碩士論文 熱光伏電池的研究 abs tract 了 七 e o r g 耐zati on of而s p a per asfo u o w: t b e d eve l o p m e n t s i to at i on 田 l d app l i a 時(shí) i ons 助dp r o fe s s i c . n少odu c e 。 . 目偽 比 零 。 皿d are d e s cribedins e c t i o n one . t 七 e p ri d c i p l e oft p vcell th at pow e r 如d e r n e a r i n fr ar ed li g h t ray s is引 舊 d l ed in袱t i o n幻 即 0 . 價(jià) 助do心b 解 sele ct ed， 幻 刃 。 腸 邑 山ofn 別 汀 o wg 即， ， ” i con d u c t o rs ， top 代 悶 u ceh o m o -j 朋ct i ont p v幼th the b 已 時(shí) di 任 us l o n . t 七 e m 明側(cè) ra c to 肥p ro 娜se s an d c 倒 肋眼 d e sc ri 伙 刃 ， incl u d l n g su b s tl . t e 釁p ar a t l 眠 即 講幣c 誡 c 】 ea 面 n g ， 幾 耐 n gofj 即c t i ons by di 廿 山 i on p r o ce ss ， 件行 p h e 司 corrosi 。 氏desi gn and m anu fa ct 以 e ofel e c tr ode ， m aking li th 。 零 即h pl ates . f i n al 】 y，so me p 州 e t e rsofs e m i c 0 n d u ct o r s and fi ni sh edb a tt e ry眼 te s t e d . p r 0 c essand te st l n g m etho d s oft p vceuare 川 ” d l edin而s p 即e r，e s p e ci aily s or ne s0幻 0 已 e x pen m e n ta l app r o ac hes ， w h i chist h e fo助d at i onofth e a d v anc ed比 s e ar c b . exp e ri m e n ta 】 d a taofge 叨dg asbtpv璐liwil hthe heatdi 且 汕 s i on h ave h 沈 na c h i e v ed. at the 翻 ” 力 e t i m e ， h e t e m j u n c t i onthen 刀 all n 丘 ar e d p h o t o n . ceuis引 刀 d l ed， w hi ch毗 m ade by g r o 明 八 n g ln g 幾 a s on ln p b 出 姆u 即u gh m ul ec u larbeam 印1 taxyt 七 e exp 州m en ta l r e s u l t s s h o wth at奴 叩e n in g- c 讓 c u l t vol t a g e can re 朗 h o. 25vand th e vol ta g e iss ta b l e . 丁 七 i s p al 姆 r isano pemng point ofth e “ n thfi ve一 yearpl an， so me m e t h o d s and con c e p ts ofw h i chr equ l r e m u c h r n o r e r 。 祀 ar c h and i m p r o v e m e n ts . t r v cell can s upp 】 y pow erfor sa t e l l i tebyse ri e s-par a 1 l elconne c t 1 嘰 蘆 創(chuàng)l depo比 山 】 e power for s m al 1 m i l i ta rye q u l p m e n t s and c h arge up st o r a g e b atte ri esasweu asg e o er al 貽 el ec t ri c ityforj u m p 噸一 。 ffs. wi ththe r e d u c t i o n ofthe cost 即d the d e v e l o p m ent ofm o d el 刀 te c hn0 1 o gy， 仰vce n isp r o 而5 曰topl ay幻 n o r e criti 以 即d i m portan t ro le s inapp l i c at i o ns 助d初d e nfie l ds. ke yw ords : c el l ， g e ， g a s b ， d i ffil s e ， n 聲明 本 學(xué)位 論文 是我在 導(dǎo)師的 指導(dǎo) 下取 得的 研究 成果， 盡 我所 知， 在 本學(xué)位論文中，除了加以 標(biāo)注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W 歷 而 使用 過的 材料。 與我 一同 工作 的同 事 對(duì) 本學(xué) 位論文 做出的 貢 獻(xiàn)均 己 在論文中作了明 確的說明。 研 究 生 簽 名 ; 一抓拉-問年 了 月 j 日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱 或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部?jī)?nèi) 容，可以向有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送 交并授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部?jī)?nèi)容。對(duì) 于保密論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。 研 究 生 抓 -繼衷熟 刁年 7 ” 丁 日 碩士論文熱光伏電池的研究 1 緒論 熱光伏發(fā)電系統(tǒng)的概念可追溯到20世紀(jì)60年代， 但由于當(dāng)時(shí)科研水平的限制直 到90年代中期才有較大的進(jìn)展。直到最近幾年， 才顯示出了實(shí)際應(yīng)用的前景。