光伏发电技术3太阳能光伏电池.ppt

第三章 太阳能光伏电池 3.1 太阳能光伏发电原理 3.1.1 半导体基础知识 （1）导体、绝缘体和半导体 物质由大量的分子和原子构成。 原子 原子核 核外电子：受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。 自由电子—物质导电的基本电荷粒子 受原子核的作用力较小，可以在物质内部的原子间自由运动的电子。 自由电子浓度n—单位体积中自由电子的数量。 是决定物体导电能力的主要因素之一。 由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章的运动。 电流：导体中自由电子在电场力作用下的定向运动形成电流。 自由电子的迁移率μ：在单位电场强度（1V/cm）下，定向运动的自由电子的“直线速度”，是决定物体导电能力的主要因素之一。 电导率σ ：表征物体导电能力的物理量。 σ=en μ 电阻：导体中的自由电子定向运动形成电流所受到的“阻力”，也表征物体的导电能力。 导体的电阻特性用电阻率ρ表示 ρ =1/ σ 按材料的导电能力划分，物质可分为三类： 导体：善于传导电流的物质，如铜、铝、铁等金属，它们的电阻率大约为10-9~10-6； 绝缘体：不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的物质，如橡胶、玻璃、塑料和干木材，电阻率大约为108~1020 ； 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、砷化镓、硫化镉等， 电阻率大约为10-5~107 。 金属导体和半导体的导电机理 金属导体导电：自由电子在电场力作用下的定向运动，其导电性能基本是恒定的。 半导体导电：电子和空穴在电场力作用下的定向运动。电子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影响其导电性能。 这是半导体材料的重要特征。 （2）硅的晶体结构 硅是最常见和应用最广泛的半导体材料，硅的原子序数是14，它的原子核外有14个电子，这些电子围绕着原子核做层状的轨道分布运动。 4个电子排在最外层，称为价电子，硅的物理化学性质主要由它们决定。 晶体：是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。 所有的晶体都是由原子（或离子、分子）在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的晶格。 单晶体：一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即长程有序，就称其为单晶体。 多晶体：由许多小颗粒单晶杂乱的排列在一起的固体称为多晶体。 非晶体：没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，这样的材料称为非晶体，也叫作无定形材料。 硅的晶体： 在硅的晶体中，每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间都有相互作用，称为共价键，正是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。 （3）能级和能带 电子在原子核周围运动时，每一层轨道上的电子都有确定的能量，轨道越高，能量越高。 电子能级：为了形象地表示电子在原子中的运动状态，用一系列高低不同的水平横线来表示电子运动所取的能量值，这些横线就是标志电子能量高低的电子能级。 每层电子轨道都有 一个对应的能级。 能带 在晶体中，原子之间的距离很近，相邻原子的电子轨道相互交叠，互相作用。与轨道相对应的能级就会分裂成能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，这些由很多能量相差很小的电子能级形成一个能带。 外层的电子由于受相邻原子的影响较大，它所对应的能带较宽，内层电子互相影响小，它所对应的能带较窄。 （4）禁带、价带和导带 根据量子理论，晶体中的电子不存在两个能带中间的能量状态，即电子只能在各能带内运动，在能带之间的区域没有电子态，这个区域叫做“禁带”。 受外电场作用，电子能量增大，有可能使电子从能带中较低的能带跃迁到较高的能带。 完全被电子填满的能带叫做“满带”。 最高的满带容纳价电子，称为“价带”。 价带上面完全没有电子的能带称为“空带”。 导带：没有被电子填满，处于最高满带上的一个能带称为“导带”。 价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动，必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量。 Eg导带底部和价带顶部之间的能量差，称为“禁带宽度”或“带隙”。 金属的能带： 导带和价带重叠在一起，不存在禁带，即使接近绝对零度，电子在外电场作用下仍可以参与导电。 半导体的能带： 禁带宽度比金属大，却远小于绝缘体。半导体在绝对零度时，电子填满价带，导带是空的，此时与绝缘体一样不能导电。当温度高于热力学温度零度时，导体内部产生热运动，使价带中少量电子获得足够的能量，跳跃到导带，此时半导体就具有一定的导电能力。 （5）电子和空穴 本征半导体：晶格完整且不含杂质的半导体。 当温度高于热力学温度零度时，价电子在热激发下有可能克服共价键束缚，从价带跃迁到导带，使其价键断裂，电子从价带跃