【正文】 能級。費(fèi)米能級在描述半導(dǎo)體的能級圖上是重要的參量。然而，空穴少于導(dǎo)帶的允許能級時(shí)，不依賴于載流子數(shù)而成為定值。另外，也有由于構(gòu)成元素蒸氣壓差過大等原因，造成即使摻入雜質(zhì)有時(shí)也得不到n、p兩種導(dǎo)電類型的情況。這種結(jié)合用很小的能量就可以破壞，而形成自由空穴，使半導(dǎo)體成為空穴過剩的P型半導(dǎo)體，可以接受電子的雜質(zhì)原子稱為受主雜質(zhì)。 n型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) p型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)把Ⅲ族元素（B、Al、Ga、In）作為雜質(zhì)摻入時(shí)，由于形成完整的共價(jià)鍵上缺少一個(gè)電子。在它的5個(gè)價(jià)電子除與相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵外，還多余1個(gè)價(jià)電子，與共價(jià)鍵相比，這個(gè)剩余價(jià)電子極松弛地結(jié)合于雜質(zhì)原子。自由電子位于導(dǎo)帶中，因此束縛于V族原子的多余電子位于低于導(dǎo)帶底的能量為E39。雜質(zhì)原子可通過兩種方式摻入晶體結(jié)構(gòu)：它們可以擠在基質(zhì)晶體原子間的位置上，這種情況稱它們?yōu)殚g隙雜質(zhì)；另一種方式是，它們可以替換基質(zhì)晶體的原子，保持晶體結(jié)構(gòu)中的有規(guī)律的原子排列，這種情況下，它們被稱為替位雜質(zhì)。 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和載流子的移動(dòng)、摻雜半導(dǎo)體 所示的能帶結(jié)構(gòu)中，當(dāng)禁帶寬度Eg比較小的情況下，隨著溫度上升，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的電子數(shù)增多，同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生同樣數(shù)目的空穴。這個(gè)空位可由價(jià)帶中鄰鍵上的電子來占據(jù)，而這個(gè)電子移動(dòng)所留下的新的空位又可以由其它電子來填補(bǔ)。另外，因?yàn)檫@個(gè)滿帶的電子處于各原子的最外層，是參與原子間結(jié)合的價(jià)電子，所以又把這個(gè)滿帶稱為價(jià)帶。允許帶不完全占滿的情況下，電子在很小的電場作用下就能移動(dòng)到離允許帶少許上方的另一個(gè)能級，成為自由電子，而使電導(dǎo)率變得很大，這種物質(zhì)稱為導(dǎo)體。這意味著，在低溫下，晶體的某一能級以下的所有可能能態(tài)都將被兩個(gè)電子占據(jù)，該能級稱為費(fèi)米能級（EF）。電子許可占據(jù)的能帶叫允許帶，允許帶與允許帶間不許可電子存在的范圍叫禁帶。金屬的電阻率不受光照影響，但是半導(dǎo)體的電阻率在適當(dāng)?shù)墓饩€照射下可以發(fā)生顯著的變化。金屬的電阻率隨溫度的變化則較小，例如銅的溫度每升高1000C，ρ增加40%左右。ρ163。半導(dǎo)體內(nèi)有少量的自由電子，在一些特定條件下才能導(dǎo)電。金屬之所以容易導(dǎo)電，是因?yàn)樵诮饘袤w內(nèi)有大量能夠自由運(yùn)動(dòng)的電子，在電場的作用下，這些電子有規(guī)則地沿著電場的相反方向流動(dòng)，形成了電流。