太阳能电池培训手册样本.docx

1、太阳能电池培训手册样本第一章 太阳电池工作原理和基本特性1.1 半导体物理基本1.1.1 半导体性质世界上物体如果以导电性能来区别，有容易导电，有不容易导电。容易导电称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电物体称为绝缘体，常用有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间物体称为半导体，重要有锗、硅、砷化镓、硫化镉等等。众所周知，原子是由原子核及其周边电子构成，某些电子脱离原子核束缚，可以自由运动时，称为自由电子。金属之因此容易导电，是由于在金属体内有大量可以自由运动电子，在电场作用下，这些电子有规则地沿着电场相反方向流动，形成了电流。自由电子数量越多，或者它们在电场作用

2、下有规则流动平均速度越高，电流就越大。电子流动运载是电量，咱们把这种运载电量粒子，称为载流子。在常温下，绝缘体内仅有很少量自由电子，因而对外不呈现导电性。半导体内有少量自由电子，在某些特定条件下才干导电。半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（OCLS）和砷化镓（GaAs），还可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x为0-1之间任意数。许多有机化合物，如蒽也是半导体。半导体电阻率较大（约10-5107m），而金属电阻率则很小（约10-810-6m），绝缘体电阻率则很大（约108m）。半导体电阻率对温度反映敏捷，例如锗温度从200C升高到300C，电阻率就要减少一

3、半左右。金属电阻率随温度变化则较小，例如铜温度每升高1000C，增长40%左右。电阻率受杂质影响明显。金属中具有少量杂质时，看不出电阻率有多大变化，但在半导体里掺入微量杂质时，却可以引起电阻率很大变化，例如在纯硅中掺入百万分之一硼，硅电阻率就从2.14103m减小到0.004m左右。金属电阻率不受光照影响，但是半导体电阻率在恰当光线照射下可以发生明显变化。1.1.2半导体物理基本1.1.2.1能带构造和导电性半导体许多电特性可以用一种简朴模型来解释。硅是四价元素，每个原子最外壳层上有4个电子，在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，并和每一种相邻原子共有两个价电子，形成稳定8电子壳层。自由空间电子所

4、能得到能量值基本上是持续，但在晶体中状况就也许截然不同了，孤立原子中电子占据非常固定一组分立能线，当孤立原子互相接近，规则整洁排列晶体中，由于各原子核外电子互相作用，本来在孤立原子状态是分离能级扩展，依照状况互相重叠，变成如图2.1所示带状。电子允许占据能带叫容许带，容许带与容许带间不允许电子存在范畴叫禁带。图2.1 原子间距和电子能级关系在低温时，晶体内电子占有最低也许能态。但是晶体平衡状态并不是电子全都处在最低容许能级一种状态。基本物理定理泡利（Pauli）不相容原理规定，每个容许能级最多只能被两个自旋方向相反电子所占据。这意味着，在低温下，晶体某一能级如下所有也许能态都将被两个电子占据，

5、该能级称为费米能级（EF）。随着温度升高，某些电子得到超过费米能级能量，考虑到泡利不相容原理限制，任一给定能量E一种所容许电子能态占有几率可以依照记录规律计算，其成果是由下式给出费米狄拉克分布函数f(E)，即当前就可用电子能带构造来描述金属、绝缘体和半导体之间差别。电导现象是随电子填充容许带方式不同而不同。被电子完全占据容许带（称为满带）上方，隔着很宽禁带，存在完全空容许带（称为导带），这时满带电子虽然加电场也不能移动，因此这种物质便成为绝缘体。容许带不完全占满状况下，电子在很小电场作用下就能移动到离容许带少量上方另一种能级，成为自由电子，而使电导率变得很大，这种物质称为导体。所谓半导体，即是

