晶体硅太阳能电池基本原理课件.ppt

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1、晶体硅太阳电池基本原理(仅供学习交流使用)沈富生2011年2月初稿于上海光伏展会2011年3月6日完稿于深圳PN结的形成目录太阳能电池的等效电路光电转换原理爱因斯坦划时代的光电理论主要参考文献半导体材料爱因斯坦划时代的光电理论20世纪最伟大的两个物理理论：相对论&量子力学相对论（狭义相对论和广义相对论）一人的创作量子力学多人的集体创作（以玻尔为首的哥本哈根学派，如玻恩、泡利、海森堡、狄拉克等成员）爱因斯坦划时代的光电理论狭义相对论（1905年发表）光速不变，四维时空，否定经典力学的绝对时空观。E-MC2物体跑得越快，则时间变得越慢

2、，长度变得越短，重量变得越重。广义相对论（1916年发表）引力场，宇宙黑洞，宇宙的有限无界爱因斯坦于1905年发表光量子论，提出光子假说……爱因斯坦公式：Dn=(kT/q)µnDh=(kT/q)µh爱因斯坦因为解释光电效应方面的理论而不是因为发表相对论获得诺贝尔物理奖（1921年）爱因斯坦划时代的光电理论诺贝尔委员会的错误决定？诺贝尔委员会的正确决定！爱因斯坦划时代的光电理论半导体材料固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体。绝缘体：玻璃、橡胶、塑料、石英等半导体：锗、硅、砷化镓、硫化镉等导体：金、银、铜、铝、铅、锡等

3、半导体的电阻率：10-4～10-7欧姆·米半导体材料1、热敏2、光敏3、杂质4、其它特性（温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等）半导体材料特性半导体材料Eg半导体的能级/能带导带禁带满带固体原子Si－1.1eV半导体材料满带（允带）：被电子占满的能带不导电导带（允带）：被电子部分占领的能带导电禁带：没有被电子占领的能带价带：处于满带顶的能带半导体材料（a):绝缘体(b):半导体(c):导体半导体材料半导体除了导电中的电子导电，还有价带上空穴的导电半导体材料硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的4个价

4、电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为“共价键”。Si+4+4+4+4共价键共用电子对半导体材料半导体的掺杂一、本征半导体电子和空穴（载流子）Si在300K：1.5x1010/cm3二、掺杂半导体：少量的掺杂可极大地增加载流子浓度（常温时，Si：10-6105）1、N型半导体2、P型半导体半导体材料1、N型半导体在Si材料中掺入第V族元素（P，As等）多数载流子－电子少数载流子－空穴在Si材料中掺入第III族元素（B,Al等）多数载流子－空隙少数载流子－电子2、P型半导体多余电子空键接受电子空穴半导体材

5、料电阻率与杂质浓度有如下关系：本征半导体：P型半导体：N型半导体：扩散运动因浓度差，载流子沿浓度梯度由高浓度向低浓度方向的运动。漂移运动受电场力的驱使，载流子沿由高电势向低电势方向的运动PN结的形成npnpnpPN结的形成N区：高浓度电子向低浓度P区扩散P区：高浓度空穴向低浓度N区扩散N区：电子是多子，空穴是少子。P区：空穴是多子，电子是少子。N区：电子（带负电）移动后留下正电荷P区：空穴（带正电）移动后留下负电荷以上为多数载流子由高浓度向低浓度区的扩散运动的过程npnpnp电场方向由N区指向P区PN结的形成npnpN区：多子即电

6、子被由N区指向P区的电场阻挡无法向P区做扩散运动，少子即空穴在由N区指向P区的电场驱动下向P区做漂移运动。电场方向由N区指向P区电场方向由N区指向P区P区：多子即空穴被由N区指向P区的电场阻挡无法向N区做扩散运动，少子即电子在由N区指向P区的电场驱动下向N区做漂移运动。以上为少数载流子由电场力驱动做漂移运动的过程PN结的形成空间电荷区即内建电场（势垒区、阻挡层）：阻碍多数载流子做扩散运动驱动少数载流子做漂移运动扩散运动和漂移动最终达到平衡，即扩散电流=漂移电流，此时建立了空间电荷区。平衡载流子处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，

7、载流子浓度是一定的，这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。n0p0=ni2PN结的形成光电转换过程太阳能电池发电要求：1、必须有光的照射，可以是太阳光、单色光或模拟光。2、光子注入到半导体后激发出电子、空穴对，此对电子空穴必须有足够长的寿命，确保在分离前不会复合消失；3、必须有一个静电场，使电子、空穴分离；4、必须有电极分别收集电子和空穴输出到电池体外形成电流。光电转换过程非平衡载流子（光照产生非平衡载流子）光电转换过程非平衡载流子平均生存的时间称为非平衡载流子的寿命。由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的

8、影响处于主导地位，因而非平衡载流子的寿命（常称为少数载流子寿命，简称少子寿命）被用来衡量材料的质量。非平衡载流子（光照产生非平衡载流子）光电转换过程处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0，可以比他们多出一部分，多出这部分载流子称为非