太阳能电池物理课件.ppt

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1、太阳能电池物理一：引言二：半导体基本特性三：PN结二极管静电四：太阳能电池基本原理五：其它的主题六：总结太阳能电池是一种半导体二极管，吸收太阳光能量转换为电能。冶金结，掺杂是通过扩散或离子注入或通过沉积过程。一：引言1，基本介绍太阳光具有粒子性（光子）波动性（波长），能量为：只有能量大于半导体（硅）带隙的光子才可能被吸收，激发产生非平衡少数载流子：电子－空穴对。二：半导体基本特性1，晶体结构：在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：2，

2、能带结构直接带隙、间接带隙半导体，带隙类型对半导体的光吸收非常重要。3，状态密度函数根据泡利不相容原理，一个状态只能被一个电子占据，于是对导电过程起作用的载流子的数量就变成有效能量或量子状态数量的函数。需要用一个能量函数来确定那些分立能级的能量状态密度，从而计算电子和空穴的浓度。导带态密度：价带态密度：4，平衡载流子浓度热平衡时（如衡温下没有热注入或载流子产生），费米函数决定了能态被电子占据的几率：NC，NV代表有效态密度不同温度下的费米函数非简并半导体施主杂质和受主杂质，所有的掺杂杂质将引入额外的局域电子态，这些局域电子态经常在EC和EV之间一般地，施主和受主被认为时全部

3、离化的。此时，对于N型材料，P型材料，注意：当重掺杂时，杂质对系统的影响不能只看作是微扰，必须考虑重掺杂带来的影响。通常的，重掺杂的影响是降低了带隙EG，从而提高了本征载流子浓度。这种带隙变窄（BGN）对太阳能电池的性能是有害的，电池通常设计为避免这种效应，虽然在电池的接触电极附近的重掺杂区域可能会有这种因素。5，半导体的光吸收基本吸收：直接激发价带的一个电子到导带，同时在价带产生一个空穴。光子的动量远远小于晶格动量在光子吸收过程中，必须满足电子的守恒定律。吸收系数：吸收系数正比于吸收概率P12，初态的电子密度gv（E1），终态的可容纳密度。直接带吸收和间接带吸收直接带吸收

4、间接带吸收在电子跃迁过程中，要满足能量和动量守恒定律。直接带隙，电子动量相同，如GaAs、GaInP等。间接带隙，如Si，Ge，电子动量不同，动量守恒要求额外的粒子参与，声子代表晶格的振动，具有低的能量和高的动量，适合于间接吸收过程。包括声子的吸收和声子的发射。对于间接带隙，光吸收不仅和电子的态密度有关，还和发射吸收声子的概率有关，是二级的过程，所以相对于直接带隙，吸收系数很小。一般，间接带隙的光吸收，光的穿透深度比直接带隙要深。直接带和间接带的光吸收Si和GaAs在300K下的吸收系数和能量关系图对于直接和间接带隙材料，两种吸收过程（有和无声子参与）都存在，只是那一种占主

5、导地位。太阳能电池的光吸收太阳能电池中，电子－空穴对的产生几率为：其中s为栅线遮挡因子，r为反射系数，f为光子流。自由载流子的吸收，导带的电子吸收光子，移动到更高的位置，（价带的空穴相同）。吸收的光子能量通常小于EG。对于单结电池，自由载流子吸收没有影响，对于多结电池，必须考虑。6，半导体的光复合－光吸收的逆过程太阳能电池有几种重要的复合机制：－通过禁带中的陷阱（缺陷）的复合－辐射复合（带带复合）－俄歇复合（非辐射复合，能量传递给其它载流子）－当然还有很多其它类型的复合（杂质能带）1）单能级陷阱（SLT）复合单能级陷阱（SLT）复合，E＝ET在禁带中，通常称为Shockle

6、t-Read-Hall（肖克莱-里德-霍尔），单位体积单位时间的复合率表示为：定义寿命：σ为捕获截面，vth为载流子热速率，NT陷阱浓度。在高注入条件（n≈p>>n0,p0），复合率则表示为：若为N型材料（n≈n0>>p0），低注入条件（p0≤p<

7、在一个独立的复合中心（陷阱），这个单一的陷阱存在着四个基本过程：电子的俘获、电子的发射、空穴的俘获、空穴的发射。肖克莱-里德-霍尔复合理论2）辐射（带带）复合直接带比间接带更有效，复合发射光子，这也是半导体激光器，发光二极管（LED）的工作原理。净复合率为：B是常数。对于n型材料（n≈n0>>p0），低注入（p0≤p<