太陽(yáng)能電池材料及技術(shù)信息材料與納米技術(shù)研究院材料科學(xué)與工程學(xué)院授課內(nèi)容第一章發(fā)展史

第二章物理基礎(chǔ)第三章工作原理及表征參數(shù)第五章薄膜太陽(yáng)電池第六章空間電池——砷化鎵太陽(yáng)電池第四章晶體硅太陽(yáng)電池第七章染料敏化和有機(jī)太陽(yáng)電池

第八章檢測(cè)和校準(zhǔn)

第二章物理基礎(chǔ)原子的能級(jí)晶體結(jié)構(gòu)固體的能帶理論本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體電子和空穴的輸運(yùn)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合原子的能級(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)的、由電子運(yùn)動(dòng)軌道構(gòu)成的殼層，電子只能在殼層里繞核運(yùn)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)。電子優(yōu)先占據(jù)能量最低的能級(jí)。外層電子叫做價(jià)電子，一個(gè)原子有幾個(gè)價(jià)電子就稱為幾價(jià)。比如：硼、鋁、鎵；氮、磷、砷3價(jià)、3價(jià)、3價(jià)5價(jià)、5價(jià)、5價(jià)元素晶體結(jié)構(gòu)固體晶體非晶體有固定熔點(diǎn)的固體沒有固定熔點(diǎn)、加熱時(shí)在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化的固體如冰、金屬、硅、砷化鎵如玻璃、塑料、膠等所有晶體都是由原子、離子、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)則的排列叫晶體的點(diǎn)陣或晶體格子，簡(jiǎn)稱晶格。最小的晶格稱為晶胞，晶格的各向長(zhǎng)度稱為晶格常數(shù)。晶格周期性排列，得到晶體。單晶：一塊晶體從頭到尾都按同一種排列重復(fù)。多晶：由許多微小單晶顆粒雜亂的排列在一起的固體。單晶、多晶、無(wú)定形無(wú)定形：玻璃式近程有序而遠(yuǎn)程無(wú)序的排列螢石鐵礦石榴石菊花石天然晶體藍(lán)銅礦剛玉（氧化鋁）方解石紅寶石水晶三斜晶系單斜晶系簡(jiǎn)單單斜底心單斜

a≠b≠cα≠β≠γabcαβγ

a≠b≠cα=γ=900

β≠900晶格結(jié)構(gòu)七個(gè)晶系十四種布拉伐點(diǎn)陣正交晶系簡(jiǎn)單正交底心正交面心正交體心正交a≠b≠cα=β=γ=900四方晶系簡(jiǎn)單四方體心四方a=b≠cα=β=γ=900立方晶系簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方a=b=cα=β=γ=900γαβabc三方晶系六方晶系a=b≠c

α=β=900

γ=1200bcγαβa=b=cα=β=γ≠

900<1200a

金剛石結(jié)構(gòu)

C、Si、Ge復(fù)式格子，是由兩套面心立方晶格沿體對(duì)角線方向移動(dòng)1/4套構(gòu)而成。Si、Ge：兩套相同的晶格閃鋅礦：是由兩套含有不同原子的面心立方晶格沿對(duì)角線方向移動(dòng)1/4套構(gòu)而成。GaAs:一套晶格是As、一套晶格是Ga晶向和密勒指數(shù)通過晶格的格點(diǎn)可作很多間距相同且互相平行的平面，稱為晶面。垂直于晶面的法線方向稱為晶向。晶面：晶向：有同一晶向的晶面都相似，屬于同一晶面族。一塊晶體可以劃分出很多族晶面。晶面的方向一般用密勒指數(shù)（h，k，l）來(lái)標(biāo)記。如何求晶面的方向（密勒指數(shù)）？abc一般選晶格的三條棱邊a，b，c作為坐標(biāo)軸方法：將晶面在每個(gè)坐標(biāo)軸的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)，并把它們化成互質(zhì)的整數(shù)，即為一個(gè)晶面或一族晶面的密勒指數(shù)（h，k，l）2：1：21/2：1：1/21：2：1(121)xyz（100）xyz（110）xyz（111）在立方晶體中，常用加方括號(hào)[h，k，l]來(lái)表示垂直于晶面的方向，也就是晶軸方向。如：[100]、[110]、[111]分別表示（100）、（110）、（111）晶面的垂直方向。晶體中的缺陷晶體中原子周期性排列遭到破壞的地方形成缺陷。通常有點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷等。點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷描述電子在固體中的運(yùn)動(dòng)要用到固體能帶理論。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)原子靠得很近，不同的原子內(nèi)、外殼層都有一定的重疊，重疊殼層的電子不再屬于原來(lái)的原子獨(dú)自所有，可通過量子數(shù)相同且又互相重疊的殼層，轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，這就是晶體中的共有化運(yùn)動(dòng)。結(jié)果：使得孤立原子的單一能級(jí)分裂成能帶。固體的能帶理論每個(gè)能帶由許多相距極近的能級(jí)組成，這些可以被電子占據(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。2、導(dǎo)帶、禁帶、價(jià)帶：未被電子填滿的能帶或空能帶稱為導(dǎo)帶（Ec）；已被電子填滿的能帶稱為滿帶或價(jià)帶(Ev)。金屬、絕緣體、半導(dǎo)體的區(qū)分：價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶禁帶（a）兩種可能性的導(dǎo)體（上半部的導(dǎo)帶部分填滿或下半部的能帶重疊）（b）半導(dǎo)體（c）絕緣體因?yàn)榻咏紳M電子的能態(tài)處尚有許多未被占據(jù)的能態(tài)，因此只要有一個(gè)小小的外加電場(chǎng)，電子就可自由移動(dòng)，故金屬導(dǎo)體可以輕易傳導(dǎo)電流。

