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生命是永恒不断的创造，因为在它内部蕴含着过剩的精力，它不断流溢，越出时间和空间的界限，它不停地追求，以形形色色的自我表现的形式表现出来。－－泰戈尔童梦无忧网试管婴儿论坛端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。第2章章(2)2.2太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理2.2.1太阳能电池太阳能电池的物理基础(1)的物理基础固体能带理论*固体能带理论*能带的形成单个原子的能级NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering12.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(2)太阳能电池的物理基础固体能带理论**固体能带理论**能带的形成晶体原子共有化运动NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering22.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(3)太阳能电池的物理基础固体能带理论***固体能带理论***能带的形成N个原子形成个能级个原子形成2N个能级个原子形成能带允带禁带又称能隙NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering32.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(4)太阳能电池的物理基础固体能带理论****固体能带理论****能带的形成导带:导带:未被电子填满的能带或空能带满带或价带: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,满带中的电子在外界电场作用下不能移动,不起导电作用NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering42.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(5)太阳能电池的物理基础固体能带理论*****固体能带理论*****金属,金属,绝缘体和半导体导体能带分布图绝缘体能带分布除非外电场相当强,绝缘体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.能使电子获得足够能量从满带跃迁到空带.在常温下,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,越过禁带跃迁到空带中去,这时半导体具有一定的导电性.一定的导电性.NorthChinaElectricPowerUniversity金属DepartmentofElectricalEngineering电力工绝缘体程系半导体52.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(6)太阳能电池的物理基础本征半导体和参杂半导体*本征半导体和参杂半导体元素半导体:元素半导体:由同一种原子组成的半导体化合物半导体:化合物半导体:由两种以上原子组成的半导体本征半导体:本征半导体:绝对纯的没有缺陷的半导体本征载流子浓度n本征硅中的电子浓度本征硅中的电子浓度n等于空本征载流子浓度i:本征硅中的电子浓度等于空穴浓度p,称为本征载流子浓度n穴浓度,称为本征载流子浓度i.ni随温度升高而增加,室温时硅的i为1010/cm3随温度升高而增加,室温时硅的nNorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering62.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(7)太阳能电池的物理基础本征半导体和参杂半导体**本征半导体和参杂半导体n型半导体:硅晶体中掺入少量型半导体:型半导体五价元素磷或砷原子或砷原子.五价元素磷或砷原子.磷或砷原子称为施主.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,中去的电子来导电,称为电子型半导体或n型半导体型半导体.型半导体或型半导体.p型半导体:硅晶体中掺入少量型半导体:型半导体三价硼原子原子.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,主要取决于满带空穴运动,故称空穴半导体或p型半导体型半导体.称空穴半导体或型半导体.NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering72.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(8)太阳能电池的物理基础本征半导体和参杂半导体***本征半导体和参杂半导体n型半导体:施主浓度为D,n≈ND,电子浓度型半导体:施主浓度为N型半导体≈远大于空穴浓度,电子为多数载流子称为多子,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.空穴称为少子.p型半导体:受主浓度为A,p≈NA.电子少子型半导体:电子少子,型半导体受主浓度为NA,空穴多子同时存在施主和受主杂质时nn≈ND-NA(NDNA)pp≈NA-ND(NAND)NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering82.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(9)太阳能电池的物理基础载流子浓度和费米能级半导体平衡判据np=NcNve(EcEv)/kT=NcNveEg/kT=n2i温度升高时,费米能级向本征费米能级靠近,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型硅还是型硅还是N型电子和空穴浓度不断增加,不论型硅还是型在温度很高时都会变成本征硅,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.等于空穴浓度p.等于空穴浓度NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering92.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(10)太阳能电池的物理基础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,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,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引起漂移,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,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场时,在同一电场时,电子漂移的速度比空穴快产生与复合产生-输运-复合过程,反映了包括太阳能产生-输运-复合过程,电池在内的大多数半导体器件工作过程,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.析太阳能电池的工作性能很重要.NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering102.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(11)太阳能电池的物理基础产生与复合*产生与复合产生热平衡状态下的型半导体必须满足型半导体必须满足n热平衡状态下的N型半导体必须满足n0pn0=ni2非平衡载流子或过剩载流子:受到光照时,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,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.平衡载流子或过剩载流子.载流子的注入: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,称为载流子的注入载流子的注入,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,热注入电注入等.注入或激发.有光注入,热注入电注入等.载流子的抽取: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.浓度积的情况.大注入:大注入:nnpnnn0pn0=ni2小注入:小注入:nnpnnn0pn0=ni2NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering112.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(12)太阳能电池的物理基础产生与复合**产生与复合复合载流子浓度偏离了其平衡值时,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,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,靠复合来实现的,在抽取的情况,则靠载流子的产生来实现.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,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.传递能量给其它载流子.3种复合机构:直接复合,通过复合中心复合种复合机构:种复合机构直接复合,,表面复合NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering122.2.2太阳能电池材料的光学特性太阳能电池材料的光学特性(1)太阳能电池材料的光学特性半导体对光的吸收吸收定律垂直入射光I反射率,垂直入射光0,反射率R,吸收系数α距离前表面x处光谱辐照度:处光谱辐照度:I距离前表面处光谱辐照度:x=I0(1-R)e-αx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,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-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.条件光子能量νhν0=Eg非本征吸收:激子吸收(电子空穴团)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)载流子吸收(多为红外吸收),杂质吸收和晶格振动吸收.振动吸收.NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering132.2.2太阳能电池材料的光学特性太阳能电池材料的光学特性(2)太阳能电池材料的光学特性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,直接跃迁:保持能量守恒和动量守恒的跃迁,例:保持能量守恒和动量守恒的跃迁如砷化镓,只有直接跃迁能带结构的材料称为直接如砷化镓,材料.材料.间接跃迁:保持能量守恒但动量不守恒的跃迁:保持能量守恒但动量不守恒的跃迁,间接跃迁:保持能量守恒但动量不守恒的跃迁,需吸收声子,例如硅,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.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强光照射半导体后,较大浓度的上表面光生载流强光照射半导体后,子向背面扩散过程中,由于电子比空穴先达到背面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的扩散电压.而产生由上表面指向下表面的扩散电压.NorthChinaElectricPowerUniversity丹倍效应电力工程系DepartmentofElectricalEngineering142.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(1)同质结太阳能电池P-N结的形成及内建电场结的形成及内建电场*结的形成及内建电场NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering152.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(2)同质结太阳能电池P-N结的形成及内建电场结的形成及内建电场**结的形成及内建电场P型硅空穴多子浓度p,电子少子浓度p型硅:空穴多子)浓度电子少子)浓度型硅空穴(多子浓度p电子(少子浓度nN型硅电子(多子浓度nn,空穴少子)浓度p型硅:电子多子)浓度空穴(少子浓度p型硅电子多子浓度空穴少子浓度扩散运动形成阻挡层或耗尽层形成阻挡层或耗尽层