通過 幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 入射和輸出的功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平板型光伏發(fā)電系統(tǒng)， 在光電轉(zhuǎn)換 效率相同的情況下，其輸出功率密度可達(dá)平板型的光伏發(fā)電系統(tǒng)的50 倍，熱光伏發(fā) 電系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)有:理論效率較高、噪音低、無移動(dòng)部件、可靠性高、高體積比功 率、 高重量比功率、高功率密度、 便攜性、 無噪聲運(yùn)行、 較低的運(yùn)行費(fèi)用， 其輸入的 熱能可以是太陽能也可以是其它燃料燃燒所釋放的熱能， 并且對(duì)燃料的種類沒有特殊 的要求，可將熱能利用和發(fā)電結(jié)合在一起等。 1 . 1 課題背景 熱光伏電 池實(shí)際上就是熱紅外光電 池。 熱光伏技術(shù)是將高溫?zé)彷椛潴w的能量通過 半導(dǎo) 體 p 一 結(jié)直接轉(zhuǎn)換成電 能的 技術(shù)。 也就是說是 利用半導(dǎo)體 p n 結(jié)在近紅 外光照射 下， 產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的電 池， 其原理與太陽能電 池相似，只是利用光源不同 而己。 太陽能電 池利用的光源是太陽光或可見光 ( 4 cos oo nm ) ，而熱紅外光電池是利用 紅外線熱輻射或火焰發(fā)出的紅外線( 8 002 0 00 mn) 。熱紅外光電池的結(jié)構(gòu)與太陽能 電 池 相 似， 由 p 一結(jié)等組成， 但由 于其在熱輻射下 工作， 而半導(dǎo)體受溫度影響大， 故 需要采取保持室溫的措施。 另外熱紅外光電 池中使用的半導(dǎo)體材料為窄禁帶材料， 如 銻化稼 (0. 7 2ev ) 或錮稼砷/ 錮磷(0 . 55ev) 等。 而太陽能電 池一般是用半導(dǎo)體硅材料 做成的，其價(jià)格相對(duì)比較便宜，為寬禁帶寬度 (l. llev)材料。熱紅外光電池與太 陽能電池相比具有不依賴太陽光的特點(diǎn)， 所以不受晝夜， 季節(jié)或天氣的影響而提供穩(wěn) 定的電能. 它不僅與熱機(jī)發(fā)電一樣具有高效率， 還具有靜音， 攜帶輕便， 無機(jī)械結(jié)構(gòu)， 構(gòu)造簡(jiǎn)單， 不宜發(fā)生故障， 單位體積或單位重量的發(fā)電功率比高的優(yōu)點(diǎn)。 在應(yīng)用方面， 它可以 利用所有普通的燃料或燃油燃燒產(chǎn)生的熱紅外能來發(fā)電， 所以在邊遠(yuǎn)地區(qū)它可 以 做發(fā)電機(jī)使用。 如果把熱紅外光器件做成特殊的結(jié)構(gòu)， 它可成為紅外探測(cè)器， 夜視 儀， 紅外數(shù)碼像機(jī)里的關(guān)鍵光電元件。 熱紅外光電 池與微型核反應(yīng)堆結(jié)合可做成小型 熱輻射核能電 池。 如果把熱紅外光電 池與太陽能電 池疊加來制造新型太陽能電 池， 可 使 太 陽 能 電 池 吸 收 的 太 陽 光 譜 區(qū) 域 擴(kuò) 大 到 近 紅 外 光 區(qū) 域 從 而 大 幅 度 提 高 太 陽 熊 電 池 的光電轉(zhuǎn)換效率， 這種太陽能電池在衛(wèi)星和太空站上有很好的應(yīng)用前景， 在軍事上也 有廣泛的應(yīng)用前景: 如為小型軍用裝備提供便攜的電力供應(yīng)， 利用軍用車輛的高溫尾 氣進(jìn)行發(fā)電， 并提供給車輛的設(shè)備使用， 還可以在無人值守的哨塔里結(jié)合太陽能電池 給一 些設(shè)備供電， 使之全天候工作不受 氣候影響 117 劉。目 前， 由 于熱紅外光電 池使 用 特殊的半導(dǎo)體材料而且純度要求嚴(yán)格，所以成本較高。 l 碩士論文熱光伏電池的研究 世界各國都十分關(guān)注太陽能電 池和熱光伏電池的利用， 致力于太陽能電池和熱光 伏電 池研究。 相比較之下， 我國的熱光伏事業(yè)起步就晚了 一步， 大大落后于西方發(fā)達(dá) 國家。 因此， 為提高科技水平和利用能量的水平， 節(jié)約不可再生的能源， 縮小與發(fā)達(dá) 國家間的差距，本論文提出利用紅外能量轉(zhuǎn)變成電能的方案一熱光伏電池。 1 . 2 國外研究概況 熱紅外光電池的設(shè)想是在上世紀(jì)60年代提出的， 但由于當(dāng)時(shí)科研水平的限制直到 90年代中期才有較大的進(jìn)展。 熱紅外光電池在發(fā)電方面具有很多獨(dú)特之處， 使其在尖 端科研領(lǐng)域和軍事上有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值， 所以美、 俄為首的西方強(qiáng)國都積極涉足 此 研究領(lǐng) 域。 美國 從1 99 3 年以 來以 mit ， 休斯頓大 學(xué)， n r e l 包括: t m ga，了 m i 氏 tbas，t m sb; 帥型摻雜劑分 別為 d m te和d m lz n ; 材料質(zhì)量取決 于生長(zhǎng)溫度， v 江 n 比， i n 及as含量和襯底錯(cuò)取向 度。 得到了 類鏡面的表面形貌和室溫 光熒口 l)光譜， 其峰值發(fā)射波長(zhǎng)為2 2. 5 9 n u n ; x 射線衍射， 表面形貌和低溫測(cè)量表明: 生長(zhǎng)溫度由5 75下降到5 25及減少玩 ， a s 含量都可使材料質(zhì)量提高;一般說來，采 用 ( 1 0 0 )向 ( 1 1 1 ) b 偏6 0 的襯底比 用標(biāo)準(zhǔn)的 ( 1 0 0 )向 ( 1 1 0 ) 偏2 0 襯底外延層質(zhì)量 要好。用該工藝生長(zhǎng)了約40片t p v 材料，其平均外量子效率為60. 既。典型t p v 器件 在 25， 短路電 流 密度為i a /c m 子 時(shí)開路電 壓、 b c 為 290 m e v ， 填充因 子為 69%. 19 96年， 美國 的 jxc 口 s ta l s 公司 報(bào)道了 基于 g asb 電 池的 便攜 式小型的 熱光伏發(fā)電 系統(tǒng)， 該公司制造的一種商業(yè)化熱光伏壁爐， 可在偏遠(yuǎn)地區(qū)的住宅或游艇使用， 將熱 能 利用和發(fā)電結(jié)合在一起， 總的能 源利用率接近00%。 美國西華盛頓大學(xué)開發(fā)了 一種熱光伏動(dòng)力汽車樣品， 這輛汽車裝配了 8 個(gè)g a s b 熱 光伏系統(tǒng)組件， 最高時(shí)速10 0 英里， 儲(chǔ)存電能的化學(xué)電池可以使汽車行駛50英里。 碩士論文熱光伏電池的研究 另外，法國、西班牙、意大利和捷克也在熱紅外光電池的研究上有大量的報(bào)道。 