6、天然具备和绝缘体同样能带构造，但禁带宽度较小物质。在这种状况下，满带电子获得室温热能，就有也许越过禁带跳到导带成为自由电子，它们将有助于物质导电性。参加这种电导现象满带能级在大多数状况下位于满带最高能级，因而可将能带构造简化为图2.2 。此外，由于这个满带电子处在各原子最外层，是参加原子间结合价电子，因此又把这个满带称为价带。图中省略了导带上部和价带下部。半导体结晶在相邻原子间存在着共用价电子共价键。如图2.2所示，一旦从外部获得能量，共价键被破坏后，电子将从价带跃造到导带，同步在价带中留出电子一种空位。这个空位可由价带中邻键上电子来占据，而这个电子移动所留下新空位又可以由其他电子来弥补。这样

7、，咱们可以当作是空位在依次地移动，等效于带正电荷粒子朝着与电子运动方向相反方向移动，称它为空穴。在半导体中，空穴和导带中自由电子同样成为导电带电粒子（即载流子）。电子和空穴在外电场作用下，朝相反方向运动，但是由于电荷符号也相反，因而，作为电流流动方向则相似，对电导率起迭加作用。图2.2 半导体能带构造和载流子移动1.1.2.2本征半导体、掺杂半导体图2.2 所示能带构造中，当禁带宽度Eg比较小状况下，随着温度上升，从价带跃迁到导带电子数增多，同步在价带产生同样数目空穴。这个过程叫电子空穴对产生，把在室温条件下能进行这样成对产生并具备一定电导率半导体叫本征半导体，它只能在极纯材料状况下得到。而普

8、通状况下，由于半导体内具有杂质或存在品格缺陷，作为自由载流子电子或空穴中任意一方增多，就成为掺杂半导体。存在多余电子称为n型半导体，存在多余空穴称为P型半导体。杂质原子可通过两种方式掺入晶体构造：它们可以挤在基质晶体原子间位置上，这种状况称它们为间隙杂质；另一种方式是，它们可以替代基质晶体原子，保持晶体构造中有规律原子排列，这种状况下，它们被称为替位杂质。周期表中族和V族原子在硅中充当替位杂质，图2.3示出一种V族杂质（如磷）替代了一种硅原子某些晶格。四个价电子与周边硅原子构成共价键，但第五个却处在不同状况，它不在共价键内，因而不在价带内，它被束缚于V族原子，所图2.3 一种V族原子代替了一种

9、硅原子某些硅晶格以不能穿过晶格自由运动，因而它也不在导带内。可以预期，与束缚在共价键内自由电子相比，释放这个多余电子只须较小能量，比硅带隙能量1.1eV小得多。自由电子位于导带中，因而束缚于V族原子多余电子位于低于导带底能量为E地方，如图（格P28图2.13(a）所示那样。这就在“禁止”晶隙中安顿了一种容许能级， 族杂质分析与此类似。例如，把V族元素（Sb,As,P）作为杂质掺入单元素半导体硅单晶中时，这图2.4 （a）V族替位杂质在禁带中引入容许能级 （b）族杂质相应能态些杂质代替硅原子位置进入晶格点。它5个价电子除与相邻硅原子形成共价键外，还多余1个价电子，与共价键相比，这个剩余价电子极松

10、弛地结合于杂质原子。因而，只要杂质原子得到很小能量，就可以释放出电子形成自由电子，而自身变成1价正离子，但因受晶格点阵束缚，它不能运动。这种状况下，形成电子过剩n型半导体。此类可以向半导体提供自由电子杂质称为施主杂质。其能带构造如图2.5所示。在n型半导体中，除存在从这些施主能级产生电子外，还存在从价带激发到导带电子。由于这个过程是电子-空穴成对产生，因而，也存在相似数目空穴。咱们把数量多电子称为多数载流子，将数量少空穴称为少数载流子。图2.5 n型半导体能带构造 图2.6 p型半导体能带构造把族元素（B、Al、Ga、In）作为杂质掺入时，由于形成完整共价键上缺少一种电子。因此，就从相邻硅原子