有很大的禁帶寬度，電子完全占據(jù)滿價(jià)帶中的能級(jí)，而導(dǎo)帶中的能級(jí)則是空的。熱能或外加電場(chǎng)能量并不足以使價(jià)帶頂端的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，故絕緣體幾乎不導(dǎo)電。

在T＝0K時(shí)，所有電子都位于價(jià)帶，而導(dǎo)帶中并無(wú)電子，因此半導(dǎo)體在低溫時(shí)是不良導(dǎo)體。在室溫下，有些電子可以從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶,從而產(chǎn)生電流而導(dǎo)電。

本征半導(dǎo)體：絕對(duì)純的且沒有缺陷的半導(dǎo)體非常純的硅稱為本征硅本征硅中，導(dǎo)電的電子和空穴是由共價(jià)鍵破裂產(chǎn)生的，這時(shí)電子濃度n＝空穴濃度p，這個(gè)濃度ni稱為本征載流子濃度摻雜半導(dǎo)體:在本征半導(dǎo)體中摻入其它雜質(zhì)后就得到摻雜半導(dǎo)體。在硅中摻雜V族元素（如磷），V族元素可提供5個(gè)價(jià)電子，其中4個(gè)與硅價(jià)電子形成共價(jià)鍵，剩余一個(gè)價(jià)電子電離，脫離V族元素游離于半導(dǎo)體中而導(dǎo)電，這種可以提供電子的雜質(zhì)稱為施主；在摻雜磷的硅半導(dǎo)體中，摻雜濃度（施主濃度）為ND，電子濃度n≈ND。本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體在硅中摻雜Ⅲ族元素（如硼），硼可提供3個(gè)價(jià)電子，其中與硅中的3個(gè)價(jià)電子形成共價(jià)鍵，剩余一個(gè)價(jià)電子空位，很容易從別的地方奪來(lái)一個(gè)價(jià)電子，自身電離成負(fù)離子?？烧J(rèn)為硼原子帶著一個(gè)很容易電離的空穴。在半導(dǎo)體中，可以接受電子的雜質(zhì)稱為受主；在硼摻雜的硅半導(dǎo)體中，摻雜濃度（受主濃度）為NA，空穴濃度p≈NA。摻有施主的硅稱為n型硅n型硅中，電子濃度nn遠(yuǎn)大于空穴濃度pn，電流主要靠電子來(lái)輸運(yùn)，這里電子是多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），空穴是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。摻有受主的硅稱為p型硅p型硅中，電子濃度np遠(yuǎn)小于空穴濃度pp，電流主要靠空穴來(lái)輸運(yùn)，這里電子是少子，空穴是多子。電子和空穴的運(yùn)動(dòng)漂移擴(kuò)散半導(dǎo)體中載流子受外電場(chǎng)作用，在載流子的熱運(yùn)動(dòng)上將迭加一個(gè)附加的速度，稱為漂移速度。對(duì)于電子，漂移速度和電場(chǎng)方向反向；對(duì)于空穴，漂移速度與電場(chǎng)同向。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。電子和空穴的輸運(yùn)“產(chǎn)生－輸運(yùn)－復(fù)合”過程1、產(chǎn)生半導(dǎo)體處于熱平衡時(shí)，載流子處于穩(wěn)定狀態(tài)。受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收能量躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。價(jià)帶導(dǎo)帶當(dāng)載流子濃度偏離了它的平衡值時(shí)，它們就有恢復(fù)平衡的傾向，由此產(chǎn)生了復(fù)合。載流子的產(chǎn)生和復(fù)合2、復(fù)合復(fù)合和產(chǎn)生互為逆過程，載流子復(fù)合是電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放能量的過程價(jià)帶導(dǎo)帶當(dāng)熱平衡狀態(tài)受到擾亂時(shí)(亦即pn≠ni2)，會(huì)出現(xiàn)一些使系統(tǒng)回復(fù)平衡的機(jī)制(亦即pn=ni2)，在超量載流子注入的情形下，回復(fù)平衡的機(jī)制是將注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合。

按是否通過復(fù)合中心進(jìn)行復(fù)合來(lái)分：復(fù)合類型：

按復(fù)合過程釋放能量的方式分：輻射復(fù)合：能量以光子的形式輻射出去的復(fù)合過程非輻射復(fù)合：能量通過對(duì)晶格產(chǎn)生熱而消耗掉的復(fù)合過程直接復(fù)合：帶自帶間進(jìn)行的復(fù)合。通常在直接禁帶的半導(dǎo)體中較為顯著，如砷化鎵；間接復(fù)合：通過禁帶復(fù)合中心進(jìn)行的復(fù)合，通常在間接禁帶的半導(dǎo)體中較為顯著，如硅晶。直接復(fù)合電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合均存在于導(dǎo)帶與價(jià)帶之間EcEvGthRth間接復(fù)合通過中間能態(tài)(復(fù)合中心)而發(fā)生于復(fù)合過程中的各種躍遷。電子俘獲

(a)電子發(fā)射

(b)空穴俘獲