文档介绍：- 第一章太阳电池原理§ 光电转换过程与半导体太阳电池相关的光电转换大致包括三个物理过程: (1) 光在空气- 半导体界面上的反射与折射; (2) 光子激发产生电子-空穴对; (3) 非平衡载流子的扩散和漂移,并被势场分离。 1. 光的反射与折射一束单色光入射到半导体表面后,其中一部分将被反射,反射光与入射光强度之比称反射系数 R,其余部分透射入半导体内。显然,透射系数?=1-R () 对半导体这类光吸收材料,折射率 n c可写为 n c=n- ik () 其中, n为普通折射率, k为消光系数, n c、 n、 k都是入射光波长?的函数。当光垂直入射到折射率和消光系数分别为 n、 k的介质上时,反射系数与 n、 k的关系: 22 22)1( )1(kn knR?????() 在硅太阳电池感兴趣的波长范围内( 300~1100nm ),由于 n? ,相当于 R?30% 。对非垂直入射情况,也有类似结果。 2. 半导体中的光吸收半导体受到光照时,价带中的电子受光子激发而跃迁到导带,同时在价带中留下一个空穴。这一过程称半导体的本征吸收过程。发生本征吸收的条件是光子能量大于或等于半导体禁带宽度,即 hv?E g。因而不同半导体材料都存在各自的吸收限: ? 0 =hc/E g () 波长大于? 0的光则无法被吸收。对硅而言,这一吸收限? 0≈ 1100nm 。半导体内亦存在其它形式的光吸收过程,如杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收等等。对一般太阳电池而言,感兴趣的主要是本征吸收。 3. PN 结的形成- 当p型半导体(掺硼)和n型半导体(掺磷)紧密结合联成一块时,在两者的交界面处就形成 p-n 结。 p-n 结最早被誉为晶体管、集成电路的心脏,对于仅有一个 p-n 结的太阳电池也毫不例外。设二块均匀掺杂的 p 型硅和 n 型硅,硼、磷的掺杂浓度分别为 N A (受主浓度)和 N D (施主浓度) 。室温下,硼、磷原子全部电离,因而在 p 型硅中均匀分布着浓度为 p p 的空穴(多子),及浓度为 n p的电子(少子)。在n型硅中类似地均匀分布着浓度为 n n的电子(多子),及浓度为 p n的空穴(少子)。当 p型硅和 n型硅互相接触时,如图 (a)所示,交界面两侧的电子和空穴的浓度不同,于是界面附近的电子将通过界面向右扩散运动,而空穴则向左扩散运动。界面左侧附近的电子流向 p区后,就剩下了一薄层不能移动的电离磷原子 P + ,如图 (b)(d) ,形成一个正电荷区,阻碍 n 区电子继续流向 p 区,也阻止 p 区空穴流向 n区。类似的过程也使界面右侧附近剩下一薄层不能移动的电离硼原子 B -,它阻碍 p区空穴向 n区及 n区电子向 p区的继续流动。于是界面层两侧的正、负电荷区形成了一个电偶层,称为阻挡层,如图 (b) ,因为电偶层中的电子或空穴几乎流失或复合殆尽,所以阻挡层也称作耗尽层。又因为阻挡层中充满了固定电荷,故又称空间电荷区, 其中存在由 n区指向 p区的电场,称为内建电场,如图 (e)。显然在内建电场作用下, 将产生空穴向左而电子向右的漂移运动,其方向恰与扩散运动相反。图 (c)为 n区和 p 区的杂质分布,(d )为空间电荷区电荷分布;(e )为空间电荷区电场强度分布,可以看到电场强度极大值? max 出现在 n 区和 p 区接触面上;(f )为各区载流子分布,(g )为 p-n 结的能带图。 p-n 结形成过程也可以从能带图得到说明。n型半导体中电子浓度大,费米能级 E Fn位置较高; p 型半导体空穴浓度大,故费米能级 E FP 位置较低。当两者相互紧密接触时,电子将从费米能级高处向低处流动,而空穴则相反。与此同时,在由 n区指向 p区的内建电场影响下, E Fn连同整个 n 区能带下移, E FP则连同 p 区能带上移,价带和导带弯曲形成势垒,直到 E Fn =E FP =E F 时停止移动,达到平衡,在形成 p-n 结的半导体中有了统一的费米能级E F。图 (g)中 E ip、E in 分别表示 p区和 n 区中的本征费米能级,而它们与该区实际费米能级之差除以 q为V FP=(E ip-E Fp) /q,V Fn=(E Fn -E in) /q。E Fp、V Fn 称为各区的费米势,而 V D=V FP+V Fn 为总的费米势。热平衡时总费米势即为空间电荷区两端间的电势差 V D(也称 p-n 结自建电压、接触电势差或内建电势差)。- 图理想突变 p-n 结中杂质、电荷、电场强度、载流子分布及能带图(a)n 型硅和 p 型硅接触;(b )形成 p-n 结;(c)n 区和 p 区杂质浓度分布; (d )电荷分布;(e )电场