11、中夺取一种价电子来形成完整共价键。被夺走电子留下一种空位，成为空穴。成果，杂质原子成为1价负离子同步，提供了束缚不紧空穴。这种结合用很小能量就可以破坏，而形成自由空穴，使半导体成为空穴过剩P型半导体，可以接受电子杂质原子称为受主杂质。其能带构造如图2.6所示。这种状况下，多数载流子为空穴，少数载流子为电子。上述例子都是由掺杂形成n型或P型半导体，因而称为掺杂半导体。但为数诸多化合物半导体，依照构成元素某种过剩或局限性，有时导电类型发生变化。此外，也有由于构成元素蒸气压差过大等因素，导致虽然掺入杂质有时也得不到n、p两种导电类型状况。1.1.2.3载流子浓度半导体处在热平衡状态时，多数载流子和少

12、数载流子浓度各自达到平衡值。因某种因素，少数载流子一旦超过平衡值，就将发生与多数载流子复合，企图恢复到本来平衡状态。设电子浓度为n，空穴浓度为p，则空穴浓度随时间变化率由电子-空穴对产生和复合之差给出下式： (2.1)电子空穴对产生几率g是由价带中成为激发对象电子数和导带中可容许占据能级数决定。然而，空穴少于导带容许能级时，不依赖于载流子数而成为定值。复合率正比于载流子浓度n与p乘积，比例系数r表达复合几率。平衡状态时dp/dt=0,由此可导出 = 常数 (2.2)它意味着多数载流子浓度和少数载流子浓度乘积为拟定值。这个关系式也合用于本征半导体，可得到 (2.3)依照量子理论和量子记录理论可以

13、得到 (2.4)式中， k玻耳兹曼常数；h普朗克常数；m*n电子有效质量；mp*空穴有效质量；T绝对温度；EV价带顶能量；EC导带底能量；NV价带顶有效态密度NC导带底有效态密度如果懂得半导体禁带亮度Eg，就可以很容易地计算出本征载流子浓度。费米能级在描述半导体能级图上是重要参量。所谓费米能级，即为电子占据几率为1/2处能级，可依照半导体电中性条件求出，即自由空穴浓度+电离施主浓度=自由电子浓度+电离受主浓度 (2.5)费米能级在本征半导体中几乎位于禁带中央，而在n型半导体中接近导带。在P型半导体中接近价带。同步费米能级将依照掺杂浓度不同，发生如图2.6所示变化。例如，n型半导体中设施主浓度为

14、Nd，可给出： (2.6)图2.6 费米能级与杂质浓度关系P型半导体中设受主浓度为Na，则可给出： (2.7)如果懂得了杂质浓度就可以通过计算求得费米能级。1.1.2.4载流子传播一、漂移在外加电场影响下，一种随机运动自由电子在与电场相反方向上有一种加速度a=/m，在此方向上，它速度随时间不断地增长。晶体内电子处在一种不同状况，它运动时质量不同于自由电子质量，它不会长期持续地加速，最后将与晶格原子、杂质原子或晶体构造内缺陷相碰撞。这种碰撞将导致电子运动杂乱无章，换句话说，它将减少电子从外加电场得到附加速度，两次碰撞之间“平均”时间称为弛豫时间tr，由电子无规则热运动速度来决定。此速度普通要比电

15、场给与速度大得多，在两次碰撞之间由电场合引起电子平均速度增量称为漂移速度。导带内电子漂移速度由下式得出： (2.8)（如果tr是对所有电子速度取平均，则去掉系数2）。电子载流子迁移率定义为： (2.9)来自导带电子相应电流密度将是 (2.10)对于价带内空穴，其类似公式为 (2.11)总电流就是这两某些和。因而半导体电导率为 (2.12)其中是电阻率。对于结晶质量较好比较纯半导体来说，使载流子速度变得紊乱碰撞是由晶体原子引起。然而，电离了掺杂剂是有效散射体，由于它们带有净电荷。因而，随着半导体掺杂加重，两次碰撞间平均时间以及迁移率都将减少。当温度升高时，基体原子振动更激烈，它们变为更大“靶”，

