太阳能理论知识.docx

1、太阳能理论知识光致衰退效应 light-induced degradation 也称S-W效应。a-SiH薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降,称为Steabler-Wronski效应。 对S-W效应的起因,至今仍有不少争议,造成衰退的微观机制也尚无定论,成为迄今国内外非晶硅材料研究的热门课题。总的看法认为,S-W效应起因于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级),这种缺陷态会影响a-SiH薄膜材料的费米能级EF的位置,从而使电子的分布情况发生变化,进而一方面引起光学性能的变化,另一方面对电子的复合过程产生影响。这些缺陷态成为电子和空穴的额外复合

2、中心,使得电子的俘获截面增大、寿命下降。在a-SiH薄膜材料中,能够稳定存在的是Si-H键和与晶体硅类似的Si-Si键,这些键的键能较大,不容易被打断。由于a-S iH材料结构上的无序,使得一些Si-Si键的键长和键角发生变化而使Si-Si键处于应变状态。高应变Si-Si键的化学势与H相当,可以被外界能量打断,形成Si-H键或重新组成更强的Si-Si键。如果断裂的应变Si-Si键没有重构,则a-SiH薄膜的悬挂键密度增加。为了更好地理解S-W效应产生的机理并控制a-SiH薄膜中的悬挂键,以期寻找稳定化处理方法和工艺,20多年来,国内外科学工作者进行了不懈的努力,提出了大量的物理模型,主要有弱键

3、断裂(SJT)模型、“H玻璃”模型、H碰撞模型、Si-H-Si桥键形成模型、“defect pool”模型等,但至今仍没有形成统一的观点。非晶硅太阳能电池PIN结沉积方法时间:2009-10-27 16:21作者:小编非晶硅太阳能电池PIN结沉积方法 强生光电投产第五代非晶硅薄膜电池 南通强生光电科技有限公司近期在上海宣布，中国首家第五代大面积非晶硅薄膜太阳能电池已在强生光电投产，公司有望在两年半内使光伏发电上网Fffr每度降至065元人民币，使太阳能发电成本接非晶硅太阳能电池PIN结沉积方法强生光电投产第五代非晶硅薄膜电池南通强生光电科技有限公司近期在上海宣布，中国首家第五代大面积非晶硅薄膜

4、太阳能电池已在强生光电投产，公司有望在两年半内使光伏发电上网Fffr每度降至065元人民币，使太阳能发电成本接近火电厂。晶硅薄膜电池因其沉积均匀度要求高，面积越大，成本越低，但设备及工艺要求也越高。目前，一般企业只能生产第二、第三代小面积薄膜电池，转换效率较低，而国际上能够制造第五代薄膜电池设备的企业和生产第五代薄膜电池的工厂屈指可数。此次，强生光电与美国第三大真空设备制造公司合作，共同研发、改进和制造了全新技术的薄膜电池核心装备，终于实现第五代薄膜电池生产线在中国的首次量产。非晶硅薄膜电池,顾名思议, 它是将非晶硅以薄膜的形式沉积在载体上形成的太阳能电池,其薄膜就是非晶硅太阳能电池,即相对于

5、多晶硅太阳能电池, 不过非晶硅电池非常薄.非晶硅薄膜电池,包含PIN结构, 现在有些电池已经具双结构,或三结构, 即两层PIN结, 或三层PIN结.下面是非晶硅太阳能电池PIN结沉积方法:把硅烷(SiH4)等原料气体导入真空度保持在101000Pa的反应室中，由于射频(RF)电场的作用,产生辉光放电，原料气体被分解，在玻璃或者不锈钢等衬底上形成非晶硅薄膜材料。此时如果原料气体中混入硼烷(B2H6)即能生成P型非晶硅,混入磷烷(PH3)即能生成N型非晶硅。仅仅用变换原料气体的方法就可生成pin结，做成电池。为了得到重复性好、性能良好的太阳电池，避免反应室内壁和电极上残存的杂质掺入到电池中，一般都

6、利用隔离的连续等离子反应制造装置，即p,i,n各层分别在专用的反应室内沉积。PN结（PN junction） 采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。 一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两

7、种半导体材料制成的PN结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。 P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴； N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的 。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型

8、半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。 在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就

