半导体及太阳电池基础.pdf

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1、半导体及太阳电池基础 吴坚 2015.07.22 2 目录 太阳能电池基础原理 半导体基础 Q&A 3 晶体特性 自然界物质存在的状态分为液态、气态、固态。固态物质根据它们的质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点，加热时在某以温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。 晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同以规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。 硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多

2、晶硅和非晶硅。 4 单晶、多晶和非晶体原子排列单晶、多晶和非晶体原子排列 长程序 短程序 无序 5 允许能态被电子占据的方式允许能态被电子占据的方式 EF EF EF (a)在金属中在金属中 (b)在绝缘体中在绝缘体中 (c)在半导体中在半导体中 各类固体的能带特性 导带 电子可自由秱动 价带 电子被束缚 6 允许态的能量密度 距离距离 能能量量 E E N(EN(E) KTEEFeEf11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）。随着温度的升高，一些电子得到超过费米能级的能量，考虑到泡利丌相容原理的限制，仸一给定能量E的一个所允许的电子能态的占

3、有几率可以根据统计规律计算，其结果是由下式给出的费米狄拉克分布函数， 7 E EF F f(E)f(E) 空穴集中在价带顶空穴集中在价带顶 电子集中在导带底电子集中在导带底 载流子数载流子数/ /单位能量单位能量 E EF F 允许态的能量密度 8 电子和空穴的密度 1 1、单位体积晶体中，在导带内的电子数、单位体积晶体中，在导带内的电子数 2 2、单位体积晶体中，在价带内的空穴数、单位体积晶体中，在价带内的空穴数 ()/FcEEkTcnN e-=表示导带底表示导带底E Ec c处的能处的能态为电子占据的几率态为电子占据的几率 ()/vFEEkTvpN e-=表示价带顶表示价带顶E Ev v处

4、的能处的能态为空穴占据的几率态为空穴占据的几率 9 本征型本征型 导带中只有很少的电导带中只有很少的电子子，价带中电子很多价带中电子很多，只有很少空穴只有很少空穴，费米费米分布函数对于能级分布函数对于能级E EF F是对称的是对称的。 导带和价带中的电子导带和价带中的电子能态数相同能态数相同，导带中导带中的电子数和价带中的的电子数和价带中的空穴数也相同空穴数也相同，即即E EF F 必定位于禁带中线必定位于禁带中线 0.5 1 EF E Ec c E EF F E Ev v 10 N N型型 0.5 1 EF Ec EF Ev 导带电子浓度比本征导带电子浓度比本征情况要大得多情况要大得多，而导

5、而导带中能态的密度与本带中能态的密度与本征情况是一样的征情况是一样的，因因此此N N型半导体的费米型半导体的费米能级连同整个费米分能级连同整个费米分布函数将一起在能带布函数将一起在能带图上向上移动图上向上移动。 11 P P型型 0.5 1 EF Ec EF Ev P P型半导体的费米能型半导体的费米能级连同整个费米分布级连同整个费米分布函数将一起在能带图函数将一起在能带图上向下移动上向下移动。 12 注：注： 温度升高时温度升高时，费米能级向本征费米能费米能级向本征费米能级靠近级靠近，电子和空穴浓度不断增加电子和空穴浓度不断增加，不论不论是是P P还是还是N N，在温度很高时都会变成本征硅在

6、温度很高时都会变成本征硅。 13 族半导体的键模型 在硅晶体中在硅晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都每个原子都处在正四面体的中心处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点而四个其它原子位于四面体的顶点，每个每个原子与其相临的原子之间形成原子与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子共用一对价电子。 硅的晶体结构：硅的晶体结构： 14 硅晶体中的正常键硅晶体中的正常键 iSiSiSiSiSiSiSiSiS共价键共价键 电子被激发，晶体中出现空穴电子被激发，晶体中出现空穴 eeiSiSiSiSiSiSiSiSiS+4+4 +4+4 +4+4

7、 +4+4 本征激収 15 族和族掺杂剂 iSsAe五价原子五价原子砷替代式掺入四砷替代式掺入四价硅中，多余的价价硅中，多余的价电子环绕电子环绕 离子运动离子运动 sAiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiS价带价带 导带导带 施主能级施主能级 如果是填隙式掺杂，成为非活性掺杂，丌产生电离，只产生点缺陷(复合中心) 16 eGeGeGeGeGBeGeGeGeGeG空穴空穴 三价原子硼掺入四价锗晶三价原子硼掺入四价锗晶 体中，空穴环绕体中，空穴环绕 离子运动离子运动 B价带价带 导带导带 受主能级受主能级 如果是填隙式掺杂，成为非活性掺杂，丌产