目 前熱光伏技術(shù)的研究是個(gè)熱點(diǎn)，美國、俄羅斯、德國、澳大利亞、英國、瑞士和日 本等國的 著名的光伏研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)都在積極開展熱光伏系統(tǒng)的研究工作， 力圖通過 基礎(chǔ) 研究 將這項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)入實(shí) 用化117 ，l8 周。 1 . 3國內(nèi) 研究概況 中國目 前為止還未有很多關(guān)于熱伏光電池的研究報(bào)道，我國這方面起步的比較 遲， 發(fā)展也比較緩慢， 從事該領(lǐng)域的 研究的機(jī)構(gòu)和人員也不多。 材料和設(shè)備問題是限 制我國 熱光伏發(fā)展的瓶頸問 題， 沒有得到根本解決， 材料主要依靠進(jìn)口， 材料純度高， 價(jià)格昂貴，我國在這方面發(fā)展比較緩慢。 1 . 4未來展望 雖然目 前熱光伏技術(shù)尚處于基礎(chǔ)研究階段， 但隨著熱光伏研究的不斷深入， 熱光 伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將會(huì)進(jìn)一步完善， 效率會(huì)得到進(jìn)一步的 提高， 熱光伏技術(shù)將會(huì)趨于成熟。 相信在不久的將來， 熱光伏技術(shù)會(huì)在諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 1 . 5 基本原 理和熱光伏系統(tǒng)的 簡(jiǎn)介 熱光伏電 池的基本原理與太陽電池的原理相同， 都是光生伏特效應(yīng)， 只是轉(zhuǎn)換光 譜不同。出于材料性能和安全原因，目 前能夠控制的熱光伏輻射器的溫度在1 0 00一 1 5 0 0 之間 1 刀 。 在理論計(jì)算時(shí)， 輻射器的輻射光譜可根據(jù)黑體輻射的普朗克(pl anc k ) 公式得出: 麻 t) 2 油己1 二 x 一 刃， 些， dki 又1 ( 1 . 1 ) 一1 式( 1 ， 1)中，h 為晉朗克常數(shù)，h c 為真空中 光速， c = 2. 997 9 2 4 58 定律得到: 人= 2 8 9 8 x = 6. 62 6 、 l0封 j. s : 久 為 輻 射 波 長(zhǎng); t 為 輻 射 器 溫 度; 、 105叻。 峰 值 波 長(zhǎng) 凡 隨 溫 度 t 的 變 化 由 維 恩( w i e n ) 1 。 ， 、 粵 . 二. k 1 ( 1 .2 ) 如圖1 . 1 所示，隨溫度的降低，峰值光子能量降低， 單結(jié)電 池獲高效率的材料禁 帶寬度降 低。在1 0 00巧00 溫度范圍 之間，單結(jié)電 池的最佳禁帶寬度在0. 4 ev到 0. 7 e v 之間。 根據(jù)卡諾( k 別 rn o t ) 定律，15 00黑體輻射的能量轉(zhuǎn)換效率為 8 器， 而對(duì)于 一個(gè)完美的熱光伏系統(tǒng)， 其理論效率接近6 濺。 但效率與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，由實(shí)際 的 系 統(tǒng)并 受電 池 p-n結(jié)理論限 制， 計(jì)算的 預(yù)期 效率能 達(dá)到2 既3 湍。 圖1 . 2 是一個(gè)實(shí)際的熱光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括熱輻射器、光學(xué)濾波器、 碩士論文熱光伏電池的研究 熱光伏電池組件、 熱回收器和輔助組件。 熱光伏電池將熱輻射能量轉(zhuǎn)換為電能， 是系 統(tǒng)的核心組件， 對(duì)于溫度范圍在1 0 00巧00之間， 目 前研究較多的熱光伏電 池有51、 ge、 c . s b 、 壓 g 創(chuàng) 抽 、 玩 g a， 物 sb電 池以及多量子阱 似q 認(rèn) 勺 電 池等; 熱輻射器和光學(xué)濾 波器實(shí)現(xiàn)熱輻射的選擇性光譜發(fā)射， 提高熱輻射的利用效率， 光學(xué)濾波器另一方面能 夠降 低熱光伏電池的工作溫度: 熱回收器進(jìn)行熱能的再利用， 沒有熱回收器的熱能利 用效率只有3 既， 而熱回收器可以將熱能利用效率提高到85% : 輔助組件用于電池組件 的散 熱、 廢氣廢熱的排 放和 整個(gè)系統(tǒng)的 集成【 1 氣 號(hào)飛。息趣柳彼畢 0 . 2 0 . 4 0 。 6 d ， 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 . 0 光 子 能魚 ( 動(dòng) 圖1 . 1 有pi 即 c k 公式得出的黑體輻射光譜 熱回收器 圖1 . 2熱光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 1 . 6論文內(nèi) 容概述 本文研究的主要內(nèi) 容是采用熱擴(kuò)散摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱光伏電 池，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 熟悉熱伏光電池的原理、制作工藝、電性能測(cè)試，著重解決以下問題: 碩士論文熱先伏電他的研究 1)選擇合適于熱光伏電 池的半導(dǎo)體材料 本論文根據(jù)實(shí)際情況和條件選取了二種半導(dǎo)體襯底材料來制做熱伏光電池 (l) 銻化稼( 禁帶寬 度為0. 72ev) 同 質(zhì)妙 結(jié)熱 紅外光電 池; (2) 單晶 鍺( 禁帶寬 度為0. 66ev) 同 質(zhì)妙 結(jié)熱紅外光電 池. 2)熱光伏電池電極的設(shè)計(jì)和制作 為了有效利用光能，頂部接觸電極常做成細(xì)而稀的柵條狀，但是金屬柵條越細(xì)， 電阻越大， 就會(huì)增大電池的串聯(lián)電阻; 柵條間距越大， 頂層橫向電阻所引起的功率損 耗越大。 所以要合理設(shè)計(jì)頂部電 極是很重要的， 使功率損耗最小， 工藝也能接受。電 極具體形狀見圖3 . 7 。電 極的 制作方法采用真空蒸鍍法， 采用銀電 極， 接觸好， 減小 電阻，提高電池的性能。 3)熱光伏電 池制作工藝的 研究 制作熱光伏電池包括表面準(zhǔn)備、擴(kuò)散制結(jié)、除去背結(jié)、 制作電極、檢驗(yàn)測(cè)試等主 要程序。 4)熱光伏電 池轉(zhuǎn)換效率提高的 研究 0 ) 熱光伏電 池的電 極要 有良 好的 歐 姆接觸。 (2 ) 使用減反 射膜 一常規(guī)的 光電 池表面使用化學(xué)拋光法制的 一個(gè)較為 平整而光 滑的 表面， 有 30% 左右的光能量被表面反射而損失，為了 減小這部分損失， 在電 池 表面鍍上一層透明的減反射膜， 可以大大減少反射所帶來的損失， 以提高光電流和光 電 轉(zhuǎn) 換效率ilj 。 (3) 如 做進(jìn)一步 研究， 可 選擇合適的 濾光器， 濾光器的光 譜性能 主要表現(xiàn)為: 盡 可能多的透射小于熱光伏電 池禁帶波長(zhǎng)的 熱輻射能量， 盡可能多的反射大于電池禁帶 波長(zhǎng)的熱輻射能量。反射回去的熱能可以 重新利用，提高效率。 5)熱光 伏電 池電 性能的 測(cè)試 包括開路電 壓、短路電 流、轉(zhuǎn)換效率、輸出最大功率、暗電 流等. 本文的組織結(jié)構(gòu)為: 第一部分簡(jiǎn)單介紹了熱光伏電池的課題背景、國內(nèi)外發(fā)展情況以及系統(tǒng)概況等。 第二部分介紹熱光伏電池的基本原理。 第三部分詳細(xì)闡述熱光伏電池的制作過程和制作工藝。 第四部分詳細(xì)論述了熱伏光電池的電性能的測(cè)試及測(cè)試結(jié)果。 最后一部份對(duì)整個(gè)論文進(jìn)行總結(jié)， 并結(jié)合實(shí)際工作情況， 指出一些不足之處， 以 便在以 后的工作中加以改進(jìn)。 碩士論文熱光伏電池的研究 2熱光伏電池的基本原理 當(dāng)近紅外光線照射到熱光伏電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子一空穴對(duì)。 在電 池的內(nèi) 建電 場(chǎng)作用下， 光生電子和空穴 被分離， 光電 池的二端出 現(xiàn)異號(hào)電 荷的積 累，即產(chǎn)生光生電壓，這就是 “ 光生伏特效應(yīng)” 。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接 上負(fù)載， 則負(fù)載中 就有光生電 流流過， 從而獲得功率輸出。 這樣， 近紅外光線的光能 就直接變成了可付諸實(shí)用的電能。 為了 進(jìn)一步了 解熱光伏電池的原理， 就要了解電 池的構(gòu)造、 材料的能帶結(jié)構(gòu)、電 子空穴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及內(nèi) 建電場(chǎng)的特性等。 2 . 1 光電 池的 分類 2. l i按結(jié) 構(gòu)分 類 ( 1) 同質(zhì)結(jié)電池 由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)的電池。如硅電池、鍺電池、砷化稼電池、 銻化稼電池等。 (2)異質(zhì)結(jié)電池 用二種不同的半導(dǎo)體材料，在相接的界面上構(gòu)成一個(gè)異質(zhì)結(jié)電池。如銻化稼/ 砷 化稼、 錮稼砷/ 錮磷。如果兩種異質(zhì)材料晶 格結(jié)構(gòu)相近，界面處的晶格匹配較好，則 稱異質(zhì)面電池，如砷化鋁稼/ 砷化鑲電池。 (3)肖 特基結(jié)電池 用金屬和半導(dǎo)體接觸組成一個(gè) “ 肖 特基勢(shì)壘” 的電池，也稱ms電池。 2 . 1 . 2按材料分類 ( 1) 硅電 池 以硅材料為基體的電池，包括單晶和多晶。 (2 )鍺電 池 以 鍺材料為基體的電 池， 包括單晶和多晶。 (3)砷化稼電池 以 砷化稼為基體的電 池，如同質(zhì)結(jié)砷化稼電 池、異質(zhì)結(jié)砷化鋁稼/ 砷化稼電 池。 (4)銻化稼電池 以 銻化驚為基體的電池，如同質(zhì)結(jié)銻化鑲電池、異質(zhì)結(jié)銻化稼/ 砷化稼電池。 2 . 2熱光伏電 池的物理基礎(chǔ) 2 . 2 . 1原子的能級(jí) 原子的殼層模型認(rèn)為， 原子的中 心是一個(gè)帶正電的核， 核外存在著一系列不連續(xù) 6 碩士論文熱光伏電池的研究 的、 由電 子運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成的殼層， 電 子只能在殼層里繞核轉(zhuǎn)動(dòng)。 在穩(wěn)定狀態(tài)， 每個(gè)殼 層里運(yùn)動(dòng)的電子具有一定的能量狀態(tài)， 所以一個(gè)殼層相當(dāng)于一個(gè)能量等級(jí)， 稱為能級(jí)。 一個(gè)能級(jí)也表示電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以能態(tài)、狀態(tài)和能級(jí)的含義相同. 電 子在殼層中的分布必須滿足下面兩個(gè)基本原理:( 1)泡利不相容原理。原子中 不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子處同一狀態(tài)，原子中的電子狀態(tài)用四量子數(shù)( 主量子 數(shù)n 、 副 量 子 數(shù)1 、 磁量 子數(shù)m 、自 旋量 子 數(shù)m : ) 描 述。( 2)能 量 最小原 理。 原 子中 每 一個(gè)電子都有一個(gè)趨勢(shì)，占據(jù)能量最低的能級(jí)。 一般的說， 最靠近核的殼層首先被電 子占據(jù)。 一種元素的原子結(jié)構(gòu)， 決定著它的化學(xué)、 物理性質(zhì)， 而外層電子的數(shù)目 尤其重要。 習(xí)慣把外層電子稱為價(jià)電子，一個(gè)原子有幾個(gè)外層電子就稱為幾價(jià)。如半導(dǎo)體硅有 1 4 個(gè)電 子， 原子結(jié)構(gòu)為1 5 2 、2 5 2 、z p 、3 5 2 、3 p 2 ，即k層、 l 層都己 充滿， 而m 層中的5 層也已充滿， 但是p 層只有2 個(gè)電子， 這是單個(gè)理想硅原子的結(jié)構(gòu)。 可見硅 的最外層有4 個(gè)價(jià)電 子， 故稱為4 價(jià)元素。 原子和原子的結(jié)合主要靠外殼層的互相交 合及價(jià)電 子運(yùn)動(dòng)的變化。 2 . 2 . 2晶 體結(jié)構(gòu) 固體可以 分為晶體和非晶 體兩大類。 有確定的 熔點(diǎn)的固體稱為晶體 ( 如鍺、 硅、 銻化稼、冰等) :沒有固定熔點(diǎn)、加熱時(shí)在某一溫度范圍內(nèi)逐步軟化的固體稱為非晶 體 ( 如玻璃、松香等) 。 ( 1) 單晶、多晶、無定形 所有的晶體都是由原子、 離子或分子在三維空間有規(guī)則排列而成的。 這種對(duì)稱的、 有規(guī)則的 排列叫做晶體的點(diǎn)陣或晶 體格子， 即晶 格。 將晶格周期性的重復(fù)排列， 就可 以 得到整個(gè)晶體. 對(duì)于非晶體而言， 至多只能觀察到一些近程有序的排列， 這種近程 有序而遠(yuǎn)程無序排列的非晶體稱為無定形。 