太阳能电池（硅）工作原理.ppt

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1、太阳能电池（硅）工作原理张立强2009.5.12太阳能电池（硅）工作原理太阳能电池分类半导体及其主要特征半导体物理有关概念本证半导体杂质半导体PN结太阳能电池原理1.太阳能电池分类按照结构分类：同质结太阳能电池：同一半导体材料异质结太阳能电池：不同半导体材料肖特基太阳能电池：金属与半导体界面肖特基势垒多结太阳能电池：多个pn结，复合半导体电池液结太阳能电池：电解液和半导体按照材料分类：硅太阳能电池：单晶硅、多晶硅、化合物半导体太阳能电池：具有半导体特性的化合物，砷化镓、硫化镉有机半导体太阳能电池：含有一定数量炭-炭键的半导体材料做成的电池，如萘、、芳烃-卤素络合物、高

2、聚物等薄膜太阳能电池：用单质、无机物、有机物等材料制作的薄膜作为机体材料的太阳能电池，如非晶硅薄膜、单晶硅薄膜、纳米晶薄膜太阳能电池2半导体及其主要特征在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。导体：导电能力强，电阻率10-8~10-6Ω·m，如金银铜铁等绝缘体：导电能力弱或基本不导电，电阻率108~1020Ω·m，橡胶、塑料、木材、玻璃半导体：导电能力居中，电阻率10-5~107Ω·m，锗、硅、砷化镓等典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。2.1材料分类2.2半导体特性导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。(1)热敏性：导

3、体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。(2)光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。例如：锗的温度从200℃升到300℃，电阻率下降一半纯硅中掺杂百万分之一的硼，电阻率2140降至0.0042.3半导体的晶体结构晶体：具有明确熔点的物质非晶体：无明确熔点，加热时逐渐软化所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。这种对

4、称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或晶体格子，简称为晶格。单晶体：整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体多晶体：整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体组成的晶体2.4晶体原子组成硅的原子序数为14，即其原子核周围有14个电子，这些电子按照轨道层层分布：典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。+14284Ge+3228184+43半导体物理有关概念3.1能级和能带原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状

5、态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。一个能级也表示电子的一种运动状态一种元素的化学性质和物理性质是由其原子结构决定的，其中外层电子的数目起着最为重要的作用。习惯上把外层电子称为价电子，一个原子有几个外层电子就称它为几价。硅（Si）是第四族元素，称为４价元素；硼（B）、铝、镓、铟为３价元素；氮、磷（P）、砷为５价元素。原子和原子的结合，主要靠外层的互相交合以及价电子运动的变化。电子在原子核周围转动时，每一层轨道上的电子都有确定的能量，最里层的轨道相应于最低的能量，第二层轨道具有较大的能量，越是外层的电子受原子核的束缚越弱

6、而能量越大。晶体中，原子电场相互叠加，轨道对应的能级由单个能级变为能量接近但又不同的能级，称为能带。外层：能带宽有的填满内层：能带窄被电子填满3.2禁带、价带、导带禁带：两个能带之间的区域，不能被电子占据导带：未被电子填满的能带或空带，是导电的主因价带：又称满带，内层被电子填满的能带，每个能级上都有两个电子，即使有外加电场也不能由低能级到高能级，不能参与导电。金属：无禁带，导带和价带重合，即使温度0K，照样导电半导体：禁带宽度零点几eV到4eV之间，0K时，电子充满价带，导带为空，不导电，温度升高后电子从价带跳到导带，可以导电绝缘体：禁带宽度5~10eV，难以激发电子

7、本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。4.本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。可见本征激发同时产