【正文】 量是很不穩(wěn)定的．也就是說隨機性性很大。當利用太陽能發(fā)電時，一般配備相當容量的儲能設備，如蓄電池組等，這不僅增加設備及維持費用，而且也限制了功率的規(guī)模和降低了整個系統(tǒng)的效率。 ’（5）太陽能的地區(qū)性輻射到地球表面的太陽能，隨地點不同而有所變化，它不僅與當?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P(guān)，還與當?shù)氐拇髿馔该鞫龋ㄎ廴?、混濁?和氣象變化等諸多因素有關(guān)。（6）太陽能的永久性太陽輻射已經(jīng)進行了幾十億年，據(jù)估計太陽的壽命大約仍有5109年，因此相對而言可以認為它是—個永久性能源。總的來說，利用太陽能有其巨大的優(yōu)點，但也有嚴重的缺點，因此在考慮太陽能利用時、不僅廢從技長方面考慮，還應從經(jīng)濟、環(huán)境保護、生態(tài)、居民福利特別是國家建設的整體方針來全面考慮研究。1．4　太陽能電池太陽能電池是一種利用光電轉(zhuǎn)換效應把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?，也稱光伏器件。一般來說，這種效應是指吸收光能，產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能電池/組件、蓄電池、控制器和逆變器。其中又以太陽能電池/組件最為重要，圖1．圖1．2是太陽能電池的外形和結(jié)構(gòu)示意圖。圖1．1　太陽能電池圖1．2　太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖1．5　太陽能電池的應用領(lǐng)域太陽能電池最早應用于空間，至今宇宙飛船和人造衛(wèi)星等空間飛行器的電力，仍然主要依靠太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)來供給。20世紀70年代以后，太陽能電池在地面得到了廣泛應用，目前已遍及景觀照明、城市亮化、鐵路交通、水利氣象、郵電通信、廣播電視、軍事國防和并網(wǎng)調(diào)峰等各領(lǐng)域。隨著太陽能電池新材料領(lǐng)域科學技術(shù)的發(fā)展和太陽能電池更先進的生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展，一方面晶體硅太陽能電池的效率將更高、成本將更低，另一方面性能穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高、成本低的薄膜太陽能電池等將被研制開發(fā)成功并投入商品化生產(chǎn)。圖1．3　各類太陽能電池產(chǎn)品第2章　太陽能電池的工作原理太陽電池的原理，是光電轉(zhuǎn)換效應。一般來說，這種效應是指吸收光能，產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。不僅是固體，在液體、氣體中也常?？梢杂^察到。但是從產(chǎn)生能量觀點來看，光電轉(zhuǎn)換效應，有效的只是固體，特別是半導體。因此這里以半導體為例說明太陽電池的工作原理。2．1　半導體原理理論上講，無論是固體、液體還是氣體都有一定的將光轉(zhuǎn)換為電的能力，但轉(zhuǎn)換能力的差別極其大，可能差幾個、幾十個或幾百個數(shù)量級。在固體中，尤其在半導體內(nèi)，其光電轉(zhuǎn)換的效率相當高。人們把太陽輻射光直接轉(zhuǎn)換為電能的器件稱為太陽電池。太陽電池是一固態(tài)半導體器件。它完全依靠內(nèi)部的固體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光轉(zhuǎn)換為電的，沒有任河活動部件。