《太阳电池原理与设计》全套教学课件

1第一章太阳辐射1.1太阳电池概述1.2阳光的物理来源1.3太阳辐射太阳光谱、地面光谱、大气影响全套可编辑PPT课件第1章-太阳辐射第2章-从光到电的转换第3章-太阳电池的特性第4章-晶体硅电池第5章-砷化镓电池第6章-非晶硅电池第7章-1碲化镉电池第7章-2铜铟镓硒电池第8章-钙钛矿电池第9章-新概念电池21.1太阳电池概述：光电子学及光电产业光电子学(Optolectronics)研究光子和电子互相转换的学科光电产业(OptolectronicsIndustry)光电子学基础上发展起来的产业涵盖光、电相关产品光→电：

太阳能电池光电探测器电→光：光纤宽带通信激光机械切割

LED照明LCD显示3光的波粒二相性光波粒二相性(Wave-particleduality)波动性

光电应用二相性(Optolectronicsapplicationduality)传递信息光纤通讯：激光光束携带0/1信息LCD显示：偏振特性白炽灯照明：振幅-亮暗，频率-颜色。

振幅、频率、偏振等实现信息传递粒子性传递能量信息技术(InformationTechnology）太阳电池：光子电子作用→产生电子空穴对电子空穴对数量：光生电流电子空穴电势差：光生电压传递能量、动量4

光电效应（photoelectriceffect）光电效应：光照射到物质上，与物质中的电子发生能量交换，导致物质内部电子逸出或使物质电化学性质发生变化的现象。外光电效应：光-电子作用后，电子获得能量而逸出。内光电效应：光-电子作用后，无电子逸出，物质电化学性质变化。光电导效应：光作用半导体后，电导率增加。光生伏特效应：光作用于非均匀半导体或半导体与金属形成的结，而产生光生电压5光伏效应的发现1839,(法)

Alexandre-EdmondBecquerel(19岁)

固体光伏效应：Se光伏效应玻璃质Se，两端接Pt电极光照，两个电极间短路可观测到电流

液体光伏效应：光照下，电解液电极间有光生电压；短波（蓝、紫外）+表面有AgCl、AgBr光敏材料的电极，电压高；Pt、Ag电极均观察到。1876,WilliamAdams，RichardDayBecquerel,A.E.,"Recherchessurleseffetsdelaradiationchimiquedelalumieresolaireaumoyendescourantselectriques",ComptesRendusdeL´AcademiedesSciences,

Vol.9,pp.145-149,1839;alsoAnnalenderPhysickundChemie,Vol.54,pp.18-34,1841.Adams,W.G.,F.R.S.andDay,R.E.,"TheActionofLightonSelenium",

ProceedingsoftheRoyalSociety(London),Vol.A25,p.113,1876.6光伏效应的发现1883，CharlesFritts.薄膜电池将融熔的Se压在金属板上得到Se膜，然后在Se膜裸露面压接Au箔面积：30cm2认识到光伏器件低成本制备、光生电的存储、传输和及再利用1930-1932,Grondahl,

Cu-CuO光伏效应"OnaNewFormofSeleniumPhotocell",

ProcedingsoftheAmericanAssociationfortheAdvancementofScience,Vol.33,p.97,1883;also,AmericanJ.ofScience,Vol.26,p.465,1883.研究大面积整流器件时发现Pb的盘线状电极随后使用溅射等技术制备Grondahl,L.O.,"TheCopper-Cuprous-OxideRectifierandPhotoelectricCell",

ReviewofModernPhysics,Vol.5,p.141,1933.7光伏效应的探索与解释1930’s，Bergmann,andNixetc.Bergmann,L.,"UbereineneueSelen-SperrschichtPhotozelle",

PhysikalischeZeitschrift,Vol.32,p.286,1931.Nix,F.C.,andTreptwo,A.W.,"AThallousSulphidePhotoEMFCell",

JournalOpt.SocietyofAmerica,Vol.29,p.457,1939.早期太阳电池器件：半透明金属薄膜+半导体→形成半导体/金属肖特基结→实现光电转换。1930年代，肖特基、莫特进行了理论解释。8第一个太阳电池的诞生1930’S-1950’S：硅整流器件研发：施主/受主杂质作用的认识，硅太阳电池制备BraunF.OnConductanceinMetalSulphides.Ann.d.Physik.1874;153:556.

各种晶体+点电极整流器OhlRS.Light-SensitiveElectricDevice.U.S.Patent.1941;2:402,602.在制备整流器用晶体时，观测到很好的势垒，有很高的热电系数，很好的光伏特性。开始认识到施主、受主杂质的作用。1952年，KingsburyEF,OhlRS.PhotoelectricPropertiesofTonicallyBombardedSilicon.BellSystemsTechnicalJournal.1952;31:802-815.高纯硅晶体+粒子轰击有意掺杂制备了结。1954年，ChapinDM,FullerCS,PearsonGL.ANewSiliconP-NJunctionPhotocellforConvertingSolarRadiationintoElectricalPower.JournalofAppliedPhysics.1954;25:676-677.第一个现代意义上的硅电池，6%。(d)平行于结切割光伏器件上表面（a）硅锭，杂质偏析自然形成结；(b)垂直与结切割的光伏器件；(c)平行于结切割的光伏器件；硅电池的结构，6%转换效率

太阳电池最新效率图10电池片、组件和系统

（cell、module、system）电池片组件电流：~40mA/cm2电压：~0.7V面积：200~300cm2(晶硅)理论模型：单个二极管电流：电流增大电压：~10V（应用要求：蓄电池，电器）面积：～2m2(晶硅)理论模型：二极管串并联组11阵列系统阻塞二极管旁路二极管电池片、组件和系统

（cell、module、system）121950’S-1970’S与微电子相关的硅材料产业技术飞速发展硅太阳电池成本高昂，用于太空，$200/Wp1954年CdSp-n结电池，效率6%随后计算表明GaAs、InP、CdTe更高理论效率但硅作为最好的太阳电池材料直到现在—半导体产业的发展1970’S-1990’S石油危机—发展可替代能源目标：低成本、高效率新光伏材料：多晶硅、a-Si，CIGS，CdTe、有机薄膜新结构：叠层、多带隙1958年，美国先锋者一号搭载硅电池，效率8%1974年：$10/桶1979年：$20/桶；1980年:$30/桶；2008年：

$97/桶；2012年：

$111/桶；2019年：

$65/桶；太阳电池的早期发展13太阳电池的广泛应用1990’S-现在：能源安全：新能源替代化石能源年增长率：15%～20%成本降低：应用范围拓展（1）离网应用—航海灯塔、通信基站、偏远农村；（2）规模化光伏电站：用户侧电站、并网大型电站；（3）光伏建筑一体化--BIPV西藏羊八井，中国海拔最高的光伏并网发电站14碲化镉、铜铟镓硒薄膜电池薄膜太阳电池应用案例