9、是PN结的单向导电性。 PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种，即隧道击穿（也叫齐纳击穿）和雪崩击穿，前者击穿电压小于6V，有负的温度系数，后者击穿电压大于6V，有正的温度系数。 PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。 根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二

10、极管，利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，利用两个 PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能 。PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。在二级管中广泛应用。 PN结的平衡态,是指PN结内的温度均匀、稳定,没有外加电场、外加磁场、光照和辐射等外

11、界因素的作用,宏观上达到稳定的平衡状态. PN结的形成 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动®由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。PN结形成的过程可参阅图01.06。 图01.06 PN结的形成过程（动

12、画1-3）如打不开点这儿（压缩后的） PN结的单向导电性 PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。 如果外加电压使： PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏； PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时的导电情况 PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。 图01.07 P

13、N结加正向电压时的导电情况(动画1-4),如打不开点这儿（压缩后的） (2) PN结加反向电压时的导电情况 PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电

14、压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 图01.08 PN结加反向电压时的导电情况(动画1-5),如打不开点这儿（压缩后的） PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB ，二是扩散电容CD 。 (1) 势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图01.09。 图01.09 势垒电容示意图 (2) 扩散电容CD 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形

15、成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图01.10所示。 当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。PN结的击穿特性： 当反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增 加，这种现象称为PN结的击穿，反向电流急剧增加时所对应的电压称为反向击

16、穿电压，如上图所示， PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。1、雪崩击穿 阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电 子空穴对新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急 剧增加，象雪崩一样。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。2、齐纳击穿 当PN结两边掺杂浓度很高时，阻挡层很薄，不易产生碰撞电离，但当加不大的反向电压时，阻挡层中的电场很强，足以把中性原子中的价电子直接从共价键中拉出来，产生

17、新的自由电子空穴对，这个过程 称为场致激发。 一般击穿电压在6V以下是齐纳击穿，在6V以上是雪崩击穿。3、击穿电压的温度特性 温度升高后，晶格振动加剧，致使载流子运动的平 均自由路程缩短，碰撞前动能减小，必须加大反向电压才能发生雪崩击穿具有正的温度系数，但温度升高，共价键中的价电子能量状态高，从而齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负的温度系数。6V左右两种击穿将会同时发生，击穿 电压的温度系数趋于零。4、稳压二极管 PN结一旦击穿后，尽管反向电流急剧变化，但其端电压几 乎不变（近似为V(BR)，只要限制它的反向电流，PN结 就不会烧坏，利用这一特性可制成稳压二极管，其电路符号及伏 安特性如上图

18、所示：其主要参数有： VZ 、 Izmin 、 Iz 、 Izmax 电压才能发生雪崩击穿具有正的温度系数，但温度升高，共价键中的价电子能量状态高，从而齐纳击穿电压随温度升高而降 低，具有负的温度系数。6V左右两种击穿将会同时发生，击穿电压的温度系数趋于零。编辑本段PN结的电容特性： PN结除具有非线性电阻特性外，还具有非线性电容特性，主要有势垒电容和扩散电容。1、势垒电容 势垒区类似平板电容器，其交界两侧存储着数值相等极性相反的离子电荷，电荷量随外加电压而变化，称为势垒电容，用CT表示。 CT = - dQ/dV PN结有突变结和缓变结，现考虑突变结情况（缓变结参见晶体管原 理），PN结相当

19、于平板电容器，虽然外加电场会使势垒区变宽或变窄 但这个变化比较小可以忽略， 则CT=S/L，已知动态平衡下阻挡层的宽度L0，代入上式可得： CT不是恒值，而是随V而变化，利用该特性可制作变容二极管。2、 扩散电容 多子在扩散过程中越过PN结成为另一方的少子， 当PN结处于 平衡状态（无外加电压）时的少子称为平衡少子 可以认为阻挡层以外的区域内平衡少子浓度各处是一样的，当PN结处于正向偏置时，N区的多子自由电子扩散到P区成为 P区的非平衡少子，由于浓度差异还会向P 区深处扩散，距交界面越远，非平衡少子浓度越低，其分布曲线见PN 结的伏 安特性。当外加正向电压增大时，浓度分布曲线上移，两边 非平

