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第3章 太阳能光伏电池.pptx

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第3章 太阳能光伏电池

第3章 太阳能光伏电池;主要内容;;;;单晶原子晶体结构 Single Crystal Structure;;多晶原子结构 Polycrystalline Structure;;;;思考题:;;;;;;;;;;;;;;; 2.硅的晶体结构 (1)硅的原子结构 硅(Si)原子,原子序数14,原子核外14个电子,绕核运动,分层排列:内层2个电子(满),第二层8个电子(满),第三层4个电子(不满)。;(2) 硅的晶体结构 硅晶体中的硅原子按晶格结构无限排列,长程有序。每个硅原子近邻有四个硅原子,这四个硅原子恰好在正四面体的四个顶角上,而该原子则处于四面体的中心。每两个硅原子间有一对电子与这两个原子核都有相互作用,称为共价键。在共价键作用下,硅原子紧密地结合在一起,构成晶体。 ;(2) 硅的晶体结构 ;3. 能级和能带图 电子在原子中的 轨道运动状态具有不 同的能量——“能级” (E),越外层的电子受 原子核的束缚越弱,能量越大。受相邻原子的作用,单一的电子能级分裂成能量非常接近但又大小不同的许多电子能级,形成一个“能带”。外层电子由于受相邻原子的影响较大,对应的能带较宽。;4. 禁带、价带和导带 电子只能在各能带内运动 ,能带之间的区域没有电子态,这个区域叫做“禁带”,用Eg表示。完全被电子填满的能带称为“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称为“空带”。有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为“导带”。 ;4. 禁带、价带和导带 当温度为绝对零度时,绝大多数固态物质的价电子都被“冻结”充满于价带中,价电子处于价带的物质呈现不导电的高电阻状态(“超导体”物质除外)。随着温度升高和光辐射的作用,这些被冻结的束缚价电子接受了外界的能量,可跃迁到较高的能级中。 进入导带的价电子,在外电场的作用下,会产生电流。 ;禁带宽度Eg 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的大小就是导带底部与价带顶部之间的能量差??称为“禁带宽度”或“带隙”。 ; ;金属、半导体、绝缘体能带的区别: 金属的导带和价带重叠在一起,不存在禁带,在一切条件下具有良好的导电性。 半导体有一定的禁带宽度,价电子必须获得一定的能量(Eg)“激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以是热或光的作用。常温下,每立方厘米的硅晶体,导带上约有1010个电子,每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。 绝缘体禁带宽度远大于半导体,常温下激发到导带上的电子非常少,固其电导率很低 。;5. 自由电子和空穴 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。电子从价带跃迁到导 带成为“自由电子”后,在价带中 留下一个空位,称为“空穴”,空穴移动也可形成电流。电子的这种跃迁形成自由电子-空穴对。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子-空穴对不断产生,又不断复合。;6. 本征半导体和掺杂半导体 晶格完整且不含杂质的 半导体称为本征半导体。 硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P)——N型硅 :自由电子数量多——多数载流子(多子);空穴数量很少——少数载流子(少子)。称为“电子型半导体”或“N型半导体”。 掺杂少量的三价元素硼(B) ——P型硅:空穴数量多——多数载流子(多子);自由电子数量很少——少数载流子(少子)。“空穴型半导体”或“P型半导体”。;在掺杂半导体中,杂质原子的能级处于禁带之中,形成杂质能级。五价杂质原子形成施主能级,位于导带的下面;三价杂质原子形成受主能级,位于价带的上面。施主(或受主)能级上的电子(或空穴)跳跃到导带(或价带)中去的过程称为电离。电离过程所需的能量就是电离能(很小0.04eV),在一般的使用温度下掺杂杂质几乎全部电离。 ; 二、晶体硅太阳能电池;7. 载流子的产生与复合 由于晶格的热振动,电子不断从价带被“激发”到导带,形成一对电子和空穴(即电子-空穴对),这就是“载流子产生”的过程。 电子和空穴在晶格中的运动是无规则的导带中的电子落进价带的空能级,使一对电子和空穴消失。这种现象叫做电子和空穴的复合,即“载流子复合”。 ;7. 载流子的产生与复合 一定的温度下晶体内产生和复合的电子-空穴对数目达到相对平衡,晶体的总载流子浓度保持不变,热平衡状态。 动态平衡 由于光照作用,产生光生电子-空穴对,电子和空穴的产生率就大于复合率,形成非平衡载流

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