8、生电离，只产生点缺陷(复合中心) 17 丼例：磷扩散 非活性掺杂，填隙式，死层的来源 活性掺杂，替代式 18 载流子浓度（单位体积的载流子数目） 载流子(携带电荷可自由移动的微观粒子，电子不空穴)的运动形式有两种：漂移运动不扩散运动。 1.漂秱运动 载流子在外电场作用下的运动称为漂秱运动，由此引起的电流称为漂秱电流。 EI vPvenEqqnvJeeepEqJpp其中，载流子迁移率，温度升高或者掺杂浓度或者缺陷密度增大，减小 19 2、扩散运动 半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的秱动称为载流子的扩散运动。 0P(x)xIP空穴将从浓度高的向浓度低的方向扩散，形成扩散电流IP，浓度差

9、越大，扩散电流越大。 dxdpqDJeedxdpqDJhh其中D是扩散常数 20 小结： 1.在电场作用下，仸何载流子都要作漂移运动。一般少子数目少于多子数目，因此漂秱电流主要是多子贡献。 2. 扩散运动中，只有注入的少子存在很大的浓度梯度，因此扩散电流主要是少子贡献。 3.从根本上讲，漂移和扩散两个过程是有关系的，因而，迁移率和扩散常数丌是独立的，它们通过爱因斯坦关系相互联系 eeqkTDhhqkTDkT/q是在不太阳电池有关的关系式中经常出现的参数，它具有电压的量纲，室温(25oC)时为26mV。 21 载流子产生、复合及器件物理学的基本方程 在半导体中，载流子包括导带中的电子和价带中的空

10、穴。由于晶格的热运动，电子丌断从价带被激发到导带，形成一对电子和空穴，这就是载流子产生的过程。 在丌存在外电场时，由于电子和空穴在晶格中的运动是没有规则的，所以在运动中电子和空穴常常碰在一起，即电子跳到空穴位置把空穴填补掉，这时，电子和空穴就随乊消失。这种半导体的电子和空穴在运动中相遇而造成的消失，并释放出多余能量的现象，称为载流子复合。 22 在一定温度下，半导体内丌断产生电子和空穴，电子和空穴丌断复合，如果没有外表的光和电的影响，那么单位时间内产生和复合的电子不空穴即达到相对平衡，称为平衡载流子。这种半导体的总载流子浓度保持丌变的状态，称为热平衡状态。 在外界因素的作用下，例如 n 型硅受

11、到光照时，价带中的电子吸收光子能量跳入导带（光生电子），在价带中留下等量空穴（光激发），电子和空穴的产生率就大于复合率。这些多余平衡浓度的光生电子和空穴，称为非平衡载流子或过剩载流子。 23 由于外界条件的改变而使半导体产生非平衡载流子的过程，称为载流子注入。载流子注入的方法有多种。用适当波长的光照射半导体使乊产生非平衡载流子，叫光注入。用电学方法使半导体产生非平衡载流子，叫电注入。 半导体中非平衡少数载流子从产生到复合的平均时间间隔称为少子寿命。 在n型半导体中出现非平衡的电子和空穴时，电子是非平衡多子，空穴是非平衡少子。P型半导体中，空穴是非平衡多子，电子是非平衡少子。在低注入条件下，非平

12、衡多子和少子乊间是少子处于主导地位，少子寿命就是非平衡少子产生、复合又消失的时间。 24 载流子的复合 导带导带 价带价带 EF 1.直接复合直接复合(辐射复合辐射复合) 导带电子直接跳回价带与空穴复合叫直接复合。由于间接带隙半导体导带电子直接跳回价带与空穴复合叫直接复合。由于间接带隙半导体需要包括声子的两级过程，所以需要包括声子的两级过程，所以辐射复合在直接带隙半导体中比间接辐射复合在直接带隙半导体中比间接带隙半导体中进行得快带隙半导体中进行得快。在硅中，。在硅中，除非出现温度特别高或者特别大注除非出现温度特别高或者特别大注入的情况入的情况，一般辐射复合造成的影响可忽略不计。，一般辐射复合造

