必威体育精装版太阳能电池培训手册名师精编资料汇编.pdf

第一章 太阳电池的工作原理和基本特性 1.1 半导体物理基础 1.1.1 半导体的性质 世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。 容易导电的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电的物 体称为绝缘体，常见的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之 间的物体称为半导体，主要有锗、硅、砷化镓、硫化镉等等。众所周知，原子是 由原子核及其周围的电子构成的， 一些电子脱离原子核的束缚， 能够自由运动时， 称为自由电子。 金属之所以容易导电， 是因为在金属体内有大量能够自由运动的 电子，在电场的作用下， 这些电子有规则地沿着电场的相反方向流动， 形成了电 流。自由电子的数量越多， 或者它们在电场的作用下有规则流动的平均速度越高， 电流就越大。电子流动运载的是电量， 我们把这种运载电量的粒子， 称为载流子。 在常温下， 绝缘体内仅有极少量的自由电子， 因此对外不呈现导电性。 半导体内 有少量的自由电子，在一些特定条件下才能导电。 半导体可以是元素， 如硅 （Si ）和锗 （Ge），也可以是化合物， 如硫化镉 （OCLS） 和砷化镓（ GaAs），还可以是合金，如 GaAL As，其中 x 为 0-1 之间的任意数。 x 1-x 许多有机化合物，如蒽也是半导体。 -5 7 半导体的电阻率较大（约 10 ρ 10 m），而金属的电阻率则很小（约 -8 -6 8 10 10 m），绝缘体的电阻率则很大（约 ρ 10 m）。半导体的电阻率对温 0 0 度的反应灵敏，例如锗的温度从 20 C 升高到 30 C，电阻率就要降低一半左右。 0 金属的电阻率随温度的变化则较小，例如铜的温度每升高 100 C， ρ增加 40%左 右。电阻率受杂质的影响显著。 金属中含有少量杂质时， 看不出电阻率有多大的 变化，但在半导体里掺入微量的杂质时， 却可以引起电阻率很大的变化， 例如在 3 纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从 2.14 10 m减小到 0.004 m 左右。金属的电阻率不受光照影响， 但是半导体的电阻率在适当的光线照射下可 以发生显著的变化。 1.1.2 半导体物理基础 1.1.2.1 能带结构和导电性 半导体的许多电特性可以用一种简单的模型来解释。硅是四价元素，每个 原子的最外壳层上有 4 个电子，在硅晶体中每个原子有 4 个相邻原子， 并和每一 个相邻原子共有两个价电子，形成稳定的 8 电子壳层。 自由空间的电子所能得到的能量值基本上是连续的，但在晶体中的情况就 可能截然不同了， 孤立原子中的电子占据非常固定的一组分立的能线， 当孤立原 子相互靠近， 规则整齐排列的晶体中， 由于各原子的核外电子相互作用， 本来在 孤立原子状态是分离的能级扩展， 根据情况相互重叠， 变成如图 2.1 所示的带状。 电子许可占据的能带叫允许带，允许带与