一塊晶體如果從頭到尾都按同一種排列重 復(fù)稱為 單晶。 有許多微小單晶 顆粒雜亂的排在一起的固體為多晶。 (2 )晶 格結(jié)構(gòu) 圖2 . 1 表示一 些重要的晶 胞， (a)為 簡(jiǎn)單立方結(jié) 構(gòu)。 偽 ) 為面心立方結(jié)構(gòu)。 (c)為體 心立方結(jié)構(gòu)。 (d ) 表示為金剛石結(jié)構(gòu)的復(fù)式格子，由 兩個(gè)面心立方晶格在沿對(duì)角線方 向上位移1/ 4 互相套購而成。一些重要的半導(dǎo)體如硅、鍺都是金剛石結(jié)構(gòu)。 伺 表示 閃鋅礦結(jié)構(gòu)，與金剛石結(jié)構(gòu)不同之處是它的子晶格是互不相同的原子。 (3 )晶 體和鍵 晶 體中 原 子與 原 子間的結(jié) 合稱為 鍵合， 簡(jiǎn)稱 鍵， 鍵和晶 體的結(jié)構(gòu)有密 切的關(guān)系. 離子鍵構(gòu)成離子晶體， 在庫侖引力和因兩原子的閉 合殼層互相重疊而產(chǎn)生的 斥力平衡 時(shí)， 形成穩(wěn)定的離子鍵， 離子鍵使正負(fù)離子交錯(cuò)地排列在晶格上， 形成牢固的離子晶 碩士論文熱光伏電 他的研究 體; 共價(jià)鍵構(gòu)成共價(jià)晶體， 兩個(gè)相鄰的原子各提供一個(gè)自 旋相反的價(jià)電子， 形成兩個(gè) 原子共有的公共殼層， 這樣就構(gòu)成共價(jià)鍵; 金屬鍵形成金屬晶體， 金屬原子失去它的 全部或部分價(jià)電子而成為正離子， 那些離開了原子的價(jià)電子已不屬于某一個(gè)離子而為 全體離子共有， 這些共有的價(jià)電子和離子形成了牢固的金屬鍵。 由金屬鍵形成的金屬 晶體密度大硬度高，導(dǎo)熱導(dǎo)電性好，且沒有方向性:范德瓦耳斯鍵構(gòu)成分子晶體。 6) 面心立方僅 ) 體乙 立方 金剛石 閉 伺 圖2 . 1一些重要晶 胞 ( 4 )晶向 通過晶格的格點(diǎn)可作許多間 距相同而互相平行的平面， 稱為晶面。 垂直于晶面的 法線方向稱為晶向。 有同一晶向的所有晶面都相似， 屬于同一晶面族。 晶面的方向一 般用密勒指數(shù)(h、 k 、 1) 表示來標(biāo)記。為了求密勒指數(shù)， 可以選晶體的三條棱邊a 、 b 、 c 作為坐標(biāo)軸， 如圖2 . 2 所示， 先求出晶面在每 一坐標(biāo)軸的截距， 將這三個(gè)截距分別化為晶格 常數(shù)的 倍數(shù)，取這些倍數(shù)的 倒數(shù)， 把它們化為 互質(zhì)的整數(shù)，加上括號(hào)即為一個(gè)晶面或晶面族 的 密勒 指數(shù)。 如圖2 . 2 晶 面mimz m3 的 密勒指 數(shù)為1 瓜:1 口:1 =l:1 :2 ，故稱為晶面( 1 、1 、 2 ) 。 在 立 方 晶 體 中 ， 常 用 加 方 括 號(hào) 表 示 垂 直 晶.。 面的方向。如 1 、1 、1 表示垂直晶面( 1 、1 、 1 ) 方向。 圖2 . 2晶面密勒指數(shù) 碩士論文熱光伏電池的研究 2 . 2 3固體的能帶理論 描述電子在固體中運(yùn)動(dòng)需要用固體的能帶理論。 ( 1) 能帶的形成 孤立原子中的電子只能在各個(gè)允許的殼層上運(yùn)動(dòng)。 而在晶體中， 各個(gè)原子靠的很 近， 不同原子的內(nèi)、 外殼層都有了一定的重亞， 重盛殼層的電子不再屬于原來的原子 獨(dú)自 所有， 可以通過量子數(shù)相同且又相互重疊的殼層， 轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去， 屬于 整個(gè)晶體所有， 這就是晶體中的共有化運(yùn)動(dòng)。 其結(jié)果就是使得孤立原子的單一能級(jí)分 裂為能帶。 每一能帶由 許多相距極近的能級(jí)組成， 這些可以為電子占據(jù)的能帶稱為允 帶，兩個(gè)允帶之間的間隙不允許電子存在，稱為禁帶。禁帶也稱為能隙。 未被電子填滿的能帶或空帶稱為導(dǎo)帶; 已被電子填滿的能帶稱為滿帶或價(jià)帶。 圖 2 . 3 為砷化稼的能帶結(jié)構(gòu)圖。 縱坐標(biāo)為能量值， 橫坐標(biāo)為動(dòng)量，圖2 . 3 的下半部分為 價(jià)帶結(jié)構(gòu); 上半部分是導(dǎo)帶結(jié)構(gòu); 導(dǎo)帶最低點(diǎn)和價(jià)帶最高點(diǎn)之間的能量差為禁帶寬度。 滿帶中的電子在外電場(chǎng)作用下不能移動(dòng)，不能形成電流，故滿帶電子不起導(dǎo)電作用。 _ _ 上_ 月，加 ， 臼 . . . 4 3 礴 1 0 d i 舀體動(dòng)孟x 圖2 . 3砷化稼能帶結(jié)構(gòu)圖 (2 )金屬、絕緣體、半導(dǎo)體 從能帶結(jié)構(gòu)圖2 . 4 來看金屬、絕緣體、 半導(dǎo)體的區(qū)別。 在金屬中，自 由 電 子可以 做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)， 在電 場(chǎng)作用下，自由電 子可以 做定 向 運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電。從能帶圖2 . 4(圖a)上可以 看見導(dǎo)帶和價(jià)帶重疊， 禁帶消失， 滿帶中 的電子在電 場(chǎng)作用下，可以自由的進(jìn)入導(dǎo)帶，于是金屬就是良 導(dǎo)體. 在 絕 緣 體 ( 一 般 禁 帶 寬 度 ae。 二 3 6 ev) 中 ， 如 二 氧 化 硅 ， 由 于 硅 和 氧 之 間 存 在 著很強(qiáng)的 離子鍵， 這些鍵很難被打破， 不可能提供導(dǎo)電 的自由電子， 所以 它是絕緣體。 在 能 帶 圖2. 4 ( 圖b) 上 可 見 二 氧 化 硅 的 價(jià) 帶 和 導(dǎo) 帶 之 間 的 禁 帶 很 寬 : e : 5 .2 ev， 價(jià) 帶中 所有能級(jí)都被電 子充滿， 而導(dǎo)帶幾乎是空的， 弱電 場(chǎng)既不能使價(jià)帶電 子移動(dòng)， 又 不能使他們躍遷到導(dǎo)帶，因此二氧化硅是一種良 好的 絕緣體。 9 碩士論文熱光伏電 池的研究 半 導(dǎo) 體( 一 般 禁 帶 寬 度崛。 = 0 . 1 z ev) 介 于 導(dǎo) 體 和 絕 緣 體 之 間 ， 一 般 靠 共 價(jià) 鍵 結(jié)合， 是中等強(qiáng)度的鍵， 只要有一些熱運(yùn)動(dòng)， 就會(huì)有一些鍵破裂， 產(chǎn)生一些自由電子， 而在破裂處產(chǎn)生等量帶正電荷的 “ 空穴” 。