太陽能電池原理與應(yīng)用光與半導(dǎo)體的相互作用

上一講內(nèi)容回顧了解太陽概況了解日地運(yùn)動(dòng)掌握天球坐標(biāo)及太陽角的計(jì)算掌握太陽輻射量的計(jì)算要點(diǎn)復(fù)習(xí)討論赤道坐標(biāo)系、時(shí)角ω、赤緯角δ的定義、特點(diǎn)及計(jì)算地平坐標(biāo)系、方位角rs、高度角αs、天頂角θZ的定義、特點(diǎn)及計(jì)算太陽輻照量、太陽常數(shù)、大氣質(zhì)量水平面及傾斜面的輻照量組成及相關(guān)計(jì)算例：求春分日北極圈上正午的太陽高度角春分時(shí)赤緯角δ=0°；北極圈緯度φ=66°33’；∵φ>δ∴αs=90°-（φ-δ）=90°-（

66°33’-

0°）=23°27’光與半導(dǎo)體的相互作用本講基本要求掌握半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性掌握本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體掌握半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(1)孤立原子(單價(jià))

電子所在處的電勢為U，電子的電勢能為V。電勢能是一個(gè)旋轉(zhuǎn)對稱的勢阱。

1.電子共有化(2)兩個(gè)原子情形半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)1.電子共有化(3)大量原子規(guī)則排列情形

晶體中大量原子(分子、離子)的規(guī)則排列成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，晶體中形成周期性勢場。電子共有化：由于晶體中原子的周期性排列，價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象。共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉(zhuǎn)移，可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)。

·原子的外層電子(高能級)，勢壘穿透概率較大，屬于共有化的電子?！ぴ拥膬?nèi)層電子與原子的結(jié)合較緊，一般不是共有化電子。1.電子共有化半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

能帶：量子力學(xué)證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來各原子中能量相近的能級將分裂成一系列和原能級接近的新能級，這些新能級基本上連成一片，即能帶。例：兩個(gè)氫原子靠近結(jié)合成分子時(shí)，1S能級分裂為兩條。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)2.能帶的形式

能級的分離：當(dāng)N個(gè)原子靠近形成晶體時(shí)，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的一個(gè)能級，就分裂成N條靠得很近的能級。使原來處于相同能級上的電子，不再有相同的能量，而處于N個(gè)很接近的新能級上。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)2.能帶的形式半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)2.能帶的形式半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)3.能帶的一般規(guī)律（1）越是外層電子，能帶越寬，E越大。內(nèi)層電子相應(yīng)的能帶很窄；

（2）點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大；（3）兩個(gè)能帶有可能重疊。

固體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一能級上。電子的填充原則：（１）服從泡利不相容原理

（２）服從能量最小原理

設(shè)孤立原子的一個(gè)能級Enl

，它最多能容納2(2l+1)個(gè)電子。

這一能級分裂成由N條能級組成的能帶后，能帶最多能容納２Ｎ(2l+1)個(gè)電子。泡利半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)4.電子的填充原則

價(jià)帶空帶禁帶滿帶導(dǎo)帶排滿電子的能帶滿帶中能級最高的能帶未排電子的能帶不能排電子的區(qū)域未排滿電子的空帶半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)5.滿帶、價(jià)帶、禁帶、導(dǎo)帶、空帶E固體的導(dǎo)電性能由其能帶結(jié)構(gòu)決定。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體固體的導(dǎo)電性能1.導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體

<10-6

m

>108

m10-4ρ104m

在外電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。

從能級圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗壾S遷到高能級上去。導(dǎo)體導(dǎo)體的導(dǎo)電性能導(dǎo)體的導(dǎo)電性能對一價(jià)、三價(jià)金屬，價(jià)帶是未滿帶，故能導(dǎo)電；對二價(jià)金屬，價(jià)帶是滿帶，但禁帶寬度為零，價(jià)帶與較高的空帶相交疊，滿帶中的電子能占據(jù)空帶，因而也能導(dǎo)電。

從能級圖上來看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間有一個(gè)較寬的禁帶（Eg

約3～6eV），共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到高能級（空帶）上去。在外電場的作用下，共有化電子很難接受外電場的能量，所以形不成電流。絕緣體絕緣體的導(dǎo)電性能半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)類似,但是禁帶很窄（Eg約0.1～2eV)。半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能純凈沒有缺陷半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能對于本征半導(dǎo)體在絕對零度沒有激發(fā)的情況下，價(jià)帶被電子填滿，導(dǎo)帶沒有電子。

