【正文】 能隙 ， 禁帶 ?E 能帶寬度： ?E～ eV N～ 1023時(shí) ， 則能帶中兩能級(jí)間距： ～ 1023eV 能帶的一般規(guī)律 ? 外層電子共有化程度顯著 ， 能帶較寬 (?E較大 ) ；內(nèi)層電子相應(yīng)的能帶很窄 。 這些新能級(jí)基本上連成一片 ， 形成 能帶(energy band)。 共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉(zhuǎn)移 ， 可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng) 。 電子共有化 電子共有化 (1)對(duì)能量 E1的電子 ? 勢(shì)能曲線表現(xiàn)為勢(shì)壘； 電子能量 勢(shì)壘高度 ? 且 E1較小 ， 勢(shì)壘較寬 ， 穿透概率??； 仍認(rèn)為 電子束縛在各自離子周圍 。 2. 半導(dǎo)體材料與理論 能帶理論 簡(jiǎn)單立方晶格 面心立方晶格 Au、 Ag、 Cu、 Al… 體心立方晶格 Li、 Na、 K、 Fe… 六角密排晶格 Be， Mg， Zn， Cd… 晶體： ? 有 規(guī)則對(duì)稱的幾何外形； ? 物理性質(zhì) (力 、 熱 、 電 、 光 … )各向異性 ； ? 有確定的熔點(diǎn)； ? 微觀 上 ， 分子 、 原子或離子呈有規(guī)則的周期性 排列 ， 形成 空間點(diǎn)陣 (晶格 )。 我國已成為世界重要的光伏工業(yè)基地之一 ， 初步形成一個(gè)以光伏工業(yè)為源頭的高科技光伏產(chǎn)業(yè)鏈 。 ?1980～ 1990年期間我國引進(jìn)國外太陽能電池關(guān)鍵設(shè)備 、成套生產(chǎn)線和技術(shù) ， 先后建立單晶硅電池生產(chǎn)企業(yè) ， 如寧波太陽能電源廠 、 開封半導(dǎo)體廠 、 云南半導(dǎo)體廠 、 秦皇島華美太陽電池廠等 。 ?1959年中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制成功第一片具有實(shí)用價(jià)值的太陽能電池 。 能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 預(yù)計(jì)未來世界太陽 ?2050年世界太陽能發(fā)電利用將占世界能源總能耗 30%~50%份額 。 ?2020年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 1200MW；德國Fraunhofer ISE多晶硅太陽能電池效率達(dá)到 %；非晶硅太陽能電池占市場(chǎng)份額 %， 降為 1999年的 1/3，CdTe占 %；而 CIS占 %。 ?1999年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 ；美國NREL的 M. A. Contreras等報(bào)道銅銦錫 （ CIS） 太陽能電池效率達(dá)到 %；非晶硅太陽能電池占市場(chǎng)份額%。 ?1995年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 ；光伏電池安裝總量達(dá)到 500MW。 ?1991年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 ；瑞士Gratzel教授研制的納米 TiO2染料敏化太陽能電池效率達(dá)到 7%。 ?1985年單晶硅太陽能電池售價(jià) 10USD/W；澳大利亞新南威爾土大學(xué) Martin Green研制單晶硅的太陽能電池效率達(dá)到 20%。 ?1981年名為 Solar Challenger的光伏動(dòng)力飛機(jī)飛行成功 。 太陽電池發(fā)展史 ?1974年日本推出光伏發(fā)電的 “ 陽光計(jì)劃 ” ； Tyco實(shí)驗(yàn)室生長第一塊 EFG晶體硅帶 ， 25mm寬 ， 457mm長 (EFG: Edge defined Film FedGrowth， 定邊喂膜生長 )。 ?1965年 Peter Glaser和 A. D. Little提出衛(wèi)星太陽能電站構(gòu)思 。 ?1960年 Hoffman電子實(shí)現(xiàn)單晶硅電池效率達(dá)到 14%。 太陽電池發(fā)展史 ?1956年 P. Pappaport， J. J. Loferski和 E. G. Linder發(fā)表 “ 鍺和硅 pn結(jié)電子電流效應(yīng) ” 的文章 。 ?1953年 Wayne州立大學(xué) Dan Trivich博士完成基于太陽光普的具有不同帶隙寬度的各類材料光電轉(zhuǎn)換效率的第一個(gè)理論計(jì)算 。 ? 1930年 B. Lang研究氧化亞銅 /銅太陽能電池 ， 發(fā)表“ 新型光伏電池 ” 論文； W. Schottky發(fā)表 “ 新型氧化亞銅光電池 ” 論文 。 ? 1883年美國發(fā)明家 Charles Fritts描述了第一塊硒太陽能電池的原理 。 至今為止 ， 太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)理沒有發(fā)生改變 。 1. 太陽電池發(fā)展史 太陽電池發(fā)展史 太陽能光伏發(fā)電最核心的器件 —— 太陽電池 。 從 1839年法國科學(xué)家 E. Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng) （ 簡(jiǎn)稱光伏現(xiàn)象 ） 算起 ， 太陽能電池已經(jīng)經(jīng)過了 160多年的漫長的發(fā)展歷史 。 太陽電池發(fā)展史 太陽電池后來的發(fā)展主要是薄膜電池的研發(fā) ，如非晶硅太陽電池 、 CIS太陽電池 、 CdTe太陽電池和納米燃料敏化太陽電池等 ， 此外主要的是生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步 ， 如絲網(wǎng)印刷 、 多晶硅太陽電池生產(chǎn)工藝的成功開發(fā) ， 特別是氮化硅薄膜的減反射和鈍化技術(shù)的建立以及生產(chǎn)工藝的高度自動(dòng)化等 。 