硅太阳能电池研究_2概论.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章 硅太阳电池的器件物理学 不管是单晶硅太阳电池，还是多晶硅太阳电池，虽然名字不同，各自性能也不一样， 但是，它们把光能转换成电能的原理是相同的，也就是 p-n 结的光生伏特效应。硅太阳电 池是基于简单的 p-n 结建立的。这一章主要给出 p-n 结的理论基础、数学模型和硅太阳电 池的特征。 §2.1 p-n 结的理论基础 §2.1.1 半导体的能带理论和掺杂原理 一、能带的形成 制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。单晶体是由靠得很紧密的原子周期性重复 排列而成，相邻原子间距只有零点几nm数量级。由于各个原子靠得很近，不同原子的内、 外壳层都有了一定的重叠，重叠壳层的电子不再属于原来的原子独自所有。原子组成晶体 后，由于电子壳层的重叠，电子不再完全局限在某个原子上，可以由一个原子转移到相邻 的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。共 有化运动的结果使得孤立原子的单一能级分裂为能带。每一能带由许多相距极近的能级组 成，这些可为电子占据的能带为允带，两个允带之间的间隙不允许电子存在，称为禁带。 未被电子填满的能带或空能带称为导带；已经被电子填满的能带称为满带或价带。导带底 [8] 的能级与价带顶的能级之差叫做禁带宽度 。 二、能带结构和掺杂原理 任何材料都有的一个特征是它的费米能级。在低温下，晶体的某一能级以下的所有可 能能态都将被两个电子占据，该能级称为费米能级（Ef ）。图 2.1 给出了金属，绝缘体和 半导体的能带结构图。金属中，费米能级位于允带之间。由于金属中有许多未被占据的能 态并且电子从一种能态移动到另外一种能态几乎不需要任何能量，所以金属具有很好的导 电性。在绝缘体和半导体中，费米能级位于禁带能级中间。半导体的禁带宽度要比绝缘体 小。结果，热激发使得半导体中的一些电子占据导带中的能态，在价带中留下一个空穴。 半导体通过导带和价带就可以形成一定的导电能力[9] 。 _______________________________________________________________________________________________________ 第 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2. 1 金属 （a ）、绝缘体（b ）和半导体（c ）的费米能级和能带结构 硅是 IVA 族材料。在硅晶体中，每个硅原子与领近的 4 个硅原子形成共价键，硅原 子排列成金刚石晶格结构。硅的导电性质可以通过替换相对少量的硅原子来改变，替换这 些硅原子的是来自 VA 族 （比如磷）和 IIIA 族的元素 （比如硼和铝）。通过这些元素来替 代硅原子的过程叫做掺杂。 VA 族的原子比硅原子多一个价电子。当一个 VA 族的原子代替了晶格中的一个硅原 子，仅仅需要很小的能量就可以使这个电子脱离并且在晶格中自由移动。室温下的热能足 以离子化晶体中所有的掺杂原子。使用这个方法，硅的导电性就可以增加。使用 VA 族元 素进行掺杂的硅是 n 型硅。VA 族元素可以贡献电子，称为施主杂质。图 2.2 （a ）给出了 掺磷后形成的 n 型硅。 IIIA 族的原子替代一个硅原子时，它就在晶格中产生一个空穴。在能带图中，这是价 带中的一个未占据能态。领近的硅原子的一个电子可以移动到这个空穴处，同时在硅原子 中产生了新的空穴。这样就可以使得空穴在晶格中自由移动。使用 IIIA 族元素掺杂的硅 是 p 型硅。IIIA 族元素不能贡献电子，称为受主杂质。图2.2 （b ）给出了掺硼后形成的 p 型硅。 _______________________________________________________________________________________________________ 第 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文