20、衡少子浓度增加即电荷量增加，为了维持电中性，中性区内的非平衡多子浓度也相应增加，这就是说，当外加电压增加时，P区和N区各自存储的空穴和自由电子电荷量也增加，这种效应相当于在PN结上并联一个电容，由于它是载流子扩散引起的，故称之为扩散电容CD，由半导体物理推导得 CD=（ I + Is）p/VT 推导过程参见晶体管原理。 当外加反向电压时 I = Is ， CD趋于零。3、 PN结电容 PN结的总电容Cj为CT和CD两者之和Cj = CT+CD ，外加正向电 压CD很大， Cj以扩散电容为主（几十pF到几千pF） ，外加反向电压CD趋于零，Cj以势垒电容为主（几pF到几十pF到）。4、变容二极管

21、 PN结反偏时，反向电流很小，近似开路，因此是一个主要由势垒电容构成的较理想的电容器件，且其增量电容值随外加电压而变化 利用该特性可制作变容二极管，变容二极管在非线性电路中应用较广泛， 如压控振荡器、频率调制等。扩展阅读：1.PN结工作原理2.PN结及半导体基础知识3.晶体管原理与设计(第二版) 陈星弼,张庆中 编著p-i-n光电二极管 p-i-n光电二极管, p-i-n Photo-Diode（pin-PD）: pin光电二极管结构示意图这是一种灵敏度比一般p-n结光(电)二极管（PD）要高的光检测二极管，它是针对一般PD的不足、在结构上加以改进而得到的一种光电二极管。 （1）基本结构： 因

22、为PD的主要有源区是势垒区，所以展宽势垒区即可提高灵敏度。p-i-n结光电二极管实际上也就是人为地把p-n结的势垒区宽度加以扩展，即采用较宽的本征半导体（i）层来取代势垒区，而成为了p-i-n结（见图示）。 p-i-n结光电二极管的有效作用区主要就是存在有电场的i型层（势垒区），则产生光生载流子的有效区域增大了，扩散的影响减弱了，并且结电容也大大减小了，所以其光检测的灵敏度和响应速度都得到了很大的提高。 （2）基本设计考虑： p-i-n结光电二极管中i型层的厚度d是一个重要的结构参量，从提高响应速度和灵敏度来看，要求d应该大一些；但是若d过大，则光生载流子在i层中漂移（速度为vd）的时间（d

23、/ vd）将增长，这反而不利，因此可根据d / vd = 调制信号周期T的一半来选取，即有d = vd T / 2。 另外，为了减小表面半导体层对光的吸收作用，应该采用禁带宽度较大的窗口材料（例如在GaInAs体系中采用InP作为光照区，见图示）。 （3）p-i-n雪崩倍增光电二极管： 在 p-i-n结光电二极管的基础上，如果再加上较大的反向电压（达到雪崩击穿的程度），则还可把较少数量的光生载流子通过倍增效应而增加，即放大吸收光的信号，这可进一步增大光检测的灵敏度，同时较大反向电压的作用也可进一步提高其响应速度。这就是雪崩光电二极管（APD）。现在APD已经是光通信技术中用来接收微弱光信号的一

24、种基本器件。標題:半導體的直接能隙與間接能隙1:liyin945(研究所)張貼:2008-08-27 13:45:29:地點 台灣台北提問者狀態: 大學化學背景 碩士班 生物藥學系最近因研跨領域需要 在研讀光電半導體相關知識 如 PVCDROM的網頁簡單之光電效應原理能理解,但是在動量上遇到了瓶頸 , 如:Q: 動量在電子轉移過程中的物理意義是什麼?Q0能階本身就是不連續的是動量相同的能階間轉換才為直接能隙麼?Q1: 如何得知材料性質為直接或間接能隙呢?Q2: 為何動量要能對應到才有利於電子電洞復和?Q3. 動量在光電效應裡扮演的角色是?那動量在光激發時也有影響嗎?以下是我問題的圖示 這篇文章