山西大同未来能源馆怀来湿地博物馆旧房改造电梯光储智能配电房北京冬奥会速滑馆上海G60科创云廊宁波坎头村光伏屋顶151.2阳光的物理来源太阳是个充满气体的热球，其内部因太阳内核发生核聚变反应（氢转化成氦），温度超过2×107K。太阳被叫做光球，其表面温度约在6000K左右或者更精确点5762±50K，其辐射接近于一个黑体。16太阳光球层的辐射光谱基本是连续电磁辐射光谱，和黑体在此温度下的辐射光谱很接近。普朗克黑体辐射定律：在任意温度T下，从一个黑体中发射出的电磁辐射的辐射能量与波长之间的关系。光谱辐照度：单位面积的黑体的光谱辐射功率是指从λ到λ+dλ极小的波长间隔内在单位时间和单位立体角内辐射的能量，B的量纲为1.2.1黑体辐射17

温度接近室温时，黑体（如人类身体或关掉的灯泡）会辐射出低功率电磁波，能量主要分布在低于10μm波段，超出了人类可视范围。黑体温度被加热到3000K，它会变成红色，因为辐射光能量增强，波谱也转向了可见光领域。如果灯丝的温度上升到更高的6000K，辐射出的波长集中在红色光和紫色光之间的可见光波段，并呈现白色。不同温度黑体的辐射光谱1.2.1黑体辐射18一般用波长（λ）或相对应的能量（E）描述一个光子的特性。光子的能量与波长之间存在反比例关系：

h-普朗克常数，c-光速。

光能量越高（蓝光），波长越短；能量越低（红光），波长越长。

当描述光子、电子时，共同使用的能量单位是“电子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。一个电子伏特的能量相当于把一个电子的电势提高一伏所需要的功，所以电子伏特与焦耳转换，用电荷量q乘于1电子伏特的能量:

能量与波长之间的关系：1.2.2基本概念光子能量19辐照度、光谱辐照度、光子角通量辐照度P：单位面积上接收电磁波辐射的功率密度光谱辐照度I：单位面积、单位光谱能量上接收电磁波辐射的功率密度光子角通量β：单位面积、单位光谱能量、单位时间、单位立体角上通过的光子数。描述了在各个方向上接收单色光子的强度，矢量。单位立体角:20光子通量b：单位面积、单位光谱能量、单位时间、通过的光子数。角通量垂直分量在立体角内的积分，表示垂直方向接收的单色光子数量。光子通量：可以吸收的辐射21可以吸收的辐射是光子角通量β的垂直份量βcosθ，光子通量是βcosθ在可吸收辐射的立体角Ω范围内的积分。辐照度、光谱辐照度、光子通量单位22光子角通量βs:单位时间、单位立体角、单位面积、单位光谱能量通过的光子数由于辐射各向同性，并以光速传播，故能量的辐射率（单位时间、单位立体角所对应辐射行进截面积及单位频率下辐射的能量）为B(v,T)，完整球体的立体角是π。B是黑体辐射的能量频谱密度，意义为单位波长/单位频率在单位面积、单位立体角的功率，

黑体发射出的光子通量23在黑体表面，接收角度相当于半个空间，立体角Ω范围为纬度θ∈(0,π/2)，经度φ∈(0,2π)，光谱能量范围E∈(0,∞)。对光子通量的垂直分量

βs(E,T)·cosθ和光谱能量E乘积的积分，得到黑体表面辐照度Bsurf（w·m-2）为：斯忒藩—波耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann)σ为Stefan-Boltzmann常数（黑体辐射常数）=5.67×10-8W·m-2·K-4组成：太阳辐射由许多波长组成，透过棱镜或透过水雾可分光。太阳辐照度（W/m2）：照射到物体的太阳光的功率强度。在太阳的表面，辐射功率强度相当于6000k黑体的辐射强度，其总功率强度等于这个功率强度乘以太阳的表面积，9.5×1025W。在远离太阳表面的地方，太阳总功率强度被扩散至大得多的表面。因此，随着太空中的物体距离太阳越来越遥远，照射到其表面的太阳光照度也越来越小。241.3太阳辐射低能量光子高能量光子太阳光玻璃三棱镜251.3.1太空中的太阳辐射距离太阳为D的物体接收到的太阳光照度可以通过总的太阳功率强度在物体所在球面的平均划分得到。太阳辐射的总功率强度Hsun可由σT4乘以太阳的表面积（4πR2）给出，其中R为太阳半径。当物体距离太阳为D时，太阳光照射在此处的球面面积为4πD2。来自太阳同样多的能量扩散到面积大得多的区域，所以照射到物体的太阳光功率强度也大幅减小，

Ho（W/m2）为：行星

距离（x109m）太阳光（W/m2）水星578908.0金星1082481.3地球1501366.1火星227561.7木球77847.8土星142614.2天王星28683.5海王星44971.4冥王星58060.9太阳系每个行星的太阳光辐射的标准值地球大气层外太阳辐射强度通过Hsun、太阳半径（Rsun）和地球与太阳之间的距离D计算得到。27地面可接受的太阳辐射的光子通量bs：单位面积、单位光谱能量、单位时间、通过的光子数太阳几何因子Fs:描述太阳半角对太阳辐照度Ps的限制,最大值为π太阳半角θs：θs1.3.2地球接收的太阳光子通量28地面可接收的太阳辐射Ps：单位面积上接收的太阳光功率也称入射光强(球面的立体角是π)地球接收的太阳辐射强度太阳表面辐照度Psun_surf(Ts)：单位面积上接收电磁波辐射的功率密度

1.3.3大气层外的太阳辐射AM029实际功率强度会有轻微变化，因为地球以椭圆形轨道围绕太阳公转且太阳辐射功率也一直在改变。由椭圆形轨道引起的改变约为3.4%，一月份太阳光辐射达到最大，最小为七月份。变化方程为：H（W/m2）是大气层外的辐射功率强度，Hconstant是太阳光常数值为1.353kw/m2，

n为一年中的第几天。一般这些变化非常小，对光伏应用来说，太阳光辐射强度可看做一个常数。这个常数值及其光谱已被定为标准值，即大气质量零辐射（airmass-zeroradiation）,记作AM0，1366W/m2。1.3.4大气层内的地面太阳辐射当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳定时，影响地球表面辐射的主要因素是:1）大气效应，包括吸收和散射；2）当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染；3）纬度位置不同；4）一年中季节的不同和一天中时间的不同。30以上效应会影响地球表面总吸收能量、光谱含量、光射到地球表面的角度。不同地方的太阳辐射的易变性也有很大差别。易变性指受云层和季节变化等地方因素影响，又受其它例如不同纬度白天的长短不同等因素影响。