13、成的影响可忽略不计。 00200pnBnpni硅的B值约为210-15cm3/s。 25 2. 间接复合间接复合(陷阱复合，陷阱复合，ShockleyReadHall recombination) 电子和空穴通过复合中心复合叫作间接复合电子和空穴通过复合中心复合叫作间接复合。由于半导体中晶体的由于半导体中晶体的不不完整性完整性(晶界晶界、结构缺陷如点缺陷及位错等结构缺陷如点缺陷及位错等、制绒绒丝制绒绒丝、表面线痕表面线痕)和和存在存在有害有害杂质杂质(金属杂质金属杂质AgCuFeCr等等、碳杂质或者氧沉淀碳杂质或者氧沉淀、氧环氧环)，在在禁带中存在一些深能级禁带中存在一些深能级，这些能级能俘获

14、自由电子和自由空穴这些能级能俘获自由电子和自由空穴，从而从而使它们复合使它们复合，这种深能级称为这种深能级称为复合中心复合中心。 导带导带 价带价带 EF 复合复合中心中心 通常通常，在自由载流子密度在自由载流子密度较低时较低时，复合过程主要是复合过程主要是通过复合中心进行；在自通过复合中心进行；在自由载流子密度较高时由载流子密度较高时，复复合过程则主要是直接复合合过程则主要是直接复合。 26 3. 表面复合表面复合 复合过程可发生在半导体内复合过程可发生在半导体内，也可发生在半导体表面也可发生在半导体表面。电子和空穴电子和空穴发生于半导体内的复合叫体内复合；电子和空穴发生于靠近半导体表发生于

15、半导体内的复合叫体内复合；电子和空穴发生于靠近半导体表面的一个非常薄的区域内的复合叫作表面复合面的一个非常薄的区域内的复合叫作表面复合。 在在表面处存在许多能量位于禁带中的允许能态表面处存在许多能量位于禁带中的允许能态。因此由上面所叙述因此由上面所叙述的机构的机构，在表面处在表面处，复合很容易发生复合很容易发生。位于带隙中央附近的表面态能位于带隙中央附近的表面态能级也是最有效的复合中心级也是最有效的复合中心。另外另外，在硅片切割时会在表面留下损伤在硅片切割时会在表面留下损伤，造成晶格畸变和缺陷造成晶格畸变和缺陷，增加复合中心增加复合中心。 表面复合与陷阱复合的本质是表面复合与陷阱复合的本质是禁

16、带禁带中深能级太对载流子的俘获中深能级太对载流子的俘获，俘俘获截面越大获截面越大，复合越严重复合越严重。 导带导带 价带价带 EF 表面表面陷阱陷阱 27 4. 俄歇复合俄歇复合 a. 多余的能量传给导带中的电子 b. 多余的能量传给价带中的电子 电子与空穴复合时电子与空穴复合时，将将多余的能量传给第二个电子多余的能量传给第二个电子而不是发射光而不是发射光。然然后后，第二个电子通过发射声子弛豫回到它初始所在的能级第二个电子通过发射声子弛豫回到它初始所在的能级。 21CnpDn21CnpDp第一项描述少数载流子能带的电子激发，第二项描述多数载流子能带的电子激发。由于第二项的影响，高掺杂材料中俄歇

17、复合尤其显著。对于高质量硅，掺杂浓度大于1017cm3时，俄歇复合处于支配地位。 28 p-n结二极管 半导体导电半导体导电能力最终决定于：能力最终决定于： 1. 载流子的多少载流子的多少； 2. 载流子的性质；载流子的性质； 3. 载流子的运动速度。载流子的运动速度。 一一. 本征半导体本征半导体 指“纯净”的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载指“纯净”的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。流子是由本征热激发产生的。 激发使“电子激发使“电子空穴对”增加，复合使“电子空穴对”增加，复合使“电子空穴对”减少，一定温空穴对”减少，一定温度下

18、，这两种过程最终将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发度下，这两种过程最终将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的浓度不再发生变化，该浓度统称为“浓度不再发生变化，该浓度统称为“本征载流子浓度本征载流子浓度” ni。 29 ni=n0=p0 式中，式中，n0表示热平衡状态下的电子浓度，表示热平衡状态下的电子浓度，p0表示热平衡状态下的空穴浓度，在表示热平衡状态下的空穴浓度，在T=300K时，时， Si的的ni = 1.51010/cm3, G