在外電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中的電子和空穴 都可以 移動(dòng)而傳導(dǎo)電流. 在能帶圖2 . 4(圖c)上可以 看出半導(dǎo)體的禁帶沒有絕緣體那 么寬， 有一些電子可以因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)從價(jià)帶中跳到導(dǎo)帶去而在價(jià)帶中留下空穴。 在外電 場(chǎng)時(shí)， 導(dǎo)帶中的電子在導(dǎo)帶里向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)而傳導(dǎo)電流， 同時(shí)價(jià)帶中的電子不斷遞補(bǔ) 空穴的位置， 好像空穴也在價(jià)帶里向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)， 傳到電流， 因而半導(dǎo)體有一定的導(dǎo) 電能力。 導(dǎo)帶 羹 價(jià)帶 困 t ，圖 。 ) 困( b ) 圖2 . 4金屬、半導(dǎo)體、 絕緣體的能帶圖 圖( a)金屬:能帶交處，即使極小的 外加能童即引起導(dǎo)電:圖( b)絕緣體:能帶間距很大. 不可能導(dǎo)電;圖( c)半導(dǎo)體:導(dǎo)帶中有少t電子， 價(jià)帶中 有少量空穴，有一定的導(dǎo)電能力。 2 . 2 . 4本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 由同一種原子組成的半導(dǎo)體稱元素半導(dǎo)體， 二種以上原子組成的半導(dǎo)體稱化合物 半導(dǎo)體。 絕對(duì)純的且沒有缺陷的半導(dǎo)體成為 本征半導(dǎo)體， 例如非常純的鍺稱為本征鍺。 本征硅和 鍺的結(jié)晶 純度必須高于99. 9 9 9 9 9 9 9 99外( 有12個(gè)9)。 在本征半導(dǎo)體中，導(dǎo) 電的電 子和空穴都是由 共價(jià)鍵破裂而產(chǎn)生的， 這時(shí)候電 子濃度n 等于空穴濃度p ， 這 個(gè)濃 度稱 為 本征載 流子 濃度n 。 ， n 隨 溫 度的 升高 而增 加， 而隨 禁帶寬 度的 減小 而增 加 ， 在 室 溫 下 鍺的 n ， 約 為10 .3 / cm， ， 硅的n 約 為10 10 / c m 3 . 常 溫 下 激 發(fā) 與 復(fù) 合 動(dòng) 態(tài) 平衡時(shí)， 載流子較少，導(dǎo)電能力很差。 溫度越高， 載流子越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)111 。 根據(jù)需要在本征半導(dǎo)體中摻入其它雜質(zhì)后就可得到摻雜半導(dǎo)體。 若在本征鍺中加 進(jìn)111族元素硼以后，一個(gè)硼原子在晶格中于周圍四個(gè)鍺原子構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)( 見圖 2 . 5)， 缺少一個(gè)價(jià)電 子，因而容易從別處奪來一個(gè)價(jià)電子，自 身電離成負(fù)離子。 可以 認(rèn)為硼原子帶著一個(gè)很容易電 離的空穴。 在能帶圖中， 這種雜質(zhì)能級(jí)接近于價(jià)帶頂 e 。 ，熱運(yùn)動(dòng)能就能使空穴跳至價(jià)帶。在半導(dǎo)體中，從半導(dǎo)體接受電子的雜質(zhì)稱為受 碩士論文熱光伏電池的研究 主. 全電 離時(shí)， 空穴濃度p 二 n ， n 為受 主濃度。 摻 有受主 雜 質(zhì)的 鍺稱p 型 鍺， 在p 型 鍺中， 電 子的 濃 度 n p 遠(yuǎn) 小 于 空 穴 濃 度 p ， ， 電 流 主 要 靠 空 穴 來 載 運(yùn)，空穴為多子，電子為少子。 如果在本征鍺中加入v 族元素磷后， 就會(huì)形成 n 型鍺。對(duì)于這種提供電子的雜質(zhì)稱為施主，全電 離 時(shí) ， 電 子 濃 度n . n 。 ， n 。 為 施 主 濃 度 摻 有 施 主雜 質(zhì)的 鍺 稱n 型鍺， 在n 型 鍺中， 電 子的 濃度n. 遠(yuǎn) 大 于 空 穴 濃 度p 。 ， 電 流主 要 靠電 子 來 載運(yùn)， 空 穴 為少子，電子為多子。 目 豁 麟然 匯 乏 二 二 竺 二 . 1 一e o 一_一-一二 。e i 受 主 離 千生福 福呀 福 一ev 圈2. 5p 翌褚的原子圈 t和能伶圈像 一般摻雜中，同時(shí) 存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)， 這時(shí)候半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型由 濃度較高的那種雜質(zhì)決定。 2 . 2 . 5載流子濃度和費(fèi) 米能級(jí) 導(dǎo)帶、 價(jià)帶中存在著大量的能態(tài)， 加進(jìn)了施主、 受主以后， 禁帶中又引進(jìn)了能態(tài)。 對(duì)于一個(gè)一定能態(tài)e ，電 子占 據(jù)它的幾率f( e)由費(fèi)米一 狄喇克統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)給出: f(e)兮 丁 多 添 (2. ! ) 式2 . 1 中e f 稱為費(fèi) 米 能 級(jí)， 是一 個(gè) 很重 要的 物 理量: k 為 波爾 茲曼 常 量; t 為 絕對(duì) 溫 度。 費(fèi) 米 能 級(jí)可以 理 解為 :電 子占 據(jù)費(fèi) 米能 級(jí)e ， 的 幾率 恰 好是1 /2， 即 能 量為e ; 的 電子出現(xiàn)幾率是1/20 如果根據(jù)量子力學(xué)算出導(dǎo)帶中的有效能態(tài)密度和價(jià)帶中的有效能態(tài)密度， 那么就 能算出半導(dǎo)體中電子濃度n 和空穴濃度p : n o e 代 e c 一 衛(wèi) ， 腳 n v e ( 厄 蕩啊 (22 ) 式(2 . 2) 的 二 個(gè)指 數(shù) 項(xiàng) 分 別 表 示 導(dǎo) 帶 底e 。 處 的能 態(tài)為電 子占 據(jù)的 幾 率， 以 及價(jià)帶 頂 e v 處的 能 態(tài)為空穴占 據(jù)的 幾率. 從式(2 . 2)可以導(dǎo)出: n = n i e ( e r 一 e i 擬 p = n i e 伍 一 e ， 聲 (2. 3 ) 其中 凰 ! 告 (e 。 + e ，) + 告 (2. 4) nv一nc 靦 碩士論文熱光伏電他的研究 把上式(2 . 3)相乘可得: n p = n o n ， e 代 a 一 e v 歸= n 。 