例如：沙漠地区的云层等大气现象比较稳定，赤道地区的季节变化比较小，故二者的易变性较低。在光伏应用领域，大气对地表辐射的主要影响为：1、由于吸收、散射和反射引起的太阳辐射功率降低。2、由于对某些波长的强烈吸收造成的光谱含构成变化。3、由于漫射或间接辐射造成的辐射变化。4、当地大气层的局部变化（水蒸汽、云、污染物）引起入射光能量、光谱和方向的额外改变。31地面太阳辐射--大气效应典型晴空时大气对入射太阳光的吸收和散射图示蓝色和红色曲线分别为AM1.5、AM0大气质量时的辐射强度绿色曲线代表温度为6000K黑体的辐射强度箭头位置代表被相应气体吸收的部分地面太阳辐射--大气效应1、大气层的吸收

当太阳光穿过大气层时，气体、灰尘和悬浮颗粒都将吸收入射光子。特殊气体包括臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）都能强烈地吸收能量与其分子键能相近的光子。这样的吸收将使得辐射光谱曲线深深地往下凹。例如，多数波长大于2μm的远红外光会被水蒸气和二氧化碳吸收。相似的，大多数波长小于0.3μm的紫外光会被臭氧吸收。但是，这些特殊气体在改变地表太阳辐射的光谱含量的同时，并没有明显减少辐射的总能量。33地面太阳辐射--大气效应空气分子和尘埃，对光的吸收和散射成为辐射能量减少的主要因素。这种吸收过程并不会产生光谱曲线的向下深凹，而是引起能量的减少（大小取决于穿过大气的路径长度）。当太阳处在头顶正上方时，大气分子引起的吸收会导致光谱中可见光领域一整片的减少，所以入射光呈现白色。然而，当路径变得越长，能量更高的光子会更有效地被吸收和散射。所以在早上和傍晚太阳会变得更红，强度也比中午低。地面太阳辐射--大气效应

2、散射引起的漫射

大气中的分子引起瑞利散射，它对短波光（如蓝光）作用效果显著，因为瑞利散射的强度与波长的四次方成反比。除了瑞利散射外，气溶胶和尘埃粒子也会使入射光产生散射，叫米氏散射。散射光的方向杂乱无章，它可以来自天空的任何地区。这种光也叫漫射光。地面太阳辐射--大气效应红光波长大于多数粒子线度，不受影响蓝光波长与大气中粒子线度相当，被强烈散射36讨论：由于漫射光主要是蓝光，所以除了太阳所处的区域外，来自天空所有区域的光都呈现蓝色。假如大气中没有散射，天空将变成什么颜色？太阳会变成什么样子？

直接辐射和散射辐射比例

在晴朗无云天气，白天的散射辐射分量能占水平面接收的量的10％～20％。在晴天与阴天之间，接收到的辐射约为晴天的一半时，其中50％是散射辐射。阴天或更差天气，接收的辐射大部分为散射辐射。地面太阳辐射--大气效应黑色

圆形光球

3、云层和其它大气层局部变化造成的影响大气对入射太阳光的最终影响来自大气层的地方差异。根据云层的不同类型，入射功率会大大降低。墨尔本，光伏阵列倾斜角度60°相对输出电流晴朗冬天多云冬天地面太阳辐射--大气效应大气质量:光到达地面的实际路程和最短路程之比。

大气质量越大，太阳光受到的衰减越利害。38地面太阳辐射--大气质量airmassθ未知时，估算大气质量方法：

测量高度h的竖直物体投射的阴影长度s39标准化的太阳光谱和太阳辐射

太阳电池效率对入射光的功率和光谱变化都很敏感。为了便于对在不同时间和地点测量的太阳能电池进行准确的比较，定义了地球大气层外部和地球表面太阳辐射的标准光谱和功率密度。地球表面标准光谱称为AM1.5G（G代表全局，包括直接和散射辐射）或AM1.5D（仅包括直接辐射）。AM1.5D的辐射密度可以通过降低AM0光谱28%（18%由于吸收，10%由于散射）来估算出。AM1.5G比AM1.5D高10%，计算得AM1.5G约为970W/m2。但由于四舍五入便利性和太阳辐射内在变化，标准的AM1.5G被定义为1000W/m2光伏行业通行的地面测试标准

AM1.5，1000w/m2或100mW/cm2，环境温度Ta=25±1℃。大气质量AM0AM1AM1.5AM2太阳仰角θ太空90°48.2°30°40

AM1.5G出自于一项标准——ASTMG173-03(2012)《太阳光谱参照表：垂直辐射及37°倾角面半球辐射》。该标准参考光谱由软件SMARTS生成，该程序用于评估无云条件下，光谱范围在280～4000nm的太阳辐射分布。输入一些参数，如大气压、海拔高度、水蒸气等，可得到太阳辐射光谱。AM1.5Globaltilted定义的太阳电池的安装位置如图，37°角倾斜的选择是基于美国48个洲的平均纬度。当倾斜角度等于当地纬度时，一整年获得的能量最大。41注意：大气质量AM1.5算出来的角度z=48.19°，与前面的37°没有任何关系。AM1.5的选取是基于美国国家航空航天局喷射推进实验室在1980年的研究建议的，从美国东北部缅因州卡里布市（纬度46°52′）到美国西南部亚利桑那州凤凰城（纬度33°26′），约50%的用于光伏产品的太阳资源都是在AM1.5上下。42第二章从光到电的转换2.1半导体基本概念2.2载流子的产生2.3载流子的复合2.4载流子的运动43太阳电池为什么用半导体材料，而不用导体或绝缘体？关键性质导体（金属）半导体绝缘体吸收可见光导电性自由载流子驰豫时间

