太阳能电池介绍PPT课件.ppt

1、第第3章章 太阳能光伏电池太阳能光伏电池 何何 道道 清清 编制编制2011.12第第3章章 太阳能光伏电池太阳能光伏电池 太阳能光伏电池太阳能光伏电池太阳能太阳能 电能电能 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.1半导体基础知识半导体基础知识 1.导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体 （1）自由电子与自由电子浓度）自由电子与自由电子浓度 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，电子，电子受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体能在晶体中自由运动的电子，称为中自由运动的电子，称为

2、“自由电子自由电子”，它是导体导电的，它是导体导电的电荷粒子。电荷粒子。自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由自由电子浓度电子浓度，用，用n表示，表示，它是它是决定决定物体导电能力的主要因素之物体导电能力的主要因素之一。一。（2）晶体中自由电子的运动）晶体中自由电子的运动 由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章的运动。的运动。电流：电流：导体中的导体中的自由电子自由电子在在电场力电场力作用下的作用下的定向定向运动形运动形成电流。成电流。迁移率：迁移率：在单位电场强度（在单位电场强度（

3、1V/cm）下，定向运动的自）下，定向运动的自由电子的由电子的“直线速度直线速度”，称为自由电子的迁移率，用，称为自由电子的迁移率，用 表表示，示，这这也是也是决定决定物体导电能力的主要因素。物体导电能力的主要因素。电导率电导率：表征表征物体导电能力的物理量，用物体导电能力的物理量，用 表示表示,=en 电阻：电阻：导体中的导体中的自由电子定向自由电子定向运动形成电流所受到的运动形成电流所受到的“阻力阻力”，它也，它也表征表征表征物体导电能力。表征物体导电能力。导体的电阻特性导体的电阻特性用电阻用电阻率率 表示表示（=1/）。导体电阻导体电阻3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1

4、太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 （3）导体、绝缘体和半导体）导体、绝缘体和半导体 导体，导体，导电能力强的物体，电阻率为导电能力强的物体，电阻率为10-9l0-6cm；绝缘体，绝缘体，不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的物体物体，电阻率为电阻率为108l020cm；半导体，半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻率为率为10-5l07cm。导电机理：导电机理：金属导体导电是金属导体导电是自由电子自由电子（n恒定恒定）在电场力作用下的定）在电场力作用下的定向运动，向运动，电导率电导率基本恒定；基本恒

5、定；半导体导电是半导体导电是电子电子和和空穴空穴在电场力作用下的定向运动。电在电场力作用下的定向运动。电子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影响其导电能力。响其导电能力。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 2.硅的晶体结构硅的晶体结构 （1）硅的原子硅的原子结构结构 硅硅(Si)原子，原子序数原子，原子序数14，原子核外，原子核外14个电子，个电子，绕绕核运核运动，动，分层排分层排列：内层列：内层2个电子个电子(满满)，第二层，第二层8个电子个电子(满满)，第，第三层三层4个电子个电子(不满不满)，如图，如图3-1所示。所

6、示。图图3-1 硅的原子结构硅的原子结构 及其原子能级及其原子能级3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 （2）硅的晶体结构硅的晶体结构 硅硅晶体中的晶体中的硅硅原子原子在在空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原子紧密地结合在一起，构成晶体。子紧密地结合在一起，构成晶体。图图3-2硅的晶胞结构硅的晶胞结构3

7、.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 硅晶体和所有的晶体都是由原子硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子或离子、分子)在空间按在空间按一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的的晶格晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即即长程有序长程有序，就称其为，就称其为单晶体单晶体。在硅晶体中，每个硅原子。在硅晶体中，每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个相邻原子核都有相互作用，称为们与两个相邻原子核都

8、有相互作用，称为共价键共价键。正是靠。正是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为多多晶体晶体。非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，长程无长程无序序，这样的材料称为，这样的材料称为非晶体非晶体，也叫做无定形材料。，也叫做无定形材料。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 3.能级和能带能级和

9、能带图图 电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量能级能级(E),单一的电子能级，单一的电子能级，分裂成分裂成能量非常接近但又大小不同的许能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，形成一个多电子能级，形成一个“能带能带”。图图3-3 单原子的电子能级对应的固体能带单原子的电子能级对应的固体能带 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 4.禁带、价带和导带禁带、价带和导带 电子只能在各能带内运动电子只能在各能带内运动 ，能带之间的区域没有电子态，能带之间的区域没有电子态,这个区域叫做这个区域叫做“禁带禁带”，用用Eg 表示表示。完全被电子填满的能带称为