19、e的的ni = 2.41013/cm3 温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，ni愈大，导电性能也就愈好。愈大，导电性能也就愈好。 注意：注意： ni的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载 流子浓度仍然极小流子浓度仍然极小，所以本征半导体的导电能力是很差的。，所以本征半导体的导电能力是很差的。 30 二二. 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称为杂质），其导电在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称为杂质），其导电性能将大大增强。例如掺入性能将大大增强。例如掺入

20、0.0001%杂质，半导体导电能力将提高杂质，半导体导电能力将提高106倍！倍！ +4+4+4+4+4+4+4+4+5+5“多余”价电子“多余”价电子杂质离子杂质离子+4+4+4+4+4+4+4+4+3+331 2i0n0nnPn 即在一定温度下，杂质半导体中，多数载流子浓度与少数载流子浓度的乘积即在一定温度下，杂质半导体中，多数载流子浓度与少数载流子浓度的乘积是一个常数是一个常数. 例例1 为了获得为了获得N型硅单晶，掺入五价元素磷，磷的含量为型硅单晶，掺入五价元素磷，磷的含量为0.0000003，试求：，试求： 解：解：（1）由于硅原子密度为）由于硅原子密度为 322105cm 故施主杂质

21、浓度（磷）故施主杂质浓度（磷） 002200000030105.ND 3141051cm. (2) 掺杂前后空穴浓度的变化。已知掺杂前后空穴浓度的变化。已知T=300K。 (1) 掺杂前后电子浓度的变化；掺杂前后电子浓度的变化； N型半导体中电子浓度型半导体中电子浓度 热激发产生的电子热激发产生的电子杂质电离产生的电子杂质电离产生的电子 杂质电离产生的电子杂质电离产生的电子 32 显然，杂质电离产生的电子浓度就是杂质（磷）的浓度显然，杂质电离产生的电子浓度就是杂质（磷）的浓度ND。 于是于是 DnNn 0而本征半导体硅的本征载流子浓度，在而本征半导体硅的本征载流子浓度，在T=300K时为时为

22、31001051cm.nni 掺杂前后电子浓度的变化倍数为掺杂前后电子浓度的变化倍数为 410140010105110510 .nNnnDn电子浓度的增加意味着杂质半导体导电能力远大于本征半导体。电子浓度的增加意味着杂质半导体导电能力远大于本征半导体。 33 掺杂后掺杂后: 020ninPnninnnn40401010 故故: 20441010iininnPn表明，在表明，在N型半导体中热激发产生的空穴浓度比本征载流子浓度还要低，本例型半导体中热激发产生的空穴浓度比本征载流子浓度还要低，本例中仅为本征载流子浓度的万分之一。中仅为本征载流子浓度的万分之一。 在该在该N型半导体中多数载流子与少数载

23、流子的浓度比为型半导体中多数载流子与少数载流子的浓度比为 84410101000 iinnnnPn34 （3）当温度升至）当温度升至400K时，“电子时，“电子空穴对”浓度增加到空穴对”浓度增加到 31510621cm.ni 远超过杂质电离产生的空穴浓度远超过杂质电离产生的空穴浓度 ，本征激发起主要作用，结果，本征激发起主要作用，结果此材料变成此材料变成本征半导体本征半导体。 31410cm（4）在室温下，若施主杂质与受主杂质浓度相同，且）在室温下，若施主杂质与受主杂质浓度相同，且 313315104210cm.cm 杂质浓度远大于本征载流子浓度，掺杂起主要作用。杂质浓度远大于本征载流子浓度，

24、掺杂起主要作用。 又鉴于又鉴于 ，可断定此材料仍具有类似，可断定此材料仍具有类似本征半导体本征半导体的性质。的性质。 DANN 35 如果在一块半导体单晶中同时掺入三价元素不五价元素，其杂质浓度如图7（b）所示，在x0处施主杂质浓度不受主杂质浓度相等，该中性边界便是PN 结所在位置。 PN结最重要的特性是单向导电性。结最重要的特性是单向导电性。 PNPN结结0 0 xNA(x)ND(x)lx0（a）PN结（a）PN结（b）杂质分布（b）杂质分布P区 N区 p-n结二极管扩散漂秱平衡 36 流过流过PN结的电流结的电流 PN结空间电荷区形成后，流过结空间电荷区形成后，流过PN结的结的电流有两种：

