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1、内容太阳能电池和太阳光1半导体的特性2物理学基本方程3PN结二极管4效率测量5硅太阳电池工艺6硅电池工艺改进7硅电池的设计8第1章 太阳能电池和太阳光1.1 引言太阳能电池利用半导体材料的电子特性，把阳光直接转换为电能。光能太阳能电池分类1.硅太阳能电池单晶硅太阳电池：采用单晶硅片制造制造，性能稳定，转换效率高。目前转换效率已达到16%-18%。多晶硅太阳电池：作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正方形硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池。由于硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成，因而转换效率低。目前转换效率达到15%-17%。多晶硅太阳电池生产流程直拉法拉制单晶示意图及单
2、晶炉 非晶硅太阳电池：一般采用高频辉光放电等方法使硅烷气体分解沉积而成。一般在P层与N层之间加入较厚的I层。非晶硅太阳电池的厚度不到1m，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，降低制造成本。目前转换效率为5%-8%，最高效率达14.6%，层叠的最高效率可达21.0%。微晶硅太阳电池：在接近室温的低温下制备，特别是使用大量氢气稀释的硅烷，可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2-3m，目前转换效率为10%以上。2.化合物太阳能电池单晶化合物太阳电池：主要有砷化镓太阳电池（如图）。砷化镓的能隙为1.4eV，是单结电池中效率最高的电池，但价格昂贵，且砷有毒，所以极少使用。多晶化合物太阳电
3、池：主要有碲化镉太阳电池（如图） ，铜铟镓硒太阳电池等。碲化镉太阳电池是最早发展的太阳电池之一，工艺过程简单，制造成本低，转换效率超过16%，不过镉元素可能造成环境污染。铜铟镓硒太阳电池在基地上成绩铜铟镓硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效率接近20%，成品组件达到13%，是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。1 太阳能电池的原理 P区 N区内建电场 耗尽区P区 空间电荷区 N区 当入射辐射作用在PN结区时，本征吸收产生光生电子与空穴在内建电场的作用下做漂移运动，电子被内建电场拉到N区，空穴被拉到P区。结果P区带正电，N区带负电，形成伏特电压。I光 P N 将PN结两
4、端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。2 太阳能电池的结构1.2 太阳能电池发展概况1.3 阳光的物理来源太阳实质上是一个由其中心发生的核聚变反应所加热的气体球。热物体发出电磁辐射，其波长或光谱分布由该物体的温度所决定。例如：铁块燃烧时，温度升高过程：从看不出发光到暗红到橙色到黄白色。黑体所发出的辐射的光谱分布由普朗克辐射定律决定。0 1 2 3 6瑞利 - 金斯公式2 4普朗克公式的理论曲线 K每条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。太阳的核心温度高达2107K光球层的温度为60
5、00K。在此温度下与黑体辐射光谱很接近。1.4 太阳常数 在地球大气层之外，地球-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射功率基本上为一常数，这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气光学质量为零（AM0）的辐射。 太阳常数 1.353kW/m2波长 (m)光谱辐照度(Wm-2m-1)AM0辐射AM1.5辐射6000K黑体AM0的辐射光谱分布不同于理想黑体的光谱分布。1.5 地球表面的日照强度阳光穿过地球大气层时至少衰减了30%。造成衰减的原因：1.瑞利散射或大气中的分子引起的散射。2.悬浮微粒和灰尘引起的散射。3.大气及其组成气体，特别是氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。输入10