n ， e 王 腳= n o2(2 5 ) 這 里 的 e : = e 。 一 e ， 為 禁 帶 的 寬 度 ， n 為 本 征 載 流 子 濃 度 ， 這 個(gè) 公 式 表 明 電 子 、 空 穴 濃度之積與費(fèi)米能級(jí)無關(guān)， 因而也就與半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型及電子、 空穴各自的濃度無 關(guān). 只要半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)， 這個(gè)公式始終成立， 因此可以 用它作為判別半導(dǎo)體是 否處于平衡狀態(tài)的依據(jù)。故也稱為平衡判據(jù)。 一塊均勻摻雜的半導(dǎo)體， 滿足空間電 荷中性的條件， 即半導(dǎo)體的任何體積內(nèi)， 盡 電荷密度為零。當(dāng)溫度升高時(shí)費(fèi)米能級(jí)向本征能級(jí)靠近，電子和空穴濃度不斷增加， 不論是什么類型的半導(dǎo)體在溫度很高時(shí)都會(huì)變成本征半導(dǎo)體。 2 . 2 . 6電子和空穴的輸運(yùn) 室溫下半導(dǎo)體中的電子和空穴始終在進(jìn)行著無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)， 而這種熱運(yùn)動(dòng)不會(huì) 引起凈位移。有兩種原因 可以引 起電 子、空穴的凈位移， 這就是漂移和擴(kuò)散。 ( 1 )漂移 半導(dǎo)體受外電場(chǎng)作用，在載流子的熱運(yùn)動(dòng)上迭加一個(gè)附加的速度，即漂移速度。 對(duì)電子而言， 其漂移方向與電 場(chǎng)方向 相反; 對(duì)空穴而言， 其漂移方向與電場(chǎng)方向相同。 這樣，電子和空穴就有一個(gè)凈位移，從而形成電流。 描 述 漂 移 運(yùn) 動(dòng) 的 重 要 物 理 量 是 電 子 和 空 穴 的 平 均 速 度 可和 遷 移 率協(xié) 一_i， 九 =聲 紹，產(chǎn)=一 石 (2. 6 ) 式(2 . 6) 中 ， e 是 外電 場(chǎng) 強(qiáng) 度: t 。 為 兩 次 碰 撞 之 間 的 平 均 時(shí) 間 間 隔 : m 為 載 流 子 的 有 效 質(zhì)量， 考慮了晶 格對(duì) 載流 子運(yùn)動(dòng)的 影響后， 對(duì)載流子 靜止質(zhì) 量所作的 修正; q 為 載 流子的電 量. 可見 在遷移率一定 時(shí)， 漂移速度和外電 場(chǎng)強(qiáng)度成正比 ， 而遷移率林 又隨 t 。 的 增 加而增加. 單位時(shí)間內(nèi) 碰 撞的次數(shù) 越少， 遷移率越大. 式(2 . 6)只有在漂移速 度遠(yuǎn)小于 載流子熱 運(yùn)動(dòng) 速度是 才 適用11 1. ( 2 )擴(kuò)散 在半導(dǎo)體中， 如果電 子 ( 或空穴) 的濃度不均勻， 則電 子 ( 或空穴) 將在濃度梯 度的影響下擴(kuò)散， 也同樣會(huì)使電 子 ( 或空穴) 發(fā)生凈位移， 而產(chǎn)生擴(kuò)散電流。 濃度梯 度越大，擴(kuò)散越快，通常用擴(kuò)散系數(shù)d來描述不同材料的擴(kuò)散性質(zhì)。 在一 維 情況， 若 有空 穴 沿: 方向 擴(kuò)散， 則x 方向 存 在 空 穴 梯 度即( x) / dx， 因 空 穴 沿x 方向越來越小， 所以是負(fù)值， 這時(shí)候垂直于x 方向單位面積上空穴的擴(kuò)散電流密 度為 j ， ( x ) = 一 d ， q dp( x ) 碩士論文 熱光伏電 池的研究 式(2 . 7)中d ， 為空穴的 擴(kuò)散 系數(shù)。 同 樣電 子的 擴(kuò)散電 流 密 度j 。 ( x)為: j 。 ( x ) = d . q dn( x ) (2. 幻 式 子(2 . 8) 中 d . 為電 子 擴(kuò) 散 系 數(shù) tlt l. 擴(kuò)散系數(shù)是表征擴(kuò)散速度的物質(zhì)常數(shù)， 隨著固體中溫度的上升， 擴(kuò)散系數(shù)通常急 劇的 增 加， 按 照d m= d oe 如 形 式 的 指 數(shù) 律 改 變. 其中r 為 氣體 常 數(shù)， t 為 絕 對(duì) 溫 度， q為激活能， do為頻率因子。 因?yàn)槠坪蛿U(kuò)散均與電 子和空穴的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)， 可以 用愛因斯坦關(guān)系式表示擴(kuò)散 系數(shù)和漂移系數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，即: ，kt 熱 = 產(chǎn)， ，kt 口夕= 產(chǎn) ， q (2.9) 2 . 2 . 7產(chǎn)生與復(fù)合 載流子的“ 產(chǎn)生一輸運(yùn)一復(fù)合” 過程， 是包括熱光伏電池在內(nèi)的大多數(shù)半導(dǎo)體器 件工作的全過程。 研究半導(dǎo)體中載流子的 產(chǎn)生、 復(fù)合過程， 和輸運(yùn)過程一樣， 對(duì)于分 析熱光伏電 池的性能極為重要。 ( 1 )產(chǎn)生 由 熱 平 衡 判 據(jù) 可 知 ， 熱 平 衡 下 的n 型 半 導(dǎo) 體 中 必 須 滿 足n p = ni z . 當(dāng)n 型 半 導(dǎo)體受到光照時(shí)， 價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍遷進(jìn)入導(dǎo)帶， 在價(jià)帶中留下等量空穴。 這些多于平衡濃度的光生電 子和空穴 稱為非平衡載流子或過剩載流子， 它們的濃度分 別 記 為如。 、 卻。 ， 且如. = 匆二這 樣， 受 到 光 照 的n 型 半 導(dǎo) 體 就 進(jìn) 入了 非 平 衡 狀 態(tài)， 這時(shí) 候電 子和空穴的總 濃度n . 和p 。 為: n 。 = n 目 + 如。 p 。 = p 舊 + 卻. (2. 1 0 ) 這種由 外界條件的改變而使半導(dǎo)體產(chǎn)生非平衡載流子的過程稱為載流子的注入。 由 光照而產(chǎn)生的稱為光 注入或光激發(fā)， 由熱運(yùn)動(dòng)引 起的稱為熱注入和熱激發(fā)， 由電 場(chǎng) 引 起的稱為電 注入或電 激發(fā)。 反之， 半導(dǎo)體中 載流子濃度積小于平衡載流子濃度積的 情況稱為 載流子的 抽取。 由 于產(chǎn)生的電 子和空穴相等， 所以 外界條件的改變會(huì)極大地 影響少子的數(shù)目。 