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杂质半导体N型半导体1
1、光生伏打效应 光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外,还使P区带正电,N区带负电,在N区和P区之间的薄层就产生电动势,这就是光生伏打效应。当电池接上一负载后,光电流就从P区经负载流至N区,负载中即得到功率输出。 如果将P-N结两端开路,可以测得这个电动势,称之为开路电压Uoc。对晶体硅电池来说,开路电压的典型值为0.5~0.6V。 如果将外电路短路,则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过,这个电流称为短路电流Isc。 1、光生伏打效应 影响光电流的因素: 通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多,电流愈大。 界面层吸收的光能愈多,界面层即电池面积愈大,在太阳电池中形成的电流也愈大。 太阳能电池的N区、耗尽区和P区均能产生光生载流子; 各区中的光生载流子必须在复合之前越过耗尽区,才能对光电流有贡献,所以求解实际的光生电流必须考虑到各区中的产生和复合、扩散和漂移等各种因素。 太阳能电池工作原理及效率 太阳能电池基本原理 基本原理 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应,即一些半导体材料受到光照时,载流子数量会剧增,导电能力随之增强,这就是半导体的光敏特性。 基本原理 当太阳光照射到半导体上时,其中一部分被表面反射掉,其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光,当然有一些变成热,另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞,于是产生电子—空穴对。这样,光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。 基本原理 如果半导体内存在P—N结,则在P型和N型交界面两边形成势垒电场,能将电子驱向N区,空穴驱向P区,从而使得N区有过剩的电子,P区有过剩的空穴,在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。 基本原理 若分别在P型层和N型层焊上金属引线,接通负载,则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件,把它们串联、并联起来,就能产生一定的电压和电流,输出功率。 基本原理 基本原理 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种,因此太阳电池的种类也很多。 目前,技术最成熟,并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例,详细介绍太阳能电池的工作原理。 一、太阳能电池的物理基础 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。 导体一般为低价元素,它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子,在外电场的作用下产生定向移动,形成电流。 高价元素(如惰性气体)或高分子物质(如橡胶),它们的最外层电子受原子核束缚力很强,很难成为自由电子,所以导电性极差,成为绝缘体。 常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧,因而其导电性介于二者之间。 1、本征半导体 定义:将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体, 即为本征半导体。 晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,相邻的原子 形成共价键。 共价键 1、本征半导体 晶体中的共价键具有极强的结合力,因此,在常温下,仅有极少数的价电子由于热运动(热激发)获得足够的能量,从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 与此同时,在共价键中留下一个空穴。 原子因失掉一个价电子而带正电,或者说空穴带正电。在本征半导体中,自由电子与空穴是成对出现的,即自由电子与空穴数目相等。 1、本征半导体 本征激发: 半导体在光照或热辐射激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。 空穴 自由 电子 1、本征半导体 复合: 自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。 动态平衡: 在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子和空穴对数目相等,故达到动态平衡。 1、本征半导体 能带理论: 单个原子中的电子在绕核运动时,在各个轨道上的电子都各自具有特定的能量; 越靠近核的轨道,电子能量越低; 根据能量最小原理电子总是优先占有最低能级; 能带理论解释本征激发 1、本征半导体 能带理论: 价电子所占据的能带称为价带; 价带的上面有一个禁带,禁带中不存在为电子所占据的能级; 禁带之上则为导带,导带中的能级就是价电子挣脱共价键束缚而成为自由电子所能占据的能级; 禁带宽度用Eg表示,其值与半导体的材料及其所处的温度等因素有关。(ev电子伏特) T=300K时,硅的Eg=1.1eV;锗的Eg=0.72eV。 晶体中大量电子能级分布组成密集的能级带,称为能带。其中“价带”能级最低,“导带”能级最高。处于导电状态的能级区域称为导带。导带与价带之间区域称为禁带。 能带理论:P4 光生伏特效应(光伏效应) 指光照使不均匀半导体或
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