2.1半导体基本概念原因：半导体p-n结不仅是太阳电池的核心基础，也是绝大多数电子器件如激光和二极管的重要基础。内容：以光电转换的物理过程为线索，系统认知光子能量转换为电子能量的内在机制。44其他电子器件太阳电池本章讲述光伏器件的核心知识：半导体的基本问题和物理原理。2.1.1基本概念——半导体结构半导体由许多单原子组成，它们以有规律的周期性的结构键合在一起，然后排列成型，每个原子都被8个电子包围着。一个单原子由原子核和电子构成，原子核包括质子和中子，而电子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量，整体显电中性。每种元素中的每个电子都占据着特定的能级。本课程关注电子能级，即能带结构。45硅晶格中的共价键半导体可以由单元素（IV）构成，如Si或Ge。也可以是化合物（Ⅲ-Ⅴ，Ⅱ-Ⅵ）如GaAs、InP、CdTe，CIGS。还可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。其中X是元素的组分，数值从0到1。2.1.2基本概念——半导体材料46硅是使用最广泛、最成熟的半导体材料，是集成电路（IC）芯片的基础，同时也占太阳电池市场份额90%以上。绝对零度，全部电子被束缚在价键中，半导体像一个绝缘体。较高温度，电子能够获得足够的能量摆脱共价键，自由地在晶格之间运动并参与导电。室温，半导体拥有足够的自由电子使其导电。2.1.3基本概念——半导体的导电性47半导体的价键结构决定了半导体材料性能。价键结构限制了电子能占据的能级和电子在晶格之间的移动能力。请讨论0K，0K-室温，室温下半导体的导电性。价键的存在导致电子有两个不同能量状态。电子的最低能量态是其处在价带的时候。然而，如果电子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将进入导带成为自由电子。电子不能处在这两个能带之间的能量区域。它要么束缚在价键中处于低能量状态，要么获得足够能量摆脱共价键，但它吸收的能量有个最低限度，这个最低能量值被叫做半导体的“禁带”。自由电子的数量和能量是研究电子器件性能的基础。2.1.3基本概念——半导体的导电性48电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从一个电子移动到另一个电子，从而出现了正电荷在晶格中运动的现象。留下的空位置叫做“空穴”，它与电子相似但是带正电荷。49自由电子和空穴的形成2.1.3基本概念——半导体的导电性对于太阳电池，半导体最重要的参数是：1.禁带宽度2.能参与导电的自由载流子的数目3.光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复合

这些参数的详细描述将在下面几页给出502.1.4基本概念——禁带比较低的电子束缚能级叫“价带”（EV，valenceband），自由电子占据的能级叫“导带”（EC，

conductionband），二者之间是禁带（Eg，bandgap）。半导体的禁带宽度指一个电子从价带运动到导带需吸收的最低能量值。半导体的价键结构显示了电子的能量，即“能带图”。电子一旦进入导带，会自由地在半导体中运动并参与导电。与此同时，自由电子的运动会导致另一种导电过程（空穴在价带中的运动）。512.1.4基本概念——禁带电子和空穴都能参与导电并都称为“载流子”。2.1.5基本概念——本征载流子浓度

把电子从价带移向导带的热激发使得价带和导带都产生载流子。这些载流子的浓度叫做本征载流子浓度，用ni表示。没有注入能改变载流子浓度的杂质的半导体材料叫做本征材料（intrinsicmaterial）。本征载流子浓度就是指本征材料中导带中的电子数目或价带中的空穴数目。其大小决定于材料的禁带宽度和材料的温度。※宽禁带使载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带半导体的本征载流子浓度一般较低。但可通过提高温度让电子更容易被激发到导带，从而提高本征载流子浓度。52自由电子数目与空穴数目均相等。2.1.5基本概念——本征载流子浓度53OK

ElevatedtemperatureHighertemperature掺杂目的：掺入其它原子可改变硅晶格中电子与空穴的平衡。比硅原子多一个价电子的原子（P）可用来制成n型半导体材料，把一个电子注入到导带中，因此增加了导带中电子的数目。比硅原少一个电子的原子（B）可制成p型半导体材料，价键少一个电子参与，额外产生了一个空穴，因此显著地提高了空穴的数目。在已掺杂的材料中，总有一种载流子的数目比另一种高，这种浓度更高的载流子叫“多子”，浓度低的载流子就叫“少子”。542.1.6基本概念——掺杂Schematicofasiliconcrystallatticedopedwithimpuritiestoproducen-typeandp-typesemiconductormaterial.2.1.6基本概念——掺杂

Propertiesofsemiconductortypesinsilicon55一块典型半导体中，多子浓度可能达到1017cm-3，少子浓度为106cm-3。少子与多子的比例比一个人与地球总的人口数目的比还要小。少子可以通过热激发或光照产生。56N-typesemiconductorNegativelychargedelectrons

P-typesemiconductorPositivelychargedholes

2.1.6基本概念——掺杂2.1.7基本概念——平衡载流子浓度

没有外加偏压时，导带和价带中的载流子浓度叫平衡载流子浓度。对于多子，平衡载流子浓度等于本征载流子浓度ni加上因掺杂增加的自由载流子浓度。多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度比本征载流子浓度高出几个数量级，因此多子浓度几乎等于掺杂载流子的浓度。在平衡状态下，多子和少子浓度的乘积为常数，由质量作用定律得：

n0和p0分别为电子和空穴的平衡载流子浓度。57按照质量作用定律，可以计算出多子和少子的浓度：表明：少子浓度随着掺杂水平的增加而减少。例如，在n型材料中，一些额外的电子随掺杂过程而加入到材料当中并占据价带中的空穴，空穴的数目随之下降。2.1.7基本概念——平衡载流子浓度n-typep-typen0=ND

P0=NAP0=n2i/NDn0=n2i/NA582.1.7基本概念——平衡载流子浓度Equilibriumcarrierconcentrationforlowandhighdoping,showingthatasthedopingincreases,theminoritycarrierconcentrationdecreases.低掺杂和高掺杂情况下的平衡载流子浓度，掺杂水平越高，少子浓度越低5960光谱区频率范围(Hz)空气中的波长光子能量eV作用类型宇宙或γ射线>1020<10-12m<106原子核X射线1020～101610-3～10nm106～102内层电子跃迁远紫外光1016～101510nm～200nm102～6.2电子跃迁紫外光1015～7.5×1014200～400nm6.2～3.1电子跃迁可见光7.5×1014～4.0×1014400～750nm3.1～1.65价电子跃迁近红外光4.0×1014～1.2×10140.75～2.5μm1.65～0.5振动跃迁红外光1.2×1014～10112.5～1000μm0.5～10-3振动或转动跃迁微波1011～1080.1cm～100cm10-3～10-6转动跃迁无线电波108～1051～1000m10-6～10-9原子核旋转跃迁声波20000～3015～106km10-10～10-12分子运动2.2光吸收本质——光与物质发生相互作用612.2.1光与物质发生相互作用物体为什么具有不同颜色？1、物体本身发光2、不发光：反射光，或吸收光呈现互补光颜色。2.2.1