6、0%臭氧2040km高层尘埃1525km大气分子030km水蒸汽03km低层尘埃03km2%1%8%6%1%18%吸收0.5%1.0%0.5%1.0%1%4%1%1%7%散射到地表70%直达地表3%散射到太空 决定总入射功率最重要的参数是光线通过大气层的路程。太阳在头顶正上方时，路程最短。实际路程和此最短路程之比称为大气光学质量（AM）。1.太阳在头顶正上方时，大气光学质量为1，这时的辐射称为大气光学质量1（AM1）的辐射。2.当太阳和头顶正上方成一个角度时，大气光学质量为： AM=1/cos 例：当=60时，AM=1/cos60=2EarthAM0AM1AM1.5大气层45o在无法知道值的情
7、况下，如何估算大气光学质量AM？hSh：物体的高度s：竖直物体投影的阴影长度1.6 直接辐射和漫射辐射 到达地面的太阳光，除了直接由太阳辐射来的分量之外，还包括大气层散射引起的相当可观的间接辐射或漫射辐射分量。1.直接辐射太阳高度角增大，直接辐射增强。大气透明系数增加，直接辐射增强。海拔高度升高，直接辐射增强。纬度高，直接辐射增强。2.散射辐射 太阳辐射在大气中 遇到空气分子或微小的质点时，当这些质点的直径小于组成太阳辐射的电磁波长时，太阳辐射中的一部分能量就以电磁波的形式从该质点向四面八方传播出去。通过散射形式传播的能量称为散射辐射。散射只改变辐射的传播方向，不吸收太阳辐射。波长越短，散射越
8、强。可见光中，紫光和蓝光波长最短，散射最强。大气层太阳高度角增大，散射辐射增强。大气透明系数增加，直接辐射减弱。海拔高度升高，散射辐射增强。纬度高，直接辐射增强。天空一半有云，一半无云，散射辐射达到最大值。 当日照特别少的天气，大部分辐射是漫射辐射。 漫射阳光的光谱成分通常不同于直射阳光的光谱成分。一般而言，漫射阳光中含有丰富的较短波长的光或“蓝”波长的光，这使太阳能电池系统接收到光的光谱成分产生了变化。 聚光式光伏系统只能在一定角度内接收太阳光。为了利用太阳光的直接辐射分量，系统必须随时跟踪太阳。1.7 太阳的视运动 地球每天绕虚设的地轴自转一周。地球的自转平面相对于地球绕太阳公转的轨道平面
9、有固定的夹角，这个夹角称作黄赤夹角（2327）。 地球公转时自转轴始终指向地球的北极，这就使得太阳光线直射赤道的位置有时偏南，有时偏北，形成季节变化。视运动：假定地球是静止的，太阳在围绕地球转动。冬至12.226.21夏至春分秋分3.219.231.8 日照数据设计光伏系统时，理想的情况是掌握有该系统安装地日照情况的详细记录。按接受太阳能辐射量的大小，全国大致可分为五类地区：1）一类地区： 全年日照时数为32003300h，辐射量在（670 837）104KJ/(cm2 a)。相当于225 285Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。2）二类地区： 全
10、年日照时数为30003200h，辐射量在（586 670）104KJ/(cm2 a)。相当于200250Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。3）三类地区：全年日照时数为22003000h，辐射量在58506680MJ/m2。日辐射量为4.5 5.1KWh/m2，相当于170 200Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。4）四类地区： 全年日照时数为14003300h，辐射量在（4195
11、02）104KJ/(cm2 a)。相当于140 170Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、山西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。5）五类地区： 全年日照时数为10001400h，辐射量在33504200MJ/m2。相当于115 140Kg标准煤燃烧所发出的热量。日辐射量为2.5 3.2KWh/m2。主要包括四川贵州两省。实验太阳高度角变化对楼距影响原理：太阳至设点在南北回归线间有规律移动，引起正午太阳高度角的季节变化；每天太阳东升西落，太阳的高度角也不尽相同。要求：1.不同时刻太阳高度角的大小 2.同一时刻不同日期太阳高度角的
12、大小 3.楼距安排是否合理太阳光线和地面的夹角测量方法及步骤：1.测树的高度（如：立一根长1米的竿，测出影子1.3米，同时测作为参照物的树影子长10.2米，运用等比三角形知识，求出树高7.9米）。2.测量树在一天内不同时刻的影长变化（9：10、1：20、4：45）。3.每天1：20测树的影长，记录数据。一天内太阳高度角的变化时间影长（米）高度角（度）9：101：204：454月太阳高度角变化日期影长（米）高度角（度）101112134.对楼距的影响：最佳楼距，当太阳高度角最小的时候，最底层也能够有阳光射入。楼距测量楼距（米）楼高（米）太阳最小高度角（度）理论最小楼距（米）一号楼二号楼二号楼三号