本征激發(fā)：在一般溫度，由于熱激發(fā)，有少量電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶有少量電子，而在價(jià)帶留下少量空穴。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電就是依靠導(dǎo)帶底的少量電子和價(jià)帶頂?shù)纳倭靠昭ā?/p>

絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)相似，價(jià)帶為滿帶，價(jià)帶與空帶間存在禁帶。在任何溫度下，由于熱運(yùn)動(dòng)，滿帶中的電子總會有一些具有足夠的能量激發(fā)到空帶中，使之成為導(dǎo)帶。區(qū)別：由于絕緣體的禁帶寬度較大，常溫下從滿帶激發(fā)到空帶的電子數(shù)微不足道，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電性能差；

半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，滿帶中的電子只需較小能量就能激發(fā)到空帶中，宏觀上表現(xiàn)為有較大的電導(dǎo)率。

半導(dǎo)體與絕緣體區(qū)別半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能溫度影響半導(dǎo)體的電阻率對溫度的反應(yīng)靈敏，例如鍺的溫度從200℃→300℃

，電阻率ρ→1/2ρ；金屬的電阻率隨溫度的變化則較小，例如銅每升高1000℃

，ρ增加40%左右。電阻率受雜質(zhì)的影響顯著，尤其是半導(dǎo)體。例如在純硅中摻入百萬分之一的硼，硅的電阻率就從2.14103m減小到0.004m左右。TR半導(dǎo)體金屬絕緣體電阻溫度系數(shù)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能本征半導(dǎo)體電子-空穴對的產(chǎn)生：禁帶寬度Eg較小時(shí)，隨著溫度上升，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的電子數(shù)增多，同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生同樣數(shù)目的空穴的過程。本征半導(dǎo)體：對于純凈半導(dǎo)體，室溫條件下能產(chǎn)生這樣的電子-空穴對即載流子的濃度只是材料自身的本征性質(zhì)決定的。特征：電子濃度=空穴濃度

在實(shí)際的半導(dǎo)體材料中，總是不可避免地存在有雜質(zhì)和各種類型的缺陷。

雜質(zhì)半導(dǎo)體1.雜質(zhì)和缺陷能級在半導(dǎo)體的研究和應(yīng)用中，常常有意識的加入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)。這些雜質(zhì)和缺陷產(chǎn)生的附加勢場，有可能使電子和空穴束縛在雜質(zhì)和缺陷的周圍，產(chǎn)生局域化的電子態(tài)，在禁帶中引入相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷能級。（2）替位式→雜質(zhì)原子取代半導(dǎo)體的元素或離子的格點(diǎn)位置。間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體以后，位于晶格間隙位置或取代晶格原子，稱為間隙式雜質(zhì)．替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體以后，取代晶格原子，這種雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)，要求雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近并且價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近。

2.雜質(zhì)的存在方式雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）間隙式→雜質(zhì)原子位于組成半導(dǎo)體的元素或離子的格點(diǎn)之間的間隙位置。雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）

空位和填隙

（1）空位和填隙雜質(zhì)半導(dǎo)體BA

（2）替位原子雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體2.雜質(zhì)半導(dǎo)體在純凈的半導(dǎo)體中適當(dāng)摻入雜質(zhì)，自由載流子（電子或空穴）增多，形成摻雜半導(dǎo)體，能改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制。按導(dǎo)電機(jī)制，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為n型(電子導(dǎo)電)和p型(空穴導(dǎo)電)兩種。n型半導(dǎo)體：四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ge等摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)(impurity)元素(如P、As等)就形成了電子型半導(dǎo)體。

雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)n型半導(dǎo)體量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處,ED～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。該能級稱為施主（donor）能級。

n型半導(dǎo)體在n型半導(dǎo)體中

電子……多數(shù)載流子空帶滿帶施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴……少數(shù)載流子

p型半導(dǎo)體：四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素(如Ｂ、Ga、In等)形成空穴型半導(dǎo)體。

(2)p型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處，ED～10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電?？諑a滿帶受主能級

P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg電子……少數(shù)載流子在p型半導(dǎo)體中空穴……多數(shù)載流子半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體對光的吸收機(jī)構(gòu)本征吸收激子吸收晶格振動(dòng)吸收雜質(zhì)吸收自由載流子吸收半導(dǎo)體的光吸收參與光吸收躍遷的電子類型價(jià)電子內(nèi)殼層電子自由電子雜質(zhì)或缺陷中的束縛電子半導(dǎo)體的光吸收本征光吸收：光照可以激發(fā)價(jià)帶的電子到導(dǎo)帶，形成電子－空穴對的過程。半導(dǎo)體晶體的吸光程度由光的頻率和材料的禁帶寬度所決定。當(dāng)頻率低、光子能量h比半導(dǎo)體的禁帶寬度