载流子的产生——光吸收62入射到半导体表面的光子反射透射吸收激发一个电子到导带光子能量决定表面性质浪费or总辐射反射透射吸收63※Eph<Eg

，光子能量小，与半导体相互作用很弱，仅穿过，对半导体透明。※Eph>Eg

，光子能量大于禁带宽度，被强烈吸收，但多余能量被浪费。※Eph=Eg

，光子能量刚好够激发出一个电子-空穴对，能量被完全吸收。

2.2.1

载流子的产生——主要光吸收吸收更小能量的光子后，还可能发生：自由载流子吸收：动能增加，（n、p足够高）晶格吸收：增加声子；杂质吸收：缺陷态与局域态之间跃迁光散射：降低吸收效率，发生于界面。2.2.1

载流子的产生——其他光吸收吸收比Eg能量小一些的光子，可能形成激子：中性、不带电，电子和空穴之间通过库仑力的束缚状态。消失：热激发形成自由载流子对、复合发射光子或声子。激子结合能：～0.01eV/晶体硅电池；～0.3eV/有机电池。量子太阳电池:一维或二维结构，激子对材料能带和电池特性影响很大。64对光的吸收既产生多子又产生少子。在大多数光伏应用中，光生载流子数目（1012cm-3）比因掺杂产生的多子数目低几个数量级。因此，在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显（1017cm-3）；少子情况则完全相反（106cm-3）。由光产生的少子数目要远高于原本无光照时的少子数目，所以在光照的太阳电池内部，少子数几乎等于光产生少子数（1012cm-3）。2.2.1

载流子的产生——光吸收65

适用于所有的电磁辐射和所有的吸光物质，包括气体、固体、液体、分子、原子和离子。光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。

吸收系数决定了一个给定波长的光子在被吸收之前能在材料走多远的距离。如果波长很长，光将很少被吸收，且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透明。α大小决定于材料和被吸收的光的波长。需了解：（1）不同的半导体材料有不同的吸收系数。（2）吸收系数高的材料会更好地吸收光子能量。（3）吸收系数有助于在太阳电池设计中进行材料的选择。2.2.2

载流子的产生——吸收系数66直接带隙跃迁：价带顶与导带底在同一波矢k，跃迁不需声子参与，所以跃迁几率较大，吸收系数大。间接带隙跃迁：不在同一波矢k，为了动量守恒，声子必须参与跃迁。因此跃迁几率较小，吸收系数小。2.2.2吸收系数——直接和间接能隙67砷化镓磷化铟锗硅吸收系数曲线中出现一个很清晰的边缘，这是因为能量低于禁带宽度的光不能把电子从价带转移到导带。因此，光线未被吸收。能量比Eg高的光子，其吸收系数也不是都相同，而是与波长有密切的联系。定义：与消光系数、波长有关，单位cm-1。682.2.2

载流子的产生——吸收系数不同半导体在300K时的吸收系数α波长越短，能量越高，吸收系数越大，为什么？

光子被吸收的概率取决于光子能与电子作用（即把电子从价带转移到导带）的可能性。对于一个能量大小非常接近于禁带宽度的光子来说，其吸收的概率相对较低，因为只有处在价带边缘的电子才能与之作用并被吸收。当光子能量增大时，能够与之相互作用并吸收光子的电子数目也会增大。692.2.2

载流子的产生——吸收系数

然而，对光伏应用来说，比禁带宽度多出的那部分光子能量是没有实际作用的，因为运动到导带后的电子又很快因为热作用回到导带的边缘。2.2.3

载流子的产生——吸收深度

概念：吸收深度与吸收系数成反比例关系，即为α-1。吸收深度显示了光在其能量下降到最初强度的大概36%（1/e）的时候在材料中走的深度。它能反映出光在被吸收前能穿透材料的深度。高能量光子的吸收系数很大，所以它在距离表面很短的深度就被吸收了。但能量低波长更长的红光则有更长的吸收深度。

吸收深度影响太阳电池的设计，比如半导体材料的厚度。70蓝光在离表面非常近处就被吸收，大部分红光在器件深处才被吸收。动画显示了红光与蓝光的吸收深度的不同2.2.3

载流子的产生——吸收深度71左图显示了Si的吸收深度蓝光吸收基本在1微米以内，而红光在这种距离的吸收就很弱。即使是在几微米之后，也不是所有的红光都能被吸收。722.2.3

载流子的产生——吸收深度

2.2.4

载流子的产生——产生率

概述（1）在太阳电池内部的任意位置，任何波长的光或标准太阳光谱照射半导体时，电子-空穴对的产生率都可以计算出来。（2）在材料表面，大部分光会被吸收，因此电子-空穴对的产生也最高。（3）太阳光谱包含很多波长的光，设计电池时应考虑到有许多不同的产生率。

产生率：指被光线照射的半导体每一点生成电子的数目G

。73

朗伯比尔定律：（适用于单色光）忽略反射，半导体吸收光的多少决定于吸收系数和材料厚度。半导体中每一点中光的强度可以计算：

α吸收系数，x光入射深度，I0、b0材料表面的光强和光子通量，N0为表面的光子通量（光子/单位面积.秒）。计算产生率：假设减少的那部分光线能量全部用来产生电子空穴对，那么在材料中某一个薄层的产生率就由光强/光子通量经过这个薄层的变化决定。因此，对上面方程进行微分就得到半导体中任何一点的产生率，即：

光强随着在材料中深度的增加呈指数下降，即材料表面的产生率是最高的。

74

2.2.4

载流子的产生——产生率进入硅的深度电子空穴对的产生率对于光伏应用，入射光由一系列不同波长的光组成，因此不同波长光的产生率也不同。下图显示三种不同波长的光在硅材料中的产生率。

2.2.4

载流子的产生——产生率75计算一系列不同波长光的产生率时，净的产生率等于每种波长的总和。下图显示入射到硅片的光为标准太阳光谱时，不同深度的生成率大小。Y轴是对数坐标，显示在电池表面产生了数量巨大的电子空穴对，而在电池的更深处，产生率几乎是常数。76

2.2.4

载流子的产生——产生率

复合：产生的逆过程。所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会回到价带中更低的能量状态。电子必须回到一个空的价带能级中，同时消除一个空穴，电子的多余能量以光能或热能形式释放（光子或声子）。

单晶半导体材料--三种基本复合类型：

辐射复合，俄歇复合，肖克莱-雷德-霍尔复合SRH。，。辐射与俄歇复合在本征半导体和缺陷半导体中均存在，不可避免。SRH只存在于缺陷半导体中，可以避免。2.3载流子的复合Recombination

