平衡多数载流子浓度。准费米能级热平衡状态下，半导体有统一的费米能级，自由电子和空穴的浓度都是同一个费米能级的函数。非平衡状态下，半导体自由电子浓度与空穴浓度的乘积不再为定值，因此，半导体不再有统一的费米能级，即自由电子与空穴的费米能级不再相等。导带与价带中的电子或空穴分别处于局部平衡状态，而导带与价带之间处于不平衡状态，即导带与价带各自有一个局部费米能级，称为准费米能级。准费米能级半导体的光吸收本征吸收：电子由价带向导带跃迁所引起的光吸收。会伴随电子-空穴对的产生，并使得半导体的电导率增加。μm半导体的光吸收杂质吸收：电子可以吸收光子从施主能级跃迁到导带能级；空穴也可以吸收光子从受主能级跃迁到价带能级。引起杂质电离的光子能量须大于施主电离能ΔED或受主电离能ΔEA半导体的光吸收自由载流子吸收：当入射光的波长不足以引起能带间的跃迁，半导体中仍然存在光的吸收，并引起自由载流子在同一能带内的跃迁激子吸收：受激电子与空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统，该系统称为激子，这样光吸收称为激子吸收。晶格振动吸收：半导体材料的晶格振动（即声子）也会吸收光子的能量。非平衡载流子的寿命非平衡载流子的平均生存时间就是非平衡载流子的寿命（τ），1/τ就是非平衡载流子的复合概率。热平衡状态下：非平衡状态下：寿命：

非平衡载流子的寿命小注入条件：N型半导体：P型半导体：大注入条件：

，

非平衡载流子的复合半导体受到太阳辐射，产生非平衡载流子；与此同时，为了恢复平衡态，载流子便会复合。可以在体内或者表面。复合途径直接复合：电子直接跃迁回到价带，与空穴复合间接复合：电子和空穴通过禁带中的能级进行复合，即复合中心复合能量释放辐射复合：复合时发射光子，伴随发光现象（lightemittingdiode,LED）俄歇复合：复合时将能量释放给其他载流子，增加他们的动量复合中心复合：复合时发射声子，将能量释放给晶格，加强晶格振动，即间接复合。载流子的输运

，

漂移运动：带电粒子对外加电场的响应扩散运动：带电粒子由高浓度向低浓度的方向运动微分欧姆定律

导体中的欧姆定律：电流密度：垂直于电流方向上单位面积的电流

载流子的漂移电流（以n型半导体为例）

外电场作用下，电子和空穴向相反方向运动。假设电子的运动速度为

电流密度与电场强度成正比，电流密度也与自由电子的平均漂移速度成正比，因此，电场强度也与自由电子的平均漂移速度成正比，其比例系数称为电子的迁移率μn载流子的漂移电流