第一章 太陽電池的工作原理和基本特性 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 半導(dǎo)體的性質(zhì)世界上的物體如果以導(dǎo)電的性能來區(qū)分，有的容易導(dǎo)電，有的不容易導(dǎo)電。自由電子的數(shù)量越多，或者它們在電場的作用下有規(guī)則流動(dòng)的平均速度越高，電流就越大。半導(dǎo)體可以是元素，如硅（Si）和鍺（Ge），也可以是化合物，如硫化鎘（OCLS）和砷化鎵（GaAs），還可以是合金，如GaxAL1xAs，其中x為01之間的任意數(shù)。107Wm），而金屬的電阻率則很小（約108~106Wm），絕緣體的電阻率則很大（約ρ179。電阻率受雜質(zhì)的影響顯著。半導(dǎo)體的許多電特性可以用一種簡單的模型來解釋。 原子間距和電子能級的關(guān)系在低溫時(shí)，晶體內(nèi)的電子占有最低的可能能態(tài)。隨著溫度的升高，一些電子得到超過費(fèi)米能級的能量，考慮到泡利不相容原理的限制，任一給定能量E的一個(gè)所允許的電子能態(tài)的占有幾率可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律計(jì)算，其結(jié)果是由下式給出的費(fèi)米－狄拉克分布函數(shù)f(E)，即現(xiàn)在就可用電子能帶結(jié)構(gòu)來描述金屬、絕緣體和半導(dǎo)體之間的差別。所謂半導(dǎo)體，即是天然具有和絕緣體一樣的能帶結(jié)構(gòu)，但禁帶寬度較小的物質(zhì)。圖中省略了導(dǎo)帶的上部和價(jià)帶的下部。這樣，我們可以看成是空位在依次地移動(dòng)，等效于帶正電荷的粒子朝著與電子運(yùn)動(dòng)方向相反的方向移動(dòng)，稱它為空穴。這個(gè)過程叫電子—空穴對的產(chǎn)生，把在室溫條件下能進(jìn)行這樣成對的產(chǎn)生并具有一定電導(dǎo)率的半導(dǎo)體叫本征半導(dǎo)體，它只能在極純的材料情況下得到的。周期表中Ⅲ族和V族原子在硅中充當(dāng)替位雜質(zhì)，（如磷）替換了一個(gè)硅原子的部分晶格。的地方，如圖（(a）所示那樣。因此，只要雜質(zhì)原子得到很小的能量，就可以釋放出電子形成自由電子，而本身變成1價(jià)正離子，但因受晶格點(diǎn)陣的束縛，它不能運(yùn)動(dòng)。n型半導(dǎo)體中，除存在從這些施主能級產(chǎn)生的電子外，還存在從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的電子。所以，就從相鄰的硅原子中奪取一個(gè)價(jià)電子來形成完整的共價(jià)鍵。這種情況下，多數(shù)載流子為空穴，少數(shù)載流子為電子。半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子的濃度各自達(dá)到平衡值。復(fù)合率正比于載流子濃度n與p的乘積，比例系數(shù)r表示復(fù)合幾率。所謂費(fèi)米能級，即為電子占據(jù)幾率為1/2處的能級，可根據(jù)半導(dǎo)體電中性條件求出，即自由空穴濃度+電離施主濃度=自由電子濃度+電離受主濃度 ()費(fèi)米能級在本征半導(dǎo)體中幾乎位于禁帶中央，而在n型半導(dǎo)體中靠近導(dǎo)帶。一、漂移在外加電場ζ的影響下，一個(gè)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的自由電子在與電場相反的方向上有一個(gè)加速度a=ζ/m，在此方向上，它的速度隨時(shí)間不斷地增加。導(dǎo)帶內(nèi)電子的漂移速度由下式得出： ()（如果tr是對所有的電子速度取平均，則去掉系數(shù)2）。然而，電離了的摻雜劑是有效的散射體，因?yàn)樗鼈儙в袃綦姾?。電場?qiáng)度的提高，最終將使載流子的漂移速度增加到可與無規(guī)則熱速度相比。