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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，长度变得越短，重量变
2、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)n Dh=(kT/q)h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,半导体的电阻率：10-4 10-7 欧姆米,半 导 体 材 料,1、热
3、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,半导体的能级/能带,导带,禁带,满带,固体,原子,Si1.1eV,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个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对
4、。这种共有电子对就称为“共价键”。,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,半 导 体 材 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
5、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,PN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,电场方向由N区指向P区,PN结的形成,N区：多子即电子被由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
6、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，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。,n0 p0=ni2,PN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
7、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平衡载
8、流子，用n和p 表示。,光电转换过程,即此时就是材料的少子寿命,少子寿命,当 时,光电转换过程,光电转换过程,PN结加正向偏压 即P区接电源正极，N区接电源负极 空间电荷区的宽度减小，势垒高度从qVD下降为q（VD-V）,光电转换过程,PN结加反向偏压 即P区接电源负极，N区接电源正极空间电荷区的宽度减小，势垒高度从qVD增大为q（VD+V）,光电转换过程,P-N结的I-V特性 Shockley 方程：Id=I0exp(qV/kT)-1特点：单向导电性,光电转换的三个物理过程1、吸收光能激发出非平衡电子一空穴对2、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动3、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下
9、向相反方向运动 而分离 光生电流的方向相当于普通二极管的反向电流的方向。光照使PN结势垒降低等效于PN结外加正向偏压，形成正向注入电流。这个电流的方向与光生电流刚好相反，是太阳电池中的不利因素。,光电转换过程,光电转换过程,太阳电池的等效电路,重要参数 1、短路电流（Isc），2、开路电压（Voc），3、填充因子（FF），4、转换效率（）5、串联电阻（RS）6、并联电阻（RSH）输出功率：功率=Isc*Voc*FF 最大工作电流（Im），最大工作电压（Vm），,理想PN结特性：,太阳电池的等效电路,ISC,RS=0,RSH=,RLOAD,太阳电池的等效电路,1、短路电流ISC：,当V=0,即短
10、路情况下:（最大光生电流）,I=ISC,R=0,太阳电池的等效电路,2、开路电压VOC：,当I=0,即开路情况下:,最高输出暗电流,I=0,R=,+_,V=VOC,太阳电池的等效电路,3、填充因子FF：是输出特性曲线“方形”程度的量度最佳工作点，负载匹配。最大输出功率点所对应的面积在ISC和VOC所组成的面积中的百分比。,4、转换效率：表示为有多少光能转换为电能。,太阳电池的等效电路,填充因子正好是I-V曲线下最大长方形面积与乘积VocIsc之比，所以转换效率可表示为,5、串联电阻RS：,太阳电池的等效电路,串联电阻RS=金属条的电阻（栅线电阻）+顶层的横向电阻+PN结耗尽层电阻+接触电阻（两面）+基区电阻,ISC,VOC,RS,6、并联电阻RSH：也被称为旁路电阻或漏电电阻是PN结形成不完全的部分,太阳电池的等效电路,ISC,VOC,RSH,太阳电池的实际等效电路,I=IL I0expe(V+IRS)/kT-1-（V+IRS）/RSHISC=IL/1+(RS/RSH),I,串、并联电阻影响：,太阳电池的等效电路,主要参考文献,太阳电池工作原理、工艺和系统的应用 马丁格林半导体和PN结 施正荣著半导体基础知识 张光春著半导体材料中载流子的输运张凤鸣著物理学史 弗卡约里著固体物理学黄昆、谢希德著 百度网站,