1．能級從《物理學》中我們知道原子的結(jié)構(gòu)是以殼層形式按—定規(guī)律分布的。原子的中心是一個帶正電荷的核，核外存在著一系列不連續(xù)的、由電子運動軌道構(gòu)成的殼層．電子只能在殼層里繞核轉(zhuǎn)動。在穩(wěn)定狀態(tài)．每個殼層里運動的電子具有—定的能量狀態(tài)。所以一個殼層相當于一個能量等級，稱為能級。一個能極亦表示電子的一種運動狀態(tài)。所以能態(tài)、狀態(tài)和能級的含義相同。原子中電子的運動狀態(tài)(能級)由四個量子數(shù)來確定；分別是主量子數(shù)n、副(角)量子數(shù)l、磁量子數(shù)m和自旋量子數(shù)ms。2．能帶固體中原子的能級結(jié)構(gòu)和孤立原子的不同，形成所謂“能帶”。能帶的形成是固體中原子相互影響的結(jié)果。從量子力學的觀點來看，原子中電子本無確定的軌道；之所以使用軌道一詞，實際上是指電子出現(xiàn)幾率較大之處。所謂內(nèi)層軌道是指在原子核附近電子出現(xiàn)幾率較大之處，而外層軌道則指在原子核外圍電子出現(xiàn)幾率較大之處。圖2．1　鍺原子的電子殼層示意圖 電子在原子中的運動狀態(tài)是由n、l、m、ms，決定的，并且可以用能級來描繪電子所可能的運動狀態(tài)。例如，鍺原子中電子的分布情況可以用1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10，4s2，4p2來描述。如圖2．1所示，最內(nèi)的電子殼層(n＝l＝0)有2個電子；第二個電子殼層有兩個分層(n＝2；l＝0，1)，分別有2個和6個電子；依次類推。能級如圖2．2所示，對于不同的電子殼層，能級之間的能量差值較大，而相應于同一電子殼層的不同分層．能級之間的能量差值較小。在鍺原子中．第一、第二和第三電子殼層是填滿的；與原子核距離較近，結(jié)合也較牢固，稱為內(nèi)(層)電子。而第四電子殼層是未填滿的，距離原子核較遠，結(jié)合也最弱。 未填滿電子的最外殼層中的電子數(shù)決定這一元素的化學性質(zhì)；這些電子稱為價電子。價電子所處的基態(tài)能級叫做價級。價電子經(jīng)激發(fā)后，可以躍遷到價級以上的空能級中去。這些空能級稱做激發(fā)能級(相應于激發(fā)層軌道)。為簡單起見，在圖2．2中價級只畫一條橫線來表示。圖中最上方是游離級．表示電子可以自由運動的游離狀態(tài)。在晶體中，如果認為各個原子是完全孤立的，那么，各個原子的相應能級的能量應完全相等。換句話說．相應的能級重疊在—起，成為簡并能級。但事實上當原子結(jié)合為晶體時、每一原子中的價電子除受本身原子核及內(nèi)層電子的作用外，還受到其它原子的作用。當原子相互接近形成晶體時．不同原子的內(nèi)外各電子殼層之間就有一定程度的交疊；相鄰原子最外殼層交疊最多．內(nèi)殼層交疊較少。原子組成晶體后。由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個原子上?？梢杂梢粋€原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去。因而，電子將可以在整個晶體中運動。這種運動稱為電子的共有化運動。應該指出，因為各原子中相似殼層上的電子才有相同的能量，電子只能在相似殼層間轉(zhuǎn)移。所以共有化運動是指不同原子中的相似軌道上的電子的轉(zhuǎn)移。例如2p支殼層的交疊，3s支殼層的交疊，如圖2．3所示。也可以說．結(jié)合成晶體后，每一個原子能引起“與之相應”的共有化運動。例如3s能級引起“3s”的共有化運動；2p能級引起“2p”，的共有化運動等等。由于內(nèi)外殼層交疊程度差異較大．所以，只有最外層電子的共有化運動才顯著。圖2．2　鍺原子的能級簡圖圖2．