象氣體分子那樣的任何粒子過分集中時(shí)，若不受到限制，它們就會(huì)自己散開。同樣對于空穴，有 ()從根本上講，漂移和擴(kuò)散兩個(gè)過程是有關(guān)系的，因而，遷移率和擴(kuò)散常數(shù)不是獨(dú)立的，它們通過愛因斯坦關(guān)系相互聯(lián)系，即 和 ()kT/q是在與太陽電池有關(guān)的關(guān)系式中經(jīng)常出現(xiàn)的參數(shù)，它具有電壓的量綱，室溫時(shí)為26mv。半導(dǎo)體的光吸收由各種因素決定，這里僅考慮到在太陽電池上用到的電子能帶間的躍遷。 直接帶隙半導(dǎo)體的能量－晶體動(dòng)量圖 間接帶隙半導(dǎo)體的能量－晶體動(dòng)量圖硅屬于間接躍遷類型，其吸收系數(shù)上升非常平緩，所以在太陽光照射下，光可到達(dá)距表面20mm以上相當(dāng)深的地方，在此還能產(chǎn)生電子一空穴對。由于一部分光在半導(dǎo)體表面被反射掉，因此，進(jìn)入內(nèi)部的光實(shí)際上等于扣除反射后所剩部分。如果切斷光源，則載流子濃度就衰減到它們平衡時(shí)的值。占據(jù)比熱平衡時(shí)更高能態(tài)的電子有可能躍遷到空的低能態(tài)，其全部（或大部分）初末態(tài)間的能量差以光的方式發(fā)射。由于光吸收和這種復(fù)合過程之間的關(guān)系，由半導(dǎo)體的吸收系數(shù)能夠計(jì)算出B。1015cm3/s。三、俄歇復(fù)合在俄歇（Auger）效應(yīng)中，電子與空穴復(fù)合時(shí)，將多余的能量傳給第二個(gè)電子而不是發(fā)射光。由于第二項(xiàng)的影響，高摻雜材料中俄歇復(fù)合尤其顯著。（a）所示，在此過程中，電子從導(dǎo)帶能級弛豫到缺陷能級，然后再弛豫到價(jià)帶，結(jié)果與一個(gè)空穴復(fù)合。當(dāng)缺陷能級位于禁帶間中央附近時(shí)，就出現(xiàn)這種情況。因此由上面所敘述的機(jī)構(gòu)，在表面處，復(fù)合很容易發(fā)生。這些方程的解使我們能夠確定包括太陽電池在內(nèi)的大部分半導(dǎo)體器件的理想特性。在半導(dǎo)體中，r值為 ()式中，p和n是空穴和電子的濃度，ND+和NA分別是已電離的施主和受主的濃度。連續(xù)方程 推導(dǎo)電子連續(xù)方程用的單元體積、橫截面積為A的單元體積，可以說這個(gè)體積中電子的凈增加幾率等于它們進(jìn)入的速率減去它們出去的速率，加上該體積中它們的產(chǎn)生率，減去它們的復(fù)合率，寫成方程為：進(jìn)入速率－出去速率＝ ()產(chǎn)生率－復(fù)合率＝ ()式中G是由于外部作用（如光照）所一引起的凈產(chǎn)生率，U是凈復(fù)合率。通過這個(gè)空間電荷區(qū)的作用，使費(fèi)米能級成同一水平，達(dá)到平衡狀態(tài)。對于電子也可做同樣的論述。當(dāng)存在外加電壓時(shí)，空間電荷區(qū)的n區(qū)邊界和p區(qū)邊界的空穴濃度pn及電子濃度np如下： ()當(dāng)加正向電壓時(shí)V0，加反向電壓時(shí)V0。稱J0為飽和電流密度。太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是結(jié)的光生伏特效應(yīng)。此時(shí)，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個(gè)電流稱作短路電流，另一方面，若將PN結(jié)兩端開路，則由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)的費(fèi)米能級比P區(qū)的費(fèi)米能級高，在這兩個(gè)費(fèi)米能級之間就產(chǎn)生了電位差VOC。