25、被編輯過: liyin945 在 2008-08-27 14:32:13 2:Hydrogen Dioxide(研究所)張貼:2008-08-29 16:53:59:地點 台灣高雄 回應上一篇Q: 動量在電子轉移過程中的物理意義是什麼?你說的電子轉移 那是蛇意思呢?電子在半導體中 可以分成價帶covalence電子以及導電帶conduction的電子.你可以先想一下 電子轉移 是哪個轉成哪個?而動量是質量和速度的product 只是在半導體中我們用的是波數(k)和折合普朗克長數-h來表示Q0能階本身就是不連續的是動量相同的能階間轉換才為直接能隙麼?Q1: 如何得知材料性質為直接或間接能隙呢?Q

26、2: 為何動量要能對應到才有利於電子電洞復和? 因為電子的能量與動量有關詳細說,就是 p=hk = h2k2/2m=H=E, k如果對應到 則不就是對應了允許的E值嗎電子+電洞光子().energy conservation!Q3. 動量在光電效應裡扮演的角色是?那動量在光激發時也有影響嗎?半導體會跟光電效應有關嗎?直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。间接带隙半导体材料导带最

27、小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。电子在k状态时的动量是（h/2pi）k，k不同，动量就不同，从一个状态到另一个必须改变动量。单晶硅的密度是多少？密度2.32-2.34克立方厘米直接带隙半导体（directbandgapsemiconductor）直接带隙半导体（directbandgapsemiconductor）直接带隙半导带中导带极小值和价带极大值相应于相同的波矢K0，这种半导体在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁，跃迁过程中，除能量守恒外，还遵循动量守恒，跃迁前后，波矢K不变。能量大于禁带宽度Eg的光子均能被吸收而形成一个连续吸收带。-族的GaAs、InSb等及-族化合物半

28、导体均属直接带隙半导体。辉光放电科技名词定义中文名称：辉光放电英文名称：glow discharge定义1：低压气体中显示出辉光的放电现象。所属学科：大气科学(一级学科) ；大气物理学(二级学科)定义2：在低气压下的一种气体放电，放电电流密度较低，放电区域呈现辉光。所属学科：电力(一级学科) ；高电压技术(二级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布目录隐藏物理原理放电阶段发展历史应用领域 编辑本段物理原理 glow discharge 低压气体中显示辉光的气体放电(空气中的电子大概在1000对/cm3,由于高压放电现象在低气压状态下会产生辉光现象）现象，即是稀薄气体中的自激导电现象。

29、在置有板状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电的特征是电流强度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。编辑本段放电阶段 辉光放电有亚正常辉光和反常辉光两个过渡阶段，放电的整个通道由不同亮度的区间组成，即由阴极表面开始，依次为：阿斯通暗区；阴极光层；阴极暗区(克鲁克斯暗区)；负辉光区；法拉第暗区；正柱区;阳极暗区;阳极光层。其中以负辉光区、法拉第暗区和正柱区为主体。这些光区是空间电离过程及电

30、荷分布所造成的结果，与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关，这些都可以从放电理论上作出解释。辉光放电时，在两个电极附近聚集了较多的异号空间电荷，因而形成明显的电位降落，分别称为阴极压降和阳极压降。阴极压降又是电极间电位降落的主要成分，在正常辉光放电时，两极间的电压不随电流变化，即具有稳压的特性。 辉光放电时，在放电管两极电场的作用下，电子和正离子分别向阳极、阴极运动，并堆积在两极附近形成空间电荷区1。因正离子的漂移速度远小于电子，故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大得多，使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内。这是辉光放电的显著特征，而且在正常辉光放电时，两极间电压不随

31、电流变化。 在阴极附近，二次电子发射产生的电子在较短距离内尚未得到足够的能使气体分子电离或激发的动能，所以紧接阴极的区域不发光。而在阴极辉区，电子已获得足够的能量碰撞气体分子，使之电离或激发发光。其余暗区和辉区的形成也主要取决于电子到达该区的动能以及气体的压强（电子与气体分子的非弹性碰撞会失去动能）。编辑本段发展历史 18311835年,M.法拉第在研究低气压放电时发现辉光放电现象和法拉第暗区。1858年,J.普吕克尔在1/100托下研究辉光放电时发现了阴极射线，成为19世纪末粒子辐射和原子物理研究的先躯。编辑本段应用领域 辉光放电的主要应用是利用其发光效应（如霓虹灯、日光灯）以及正常辉光放电的稳压效应（如氖稳压管）。 利用它的发光效应（如