10、完全被电子填满的能带称为“满带满带”，最高的满带容纳最高的满带容纳价价电子，电子，称为称为“价带价带”,价带上面完全没有电子的称为价带上面完全没有电子的称为“空空带带”。有的能带只有部分能级上有电子有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。一部分能级是空的。这种部分填充的能带这种部分填充的能带,在外电场的作用下在外电场的作用下,可以产生电流。可以产生电流。而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为“导带导带”。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 4.禁带、价带和导带禁带、价带和导带 (a)金属金属 (b)半导体半导体 (c)绝缘

11、体绝缘体图图3-4 金属、半导体、绝缘体的能带金属、半导体、绝缘体的能带3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 4.禁带、价带和导带禁带、价带和导带 图图3-4 晶体的能带晶体的能带3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 4.禁带、价带和导带禁带、价带和导带 禁带宽度禁带宽度Eg 价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动，价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动，必须从外界获得大于或等于必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量，的附加能量，Eg的大小就是导的大小就是导带底部与价带顶部之间的能量差，带底部与价带顶部之间的能量差，称为称为“禁带宽度禁带宽度”或或“带带隙隙

12、”表表3-1 半导体材料的禁带宽度半导体材料的禁带宽度 材料材料SiGeGaAsCu(InGa)SeInPCdTeCdSEg/eV1.120.71.41.041.21.42.63.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 金属与半导体的区别：金属与半导体的区别：金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件下具有良好的导电性。下具有良好的导电性。半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量（Eg）“激发激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以到导带才具有导电能力。激发的能量可以是热或光的

13、作用。是热或光的作用。常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子，个电子，每立方厘米的导体晶体的导带中约有每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。个电子。绝缘体禁带宽度远大于半导体，绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下常温下激发到导带上的电激发到导带上的电子非常少，固其电导率很低子非常少，固其电导率很低。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 5.电子和空穴电子和空穴 电子从价带跃迁到导带（电子从价带跃迁到导带（自由电子自由电子）后，）后，在价带中留下在价带中留下一个空位，一个空位，称为称为空穴，空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这空

14、穴移动也可形成电流。电子的这种种跃迁形成跃迁形成电子电子-空穴对空穴对。电子和空穴都称为电子和空穴都称为载流子载流子。电子电子-空穴对空穴对不断不断产生产生，又不断又不断复合复合。图图3-5 具有一个断键的硅晶体具有一个断键的硅晶体3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 6.掺杂半导体掺杂半导体 晶格完整且不含杂质的半导体称为晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体本征半导体。硅半导体掺杂少量的五价元素磷硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P)N型硅型硅：自由电子自由电子数量多数量多多多数载流子（数载流子（多子多子）；）；空穴空穴数量很少数量很少少数载流子（少数载流子（少子少子）。电子型半导）

15、。电子型半导体或体或n型半导体。型半导体。掺杂少量的三价元素硼掺杂少量的三价元素硼(B)P型硅型硅：空穴空穴数量多数量多多数载流子（多数载流子（多多子子）；）；自由电子自由电子数量很少数量很少少数载流子少数载流子(少子少子)。空穴型半导体或。空穴型半导体或p型半型半导体。导体。图图3-6 n型和型和p型硅晶体结构型硅晶体结构3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 6.掺杂半导体掺杂半导体-杂质能级杂质能级 在掺杂半导体中，杂质原子的能级处于禁带之中，形成在掺杂半导体中，杂质原子的能级处于禁带之中，形成杂质能级杂质能级。五价杂质原子形成。五价杂质原子形成施主能级施主能级，位于导带的下，位于

16、导带的下面；三价杂质原子形成面；三价杂质原子形成受主能级受主能级，位于价带的上面，位于价带的上面(图图3-7)。施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跳跃到导带施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跳跃到导带（或价带）中去的过程称为（或价带）中去的过程称为电离电离。电离过程所需的能量就。电离过程所需的能量就是是电离能电离能（很小（很小0.04eV），掺杂），掺杂杂质几乎全部电离杂质几乎全部电离。图图3-7 施主和受主能级施主和受主能级3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 7.载流子的产生与复合载流子的产生与复合由于晶格的热振动，电子不断从价带被由于晶格的热振动，电子不断从价带被“激发激发”到导到导带，形成一对电子和空穴（即带，形成一对电子和空穴（即电子电子-空穴对空穴对），这就是），这就是载流载流子子产生产生的过程。的过程。电子和空穴在晶格中的运动是无规则的导带中的电子落电子和空穴在晶格中的运动是无规则的导带中的电子落进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。这种现象叫做进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。这种现象叫做电子和空穴的复合，即电子和空穴的复合，即载流子载流子复合复合。一定