16、从而减少了两次碰撞间平均时间及迁移率。重掺杂时，这个影响就得不太明显，由于此时电离了掺杂剂是有效载流子散射体。电场强度提高，最后将使载流子漂移速度增长到可与无规则热速度相比。因而，电子总速度归根结底将随着电场强度增长而增长。电场增长使碰撞之间时间及迁移率减小了。二、扩散除了漂移运动以外，半导体中载流子也可以由于扩散而流动。象气体分子那样任何粒子过度集中时，若不受到限制，它们就会自己散开。此现象基本因素是这些粒子无规则热速度。粒子流与浓度梯度负值成正比。由于电流与荷电粒子流成正比，因此相应于电子一维浓度梯度电流密度是 (2.13)其中De是扩散常数。同样对于空穴，有 (2.14)从主线上讲，漂移

17、和扩散两个过程是关于系，因而，迁移率和扩散常数不是独立，它们通过爱因斯坦关系互相联系，即 和 (2.15)kT/q是在与太阳电池关于关系式中经常浮现参数，它具备电压量纲，室温时为26mv。1.1.2.5半导体吸取系数半导体晶体吸光限度由光频率和材料禁带宽度所决定。当频率低、光子能量h比半导体禁带宽度 Eg小时，大某些光都能穿透；随着频率变高，吸取光能力急剧增强。吸取某个波长 光能力用吸取系数（h）来定义。半导体光吸取由各种因素决定，这里仅考虑到在太阳电池上用到电子能带间跃迁。普通禁带宽度越宽，对某个波长吸取系数就越小。除此以外，光吸取还依赖于导带、价带态密度。光为价带电子提供能量，使它跃迁到导

18、带，在跃迁过程中，能量和动量守恒，对没有声子参加状况，即不随着有动量变化跃迁称为直接跃迁，其吸取过程形式示于图2.7，而随着声子跃迁称为间接跃迁，其吸取跃迁过程示于图2.8。图2.7 直接带隙半导体能量晶体动量图 图2.8 间接带隙半导体能量晶体动量图硅属于间接跃迁类型，其吸取系数上升非常平缓，因此在太阳光照射下，光可到达距表面20m以上相称深地方，在此还能产生电子一空穴对。与此相反，对直接跃迁型材料GaAs，在其禁带宽度附近吸取系数急剧增长，对能量不不大于禁带宽度光子吸取缓慢增长，此时，光吸取和电子一空穴对产生，大某些是在距表面2m左右极薄区域中发生。简言之，制造太阳电池时，用直接跃迁型材料

19、，虽然厚度很薄，也能充分吸取太阳光，而用间接跃迁型材料，没有一定厚度，就不能保证光充分吸取。但是作为太阳电池必要厚度，并不是仅仅由吸取系数来决定，与少数载流子寿命也关于系，当半导体掺杂时，吸取系数将向高能量一侧发生偏移。由于一某些光在半导体表面被反射掉，因而，进入内部光事实上等于扣除反射后所剩某些。为了充分运用太阳光，应在半导体表面制备绒面和减反射层，以减少光在其表面反射损失。1.1.2.6载流子复合一 驰豫到平衡恰当波长光照射在半导体上会产生电子空穴对。因而，光照射时材料载流子浓度将超过无光照时值。如果切断光源，则载流子浓度就衰减到它们平衡时值。这个衰减过程通称为复合过程。下面将简介几种不同

20、复合机构。二 辐射复合辐射复合就是光吸取过程逆过程。占据比热平衡时更高能态电子有也许跃迁到空低能态，其所有（或大某些）初末态间能量差以光方式发射。所有已考虑到吸取机构均有相反辐射复合过程。由于间接带隙半导体需要涉及声子两级过程，因此辐射复合在直接带隙半导体中比间接带隙半导体中进行得快。总辐射复合速率RR与导带中占有态（电子）浓度和价带中未占有态（空穴）浓度乘积成正比，即 (2.16)式中，B对给定半导体来说是一种常数。由于光吸取和这种复合过程之间关系，由半导体吸取系数可以计算出B。热平衡时，即np=ni2时，复合率由数目相等但过程相反产生率所平衡。在不存在由外部勉励源产生载流子对状况下，与上式