13、楼第2章 半导体的特性2.1 引言 自然界物质存在的状态分为液态、气态、固态。固态物质根据它们的质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点，加热时在某以温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。 晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同以规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅：原子在整个晶体中排列有序多晶硅：原子在微米数量级排列有序非
14、晶硅：短程序包含：1、近邻原子的种类和数目；2、近邻原子之间的距离（键长）；3、近邻原子的几何方位（键角）；原子在原子尺度上排列有序单晶、多晶和非晶体原子排列 2.2 晶体结构和取向 构成晶体的最小重复单元为原胞，原胞包含有重现晶体中原子位置所需的全部参数，但它们常具有比较特殊的形状。因此，讨论的时候采用较大的单位晶胞，晶胞也包含以上参数，但形状简单。晶胞基矢：原胞基矢：晶胞与原胞体积相等，包含一个格点。体心立方晶胞基矢：原胞基矢 在体心立方格子的晶胞中，以一个顶点作为原点，向近邻3个体心格点作出3个基矢，由此3个基矢构成的平行六面体就是体心立方的原胞。面心立方晶胞基矢：原胞基矢1、通过晶格的
15、格点可做许多间距相同而相互平行的平面，为晶面。2、垂直于晶面的法线、密勒指数（h k l）表示晶面的方向 选晶格的三条棱边作为坐标系的坐标轴，求出晶面在每一坐标轴的截距，将这三个截距分别化为晶格常数的倍数，并把它们化成互质的整数，加上圆括号（h k l）即为一个晶面或一族晶面的密勒指数。acboacboacbo（100）（110）（111）金刚石结构（与硅、锗等半导体类似）金刚石10928共价键ABBBBAAA晶胞同种原子形成的两类格点相互套构顶角、面心体对角线 禁带宽度 真空中的电子得到的能量值基本是连续的，但在晶体中情况不同。 原子的壳层模型认为，原子的中心是一
16、个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。+14E5E4E3(4)E2(8)E1(2) 一个能级也表示电子的一种运动状态，所以能态、状态与能级的含义相同。图为硅原子的电子能级图。+14能级能级能级能带能带能带禁带禁带电子轨道对应的能带 在孤立原子中，电子只能在各允许轨道上运动。晶体中，原子之间距离很近，相邻原子的电子轨道相互重叠、互相影响。与轨道相对应的能级分裂成为能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，称为能带。每层轨道都有一个对应的能带。 电子在
17、每个能带中的分布，一般是先填满能量较低的能级，然后逐步填充能量较高的能级，并且每条能级只允许填充两个具有同样能量的电子。能级能带电子电子在价带上的分布 内层电子能级所对应的能带，都是被电子填满的。最外层价电子能级所对应的能带，有的被电子填满，有的未被填满，主要取决于晶体种类。硅、锗等半导体晶体的价电子能带全部被电子填满。2.4 允许能态的占有几率 低温下（0K），晶体的某一能级以下的所有可能能态都被两个电子占据，该能级称为费米能级（EF）。10ET0T=00.5EF 接近于0K时，能量低于EF，f(E)基本上是1，能量高于EF，f(E)为零。允许能态被电子占据的方式EFEFEF(a)在金属中(
18、b)在绝缘体中(c)在半导体中2.5 电子和空穴底层完全被汽车占满，而顶层完全空着，因此没任何可供汽车移动的余地。其中一辆车从第一层移动到第二层，那么第二层的汽车就能任意自由移动。2.6 电子和空穴的动力学对于晶体导带内的电子，牛顿定律变为：导带中能量接近最小能值的电子：价带中能量接近最大值的空穴：OECEV能量OECEV能量能量动量能量动量直接带隙情况间接带隙情况2.7 允许态的能量密度 单位体积半导体中，在禁带的能量范围内其态密度为零，在允带能有多少电子状态分布呢？距离能量 EN(E)EFf(E)空穴集中在价带顶电子集中在导带底载流子数/单位能量EF2.8 电子和空穴的密度1、单位体积晶体
19、中，在导带内的电子数2、单位体积晶体中，在价带内的空穴数表示导带底Ec处的能态为电子占据的几率表示价带顶Ev处的能态为空穴占据的几率本征型导带中只有很少的电子，价带中电子很多，只有很少空穴，费米分布函数对于能级EF是对称的。导带和价带中的电子能态数相同，导带中的电子数和价带中的空穴数也相同，即EF必定位于禁带中线EFEcEFEv导带电子浓度比本征情况要大得多，而导带中能态的密度与本征情况是一样的，因此N型半导体的费米能级连同整个费米分布函数将一起在能带图上向上移动。P型0.51EFEcEFEvP型半导体的费米能级连同整个费米分布函数将一起在能带图上向下移动。