25、电流有两种： 多数载流子形成的扩散电流。多数载流子形成的扩散电流。 少数载流子形成的漂移电流。少数载流子形成的漂移电流。 这两种电流方向相反，如图（这两种电流方向相反，如图（a）所示，）所示，流过流过PN结的净电流结的净电流 漂漂扩扩III （a）流过PN结的电流（a）流过PN结的电流PN E漂I扩IPN 1212内电场方向内电场方向（b) 扩散运动与漂移运动达到平衡：扩散运动与漂移运动达到平衡：1多数载流子扩散运动的方向；多数载流子扩散运动的方向；2少数载流子漂移运动的方向少数载流子漂移运动的方向 37 起初，内建电场较弱，起初，内建电场较弱， 漂漂扩扩II随着内建电场逐渐增强，随着内建电场

26、逐渐增强，I扩扩减小，而减小，而I漂漂增加，直至增加，直至 漂扩II扩散运动与漂移运动达到动态平衡，如图（扩散运动与漂移运动达到动态平衡，如图（b）所示。）所示。 动态平衡情况下动态平衡情况下 流过流过PN结的净电流为零，即结的净电流为零，即 I=0 38 内建电位差 内建电场内建电场E在在PN结中产生的电位差称为内建电位差结中产生的电位差称为内建电位差VB。 该电位差实际上就是两种不同类型半导体材料之间的接触电位差。该电位差实际上就是两种不同类型半导体材料之间的接触电位差。 如图所示，内建电位差的存在对多数载流子而言，相当于是一个“势如图所示，内建电位差的存在对多数载流子而言，相当于是一个“

27、势垒”，阻止其扩散，故空间电荷区又称为势垒区。垒”，阻止其扩散，故空间电荷区又称为势垒区。 PN E0Px nxx (电位)(电位)BV可以证明可以证明 00npBPPlnqkTV k是玻尔兹曼常数是玻尔兹曼常数 KeV.k510638 K.焦耳焦耳2310381 39 q是电子电荷，是电子电荷， 库仑库仑191061 .qln是以是以e为底的对数，为底的对数， 是是PN结两边空穴浓度的比。结两边空穴浓度的比。 00nppP又可写成又可写成 00PnBnnlnqkTV 由于由于 DnNn 0AipiPNnPnn2200 故故 2iDABnNNlnqkTV 令令 TVqkT 称为“热电压”。称为

28、“热电压”。 00npBPPlnqkTV 开路电压的最主要来源 内建电位差(内建电场电压) 40 又可写成又可写成 2iDATBnNNlnVV 当当T=300K时，时， mVVT26 讨论：讨论： 根据式（根据式（7-8），），PN结两边杂质浓度越大结两边杂质浓度越大,VB 越大。越大。 本征载流子浓度本征载流子浓度ni越大，越大，VB越小。锗的越小。锗的ni大于硅，大于硅， 所以锗管所以锗管VB小于硅管，在室温下，小于硅管，在室温下， 锗管锗管 V.VB3020 硅管硅管 V.VB7060 随着温度升高，随着温度升高， ni增加，增加， VB将降低，因而严格讲内将降低，因而严格讲内 建电位差

29、建电位差VB不是一个常数，一般不是一个常数，一般 CmVTVB2 00npBPPlnqkTV 内建电位差(内建电场电压) 开路电压温度系数的最主要来源 41 空间电荷区的宽度空间电荷区的宽度 PNS0Px nxx空间电荷区宽度空间电荷区宽度 图中图中 xn PN结边界右边正离子宽度结边界右边正离子宽度 xP PN结边界左边负离子宽度结边界左边负离子宽度 因而正离子空间电荷总量：因而正离子空间电荷总量： DnNqSxQ 式中式中q = 电子电荷量（绝对值）电子电荷量（绝对值） S是截面积。是截面积。 负离子空间电荷总量：负离子空间电荷总量： APNqSxQ 42 考虑到考虑到PN结边界两边正负电

30、荷量相等，即结边界两边正负电荷量相等，即 QQ于是于是 DApnNNxx 上式告诉我们，杂质浓度越大，空间电荷区宽度越上式告诉我们，杂质浓度越大，空间电荷区宽度越小，对于不对称小，对于不对称PN结，空间电荷区宽度如图所示。结，空间电荷区宽度如图所示。 P+N 0Px nxx 图图 空间电荷区宽度空间电荷区宽度 图中，图中，P+表示受主杂质浓度很大，施主杂表示受主杂质浓度很大，施主杂质浓度相对较小。由于质浓度相对较小。由于 NAND 所以所以 xP300m)的地方，在此还能产生电子一空穴对。不此相反，对直接跃迁型材料GaAs，在其禁带宽度附近吸收系数急剧增加，对能量大于禁带宽度的光子的吸收缓慢增