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的PN結(jié)組成。（暗電流）。通過調(diào)整負(fù)載的大小，可以在一個(gè)最佳的工作點(diǎn)上得到最大輸出功率。并假設(shè)除負(fù)載電阻R外，電路中無其它電阻成分。這時(shí)電子及空穴將總的hν Eg（ev）的多余能量以聲子（晶格振動(dòng)）的形式傳給晶格。這時(shí)，電子失去相當(dāng)于空間電荷區(qū)的電位高度及導(dǎo)帶底和費(fèi)米能級之間電位差的能量。流過負(fù)載電阻的電子到達(dá)p型硅表面電極處，在P型硅中成為過剩載流子，于是和被掃出來的空穴復(fù)合，形成光電流太陽電池的短路電流等于其光生電流。AM表示入射到地球大氣的太陽直射光所通過的路程長度，定義為 ()式中： b0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓b——測定時(shí)的大氣壓Z——太陽天頂距離一般情況下，b 187。這個(gè)薄膜層稱為減反射膜（Antireflective coating）。以硅電池為例，因?yàn)樵诳梢姽庵良t外光范圍內(nèi)，硅的折射率為n2 = ~，使式（）為零，則n1的值（， n0＝1）163。d1163。）、Al2O3(n1187。將具有不同折射率的氧化膜重疊二層，在滿足一定的條件下，就可以在更寬的的波長范圍內(nèi)減少折射率。而當(dāng)有較強(qiáng)的陽光時(shí)，VOC則與入射光的強(qiáng)度的對數(shù)成正比。在恒定光照下，一個(gè)處于工作狀態(tài)的太陽電池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可把它看作是恒流源。在等效電路中，可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻RS來表示。當(dāng)負(fù)載RL從0變化到無窮大時(shí)，輸出電壓V則從0變到VOC，同時(shí)輸出電流便從ISC變到0，由此得到電池的輸出特性曲線。載流子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的增高而增大，所以少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度也隨溫度的升高稍有增大，因此，光生電流JL也隨溫度的升高有所增加。但是在外層空間存在著高能粒子，如電子、質(zhì)子、g粒子等。一、 禁帶亮度VOC隨Eg的增大而增大，但另一方面，JSC隨Eg的增大而減小。對于Si，溫度每增加1176。C時(shí)，效率僅為12％。在間接帶隙半導(dǎo)體材料如Si中，離結(jié)100mm處也產(chǎn)生相當(dāng)多的載流子，所以希望它們的壽命能大于1ms。在加工過程中，適當(dāng)而且經(jīng)常進(jìn)行工藝處理，可以使復(fù)合中心移走，因而延長壽命。五、摻雜濃度及剖面分布對VOC有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。既然（Nd）eff和（Na）eff顯現(xiàn)出峰值，那么用很高的Nd和Na不會(huì)再有好處，特別是在高摻雜濃度下壽命還會(huì)減小。當(dāng)Nd和Na或（Nd）eff和（Na）eff不均勻且朝著結(jié)的方向降低時(shí)，就會(huì)建立起一個(gè)電場，其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改善了ISC。一種稱為背表面場（BSF）電池設(shè)計(jì)為，在沉積金屬接觸之前，電池的背面先擴(kuò)散一層P＋附加層。