20、注： 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，不论是P还是N，在温度很高时都会变成本征硅。2.9 族半导体的键模型在硅晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅的晶体结构：硅晶体中的正常键共价键电子被激发，晶体中出现空穴+4+4+4+42.10 族和族掺杂剂五价原子砷掺入四价硅中，多余的价电子环绕离子运动价带导带施主能级空穴 三价原子硼掺入四价锗晶 体中，空穴环绕 离子运动价带导带受主能级2.11 载流子浓度（单位体积的载流子数目）载流子的运动形式有两种：漂
21、移运动与扩散运动。1.漂移运动 载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为漂移电流。2、扩散运动 半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动称为载流子的扩散运动。空穴将从浓度高的向浓度低的方向扩散，形成扩散电流IP，浓度差越大，扩散电流越大。小结： 在电场作用下，任何载流子都要作漂移运动。一般少子数目少于多子数目，因此漂移电流主要是多子贡献。 扩散运动中，只有注入的少子存在很大的浓度梯度，因此扩散电流主要是少子贡献。距离能量 EN(E)第3章 产生、复合及器件物理学的基本方程 在半导体中，载流子包括导带中的电子和价带中的空穴。由于晶格的热运动，电子不断从价带被激发到导带
22、，形成一对电子和空穴，这就是载流子产生的过程。 在不存在外电场时，由于电子和空穴在晶格中的运动是没有规则的，所以在运动中电子和空穴常常碰在一起，即电子跳到空穴位置把空穴填补掉，这时，电子和空穴就随之消失。这种半导体的电子和空穴在运动中相遇而造成的消失，并释放出多余能量的现象，称为载流子复合。 在一定温度下，半导体内不断产生电子和空穴，电子和空穴不断复合，如果没有外表的光和电的影响，那么单位时间内产生和复合的电子与空穴即达到相对平衡，称为平衡载流子。这种半导体的总载流子浓度保持不变的状态，称为热平衡状态。 在外界因素的作用下，例如 n 型硅受到光照时，价带中的电子吸收光子能量跳入导带（光生电子）
23、，在价带中留下等量空穴（光激发），电子和空穴的产生率就大于复合率。这些多余平衡浓度的光生电子和空穴，称为非平衡载流子或过剩载流子。 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，称为载流子注入。载流子注入的方法有多种。用适当波长的光照射半导体使之产生非平衡载流子，叫光注入。用电学方法使半导体产生非平衡载流子，叫电注入。 半导体中非平衡少数载流子从产生到复合的平均时间间隔称为寿命。 在n型半导体中出现非平衡的电子和空穴时，电子是非平衡多子，空穴是非平衡少子。P型半导体中，空穴是非平衡多子，电子是非平衡少子。在低注入条件下，非平衡多子和少子之间是少子处于主导地位，少子寿命就是非平衡少子产生、
24、复合又消失的时间。 载流子的复合导带价带EF1.直接复合导带电子直接跳回价带与空穴复合叫直接复合。2. 间接复合 电子和空穴通过复合中心复合叫作间接复合。由于半导体中晶体的不完整性和存在有害杂质，在禁带中存在一些深能级，这些能级能俘获自由电子和自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为复合中心。导带价带EF复合中心通常，在自由载流子密度较低时，复合过程主要是通过复合中心进行；在自由载流子密度较高时，复合过程则主要是直接复合。3. 表面复合 复合过程可发生在半导体内，也可发生在半导体表面。电子和空穴发生于半导体内的复合叫体内复合；电子和空穴发生于靠近半导体表面的一个非常薄的区域内的复合叫作表面复合
25、。导带价带EF表面陷阱作业： 地面阳光的光子通量约在700nm波长附近达到峰值。利用吸收系数与入射波长关系的图，试比较在此波长下光子通量在Si和GaAs中减小到光刚进入半导体时通量的10%时的深度。解：=700nm由图可知 Si在700nm附近的吸收系数为5103.GaAs在700nm附近的吸收系数为104.第4章 p-n结二极管导电能力最终决定于： 1. 载流子的多少；2. 载流子的性质；3. 载流子的运动速度。一. 本征半导体 指“纯净”的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。 激发使“电子空穴对”增加，复合使“电子空穴对”减少，一定温度下，这两种过程
