太阳能电池培训手册【上】

太阳能电池培训手册

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GaxAL1-xAs,其中x为0-1之间的任意数。许多有机化合物,如蒽也是半导体。

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半导体的电阻率较大(约10≤ρ≤10Ω m),而金属的电阻率则很小(约10~10Ω m),

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绝缘体的电阻率则很大(约ρ≥10Ω m)。半导体的电阻率对温度的反应灵敏,例如锗的温度

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从20C升高到30C,电阻率就要降低一半左右。金属的电阻率随温度的变化则较小,例如

铜的温度每升高100C,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

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的变化,例如在纯硅中掺入百万分之一的硼,硅的电阻率就从2.14×10Ω m减小到0.004Ω 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,允许带与允许带间不许可电子存在的范围叫禁带。

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