晶体硅太阳能电池的基本原理课件.ppt

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1、第三章晶体硅太阳能电池的基本原理3.1太阳电池的分类按基体材料分1.硅太阳电池单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池微晶硅太阳电池2.化合物太阳电池砷化镓太阳能电池碲化镉太阳能电池铜铟镓硒太阳能电池3.2太阳电池的分类工作原理太阳电池基本构造：半导体的PN结导体：铜（106/(Ω·cm)）绝缘体:石英（SiO2(10-16/(Ω·cm))）半导体:10-4——104/(Ω·cm)半导体元素：硅（SiO2）、锗（Ge）、硒（Se）等化合物：硫化镉（CdS）、砷化镓（GaAs）等合金：GaxAl1-xAs(x为0-1之间的任意数)有机半导体3.2.1半导体+4+4+4+4+4+4+4

2、+4+4硅是四价元素，每个原子的最外层上有4个电子。这4个电子又被称为价电子硅晶体中，每个原子有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有2个价电子，形成稳定的8原子壳层。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量升高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，称为自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现一个空位，称为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴3.2.2能带结构量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。这些新能级基本上连成一片，形成能带当N个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用，对

3、应于原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条靠得很近的能级。使原来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于N个很接近的新能级上。由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象。共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。n=3n=2原子能级能带N条能级ΔE禁带满带：排满电子的能带空带：未排电子的能带未满带：排了电子但未排满的能带禁带：不能排电子的区域[1]满带不导电[2]未满能带才有导电性导带：最高的满带价带：最低的空带电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子，空穴和电子都参与导电成为载流子导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很

4、易获得能量，集体定向流动形成电流。绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg约3～6eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。半导体：的能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（Eg约3eV以下)。导体半导体绝缘体Eg价带导带最高的满带最低的空带导带价带满带部分填充能带在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体2掺杂半导体3.2.3杂质半导体1本征半导体无杂质，无缺陷的半导体本证载流子：电子、空穴均参与导电本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少根据掺

5、杂的不同，杂质半导体分为N型半导体P型半导体N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。空带满带施主能级EDEg空带Ea满带受主能级Eg掺入少量五价杂质元素磷+4+4+4+4+4+4+4+4P多出一个电子出现了一个正离子电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流子，简称少子。施主杂质半导体整体呈电中性掺入少量三价杂质元素硼+4+4+4+4+4+4+4+4B空穴负离子空穴是多数载流子，简称多子;电子是少数载流子，简称少子。受主杂质半导体整体呈电中性3.2.5PN结半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用

6、下的定向运动称为漂移运动.在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层PN结①多子扩散运动形成空间电荷区由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向…扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由N区指向P区的内电场EIN。PN结②内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移多子扩散空间电荷区加宽内电场

7、EIN增强少子漂移促使阻止EINEIN空间电荷区变窄内电场EIN削弱扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结173.2.6光生伏特效应当光照射p-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，最后在n区边界积累光生电子，在p区边界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在p区和n区之间产生了光生电压UOC，这就是p-n结的光生伏特效应。只要光照不停