26、最终将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的浓度不再发生变化，该浓度统称为“本征载流子浓度” ni。4.1 PN静电学ni=n0=p0式中，n0表示热平衡状态下的电子浓度，p0表示热平衡状态下的空穴浓度，在T=300K时，Si的ni = 1.51010/cm3, Ge的ni = 2.41013/cm3温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，ni愈大，导电性能也就愈好。注意： ni的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载 流子浓度仍然极小，所以本征半导体的导电能力是很差的。二. 杂质半导体在本征半导体中，掺入即使是极
27、微量的其他元素（统称为杂质），其导电性能将大大增强。例如掺入0.0001%杂质，半导体导电能力将提高106倍！即在一定温度下，杂质半导体中，多数载流子浓度与少数载流子浓度的乘积是一个常数.例1 为了获得N型硅单晶，掺入五价元素磷，磷的含量为0.0000003，试求：解：（1）由于硅原子密度为故施主杂质浓度（磷）(2) 掺杂前后空穴浓度的变化。已知T=300K。(1) 掺杂前后电子浓度的变化；N型半导体中电子浓度显然，杂质电离产生的电子浓度就是杂质（磷）的浓度ND。于是而本征半导体硅的本征载流子浓度，在T=300K时为掺杂前后电子浓度的变化倍数为电子浓度的增加意味着杂质半导体导电能力远大于本征半
28、导体。掺杂后:故:表明，在N型半导体中热激发产生的空穴浓度比本征载流子浓度还要低，本例中仅为本征载流子浓度的万分之一。在该N型半导体中多数载流子与少数载流子的浓度比为例2 在Ge单晶材料中掺入施主杂质，其浓度为 ，若再掺入受主杂质,其浓度为 ，试求室温条件下（T=300K）自由电子和空穴浓度，指出它是何种杂质半导体？若温度升高至T=400K时， , 则将成为何种半导体？若室温条件下，施主杂质与受主杂质浓度均为 ，又为何种半导体？解：（1）仅掺入施主杂质时，该单晶成为N型半导体，其自由电子浓度为：（2）再掺入受主杂质，由于其浓度 ，所以杂质补偿后该材料变为P型半导体，其中空穴浓度而自由电子浓度（
29、3）当温度升至400K时，“电子空穴对”浓度增加到远超过杂质电离产生的空穴浓度 ，本征激发起主要作用，结果此材料变成本征半导体。（4）在室温下，若施主杂质与受主杂质浓度相同，且杂质浓度远大于本征载流子浓度，掺杂起主要作用。又鉴于 ，可断定此材料仍具有类似本征半导体的性质。如果在一块半导体单晶中同时掺入三价元素与五价元素，其杂质浓度如图7（b）所示，在x0处施主杂质浓度与受主杂质浓度相等，该中性边界便是PN结所在位置。PN结最重要的特性是单向导电性。 PN结内建电场PN结边界两边既然分布有数量相等的正负空间电荷，必定形成一个电场，称为内建电场E。内建电场的出现，引起两个后果： 阻止多数载流子的继
30、续扩散（故空间电荷区又称为阻层） 引起少数载流子的漂移。流过PN结的电流PN结空间电荷区形成后，流过PN结的电流有两种： 多数载流子形成的扩散电流。 少数载流子形成的漂移电流。这两种电流方向相反，如图（a）所示，流过PN结的净电流（b)扩散运动与漂移运动达到平衡：1多数载流子扩散运动的方向；2少数载流子漂移运动的方向起初，内建电场较弱，随着内建电场逐渐增强，I扩减小，而I漂增加，直至扩散运动与漂移运动达到动态平衡，如图（b）所示。动态平衡情况下流过PN结的净电流为零，即 I=0 PN结边界载流子分布动态平衡状态下，傲世皇朝娱乐注册！PN结边界两边载流子分布如图所示。 PN 结两边载流子浓度图中符号说明： N型半
31、导体热平衡状态下的电子浓度。 P型半导体热平衡状态下的空穴浓度。 N型半导体热平衡状态下的空穴浓度。 P型半导体热平衡状态下的电子浓度。内建电位差内建电场E在PN结中产生的电位差称为内建电位差VB。该电位差实际上就是两种不同类型半导体材料之间的接触电位差。如图所示，内建电位差的存在对多数载流子而言，相当于是一个“势垒”，阻止其扩散，故空间电荷区又称为势垒区。可以证明k是玻尔兹曼常数q是电子电荷，ln是以e为底的对数， 是PN结两边空穴浓度的比。又可写成由于故令称为“热电压”。又可写成当T=300K时，讨论： 根据式（7-8），PN结两边杂质浓度越大,VB 越大。 本征载流子浓度ni越大，VB越
32、小。锗的ni大于硅，所以锗管VB小于硅管，在室温下，锗管硅管 随着温度升高， ni增加， VB将降低，因而严格讲内建电位差VB不是一个常数，一般 空间电荷区的宽度空间电荷区宽度图中xn PN结边界右边正离子宽度xP PN结边界左边负离子宽度因而正离子空间电荷总量：式中q = 电子电荷量（绝对值）S是截面积。负离子空间电荷总量：考虑到PN结边界两边正负电荷量相等，即于是上式告诉我们，杂质浓度越大，空间电荷区宽度越小，对于不对称PN结，空间电荷区宽度如图所示。图 空间电荷区宽度图中，P+表示受主杂质浓度很大，施主杂质浓度相对较小。由于 NAND所以 xPxN空间电荷区总宽度4.2 结电容一 势垒电