电导率σ=q(μpp+μnn)载流子的扩散电流扩散：浓度不均匀，电子和空穴沿浓度梯度下运动。

DnDp来表示扩散系数载流子的扩散运动爱因斯坦关系式扩散运动会破坏半导体内部的电中性形成内建电场，内建电场会引起载流子的漂移运动。当达到平衡时，半导体的扩散运动和漂移运动会相互抵消。爱因斯坦从理论上找到了迁移率和扩散系数之间的关系。泊松方程半导体的电荷主要来自于自由电子、空穴、电离的施主杂质和电离的受主杂质。对于杂质完全电离的半导体而言，其电荷密度ρ为电势V与电荷密度ρ之间的泊松方程4.1量子力学基础4.2能带理论4.3本征半导体与杂质半导体4.4热平衡载流子4.5非平衡载流子4.6pn结4.7光伏发电原理及光伏电池性能第四章光伏理化基础及光伏发电原理pn结的形成n型半导体和p型半导体一旦紧密结合成一块，载流子就会由于浓度差而扩散。在p-n结交界处，很薄的区域内，自由电子和空穴复合，晶体内能自由不移动的部分分别形成正、负电荷区。正负电荷区内形成电场，阻止自由电子和空穴继续扩散（动态平衡）。电场势能与浓度场势能平衡。在p型半导体和n型半导体接触前，两者的费米能级不同，分别靠近价带顶和导带底。当两个不同费米能级的材料接触后，必将引起电子或空穴的移动，最终使两材料具有相同的费米能级。pn结处的空间电荷区能带发生了弯曲，这是空间电荷区中电势能变化的结果，空间电荷区两端的电势差为VD，相应的电子电势能之差为qVD，称为pn结的势垒高度pn结的能级图与势垒高度pn结的能级图与势垒高度电子从势能低的n区向势能高的p区运动时，必须要克服这一势能才能到达p区；同理，空穴也必须克服这一势能才从p区到达n区。内建电场的方向：N→P。扩散运动使空间电荷区加宽，内建电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内建电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。当扩散流等于漂移流时，两者达到动态平衡，交界面形成稳定的空间电荷区。内建电场情况（1）：没有外加电压内建电场的方向：N→P。理想pn结的电流电压特性p-n结基本特性:电流电压特性、电容效应、开关特性、光生伏特效应等，其中电流电压特性（即伏安特性）是pn结最基本的性质。理想pn结的电流电压特性P区接正极、N区接负极——加正向电压V电场减弱，宽度变窄，势垒高度变为q（VD-V）多子扩散情况（2）：正向偏置理想pn结的电流电压特性情况（3）：反向偏置P区接负极、N区接正极——加反向电压V电场增强，宽度变大，势垒高度变为q（VD+V）少子漂移理想pn结的电流电压特性肖克来方程：PN结的光伏特性光照→PN附近产生电子空穴对→内建电场（方向是N→P）作用下，非平衡电子：P到N漂移，非平衡空穴：N到P漂移（产生了光生电流IL）；N电势减小，P电势增加（产生了光生电动势及光生电场）。光生电场（方向是P→N）→电子：N到P，空穴：P到N→产生了正向电流IF。光生电流IL（方向是N→P）与正向电流（方向是P→N）方向相反。PN结的光伏特性短路电流：ISC开路电压：VOC光生电流：4.1量子力学基础4.2能带理论4.3本征半导体与杂质半导体4.4热平衡载流子4.5非平衡载流子4.6pn结4.7光伏发电原理及光伏电池性能第四章光伏理化基础及光伏发电原理光生伏特效应太阳光的照射会打破pn结的热平衡状态。当太阳辐射从光伏电池表面入射到电池内部时，能量大于禁带宽度Eg的光子在发生本征吸收后，将在pn结两侧产生电子-空穴对，这样的自由电子和空穴称为光生载流子。在空间电荷区产生的光生电子-空穴对在内建电场的作用下而分离：p区的电子穿过pn结进入n区，n区的空穴穿过pn结进入p区。其结果为p端电势升高，n端电势降低，pn结两端形成了光生电动势，这就是光生伏特效应。由于光生电子和空穴各自向相反方向运动，因此，在pn结内部形成了由n区指向p区的光生电流Isc。

光生伏特效应光生电动势的方向与内建电场的方向相反，其效果为削弱了内建电场的强度，相当于pn结的正向偏压。光生电动势降低了势垒高度，升高了p端电势，降低了n端电势，引起了n区电子和p区空穴向对方注入，形成了从p型半导体到n型半导体的正向电流Idark，正向电流也称为暗电流。正向电流Idark的方向与光生电流Isc的方向相反，其结果为抵消pn结产生的光生电流并使得提供给外电路的电流减小，是光伏电池的不利因素。

理想光伏电池的伏安特性光伏电池工作时共有三部分电流：光生电流IL，正向电流Idark，流经外电路的电流I。

饱和电流理想光伏电池等效电路理想光伏电池等效电路（1）光伏电池处于短路状态当外电阻R→0时，光伏电池处于短路状态。外接负载的电压为0，外接负载的电流等于光生电流Isc，因此，光生电流也称为短路电流。短路电流是光伏电池所能提供的最大电流。理想光伏电池的伏安特性理想光伏电池等效电路（2）光伏电池处于断路状态当外电阻R→∞时，光伏电池处于断路状态。外接负载的电流为0，Isc=Idark。外接负载两端的电压称为断路电压Voc。断路电压是光伏电池所能提供的最大电压。理想光伏电池的伏安特性

Isc、Voc随光强度的变化理想光伏电池的伏安特性理想光伏电池等效电路（3）光伏电池外接负载光伏电池的输出功率理想光伏电池的伏安特性实际光伏电池等效电路实际光伏电池的伏安特性对于实际光伏电池而言，半导体各层材料、前电极金属栅线与半导体的接触、背电极与半导体的接触以及引线接触均不可避免地引入了附加电阻，这些附加电阻的总效果可用串联电阻Rs表示。pn结存在一些漏电电流，包括电池边沿的漏电以及在电池微裂纹、划痕处形成的金属桥漏电等，漏电电流的总效果可用并联电阻Rsh表示。实际光伏电池等效电路实际光伏电池的伏安特性实际光伏电池等效电路实际光伏电池的伏安特性硅光伏电池的电压-电流曲线和电压-功率曲线光