太阳能电池基础与应用-第一章

阐述光伏利用太阳能的必然性与重要性;讲述半导体基础理论及光伏电池的基本原理。结合该领域的进展,既全面深入地介绍了常规晶体硅电池,Ⅲ-Ⅴ族化合物电池;同时又对CIGS电池,CdTe电池,硅基薄膜电池,染料敏化电池,有机电池等各种不同薄膜电池的光伏材料、电池结构及其工艺特色和技术发展予以详细阐述。除叙述光伏应用电力系统,常规应用及应用示例外,还从发展角度涉及了微电子学在未来能源领域中开发应用的途径。

第一章 太阳能电池的工作原理和基本特性—— 之半导体物理基础

1、半导体的性质世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不 容易导电。容易导电的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种 金属；不容易导电的物体称为绝缘体，常见的有玻璃、橡胶、塑料、 石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，主要有锗、 硅、砷化镓、硫化镉等等。众所周知，原子是由原子核及其周围的电 子构成的，一些电子脱离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由 电子。金属之所以容易导电，是因为在金属体内有大量能够自由运动 的电子，在电场的作用下，这些电子有规则地沿着电场的相反方向流 动，形成了电流。自由电子的数量越多，或者它们在电场的作用下有 规则流动的平均速度越高，电流就越大。电子流动运载的是电量，我 们把这种运载电量的粒子，称为载流子。在常温下，绝缘体内仅有极 少量的自由电子，因此对外不呈现导电性。半导体内有少量的自由电 子，在一些特定条件下才能导电。

阐述光伏利用太阳能的必然性与重要性;讲述半导体基础理论及光伏电池的基本原理。结合该领域的进展,既全面深入地介绍了常规晶体硅电池,Ⅲ-Ⅴ族化合物电池;同时又对CIGS电池,CdTe电池,硅基薄膜电池,染料敏化电池,有机电池等各种不同薄膜电池的光伏材料、电池结构及其工艺特色和技术发展予以详细阐述。除叙述光伏应用电力系统,常规应用及应用示例外,还从发展角度涉及了微电子学在未来能源领域中开发应用的途径。

第一章 太阳能电池的工作原理和基本特性—— 之半导体物理基础

1、半导体的性质半导体可以是元素，如硅(Si)和锗(Ge),也可以是化合物，如硫 化镉(OCLS)和砷化镓(GaAs),还可以是合金，如GaxAL1-xAs, 其中x为0-1之间的任意数。许多有机化合物，如蒽也是半导体。 半导体的电阻率较大(约10-5<ρ<107Ω.m),而金属的电阻率则很小 (约10-8 <ρ<10-6 Ω.m ),绝缘体的电阻率则很大(约ρ>108 Ω.m )。半导体的电阻率对温度的反应灵敏，例如锗的温度从200C升 高到300C,电阻率就要降低一半左右。金属的电阻率随温度的变化则 较小，例如铜的温度每升高1000C,ρ增加40%左右。电阻率受杂质的 影响显著。金属中含有少量杂质时，看不出电阻率有多大的变化，但 在半导体里掺入微量的杂质时，却可以引起电阻率很大的变化，例如 在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从2.14×103 Ω.m减小到 0.004 Ω.m左右。金属的电阻率不受光照影响，但是半导体的电阻率 在适当的光线照射下可以发生显著的变化。

阐述光伏利用太阳能的必然性与重要性;讲述半导体基础理论及光伏电池的基本原理。结合该领域的进展,既全面深入地介绍了常规晶体硅电池,Ⅲ-Ⅴ族化合物电池;同时又对CIGS电池,CdTe电池,硅基薄膜电池,染料敏化电池,有机电池等各种不同薄膜电池的光伏材料、电池结构及其工艺特色和技术发展予以详细阐述。除叙述光伏应用电力系统,常规应用及应用示例外,还从发展角度涉及了微电子学在未来能源领域中开发应用的途径。

第一章 太阳能电池的工作原理和基本特性—— 之半导体物理基础

2、半导体物理基础 2.1、能带结构和导电性 半导体的许多电特性可以用一种简单的模型来解释。硅 是四价元素，每个原子的最外壳层上有4个电子，在硅晶 体中每个原子有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有 两个价电子，形成稳定的8电子壳层。 自由空间的电子所能得到的能量值基本上是连续的，但在 晶体中的情况就可能截然不同了，孤立原子

中的电子占据 非常固定的一组分立的能线，当孤立原子相互靠近，规则 整齐排列的晶体中，由于各原子的核外电子相互作用，本 来在孤立原子状态是分离的能级扩展，根据情况相互重叠， 变成如图2.1所示的带状。电子许可占据的能带叫允许带， 允许带与允许带间不许可电子存在的范围叫禁带。

阐述光伏利用太阳能的必然性与重要性;讲述半导体基础理论及光伏电池的基本原理。结合该领域的进展,既全面深入地介绍了常规晶体硅电池,Ⅲ-Ⅴ族化合物电池;同时又对CIGS电池,CdTe电池,硅基薄膜电池,染料敏化电池,有机电池等各种不同薄膜电池的光伏材料、电池结构及其工艺特色和技术发展予以详细阐述。除叙述光伏应用电力系统,常规应用及应用示例外,还从发展角度涉及了微电子学在未来能源领域中开发应用的途径。

第一章 太阳能电池的工作原理和基本特性—— 之半导体物理基础

图2.1 原子间距和电子能级的关系

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