33、容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。VVOCB+势垒电容示意图PN二 扩散电容CD 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图所示。OxnPpnPNR扩散电容示意图 当外加正向电压不同时，扩散电流即
34、外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当于电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线 太阳能电池的输出参数 1. 短路电流ISC，理想情况下为光生电流IL 2. 开路电压VOCIL暗特性ImpVmpVOCIscVIO输出功率 3. 填充因子FF是输出特性曲线“方形”程度的量度，一般在0.70.85范围内。二极管饱和电流理想情况下，FF是开路电压VOC的函数。0.40.50.60.70.80.9填充因子FF45归一化开路电压VOC/（kT/q)能量转换效率为：商用太阳能电池的能量转换效率通常为15%18%作业：
35、 当电池温度为300K时，面积为100cm2的硅太阳能电池在100mW/cm2光照下，开路电压为600mV，短路电流为3.3A。假设电池工作在理想状况下，问在最大功率点它的能量转换效率是多少？解：第5章 效率的极限、损失和测量AM0理想条件下，入射到电池表面能量大于材料禁带宽度的每个光子，会产生一个流过外电路的电子。因此，ISC的最大值可以通过求光子能量分布的积分得出，积分从短波长进行到刚能在给定半导体中产生电子-空穴对的最长波长的关系为E(ev)=1.24/(um)。5.1 短路电流硅的禁带宽度约为1.1eV，因此，相应的波长是1.13um00.51.01.5AM0AM1.52.02.510
36、2030405060半导体禁带宽度eV短路电流上线禁带宽度减小时，短路电流密度增加。5.2 开路电压和效率为了得到最大的 ，I0 必须尽可能小。 太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为450-600mV，最高可达700mV 。存在一个最佳半导体禁带宽度，可使效率达到最高。黑体极限AM0AM1.5AM0T=300k0.51.01.52.02.035SiCU2SGaAsCdS半导体禁带宽度eV效率% 在禁带宽度1.41.6eV范围内，出现峰值效率，当大气光学质量从0增加到1.5时，峰值效率从26%增加29%。数值较低1. 电池吸收一
37、个光子，无论光子能量多大，都只能产生一个电子空穴对。即使光子能量比禁带宽度大很多，产生的电子和空穴也只隔一个禁带宽度。峰值效率较低的原因：2. 产生的载流子被相当于禁带宽度的电势差所分离，p-n结电池所能得到的输出电压仅是这一电势差的一部分。（如硅，这部分的最大值是0.7/1.160%）导带价带hvEg5.3 温度的影响1 短路电流：短路电流随温度上升略有增加。由于半导体禁带宽度随温度上升而减小，使得光吸收随之增加。2 开路电压和填充因子：随温度上升而减小。随温度升高VOC近似线性减小。代入硅太阳能电池有关数值（Vg01.2V，VOC0.6V，3，T=300K），得到温度每升高1，硅太阳能电池
38、的VOC将下降0.4%。VOC的变化导致输出功率和效率随温度的升高而下降。硅太阳电池的温度每升高1，输出功率将减少0.4%0.5%。对禁带宽度较宽的材料，这种温度依存性会降低。例如GaAs太阳能电池对温度变化的灵敏度仅为硅太阳能电池的一半。5.4 效率损失一 短路电流的损失1.裸露的硅表面反射很大，减反射膜使此反射损失减少到约为10%。2.电池受光照一侧的栅线.若电池厚度不够，进入电池的一部分具有合适能量的光线将从电池背面直接穿出去。栅线减反膜n型掺杂层p型衬底背电极太阳光0.0100GaAsSiAM0最大电流/%半导体厚度/um电池
39、厚度对理想太阳能电池所产生的最大短路电流的百分比的影响其他原因： 半导体体内及表面的复合。只有在p-n结附近产生的电子-空穴对才会ISC作出贡献。在距离结太远处产生的载流子，在它们从产生点移动到器件的电极之前，很有可能已经复合了。半导体中的复合率越低，Voc越高二 开路电压的损失决定开路电压Voc大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短， Voc也就越低。体复合和表面复合都是重要的。在p-Si衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决三种复合中复合率最大的一个。例如：对于高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于101