2.3.1载流子的复合类型77

辐射复合（带间复合）辐射复合是LED光源和激光器件的主要复合机制,特征：1）在辐射复合中，电子与空穴直接结合并释放一个光子。2）释放的光子能量近似于Eg，被再次吸收几率较低，大部分能飞出半导体。对硅电池，辐射复合不是主要机制，???不是直接禁带半导体，复合需要声子参与才能完成。782.3.2载流子的复合——辐射复合辐射复合：可以是Ec-Ev之间，也可是Ec/Ev与杂质和缺陷能级之间，也可是杂质缺陷能级之间。辐射总复合率：复合系数由材料性质决定、与n、p无关：Brad与吸收系数正相关，所以在带边，辐射复合的形状与吸收系数相似。1.35eV的陷阱能级虽然吸收系数比带隙(1.42eV)吸收小得多，产生很大的陷阱复合。为什么陷阱能级的辐射复合这么显著？2.3.2载流子的复合—辐射复合7980指数项随E增加而减小，二次项随E增加而增加。E>>kBT(0.025eV)指数项变化快，起决定作用。

缺陷能级与带间复合发出的E较小，指数项贡献更显著，因此1.35eV缺陷能级的辐射复合发光很明显。

1.34，1.35，1.36eV的陷阱能级的辐射复合，位于禁带中央的陷阱能级，1.34eV能量小更加显著，并可能占主导地位（与带间复合相比）。2.3.2载流子的复合—辐射复合受激吸收、自发辐射、受激辐射受激吸收：太阳电池光吸收，激光源。自发辐射：LED光源发光，太阳电池的自发辐射（引起暗电流）受激辐射：激光发射（必要条件--粒子数反转）81肖克莱-莱德-霍尔或SRH复合是一种通过复合中心的复合，发生在有缺陷的材料中。过程分为两步：

1）一个电子（或空穴）被由晶格中的缺陷产生的禁带中的一个能级所俘获。这些缺陷是无意或故意加入到材料中的，比如掺杂。2）如果在电子被热激发到导带之前，一个空穴（或电子）也被俘获到同一个能级中，那么复合过程就完成了。载流子被俘获到禁带中的缺陷能级的概率取决于能级到导带/价带的距离。如果一个能级被引入到靠近其中一能带的边缘地区，发生复合的可能性比较小，因为电子比较容易被激发到导带去，而不是与从价带移动到同一个能级的空穴复合。所以处在禁带中央的能级发生复合的概率最大。2.3.3载流子的复合—SRH复合82陷阱能级Et，陷阱浓度Nt

陷阱态电子寿命，Bn电子俘获系数，陷阱浓度Nt电子陷阱系数nt复合中心的陷阱复合率Utrap禁带中央的复合中心符合率最大2.3.3载流子的复合—SRH复合83陷阱在能隙中的位置影响：陷阱(电子/空穴)复合中心俄歇复合一个俄歇复合过程有三个载流子参与。一个电子与一个空穴复合后，其释放的能量并不是以热能或光子的形式传播出去，而是把它传给了第三个载流子，即在导带中的电子。这个电子接收能量后因为热作用最终又回到导带的边缘。它是重掺杂材料和被加热至高温的材料最主要的复合形式。842.3.4载流子的复合——俄歇复合

如果半导体中少子数目因外界的短暂激发而在原来平衡的基础上增加，这些额外激发的少子将因为复合过程而渐渐衰退回原本平衡时的状态。一个重要参数是复合率：复合发生的速率。复合率决定于额外少子的数目。例如，当没有额外少子时，复合率将为零。少子寿命：用符号和表示：指产生电子空穴对之后处在激发状态的载流子在复合之前能存在的平均时间。少子扩散长度：指在复合前一个载流子从产生处开始运动的平均路程。852.3.5载流子的复合——复合率、少子寿命86左图为PERL多晶硅太阳电池的比色图。图下的比例系数代表着光生载流子的多少以及由于电池中扩散长度不同引起的电池中不同区域的差异，扩散长度的不同是由多晶硅材料的晶界变化造成的。在硅中，少子寿命可达1μs。对单晶硅太阳电池，扩散长度通常在100-300μm之间。这两个参数表征了材料相对于电池应用的质量和适用度。2.3.5载流子的复合——少子扩散长度少数载流子寿命和扩散长度Ln在很大程度上取决于材料的类型和复合的数量对硅电池，SRH复合是主要机制。复合率决定于材料中的缺陷数量，掺杂量增加，SRH复合速率增加。俄歇复合随着掺杂增加而增强。生成半导体薄片的方法和过程对扩散长度有重要影响。2.3.5载流子的复合——少子寿命87任何在半导体内部或表面的缺陷和杂质都会促进复合。太阳电池表面存在着严重的晶格缺陷，是高复合率区域，这导致表面附近的少子枯竭。某些区域的低载流子浓度会引起周围高浓度区域的载流子往此处扩散。因此，表面复合率受到扩散到表面的载流子的速率的限制。“表面复合率”单位：cm/sec，被用来描述表面的复合程度。88半导体表面的悬挂键引起表面的高复合率2.3.6载流子的复合——表面复合

在没有发生复合的表面，往表面运动的载流子数目为零，因此表面复合率也为零。当表面复合非常快时,向表面运动的载流子的速度受到最大复合速率的限制，而对大多数半导体来说最大速度为1×107cm/sec。减少悬挂键数目的方法：在半导体表面生长一层薄膜以连接这些挂键，这种方法叫表面钝化。892.3.6载流子的复合——表面复合电子/空穴表面复合速度：N为表面陷阱浓度半导体有大量粒子，我们需要跟踪这些粒子来确定器件的运行。载流子数量：典型硅太阳电池有一个3Ωcm的背底掺杂，有2×1015cm-3左右的多数载流子及很多少数载流子。硅太阳电池有240厘米²的典型区域和100～200µm厚度，所以硅电池拥有~1016个载流子。Drift-diffusion模型：显然再强大的计算机无法跟踪这么多载流子。大多数情况下,我们跟踪加权统计平均值(等效于准费米能级)，而不是跟踪每个载流子。同理当材料被加热时，我们只跟踪温度,而不跟踪每个原子的能量。Monte-Carlo模型：如果不符合漂移扩散模型，可用此模型跟踪随机载流子，但对象只能是很小的纳米尺度器件。902.4

载流子的运动自由载流子：即导带中的电子和价带中的空穴，因为它们能在半导体晶格间自由移动。描述自由载流子的运动：很简单但在多数情况下都适用——载流子以一定的速率在随机方向运动。运动速率取决于晶格温度和载流子质量，在温度为T的半导体内载流子的平均运动能量为mv2/2，其中m为载流子的质量，v是热运动速度。载流子将沿着某个方向持续运动，在与晶格原子碰撞之前运动所经过的距离叫散射长度。一旦与原子发生碰撞，载流子将向不同的随机方向运动。912.4