21、相相应净复合率UR由总复合率减去热平衡时产生率得到，即 (2.17)对任何复合机构，都可定义关于载流子寿命（对电子）和（对空穴）它们分别为 (2.18)式中，U为净复合率，n和p是相应载流子从它们热平衡时值n0和p0扰动。对n=p辐射复合机构而言，由式（2.17）拟定特性寿命是 (2.19)硅B值约为210-15cm3/s。正如前面所说直接带隙材料复合寿命比间接带隙材料小得多。运用GaAs及其合金为材料商用半导体激光器和光发射二极管就是以辐射复合过程作为基本。但对硅来说，其他复合机构远比这重要得多。三、俄歇复合在俄歇（Auger）效应中，电子与空穴复合时，将多余能量传给第二个电子而不是发射光。

22、图2.9示出了这个过程。然后，第二个电子通过发射声子弛豫回到它初始所在能级。俄歇复合就是更熟悉碰撞电离效应逆过程。对具备充分电子和空穴材料来说，与俄歇过程关于特性寿命分别是 或 (2.20)在每种状况下，右边第一项描述少数载流子能带电子激发，第二项描述多数载流子能带电子激发。由于第二项影响，高掺杂材料中俄歇复合特别明显。对于高质量硅，掺杂浓度不不大于1017cm3时，俄歇复合处在支配地位。图2.9 俄歇复合过程（a）多余能量传给导带中电子（b）多余能量传给价带中电子四、通过陷阱复合前面已指出，半导体中杂质和缺陷会在禁带中产生容许能级。这些缺陷能级引起一种很有效两级复合过程。如图2.10（a）所

23、示，在此过程中，电子从导带能级弛豫到缺陷能级，然后再弛豫到价带，成果与一种空穴复合。图2.10 （a）通过半导体禁带中陷阱能级两级复合过程（b）在半导体表面位于禁带中表面态对此过程进行动力学分析可得，通过陷阱净复合产生率UT可写为 (2.21)式中，h0和e0 是寿命参数，它们大小取决于陷阱类型和陷阱缺陷体密度，n1和p1是分析过程中产生参数，此分析过程还引入一种复合速率与陷阱能Et关系式： (2.22) (2.23)式(2.22)在形式上与用费米能级表达电子浓度公式很相似。如果e0和h0数量级相似，可知当n1p1时，U有其峰值。当缺陷能级位于禁带间中央附近时，就浮现这种状况。因而，在带隙中央

24、引入能级杂质是有效复合中心。五、表面复合表面可以说是晶体构造中有相称严重缺陷地方。如图2.10（b）所示，在表面处存在许多能量位于禁带中容许能态。因而由上面所论述机构，在表面处，复合很容易发生。单能级表面态每单位面积净复合率UA具备与2.21类似形式，即 (2.24)式中Se0和Sh0是表面复合速度。位于带隙中央附近表面态能级也是最有效复合中心。1.1.2.7半导体器件物理学基本方程前面几节中已经概述了半导体关于特性，这些内容当前将被归纳为一组能描述半导体器件工作基本方程。这些方程解使咱们可以拟定涉及太阳电池在内大某些半导体器件抱负特性。忽视别的两维空间变化，方程组将写成一维形式。1、泊松方程

25、它描述了电场散度与空间电荷密度之间关系，在一维状况下，其形式为： (2.25)式中是介电常数。为电荷密度。在半导体中，值为 (2.26)式中，p和n是空穴和电子浓度，ND+和NA-分别是已电离施主和受主浓度。在正常状况下，大某些施主和受主都被电离，因而 (2.27)式中ND和NA为施主和受主杂质总浓度。2、电流密度方程电子和空穴通过漂移和扩散过程可对电流作出贡献。因而，电子和空穴总电流密度Je和Jh表达式为 (2.28)迁移率和扩散系数关系由爱因斯坦关系式De=(kT/q)e和Dh=(kT/q)h拟定。3、持续方程图2.11 推导电子持续方程用单元体积参看图2.11中长为x、横截面积为A单元体