31、加，此时，光吸收和电子一空穴对的产生，大部分是在距表面2m左右的极薄区域中发生。简言乊，制造太阳电池时，用直接跃迁型材料，即使厚度很薄，也能充分的吸收太阳光，而用间接跃迁型材料，没有一定的厚度，就不能保证光的充分吸收。但是作为太阳电池必要的厚度，并不是仅仅由吸收系数来决定的，与少数载流子的寿命也有关系，当半导体掺杂时，吸收系数将向高能量一侧収生偏秱。 由于一部分光在半导体表面被反射掉，因此，迚入内部的光实际上等于扣除反射后所剩部分。为了减少Isc损失，应在半导体表面制备绒面和减反射层，以减少光在其表面的反射损失。 直接带隙与间接带隙半导体 51 (一) 短路电流的损失 1.裸露的硅表面反射很大

32、，减反射膜使此反射损失减少到约为10%。 2.电池受光照一侧的栅线，会遮掉5%15%的入射光。 3.若电池厚度不够，进入电池的一部分具有合适能量的光线将从电池背面直接穿出去。 0.1 1 2 5 10 100 1000 0 50 100 GaAs Si AM0 最大电流最大电流/%/% 半导体厚度半导体厚度/um/um 电池厚度对理想太阳能电池所产生的最大短路电流的百分比的影响 52 4. 材料的Eg越大，开路电压越高，但是由于能量小于Eg的光子不在能激収电子空穴对，因此光电流反而降低。实际的器件中，由于存在体内复合以及表面复合，真实值都小于理想值。短路电流还与材料性能、制备工艺密切相关。 5

33、. 为了降低复合损失，提高短路电流，必须减小结深，在电池背面设置漂秱场。当结深减小时，由于降低了复合损失，此外，基区提供的光电流百分比大，结区中较高的表面复合速度和低的少子寿命都显得不那么重要。 53 半导体中的复合率越低，Voc越高 (二) 开路电压的损失 决定开路电压决定开路电压Voc大小的主要物理过程是半导体的复合大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高半导体复合率越高，少子扩散长度越短少子扩散长度越短， Voc也就越低也就越低。体复合和表面复合都是重要的体复合和表面复合都是重要的。 在在p-Si衬底中衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是：复合中心复合影响非平衡少子总

34、复合率的三种复合机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决三种复合中复合率最大的一个总复合率主要取决三种复合中复合率最大的一个。例如：对于高质量的硅单晶例如：对于高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于当掺杂浓度高于1017cm-3时时，则俄歇复合产生影则俄歇复合产生影响响，使少子寿命降低使少子寿命降低。 通常通常，电池表面还存在表面复合电池表面还存在表面复合，表面复合也会降低表面复合也会降低Voc值值。 54 (三) 填充因子损失 太阳能电池存在寄生的串联电阻和分流电阻。太阳能电池存在寄生的串联电阻和分流电阻。 I RS RSH V 串联电阻串联电阻R RS

35、S主要来源：制造电池的半导体材料的体电阻主要来源：制造电池的半导体材料的体电阻、电极和互电极和互联金属的电阻联金属的电阻，电极和半导体之间的接触电阻电极和半导体之间的接触电阻。 并联电阻并联电阻R RSHSH主要来源：主要来源：p p- -n n结漏电结漏电，包括绕过电池边缘的漏电及由包括绕过电池边缘的漏电及由于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。 55 输输出出电电流流 ISC VOC 大大RS 中等中等RS RS=0 RSH 中等中等RSH 小小RSH 输出电压输出电压 输输出出电电流流 ISC VOC 输出电压输出电压

36、V V I I 这两种寄生电阻都会减小填充因子这两种寄生电阻都会减小填充因子，很高的很高的RS和很低的和很低的RSH值会分值会分别导致别导致ISC和和VOC降低降低。 Rs：IV曲线曲线中中Voc点点附近的斜率负倒数附近的斜率负倒数 Rsh：IV曲线曲线中中Isc点点附近附近的斜率的斜率负负倒数倒数 56 太阳能电池特征电阻太阳能电池特征电阻RCH =OCCHSCVRI 与与RCH相比相比，如果如果RS很小很小，或者或者RSH很大很大，则它们对填充因子就几则它们对填充因子就几乎没影响乎没影响。 定义：定义： =SSCHRrR0SFFFF (1r )仅考虑仅考虑Rs的影响的影响，填充填充因子：因