3　電子共有化運動示意圖由于電子共有化運動，當N個原子相接近形成晶體時，原來單個原子中每個能級分裂成N個與原來能級很接近的新能級。而電子則具有某一新能級的能量，在晶體點陣的周期性場中運動。在實際晶體中，原子數(shù)目N非常大，同時新能級又與原來能級非常接近，所以兩個相鄰的新能級間能量差非常小．其數(shù)量級是1022eV，幾乎可以認為是連續(xù)的。這N個新能級具有一定的能量范圍，故稱為能帶?？梢?，能帶是能級分裂的結(jié)果。如圖2．4所示。能級分裂形成的能帶有兩個特點：圖2．4　能級的分裂1)能帶內(nèi)電子的能量是連續(xù)變化的，或者說電子的能態(tài)是連續(xù)分布的(在孤立原子內(nèi)，核外電子繞核運動，受原子核束縛。電子只能取一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，形成一系列分立的能級，量子化)。原因是作用于電子的粒子數(shù)很多，且又分布在它的四周空間。2)原來的一個能級分裂成一個能帶：不同的能級分裂成不同的能帶。價電子共有化運動形成一個能帶．使其處于價級分裂后的這些能級上，價電子這樣的能帶、叫做價帶。價帶的寬度約為幾個電子伏特(eV)。如果價帶中所有的能級都按泡利不相容原理填滿了電子，則成為滿帶。激發(fā)能級也同樣分裂成為能帶。一般地講，激發(fā)能帶中沒有電子，所以稱做空帶。但是價電子有可能經(jīng)激發(fā)后躍遷到空帶中而參與導電，所以空帶亦稱導帶或自由帶。在兩個相鄰的能帶之間(如滿帶與導帶之間)，可能有一個不被允許的的量間隔(此間不存在能級)，這個間隔稱為禁帶。電子不具有禁帶范圍內(nèi)的能量。需指出，許多實際晶體的能帶與孤立原子能級間的對應關(guān)系并不都象上述的那樣簡單，因為一個能帶不一定同孤立原子的某個能級相當，即不一定能區(qū)分s能級和p能級所過渡的能帶。例如有時兩個分立的能級會互相交雜；或變?yōu)榛ハ喁B合的能帶而禁帶消失；或分裂為另外兩組能帶。這種過程稱為軌道的雜化。許多實際晶體存在軌道雜化現(xiàn)象。3．本征半導體和摻雜半導體本征半導體純凈半導體的禁帶一般都比較窄。在絕對溫度零度時，能帶結(jié)構(gòu)如圖2．5a所示。滿帶中填滿電子，而導帶中沒有電子。在外電場作用下，如果滿帶仍然是填滿電子的，外電場不能改變滿帶中電子的量子狀態(tài)，也就是不能增加電子的能量和動量，因而不能產(chǎn)生電子的定向運動，不會產(chǎn)生電流。如果加強電場，或者利用熱或光的激發(fā)，使?jié)M帶中的電子獲得足夠的能量，大于其禁帶寬度Eg，而躍遷到導帶中去如圖2．5b。這樣，半導體則可導電。需要說明，不但在導帶中構(gòu)成了導電的條件，同時在滿帶中也構(gòu)成了導電條件。在導帶中，由于自由電子的存在而引起的導電性，稱為電子導電性。在滿帶中，導電雖然是由于電子運動而引起的，但是性質(zhì)與電子導電的情況有所不同。它是“空穴”(空穴只有在基本上填滿了的滿帶中才有意義)的反方向運動導電的，滿帶中的這種導電性，稱為空穴導電性。對于純凈的半導體，在電子導電的同時，必然也有空穴導電。圖2．5　本征半導體的能帶簡圖這兩種導電機構(gòu)所給出的電流都在外電場的方向上。這種半導體具有電子在導帶中和空穴在滿帶中相互并存的導電機構(gòu)，稱為本征導電，具有本征導電的半導體稱為本征半導體；簡單地說，絕對純凈的且沒有缺陷的半導體稱為本征半導體。如硅、鍺、研等都是這一類的半導體。非常純的硅是本征硅。在本征硅中，導電的電子和空穴都是由于共價鍵破裂而產(chǎn)生的。這時的電子濃度n等于空穴濃度p，這個濃度稱為本征載流子濃度n1，n1隨溫度升高而增加，隨禁帶寬度的增加而減小，在室溫時硅的n1約為1010/cm3。摻雜半導體 根據(jù)需要可以在純凈半導體晶體點陣里，用擴散的方法摻入少量的其他元素的原子。