40、7cm-3时，则俄歇复合产生影响，使少子寿命降低。通常，电池表面还存在表面复合，表面复合也会降低Voc值。三 填充因子损失太阳能电池存在寄生的串联电阻和分流电阻。IRSRSHV串联电阻RS主要来源：制造电池的半导体材料的体电阻、电极和互联金属的电阻，电极和半导体之间的接触电阻。并联电阻RSH主要来源：p-n结漏电，包括绕过电池边缘的漏电及由于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。输出电流ISCVOC大RS中等RSRS=0RSH中等RSH小RSH输出电压输出电流ISCVOC输出电压VI这两种寄生电阻都会减小填充因子，很高的RS和很低的RSH值会分别导致ISC和VOC降低。寄生电阻对
41、太阳能电池输出特性的影响太阳能电池特征电阻RCH与RCH相比，如果RS很小，或者RSH很大，则它们对填充因子就几乎没影响。定义rS为：填充因子：5.5 效率损失被测电池的性能很大程度取决于阳光的确切光谱成分，而阳光的光谱成分随大气光学质量、水蒸气含量、浑浊度等而变化。很难将不是同一时间、同一地点所测得的电池性能作比较。测定方法：采用标定过的参考电池为基准。1 在特定范围内，参考电池和被测电池的光谱响应必须一致。2 在规定的限制范围内，用来作比较测试的光源光谱成分必须接近标准光源的光谱成分。四探针测试法：电位差计半导体mA12341和4是通电流的探针，2和3是专用作测量半导体电压的探针。日照模拟
42、器电池放在温控底座上，测试太阳能电池的标准温度25和28两种。利用参考电池，将灯光强度调整到所需的数值，通过改变负载电阻，可以测得电池的特性。光源斩光器窄通带滤光器受测电池日照模拟器用接近于阳光的白光源来偏置被测电池，在此基础上叠加一个小量的单色光成分，并测量增加的响应。作业：根据图比较，Si和GaAs电池要求得到AM0光照下最大电流输出的75%所需要的厚度。解：0.0100GaAsSiAM0最大电流/%半导体厚度/um由图可知Si电池要求得到AM0光照下最大电流输出的75%所需厚度为0.7umGaAs电池要求得到AM0光照下最大电流输出的75%所需厚度为30um
43、一个太阳能电池具有接近理想的特性，其理想因子等于1。另一个电池的特性主要受耗尽区复合的影响，其理想因子为2。在300K时，如果这两个电池的开路电压都为0.6V，试比较它们的理想填充因子。解：某太阳能电池，300K时的开路电压为500mV，短路电流为2A，理想因子为1.3。求下列各种情况下的填充因子：(a)串联电阻为0.08，分流电阻很大；(b)串联电阻可以忽略，分流电阻为1；(c)串联电阻为0.08，分流电阻为1。解：(a)串联电阻为0.08，分流电阻很大；(b)串联电阻可以忽略，分流电阻为1；(c)串联电阻为0.08，分流电阻为1第6章 标准硅太阳能电池工艺制造电池的标准工艺可以归纳为以下几
44、个步骤：1.由砂还原成冶金级硅2.冶金级硅提纯为半导体级硅3.半导体级硅转变为单晶片硅4.单晶硅片制成太阳能电池5.太阳能电池封装为防风雨的太阳能电池组件6.1 由砂还原为冶金级硅金刚砂(SiC)硅是地壳中蕴藏量第二丰富的元素。提炼硅的原始材料是SiO2，它是砂的主要成分。石英岩目前工业提炼中，采用SiO2的结晶态，即石英岩。高温SiO2+2C = 2CO+Si (含杂质的粗硅)硅原料冶金级硅的纯度接近98%99%，主要的杂质有铝(Al)和铁(Fe)。 6.2 冶金级硅提纯为半导体级硅制取高纯多晶一般采用化学方法对冶金级硅提纯，工业上用化学方法制取高纯硅有三种方法：（1）四氯化硅氢还原法；（2
45、）三氯氢硅氢还原法；（3）硅烷热分解法。高温Si+3HCl = SiHCl3+H2 利用金属硅和氯化氢反应，生成中间化合物三氯氢硅，还有附加化合物，如SiCl4、SiH2Cl2气体，以及FeCl3、BCl3、PCl3等杂质氯化物，需要精馏化学提纯（粗馏和精馏）。SiHCl3+H2 = 3HCl+Si (纯度高的多晶硅)高温 将置于反应室的原始高纯多晶硅细棒（直径约为5mm）通电加热至1100以上，通入中间化合物三氯氢硅和高纯氢气，发生还原反应，采用化学气相成积技术生成的新的高纯硅沉积在硅棒上，使硅棒不断长大，直到硅棒直径达到150200mm，制成半导体级多晶硅。硅砂 硅铁（冶金硅） 三氯氢硅
46、精馏除杂 多晶硅焦炭电炉钝化H2还原或四氯化硅硅砂制备高纯多晶硅工艺流程多晶硅锭的制造方法： 定向凝固法 浇铸法6.3 半导体级硅转变为多晶片硅、单晶片硅多晶硅碇为690mm690mm，可切割成125mm125mm的多晶硅砖25块，或156mm156mm的多晶硅砖16块。 多晶硅锭高度很难增加，因为晶体生长时的热量散发问题。 人们很早就发现，将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度是不同的，这种现象叫分凝现象（亦叫偏折现象）。区熔提纯就是利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次使杂质尽量被集中在尾部或头部，进而达到