通常把單位時(shí)間、單位體積內(nèi) 產(chǎn)生的電 子一空穴對(duì)的數(shù)目 稱為產(chǎn)生率，用 0表 示( 光 產(chǎn) 生 率 為o l ， 熱 產(chǎn)生 率為。 ， ). (2)復(fù)合 碩士論文熱光伏電池的研究 當(dāng) 載流子濃度偏離它的 平衡值時(shí)， 它們就有恢復(fù)平衡的 傾向。 在注入情況， 恢復(fù) 平衡是靠復(fù)合來實(shí)現(xiàn);而在抽取情況，則靠載流子的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)。 單位時(shí)間、 單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子一空穴對(duì)數(shù)稱復(fù)合率。 電子一空穴對(duì)的凈復(fù) 合 率 為u二 r t 一 g : 。 在熱 平衡 條 件下， 熱激發(fā) 率總 是 等于熱 復(fù) 合 率， 即g t = r t ， 熱產(chǎn)生率g 丁 和熱復(fù)合率r 丫 只是溫度的函 數(shù). 為了描述復(fù)合過程， 引入一個(gè)重要物理量歸 一一 載流子的壽命r 。 一個(gè)電子從產(chǎn)生 到 復(fù) 合 前的 生 存時(shí)間 稱為 電 子的 壽 命: ， ， 一 個(gè) 空 穴 從 產(chǎn) 生 到復(fù) 合 前的 生 存 時(shí) 間 稱為 空 穴 的 壽 命幾 這 里 所 指 的 壽 命 ， 均 是 在 統(tǒng) 計(jì) 意 義 上 的 載 流 子 的 平 均 壽 命 在n 型半 導(dǎo)體中 ， 單 位體 積內(nèi) 的 過 ?？?穴 數(shù)為卻。 ， 單 位時(shí) 間、 單 位 體積內(nèi) 的 凈 復(fù) 合 率 為u ， 則n 型 半 導(dǎo) 體 中 空 穴 壽 命、( 單 位 為 秒) 為 : 卻，一 畜.二 一: 二 月 盆 u u 二 上 印 。 一 p 。. ) 丁 ， (2 1 1 ) 與 此 類 似， p 型半導(dǎo) 體中 電 子壽 命: : 為: 卻。 ru =門二下 一或 uu = 青 p ， 一 ， ，。， (2， 1 2 ) 復(fù)合和產(chǎn)生互為逆過程， 既然在產(chǎn)生時(shí)價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶要吸收能量， 那 么導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)也要以各種方式釋放能量。主要形式有: 輻 射復(fù)合， 電 子和空穴復(fù)合時(shí)放出光子， 這在直接復(fù)合時(shí)產(chǎn)生。 俄歇復(fù)合， 復(fù)合時(shí)不 直接放出光子，而是把多余的能量傳給晶格，加強(qiáng)晶格的振動(dòng)，即復(fù)合時(shí)發(fā)射聲子， 這種現(xiàn)象在高摻雜時(shí)顯著。 復(fù)合時(shí)也將多余的能量傳給其它載流子。 復(fù)合的微觀過程比 較復(fù)雜， 通過長(zhǎng)期的研究， 現(xiàn)己確認(rèn)有三種復(fù)合機(jī)構(gòu): 直接復(fù) 合、 通過復(fù)合中心的復(fù)合、 表面復(fù)合。 這三種復(fù)合可能同時(shí)在同一半導(dǎo)體中發(fā)生。 2 . 3熱光伏電 池材料的光學(xué)性質(zhì) 光具有波動(dòng)性， 可以 認(rèn)為光是電磁波， 可以用波長(zhǎng)、 頻率、 相位、 波速等來描述。 光又有微粒性， 認(rèn)為光由 一系列不連續(xù)的光子流組成， 每個(gè)光子具有能量h v ( v 為該 光子的頻率，h為普朗克常數(shù)) 。光的波、粒兩象性互為補(bǔ)充，在研究材料的光學(xué)性 質(zhì)時(shí)都要用到。 2 . 3 . 1光在半導(dǎo)體薄片上的反射、折射和透射 射到半導(dǎo)體表面上的光遵守光的反射、 折射定律。 如2 . 6 圖 所示， 表面平整的半 導(dǎo) 體 薄 片 放 在空 氣中 ， 有一 束強(qiáng) 度為1 。 的 光照 射 前表面時(shí)， 將 在0 點(diǎn) 發(fā)生反 射和 折 射。 0 點(diǎn) 稱入射點(diǎn)，1 。 為反 射光強(qiáng) 度， 1 : 為 折射光的強(qiáng)度。 這時(shí) 候的入 射角中 等于反 射 l 4 碩士論文燕 光 伏 電 池 的 研 究 角r ，且有: 鯉= : = 長(zhǎng) 二 : 5 釁 獷允 n (2. 1 3 ) 式(2 . 1 3)中 v 、v 分別為空氣及半導(dǎo)體中的光速， n 、 n 分別為空氣及半導(dǎo)體的折 射率， c 為真空中的光速。 任何媒質(zhì)的折射率都等于真空中的光速與該媒質(zhì)中的光速 之比 . 到達(dá) 薄片后 表面的 光同 樣要 發(fā)生 反 射和折 射， 強(qiáng) 度為1 ， 的 反射 光折回 半導(dǎo)體 中， 強(qiáng) 度為1 2 的 光仍于法線成巾 角 透射出 后表面。 圖2 光在半導(dǎo)體薄片上的 反射、折射和透射 反 射 光 強(qiáng) 度 lo 與 入 射 光 強(qiáng) 度1 . 之 比 稱 為 反 射 率 ， 以 r 表 示 : 透 射 光 強(qiáng) 度 1 2 與 入 射 光 強(qiáng) 度1 。 之比 稱 為 透 射 率 ， 以t 表 示。 顯 然， 如 果 介 質(zhì) 無 吸 收， t +r= h 光正交入射到界面時(shí)，反射率為: r = 李 = 牛琪 1 0牌。 +11 1 ) - (2 1 4 ) 當(dāng)入射角為小時(shí)，折射角為中，反射率為: 。 1 。 _ l f s 運(yùn) ， ( 護(hù) 一 滬 。)tg ， 華 一 必 ) j 、 = 二 一 、甲 1 。 zt s in 華+ 尹 ， ) tg 伸+ 尹 ， ) (2. 1 5 ) 一般的說， 折射率大的材料， 其反射率也較大。 一般的光電池所用的半導(dǎo)體材料 的折射率、反射率都較大，因此在做成光電池時(shí)，一般需要加上透明的減反射膜。 2 . 3 . 2半導(dǎo)體 對(duì)光的 吸收 ( 1) 吸收定律 如圖2 . 7 所示， 當(dāng) 一 束強(qiáng) 度為1 。 的 光正 交入 射 到 半 導(dǎo) 體 表 面上時(shí)， 扣 除反 射后， 進(jìn)入 半 導(dǎo) 體 的 光 強(qiáng) 為1 。 ( 1 一 r)， 在 半 導(dǎo) 體內(nèi) 離 前 表 面 距 離 為x 處 的 光 強(qiáng)