Eg小時(shí)，大部分光都能穿透；隨著頻率變高，吸收光的能力急劇增強(qiáng)。吸收某個(gè)波長

的光的能力用吸收系數(shù)（h）來定義，它滿足?ν≥Eg或λ≤?C/Eg?為普朗克常數(shù)；ν光波頻率；λ光波波長；C光速；Eg半導(dǎo)體材料的禁帶寬度；半導(dǎo)體的光吸收由各種因素決定，這里僅考慮到在太陽電池上用到的電子能帶間的躍遷。一般禁帶寬度越寬，對某個(gè)波長的吸收系數(shù)就越小。除此以外，光的吸收還依賴于導(dǎo)帶、價(jià)帶的態(tài)密度。半導(dǎo)體的光吸收上式表明，存在有波長限制，最大波長

λg=?C/Eg稱為截止波長，滿足上式要求才能產(chǎn)生電子-空穴對。

假設(shè)在能帶中能量E與E+dE之間的能量間隔dE內(nèi)有量子態(tài)dZ個(gè)，則定義狀態(tài)密度g（E）為：

半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布1、狀態(tài)密度

半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的光吸收2、費(fèi)米能級根據(jù)泡利原理，每個(gè)允許能級最多只能被2個(gè)自旋方向相反的電子所占據(jù)。這意味著在低溫下，晶體的某一個(gè)能級以下的所有可能的能態(tài)都將被2個(gè)電子占據(jù)，該能級稱為費(fèi)米能級（Ef）。

隨著溫度升高，一些電子得到超過費(fèi)米能級的能量，考慮泡利原理限制，任何給定能量E的一個(gè)允許電子能態(tài)占有概率可以通過統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即遵循費(fèi)米-狄拉克（Fermi-Dirac）分布函數(shù)計(jì)算。3、費(fèi)米分布函數(shù)電子遵循費(fèi)米-狄拉克（Fermi-Dirac）統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。能量為E的一個(gè)獨(dú)立的電子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率為

半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的光吸收4、費(fèi)米分布函數(shù)的物理意義能量為Ef能級上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的概率等于1/2。故比費(fèi)米能級高的狀態(tài)，未被電子占據(jù)的概率大，即空出的狀態(tài)多（占據(jù)概率近似為0%）；反之，比費(fèi)米能級低的狀態(tài)，被電子占據(jù)概率大，即可近似認(rèn)為占據(jù)概率100%。半導(dǎo)體的光吸收導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在k空間相同點(diǎn)的情況。電子吸收光子自價(jià)帶k狀態(tài)躍遷到導(dǎo)帶k’狀態(tài)時(shí)除了滿足能量守恒以外，還符合準(zhǔn)動(dòng)量守恒的選擇定則，即具有這種帶隙結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體?k’-?k=?kphoton截止波長附近的兩種光躍遷類型1、直接躍遷半導(dǎo)體的光吸收截止波長附近的兩種光躍遷類型豎直躍遷非豎直躍遷

在討論本征吸收時(shí)，光子的動(dòng)量可以略去，因?yàn)楸菊魑展庾拥牟ㄊ笧?0４

cm-1，而在能帶論中布里淵區(qū)的尺度為2π/晶格常數(shù)，數(shù)量級是10８

cm-1，因此本征光吸收中，因此光吸收的躍遷選擇定則可以近似寫成這就是說，在躍遷過程中，波矢可以看做是不變的，在能帶的E(k)圖上，初態(tài)和末態(tài)幾乎在同一條豎直線上，這樣的躍遷常稱為豎直躍遷。半導(dǎo)體的光吸收k’=k截止波長附近的兩種光躍遷類型半導(dǎo)體的光吸收導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在k空間不同點(diǎn)的情況，此時(shí)的光吸收過程是稱為非豎直躍遷，在這種情況下，單純吸收光子不能使電子由價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底，必須在吸收光子的同時(shí)伴隨有吸收或發(fā)射一個(gè)聲子。能量守恒關(guān)系為：電子能量差＝光子能量±聲子能量具有這種帶隙結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體2、間接躍遷截止波長附近的兩種光躍遷類型由于聲子能量是較小的，數(shù)量級為百分之幾電子伏以下，故可近似看作