所摻入的原子，對半導體基體而言，叫做雜質(zhì)。摻有雜質(zhì)的半導體，稱為摻雜半導體。摻雜半導體一般可以分為兩類：第一類是在四價元素如硅或鍺半導體中摻入少量的五價元素如磷、銻或砷等雜質(zhì)。四價元素的原子具有四個價電子，而所摻入的雜質(zhì)原子將在晶體中替代硅或鍺原子的位置，構(gòu)成與硅或鍺相同的四電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果雜質(zhì)原子成為具有凈正電荷＋e的離子，所多余的一個電子在雜質(zhì)離子的電場范圍內(nèi)運動。理論計算證明這種多余的價電子的能級將在禁帶中，而靠近導帶的邊緣。因此，這種能級又稱為局部能級。這種摻雜半導體的能帶與局部能級如圖2．6a所示?？拷鼘У亩碳毦€表示雜質(zhì)的多余電子在禁帶中所形成的摻雜局部能級。雜質(zhì)價電子在局部能級中，并不參與導電。但是，在受到熱激發(fā)時，很容易躍遷到導帶中去，所以這些局部能級又叫做施主能級，用ED表示。半導體施主能級與導帶底Ec之間的能量差值ΔED，顯然比禁帶寬度Eg小得多。根據(jù)實驗的結(jié)果，ΔED的量值一般僅為百分之幾的電子伏特。溫度不必很高，施主能級中的電子就可被激發(fā)而躍遷到導帶中去。因此，這種半導體中雜質(zhì)原子的數(shù)目雖然并不多，但是在常溫下導帶中的自由電子濃度，卻比同一溫度下純凈半導體導帶中的自由電子濃度要大好幾倍，這就大大地減小了半導體的電阻。這種半導體的導電機構(gòu)是由雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后躍遷到導帶中去而形成的。這種摻雜半導體通常稱做電子型(n型)半導體。例如在硅中加入V族元素(如磷)以后，見圖2．7a，在硅的晶格中的一個磷原子的四個電子與周圍四個硅原子的電子形成共價鍵，還剩一個價電子不能被安排在硅晶格正規(guī)價鍵結(jié)構(gòu)中，因此游離而使磷原子電離。這樣磷在硅中的電離能比硅的禁帶寬度小很多，只有0．044eV。室溫下硅原子的熱運動動能已足以使它電離，除非在高攙雜情況(濃度＞1019／cm3)。硅中的V族元素在室溫下全部電離而提供同等數(shù)量的導電電子，這種提供電子的雜質(zhì)稱為施主，在室溫下可以認為電子濃度n≈ND，ND為施主濃度。第二類摻雜半導體是在硅或鍺的純凈晶體中，摻人少量的三價元素如硼或銦的雜質(zhì)原子。在硅中加進Ⅲ族元素(如硼)以后，一個硼原子在晶格中與周圍四個硅原子構(gòu)成共價健時，缺少一個價電子，因而很容易從別處奪來一個價電子自身電離成負離子，如圖2．7b所示。那么也就可以認為硼原子帶著一個很易電離的空穴，電離能為圖2．6 摻雜半導體能帶簡圖。在能帶圖中，這種雜質(zhì)局部能級接近于價帶頂Ev，價帶與雜質(zhì)局部能級之間的能量差值ΔEA，根據(jù)實驗結(jié)果，一般也不到0．1eV，熱運動動能就可使空穴跳至價帶。在室溫下硅中的Ⅲ族元素原子將全部電離，而向價帶提供了同等數(shù)量的空穴。在半導體中，從半導體接受電子的雜質(zhì)稱為受主。與之相應的能級稱為受主能級．用EA表示。這種雜質(zhì)半導體的導電機構(gòu)基本上決定于價帶中空穴的運動．所以稱為空穴型(p型)半導體。p型半導體中空穴濃度較純凈晶體中空穴濃度增加幾倍．所以也大大地減小了半導體的電阻。全部電離時，空穴濃度p≈NA，NA為受主濃度。實際半導體中．不同的雜質(zhì)和缺陷都可能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級，價帶中的電子先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導帶中去，比電子從價帶直接躍遷到導帶去來得容易。因而雖然有少量雜質(zhì)存在，卻會顯著地改