47、使中部材料被提纯的技术。 目前用于制备硅单晶的主要生长工艺是直拉法，并经过进一步改进使之发展成为完善的方法。直拉法是在直拉单晶炉内，向盛有熔硅坩埚中，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。 直拉法拉制单晶示意图及单晶炉 直拉单晶生长过程示意图 装料熔化种晶引晶放肩等径收尾完成单晶硅棒照片晶圆照片圆形硅片在封装成组件时，不能组装得很紧密。单晶硅切割流程6.4 晶硅片制成太阳能电池装片制绒化学清洗扩散刻蚀去磷硅玻璃 PECVD 丝网印刷烧结分类检测包装清洗区去PSG区金属化区180清洗区（装片、制绒、化学清洗）制绒甩干检验硅片尺寸测厚度称重
48、清洗 装片观察绒面制绒作用：减少反射，增强对太阳光的吸收。单晶制绒：用碱腐蚀（NaOH）多晶制绒：用酸腐蚀 （HNO3）硅片入射光ii反射光折射光入射光反射到另一晶面的光绒面结构单晶绒面多晶绒面185取片拿石英舟上桨插片进炉调参数测片取片放入下道工序传递箱扩散区扩散过程在P型半导体表面掺杂五价元素磷。在硅片表面形成PN结。外层：磷硅玻璃中间：N型半导体硅P型硅N型硅磷硅玻璃(PSG)P型半导体硅内层：P型半导体硅扩散装置示意图188PECVD区插片放入洁净柜石墨舟准备推入上料区取料卸片运行程序送入下道工序填写表单PECVD在硅片表面镀上一层深蓝色的氮化硅膜可以充分吸收太阳光，降低反射在硅片表面
49、有氢钝化的作用氮化硅膜丝网印刷区上料检查承载盒上料网版印刷背电极印刷背电场印刷正面栅线印刷上料台丝网一道烘箱丝网二道丝网三道单晶硅电池正面多晶硅电池正面单晶硅电池背面多晶硅电池背面6.5 太阳能电池封装为防风雨的太阳能电池组件多晶组件单晶组件1.太阳能电池组件的结构EVATPT电池组钢化玻璃EVA互联条EVATPT电池组钢化玻璃EVA1.TPT（底板）：对电池起保护和支撑作用。具有良好的耐气候性，能隔绝从背面进来的潮气和其他有害气体。在层压温度下不器任何变化。与黏结材料结合牢固。2.EVA（黏结剂）：固定电池和保证上、下盖板密合的关键材料。在可见光内有高透光性，并抗紫外老化。具有一定的弹性，可
50、缓冲不同材料间的热胀冷缩。具有良好的电绝缘性和化学稳定性，不产生有害电池的气体和液体。具有优良的气密性，能阻止外界湿气和其他有害气体对电池的侵蚀。3.钢化玻璃（上盖板）：覆盖在电池的正面，组件的最外层。既要透光率高，又要坚固、耐风霜雨雪，起到长期保护电池的作用。2.太阳能电池组件生产流程分片工序手工焊工序正面单片焊接反面焊串层叠好的组件EVATPT电池组钢化玻璃EVA层叠工序加热加热板组件层叠物固化工序装框工序擦拭装接线盒终测工序连接电源擦拭终检工序检查反面贴标签包装工序3.电池的工作温度 不同的组件设计，将使密封在其中的电池在相同的工作环境中具有不同的温度，与其在相同的温度下比较不同的组件性
51、能，不如在不同的温度下比较性能更合适。 电池温度的近似表达式可写为： T电池（）=T环境（）+0.3阳光强度（mW/cm2)4.组件电路设计 太阳能电池互联在一起时，由于这些单体电池工作特性的失配（或称失谐），使组件的输出功率小于各个电池的最大输出功率之总和。这个差别在电池串联时是最为显著的。1）失配问题串联方式 短路电流由串联电池组中输出电流最低的那个电池的电流决定。因此，在串联电池组中，短路电流的严重失配会引起其中较好电池的电流产生能力完全被浪费。类似的失陪损失在并联电池组中也有，但不严重。并联方式 增加每个组件或分路的串联模块及并联电池串的数目，可提高组件对电池失配、电池破裂以及部分阴影
52、的容忍度，即串并联法。 利用连接在组件中的一组或多组串联模块两端的旁路二极管。当串联模块处在反向偏置时，旁路二极管则称为正向偏置，限制次模块的功率损耗，为组件或分支电路的电流提供低阻通道。2）解决方法串并联混合加旁路二极管5.组件缺陷（EL测试）电池片成型中，硅锭切割成硅片时产生。（材料缺陷）隐裂过焊或虚焊使主栅线附近PN结焊断或未焊产生沿主栅线周围的黑色斑纹。（材料缺陷）外力集中形成黑圈。（丝网印刷缺陷）孔洞电池片刻蚀成型时将主栅线周边的PN结切换。（丝网印刷缺陷）断栅网托状态下温度过高造成材质被烧坏不导电。（烧结缺陷）波浪网纹单片电池有杂质导致烧结不均匀。（烧结缺陷）黑心层压中因某些因素造成片子裂痕或破裂。（层压缺陷）隐裂破片等级混。（选片混乱）等级混等级混
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