如果Wp+與Ln+能比擬，且N+aNa，則Sn可以估計(jì)零，Sn對JSC、。不過通常情況下，串聯(lián)電阻主要來自薄擴(kuò)散層。為了使ISC最大，金屬柵占有的面積應(yīng)最小。使用減反射膜可降低反射率。在照明條件下，它們的IV曲線沿電流軸平移，接上負(fù)載后，該器件在正電壓和正電流象限工作，給負(fù)載提供功率。太陽電池若用Eg大的材料做成，則具有較高的開路電壓?！?，可望達(dá)到最高效率。相應(yīng)地，研制了生產(chǎn)滿足空間電池的標(biāo)準(zhǔn)電池工藝流程。其基本工藝可以歸納為下列步驟：１、砂子還原成治金級硅２、治金級硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級硅３、半導(dǎo)體級硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杵?、硅片制成太陽電池５、太陽電池封裝成電池組件 硅材料的制備與選取硅是地球外殼第二位最豐富的元素，提煉硅的原料是ＳiO２。多晶硅經(jīng)過區(qū)熔法（Ｆｚ）和坩堝直拉法（ＣＧ）制成單晶硅棒。降低太陽電池的成本決定于硅材料成本的降低。人們研制、生產(chǎn)太陽電池級硅（ＳＯＧ——Ｓｉ）。也由于該種材料易得。反而使開路電壓降低，并且導(dǎo)致填充因子下降。 單體電池的制造硅單體太陽電池的主要制造工藝主要包包括表面準(zhǔn)備、擴(kuò)散制結(jié)、制作電極和減反射膜幾道工序，下面分別作一敘述：硅片的表面準(zhǔn)備是制造硅太陽電池的第一步主要工藝，它包括硅片的化學(xué)清洗和表面腐蝕。如硫酸、王水、酸性和堿性過氧化氫溶液等。而氫氟酸使在硅表面形成的二氧化硅不斷溶解，使反應(yīng)不斷進(jìn)行，其反應(yīng)為生成的絡(luò)合物六氟硅酸溶于水，通過調(diào)整硝酸和氫氟酸的比例，溶液的溫度可控制腐蝕速度，如在腐蝕液中加入醋酸作緩沖劑，可使硅片表面光亮。 硅片在不同濃度NaOH溶液中的腐蝕速率堿腐蝕的硅片表面雖然沒有酸腐蝕光亮平整，但制成的電池性能完全相同，目前，國內(nèi)外在硅太陽電池生產(chǎn)中的應(yīng)用表明，堿腐蝕液由于成本較低，對環(huán)境污染較小，是較理想的硅表面腐蝕液，另外堿腐蝕還可以用于硅片的減薄技術(shù)，制造薄型硅太陽電池。各向異性腐蝕即腐蝕速度隨單晶的不同結(jié)晶方向而變化，一般說來，晶面間的共價(jià)健密度越高，也就越難腐蝕。C左右，為了獲得均勻的絨面，還應(yīng)在溶液中添加醇類（如無水乙醇或異丙醇等）作為絡(luò)合劑，加快硅的腐蝕。擴(kuò)散是物質(zhì)分子或原子運(yùn)動(dòng)引起的一種自然現(xiàn)象，熱擴(kuò)散制p—n結(jié)法為用加熱方法使V族雜質(zhì)摻入P型或Ⅲ族雜質(zhì)摻入n型硅。簡單涂源擴(kuò)散是用一、二滴五氧化二磷或三氧化二硼在水（或乙醇）中稀溶液，預(yù)先滴涂于p型或n型硅片表面作雜質(zhì)源與硅反應(yīng)，生成磷或硼硅玻璃。該方法成本低廉，適宜于小批量生產(chǎn)涂源擴(kuò)散工藝的主要控制因素是擴(kuò)散溫度，擴(kuò)散時(shí)間和雜質(zhì)源濃度，最佳擴(kuò)散條件常隨硅片的性質(zhì)和擴(kuò)散設(shè)備而變化。二氧化硅乳膠可在硅酸乙酯中加水和無水乙醇經(jīng)過水解而成，也可將四氯化硅通入醋酸后加乙醇制得。C擴(kuò)散時(shí)間 15～60min則可使方塊電阻為10～40W/□。先通入大流量的氮?dú)猓?00～1000ml/min），驅(qū)除管道內(nèi)氣體。通源時(shí)間10～15min。片狀氮化硼可用高純氮化硼棒切割成和硅片大小一樣的薄片，也可用粉狀氮化硼沖壓成片。 擴(kuò)散方法 比 較簡單涂布