37、子： Rs与Rsh造成填充因子损失的数学模型 )17 . 01 (00SHococrFFvvFFFFCHSHshRRr 仅考虑仅考虑Rsh的影响的影响，填充填充因子：因子： 考虑考虑Rs和和Rsh的共同影响的共同影响，填充填充因子：因子： )1 ()17 . 01 (00SSHococrrFFvvFFFF57 一个太阳能电池具有接近理想的特性一个太阳能电池具有接近理想的特性，其理想因子等于其理想因子等于1。另一个电池的另一个电池的特性主要受耗尽区复合的影响特性主要受耗尽区复合的影响，其理想因子为其理想因子为2。在在300K时时，如果这两个如果这两个电池的开路电压都为电池的开路电压都为0.6V，

38、试比较它们的理想填充因子试比较它们的理想填充因子。 解：解： 0.6=/26mOCOCVVvnkT qV0.6=/2 26mOCOCVVvnkT qV0600600ln(0.72)-ln0.72)26260.836001126OCOCOCvvFFv（0600600ln(0.72)-ln0.72)2262260.7260011226OCOCOCvvFFv（丼例 58 某太阳能电池某太阳能电池，300K时的开路电压为时的开路电压为500mV，短路电流为短路电流为2A，理想因子理想因子为为1.3。求下列各种情况下的填充因子：求下列各种情况下的填充因子：(a)串联电阻为串联电阻为0.08，并联并联电阻

39、电阻很大；很大；(b)串联电阻可以忽略串联电阻可以忽略，并联并联电阻电阻为为1；(c)串联电阻为串联电阻为0.08，并并联联电阻电阻为为1。 解：解： 0.6=/1.3 26mOCOCVVvnkT qV0600600ln(0.72)-ln0.72)1.3 261.3 260.79600111.3 26OCOCOCvvFFv（(a)串联电阻为串联电阻为0.08，并联电阻，并联电阻很大；很大； SHshCHRrR 0000.710.79OCOCshvFFFFFFFFvr59 (b)串联电阻可以忽略串联电阻可以忽略，并联并联电阻电阻为为1； 0.50.252OCCHSCVRI140.25SHshCH

40、RrR 000.60.70.70.791.3 2610.79 10.630.641.3 26OCOCshvFFFFFFvr(c)串联电阻为串联电阻为0.08，并联并联电阻电阻为为1 000(1)(1)0.79SSSHRFFFFrFFFFR60 温度的影响 1 短路电流：短路电流随温度上升略有增加短路电流：短路电流随温度上升略有增加。由于半导体禁带宽度随由于半导体禁带宽度随温度上升而减小温度上升而减小，使得光吸收随之增加使得光吸收随之增加。 2 开路电压和填充因子：随温度上升而减小开路电压和填充因子：随温度上升而减小。 /01)OCqVkTSCII e（0(/ )gOCOCVVkT qdVdTT

41、 随温度升高随温度升高VOC近似线性减小近似线性减小。代入硅太阳能电池有关数值代入硅太阳能电池有关数值（Vg01.2V，VOC0.6V，3，T=300K），得到得到 1.20.60.078(/)2.3(/)300OCdVVCmVCdT 61 温度每升高温度每升高1，硅太阳能电池的硅太阳能电池的VOC将下降将下降0.4%。 VOC的变化导致输出功率和效率随温度的升高而下降的变化导致输出功率和效率随温度的升高而下降。硅太阳电池的温度每硅太阳电池的温度每升高升高1，输出功率将减少输出功率将减少0.4%0.5%。对禁带宽度较宽的材料对禁带宽度较宽的材料，这种温这种温度依存性会降低度依存性会降低。 62 辐照度(光强)的影响 Isc：在可以忽略串联、并联电阻的影响时，Isc为不入射光强度成正比的值 Voc： 1ln0IIqnkTVscoc 当弱光时，IscI0， 00LocLInkTVI RqI00qInkTR )/ln(0IIqnkTVLoc63 目录 Q&A 太阳能电池基础原理 半导体基础 Thank You!