载流子的运动92尽管半导体中的载流子不停地做随机运动，但是没有载流子的净运动，除非有浓度梯度或电场。因为载流子往每一个方向运动的概率都一样，所以载流子往一个方向的运动最终会被它往相反方向的运动给平衡掉。热运动速率指载流子速度的平均值，即载流子的速率是分散的、不均匀的，有些速度快有些则很慢，如左图。2.4

载流子的运动一个载流子在与晶格原子碰撞之前在随机方向运动了与散射长度相等的距离（为清晰，晶格原子没有显示出来）。载流子与晶格原子碰撞后，再次以随机方向运动。左图给出了8个散射粒子的随机运动情况。尽管碰撞的次数很少，载流子的净运动(netmotion)即散射长度还是很小。932.4

载流子的运动如果半导体中一个区域的载流子浓度比另一个区域的高，那么，由于不停的随机运动，将引起载流子的净运动（netmotion）。当出现这种情况时，在两个不同浓度的区域之间将会出现载流子梯度。载流子将从高浓度区域流向低浓度区域。这种载流子的流动叫做“扩散”，由载流子随机运动引起。具体解释：在器件所有区域中，载流子往某一方向的运动概率是相同的。在高浓度区域，数量庞大的载流子不停地往各个方向运动，包括往低浓度方向。然而，在低浓度区域只存在少量的载流子，这意味着往高浓度运动的载流子也是很少的。这种不平衡导致了从高浓度区域往低浓度区域的势运动。942.4.1

载流子的运动——扩散扩散：使载流子分布均匀的随机散射运动2.4.1

载流子的运动——扩散扩散速率决定于载流子的运动速度和两次散射点相隔的距离。温度更高，扩散速度会更快，因为提高温度能提高载流子的热运动速度。962.4.1

载流子的运动——扩散左图动画显示了半导体的高浓度部分是怎样趋向于平均分布的。载流子仅仅通过随机运动即可填满可利用空间。在这种情况下，静电斥力的影响甚微，因为载流子之间的距离很远。空穴（蓝色）的扩散率比电子的低，需要更长时间填满整个空间。2.4.1

载流子的运动——扩散

扩散的主要效应是使载流子浓度达到平衡。给半导体外加一个电场可以使做随机运动的带电载流子往某个方向运动。在没有外加电场时，载流子在随机方向以一定的速度移动一段距离。但在加电场之后，其方向与载流子的随机方向会叠加。如果载流子是空穴，其在电场方向将做加速运动，电子则反之。在特定方向的加速运动导致了载流子的净运动。982.4.2

载流子的运动——漂移2.4.2

载流子的运动——漂移空穴在电场中的运动，其方向是原来方向与电场方向的向量叠加。由外加电场所引起的载流子运动叫“漂移运动”。漂移运动不仅发生在半导体材料中，在金属材料中同样存在。1002.4.2

载流子的运动——漂移有无电场的载流子的运动动画描述了拥有相等数目的电子和空穴的本征半导体在没有外加电场时，电子和空穴随机地在半导体中运动。加入电场后电子和空穴往相反的方向漂移。101为了看得更加清晰，动画夸大了电场的作用效果。事实上，对于通常的半导体来说，电场对载流子随机运动的影响是很有限的。2.4.2

载流子的运动——漂移102第三章太阳电池的特性

3.1光生伏打效应

3.1.1功函数和电子亲和势3.1.2内建静电场和有效力场3.1.3开路电压的一般表达式1033.1.1功函数和电子亲和势104费米能级并不真实存在，但可以通过UPS测试获得！（统计平均概念）费米能级讨论：费米能级的物理意义？实际存在吗？能从实验测量吗？105p-n结是产生光生伏打效应的必要条件吗？内建静电场是产生光生伏打效应的必要条件吗？3.1.2内建静电场、有效力场1061、内建静电场对一维非均匀掺杂半导体，因掺杂不同，载流子浓度也不均匀，由于载流子扩散运动的结果，热平衡状态下存在内建静电场。左图反映出半导体各处的静电势不同，存在内建静电场，其电场强度为：ND随x增加而下降的n型半导体在热平衡状态下的能带图1071、内建静电场-光照产生的电流光照产生非平衡载流子，电子和空穴在内建电场作用下向相反方向运动，构成电流由于与无关

扩散电流漂移电流1082、有效力场组分沿方向不同的非均匀半导体材料，假设EVAC平坦，则不存在内建静电场，但由于随x不同，因而导带底、价带顶是弯曲的，如左图。如果导带的有效态密度Nc沿x方向降低，则激发到导带的电子，由于热运动也有向负x方向运动的趋势。图3-3随x变化的能带示意图1092、有效力场光照产生非平衡载流子，由（3-7），（3-9），（3-11）得到：

扩散电流漂移电流导带电子相当于受到Fn的力的作用，与内建静电场区别，称为内建有效力场。这种情况在组分不同的化合物半导体制备的太阳电池中会存在。

1103.1.3开路电压的一般表达式图3-4非均匀半导体的能带图（a）热平衡状态；（b）光照1113.1.3开路电压的一般表达式112113114电流来源1:扩散电流Jdiff115

小结：载流子分离机理这种由扩散系数D不同引起扩散电流的现象，称为丹倍效应，对有机太阳电池非常重要，对无机太阳电池意义不大。(3)选择性传输机理：一种半导体材料对电子的电阻小，对空穴的电阻大，使得只有电子可以通过它传输到电极，形成电子浓度梯度▽n和电子扩散电流

qDn▽n。因为空穴没有被收集和输运，所以Jndiff不会和Jpdiff抵消。类似地，器件另一侧的空穴传输层只传输空穴，形成空穴浓度梯度和空穴电流。如钙钛矿太阳电池就是利用第（3）种机制。116电流来源2:漂移电流Jdrift——形成内建/有效力场：分离机制1173.2半导体界面及类型产生较强的光生伏打效应，系统中须存在较强的内建静电场或有效力场。建立内建静电场，须在两种不同材料之间构成界面，在界面及其附近将会形成一定的内建静电场。建立有效力场，须存在一个区域，半导体材料的组分等不断发生变化，从而由于材料性质的变化而产生一定的有效力场，这种材料性质不断发生变化的区域可以看作是一连串的界面。这种界面可在同质半导体或异质半导体之间形成，也可在金属或绝缘体与半导体之间形成。内建电场/有效力场存在的区域能使光生载流子分开，构成光生电流，这是太阳电池对结构的基本要求，也是光生伏打效应的主要来源。本节不讨论丹倍效应的贡献。1183.2.1半导体-真空界面半导体表面存在不饱和键/悬挂键，或结构缺陷或吸附外来杂质，使在半导体表面的禁带中具有分立的或连续分布的局域能态，称为表面态或界面态。如表面受主型，电子占据表面态使表面带负电，表面下薄层带正电，表面能带向上弯曲。如果能带弯曲的高度超过VB，表面开始反型（从n型变为p型）；表面势Vs=2VB，强反型。119图3-6热平衡状态下的n-p同质结能带图图3-7n+n同质结能带图3.2.2同质结界面附近n区形成电子积累层，n+区形成电子耗尽层。空间电荷区内存在自n+区指向n

