2008新能源发电技术2_太阳能光伏发电技术2

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1、2.2.1太阳能电池的物理基础(1)固体能带理论*能带的形成单个原子的能级2.2太阳能电池工作原理第2章(2)2.2.1太阳能电池的物理基础(2)固体能带理论**能带的形成晶体原子共有化运动2.2.1太阳能电池的物理基础(3)固体能带理论***能带的形成N个原子形成2N个能级能带允带禁带又称能隙2.2.1太阳能电池的物理基础(4)固体能带理论****能带的形成导带：未被电子填满的能带或空能带满带或价带：已被电子填满的能带满带中的电子在外界电场作用下不能移动，不起导电作用固体能带理论*****金属、绝缘体和半导体导体能带分布图绝缘体

2、能带分布除非外电场相当强，否则不能使电子获得足够能量从满带跃迁到空带。在常温下，满带中少数电子在热激发下能够越过禁带跃迁到空带中去，这时半导体具有一定的导电性。2.2.1太阳能电池的物理基础(5)金属绝缘体半导体2.2.1太阳能电池的物理基础(6)本征半导体和参杂半导体*元素半导体：由同一种原子组成的半导体化合物半导体：由两种以上原子组成的半导体本征半导体：绝对纯的没有缺陷的半导体本征载流子浓度ni:本征硅中的电子浓度n等于空穴浓度p，称为本征载流子浓度ni。ni随温度升高而增加，室温时硅的ni为1010/cm32.2.1太阳能电

3、池的物理基础(7)本征半导体和参杂半导体**n型半导体：硅晶体中掺入少量五价元素磷或砷原子。磷或砷原子称为施主。这种杂质半导体主要靠施主能级激发到导带中去的电子来导电，称为电子型半导体或n型半导体。p型半导体：硅晶体中掺入少量三价硼原子。硼原子称为受主。这种杂质半导体的导电机构主要取决于满带空穴运动，故称空穴半导体或p型半导体。2.2.1太阳能电池的物理基础(8)本征半导体和参杂半导体***n型半导体：施主浓度为ND，nND，电子浓度远大于空穴浓度，电子为多数载流子称为多子，空穴称为少子。p型半导体：受主浓度为NA，pNA。电

4、子少子,空穴多子同时存在施主和受主杂质时nnND-NA(ND>NA)ppNA-ND(NA>ND)2.2.1太阳能电池的物理基础(9)载流子浓度和费米能级半导体平衡判据温度升高时，费米能级向本征费米能级靠近，电子和空穴浓度不断增加，不论P型硅还是N型硅，在温度很高时都会变成本征硅，电子浓度n等于空穴浓度p。2.2.1太阳能电池的物理基础(10)电子和空穴的运输漂移和扩散：引起电子和空穴发生净位移，即产生电子和空穴的运输，外电场引起漂移，载流子浓度差引起扩散半导体在外电场的作用下，在载流子的热运动上叠加的一个速度为漂移速度在同一电

5、场时，电子漂移的速度比空穴快产生与复合“产生－输运－复合”过程，反映了包括太阳能电池在内的大多数半导体器件工作过程，对于分析太阳能电池的工作性能很重要。2.2.1太阳能电池的物理基础(11)产生与复合*产生热平衡状态下的N型半导体必须满足nn0pn0=ni2非平衡载流子或过剩载流子：受到光照时，价带中的电子吸收光子中的能量跃迁进入导带，在价带中留下等两空穴。这些多于平衡浓度的光生电子和空穴叫非平衡载流子或过剩载流子。载流子的注入：这种由于外界条件的改变而使半导体产生非平衡载流子的过程，称为载流子的注入，简称注入或激发。有光注入，热

6、注入电注入等。载流子的抽取：半导体载流子浓度积小于平衡载流子浓度积的情况。大注入：nnpn>>nn0pn0=ni2小注入：nnpn>nn0pn0=ni22.2.1太阳能电池的物理基础(12)产生与复合**复合载流子浓度偏离了其平衡值时，它们就有恢复平衡的倾向，在注入的情况，恢复平衡是靠复合来实现的，在抽取的情况，则靠载流子的产生来实现。复合与产生互为逆过程，产生时吸收能量，复合时释放能量。表现为放出光子、声子和传递能量给其它载流子。3种复合机构：直接复合，通过复合中心复合，表面复合2.2.2太阳能电池材料的光学特性(1)半导体对光

7、的吸收吸收定律垂直入射光I0，反射率R，吸收系数距离前表面x处光谱辐照度：Ix=I0(1-R)e-x本征吸收和非本征吸收本征吸收：由于电子在能带间跃迁由价带到导带而形成导电的自由电子和空穴的吸收过程，即半导体本身原子对光的吸收。产生电子－空穴对。条件光子能量h>h0=Eg非本征吸收：激子吸收（电子空穴团），自由载流子吸收（多为红外吸收），杂质吸收和晶格振动吸收。2.2.2太阳能电池材料的光学特性(2)直接材料和间接材料直接跃迁：保持能量守恒和动量守恒的跃迁，例如砷化镓，只有直接跃迁能带结构的材料称为直接材料。间接跃迁：保持

8、能量守恒但动量不守恒的跃迁，需吸收声子，例如硅，具有间接跃迁能带结构的材料称为间接材料。间接材料吸收太阳光能比直接材料要求更厚材料丹倍效应强光照射半导体后，较大浓度的上表面光生载流子向背面扩散过程中，由于电子比空穴先达到背面而产生由上表面指向下表面