26、积，可以说这个体积中电子净增长几率等于它们进入速率减去它们出去速率，加上该体积中它们产生率，减去它们复合率，写成方程为：进入速率出去速率 (2.29)产生率复合率 (2.30)式中G是由于外部作用（如光照）所一引起净产生率，U是净复合率。在稳态状况下，净增长率必要为0，这样就有 (2.31)同样，对于空穴有 (2.32)4、方程组由上述方程，咱们可得到应用于半导体器件基本方程组： (2.33)运用计算机，通过引入某些考虑周详近似解决，也许极简朴地就可求得这些方程解。1.1.3半导体pn结1.1.3.1能带图在一块半导体晶体内，P型和n型紧接在一起时，将它们交界处称为pn结。当p型，n型单独存在

27、时，费米能级如图2.12（a）所示，分别位于介带和导带附近.一旦形成pn结，由于结两边电子和空穴浓度不同，电子就强烈地要从n区向p区扩散，空穴则要向相反方向扩散，其成果在n型一边浮现正电荷，在p型一边浮现负电荷，这两种电荷层在半导体内部建立了一种内建电场，这个电场反过来又在结处产生一种内部电位降，阻挡了电子和空穴进一步扩散，包括这两种电荷层空间称为耗尽区或空间电荷区。通过这个空间电荷区作用，使费米能级成同一水平，达到平衡状态。图2.12（b）表达pn结能带图及从p区向n区变化空间电荷区。内建电场从n区指向p 区，形成势垒。在平衡状态下，由于扩散，从p区越过势垒向n区移动空穴数目等同于空间电荷区

28、附近n区中由于热运动产生少数载流子空穴在空间电荷区内建电场作用下漂移到p区数目，因而没有电流流过。对于电子也可做同样阐述。1.1.3.2电流电压特性在pn结上加偏置电压时，由于空间电荷区内没有载流子（又称为耗尽区）形成高阻区，因而，电压几乎所有跨落在空间电荷区上。当外加电压使得p区为正时，势垒高度减小，空穴从p区向n区移动以及电子从n区向p区移动变得容易，在两个区内有少数载流子注入，因而电流容易流动（称为正向）。当外加电压使得n区为正时，势垒高度增长，载流子移动就变得困难，几乎没有电流流过（此时称为反向）。当存在外加电压时，空间电荷区n区边界和p区边界空穴浓度pn及电子浓度np如下： (2.3

29、4)当加正向电压时V0，加反向电压时V0。由于咱们以为外加电压仅跨越在空间电荷区，因此可视为n区内没有电场，由空穴构成电流只是由于它浓度梯度形成扩散电流。电流密度Jp为 (2.35)同样，注入到p区少数载流子电子电流密度Jn为 (2.36)因加编压V而产生总电流是空穴电流与电子电流之和，故总电流密度J为： (2.37) (2.38)总电流密度J具备如图2.13所示整流特性。正向时，在电压较大区域，电流密度与exp(qV/kT)成正比；反向时则趋近于-J0。称J0为饱和电流密度。图2.13 pn结电流电压特性1.2太阳电池工作原理1.2.1半导体内光电效应当光照射到半导体上时，光子将能量提供应电

30、子，电子将跃迁到更高能态，在这些电子中，作为实际使用光电器件里可运用电子有：（1）价带电子；（2）自由电子或空穴（Free Carrier）；（3）存在于杂质能级上电子。太阳电池可运用电子重要是价带电子。由价带电子得到光能量跃迁到导带过程决定光吸取称为本征或固有吸取。太阳电池能量转换基本是结光生伏特效应。当光照射到pn结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场吸引，电子流入n区，空穴流入p区，成果使n区储存了过剩电子，p区有过剩空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反光生电场。光生电场除了某些抵消势垒电场作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N

31、区和P区之间薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区费米能级比P区费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差VOC。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时结处在正向偏置，因而，上述短路光电流和二极管正向电流相等，并由此可以决定VOC值。1.2.2太阳电池能量转换过程太阳电池是将太阳能直接转换成电能器件。它基本构造是由半导体PN结构成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好光电转换效率。本节以最普通硅PN结太阳电池为例，详细地观测光能转换成电能状况。一方面研究使太阳电池工作时，在外部观测到特性。图2.14表达了无光照时典型电流电压特性（暗电流）。当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反光电流Iph流过。图2.14 无光照及光照时电流电压特性当给太阳电池连结负载R，并用太阳光照射时，