区的内建场。高低结

1.热平衡状态

没有额外刺激，如光照或外加电压。载流子的电流相互抵消，器件内没有净电流。

2.稳态恒稳模式下，有光线照射或施有外加电压，但并不随时间而改变。器件通常处在稳定状态，或正偏或反偏。

3.突变状态当施加的电压迅速改变时，p-n结对变化的响应将会出现延迟，故太阳电池不适用于高速运转领域使用的电子器件，而高速开关器件通常使用金属半导体结实现。120半导体器件的三种状态模式正向偏压：器件两边施加电压，使pn结的内建电场减小。即在p型半导体加正电压而在n型半导体加负电压，于是一个穿过器件方向与内建电场相反的电场便建立起来。因为耗尽区的载流子很少，电阻要比器件中其他区域的电阻大得多，所以几乎所有的外加电压都加在耗尽区。对于实际的半导体器件，内建电场的电压比外加电场的高。电场的减小会减小了对载流子从结一边到另一边的扩散运动的阻碍，增大扩散电流。121p-n结——正向偏置下的扩散电流当扩散电流增加时，漂移电流基本保持不变。因为其大小取决于在与耗尽区的距离小于扩散长度的区域还有耗尽区内部产生的载流子的数目。在较小的正向偏压下，耗散区宽度只变窄一小部分，所以穿过电场的少子数目也基本不变。耗尽区内部产生的载流子由热激发产生，基本不变。122p-n结——正向偏置下的漂移电流从pn结的一端到另一端的扩散运动的增加导致了少子往耗散区边缘的注入。这些少数载流子由于扩散而渐渐远离pn结并最终与多子复合。多数载流子由外部电流供给，所以在正向偏压下会产生净电流。假设没有复合作用，少子浓度将达到一个新的、更高的平衡浓度，直至扩散运动停止。但在半导体中，少子穿过结区后会被复合，因此不断有少子扩散过pn结。所以正偏下的扩散电流也是复合电流。复合速度越高，扩散电流就越大。“暗饱和电流”（I0）用来衡量一个二极管的复合特性，复合速率越大，I0也越大。123p-n结——载流子的注入和正向偏置电流反向偏置电压是指在器件两端加电场，以使pn结内建电场增大，载流子能从pn结一端扩散至另一端的概率就越小，即扩散电流就越小。与正偏相同，由于进入耗尽区的少数载流子的数量很有限，pn结的漂移电流并没有因内建电场的增大而相应增大。漂移电流微量增加主要是因为耗尽区宽度的微量扩张，但这只是一种二阶效应。124LnLpp-n结——反向偏置125Equilibriumanalysisofjunctions

IdealCurrent-VoltagecharacteristicsNon-IdealitiesinPN-junctionsp-n结的I-V特性（1）Equilibriumanalysisofjunctions(A)Equilibriumanalysisofstepjunctions(a)Built-involtageVbi:(b)Majority-minoritycarrierrelationship:-qNAqND+-p-siden-side126(c)Depletionregionwidth:

Solve1DPoissonequationusingdepletionchargeapproximation,subjecttothefollowingboundaryconditions:

p-side:n-side:

Usethecontinuityofthetwosolutionsatx=0,andchargeneutrality,toobtaintheexpressionforthedepletionregionwidthW:

127(d) Maximumelectricfield:Themaximumelectricfield,whichoccursatthemetallurgicaljunction,isgivenby:128

CASE1：129

CASE2：(2)IdealCurrent-VoltageCharacteristicsAssumptions:AbruptdepletionlayerapproximationLow-levelinjectioninjectedminoritycarrierdensitymuchsmallerthanthemajoritycarrierdensityNogeneration-recombinationwithinthespace-chargeregion(SCR)(a)Depletionlayer:130(b)Quasi-neutralregions:Usingminoritycarriercontinuityequations,onearrivesatthefollowingexpressionsfortheexcessholeandelectrondensitiesinthequasi-neutralregions:ForwardbiasReversebiasSpace-chargeregionW131ForwardbiasReversebiasCorrespondingminority-carriersdiffusioncurrentdensitiesare:NoSCRgeneration/recombinationShockleymodel132NoSCRgeneration/recombinationShockleymodel(c)Totalcurrentdensity:TotalcurrentequalsthesumoftheminoritycarrierdiffusioncurrentsdefinedattheedgesoftheSCR:ReversesaturationcurrentI0:IVGeSiGaAs133GeSiGaAs3.Non-IdealitiesinPN-junctions(A)GenerationandRecombinationCurrents

Continuityequationforholes（只考虑空穴）: Steady-stateandnolightgenerationprocess:Space-chargeregionrecombinationcurrent:134Reverse-biasconditions:Concentrationsnandparenegligibleinthedepletionregion(np<<ni2):Space-chargeregioncurrentisTotalreverse-saturationcurrent:Generationlifetime产生寿命135GenerationlifetimeJ0dominateswhenniislargeincaseofGediode.Jscrdominateswhenniissmall,whichisalwaysthecaseforSiandGaAsdiodes.I(log-scale)V(log-scale)W136IV-characteristicsunderreversebiasconditionsGeneratedcarriersaresweptawayfromthedepletionregionImportanceofrecombinationeffects:

Lowvoltages,smallni

recombinationcurrentdominates

Largevoltages

diffusioncurrentdominateslog(I)V137

异质结能带图突变同型异质结几种异质结的能带图尖峰的位置与掺杂浓度的关系

3.2.3异质结能带图ABEcEcABEcEcEvEvEvEv不考虑界面态时的能带结构(一）能带图由电子亲和势、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度决定A突变反型x1x2DEcDEvEFEvECEFEg1Eg2f1f2未组成异质结前的能带图12异质结的带隙差等于导带差同价带差之和。导带差是两种材料的电子亲和势之差。价带差等于带隙差减去导带差。

x1x2DEcDEvEC2Eg1Ev2Ec1Ev1ECEF2Eg2Eg1EF1Eg1EF1ECEF2Eg2接触前接触后1.AligntheFermilevelwiththetwosemiconductorbandsseparated.Leavespaceforthetransitionregion.2.Theworkf