太陽電池發(fā)展史 ? 1904年 Hallwachs發(fā)現(xiàn)銅與氧化亞銅 （ Cu/Cu2O） 結(jié)合在一起具有光敏特性；德國物理學(xué)家愛因斯坦（ Albert Einstein） 發(fā)表關(guān)于光電效應(yīng)的論文 。 太陽電池發(fā)展史 ?1932年 Audobert和 Stora發(fā)現(xiàn)硫化鎘 (CdS)的光伏現(xiàn)象 。 太陽電池發(fā)展史 ?1954年 RCA實(shí)驗(yàn)室的 伏現(xiàn)象 ， (RCA:Radio Corporation of America， 美國無線電公司 )。 ?1957年 Hoffman電子的單晶硅電池效率達(dá)到 8%； D. M. Chapin,C. S. Fuller和 G. L. Pearson獲得 “ 太陽能轉(zhuǎn)換器件 ” 專利權(quán) 。 ?1962年第一個(gè)商業(yè)通訊衛(wèi)星 Telstar發(fā)射 ， 所用的太陽能電池功率 14W。 ?1966年帶有 1000W光伏陣列大軌道天文觀察站發(fā)射 。 ?1977年世界光伏電池超過 500KW； D. E. Carlson和 C. R. Wronski在 W. E. Spear的 1975年控制 pn結(jié)的工作基礎(chǔ)上制成世界上第一個(gè)非晶硅 (aSi)太陽能電池 。 ?1982年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 。 ?1986年 6月 ， ARCO Solar 發(fā)布 G4000——— 世界首例商用薄膜電池 “ 動(dòng)力組件 ” 。 ?1992年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 。 太陽電池發(fā)展史 ?1996年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 。 太陽電池發(fā)展史 ?2020年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 399MW； X. Wu， R. G. Dhere， D. S. Aibin等報(bào)道碲化鎘 （ CdTe） 太陽能電池效率達(dá)到 %；單晶硅太陽能電池售價(jià)約為3USD/W。 預(yù)計(jì)未來世界太陽 ?2020年通過技術(shù)突破 ， 太陽能電池成本進(jìn)一步降低 ，在世界能源供應(yīng)中占有一定的份額；德國可再生能源發(fā)電達(dá)到 %。 ?2100年以煤 、 石油 、 天然氣為代表的化石能源基本枯竭 ， 人類主要利用太陽能 、 氫能 、 風(fēng)能 、生物質(zhì)能等潔凈可再生能源 。 ?1971年 3月在我國發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星 —— 科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)踐一號(hào)上首次應(yīng)用由天津電源研究所研制的太陽能電池 。 ?到 20世紀(jì) 80年代后期 ， 我國太陽能電池生產(chǎn)能力達(dá)到， 初步形成了我國太陽能電池產(chǎn)業(yè) 。 隨著我國 “ 可再生能源法 ” 的實(shí)施 ， 我國太陽能光伏發(fā)電將得到快速發(fā)展 。 電子共有化 周期性勢(shì)場(chǎng) (1) 孤立原子 (單價(jià) ) 電子所在處的電勢(shì)為 U， 電子的電勢(shì)能為 V。 ? 若 E1較大 (仍低于勢(shì)壘高度 )， 穿透概率較大 ， 由隧道 效應(yīng) ， 電子可進(jìn)入相鄰原子 。 ? 原子的外層電子 (高能級(jí) )， 勢(shì)壘穿透概率較大 ， 屬于共有化的電子 。 兩個(gè)氫原子靠近結(jié)合成分子時(shí) ， 1S能級(jí)分裂為兩條 。 ? 點(diǎn)陣間距越小 ， 能帶越寬 ， ?E越大 。 例如： 1s、 2s能帶 ， 最多容納 2Ｎ 個(gè)電子 2p、 3p能帶 ， 最多容納 6Ｎ 個(gè)電子 排布原則： 電子排布時(shí)，應(yīng)從最低的能級(jí)排起。 能帶結(jié)構(gòu) 晶體里的價(jià)電子從它們?cè)趩卧永锏哪芗?jí)分裂為價(jià)帶 ， 激發(fā)態(tài)能級(jí)則分裂為導(dǎo)帶 ， 一般晶體中每條能帶的寬度只與晶體中原子之間的結(jié)合狀況有關(guān) ， 與晶體中的原子數(shù)目無關(guān) ， 寬度一般為幾個(gè)電子伏特 。 ? 晶體加外電場(chǎng)時(shí) ， 電子只能在帶內(nèi)不同能級(jí)間交換 ，不能改變電子在能帶中的總體分布 。 … ? 價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶 。 所以 ， 空帶也是導(dǎo)帶 。 電子在能帶中的填充 1．滿帶（排滿電子） 2．未滿帶（能帶中一部分能級(jí)排滿電子） ? 亦稱 導(dǎo)帶 3．空帶（未排電子） ? 亦為 導(dǎo)帶 4．禁帶（不能排電子） ? ? ? 空帶 價(jià)帶 (非滿帶 ) 禁帶 Eg 導(dǎo)帶 禁帶 Eg ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 價(jià)帶 (滿帶 ) 導(dǎo)帶 E 總結(jié)： 導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體 太陽電池是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的一種具有能量轉(zhuǎn)換功能的半導(dǎo)體器件 。 導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體 它們的導(dǎo)電性能不同 ， 是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同 。 ? 當(dāng)外電場(chǎng)非常強(qiáng)時(shí) ， 電子有可能越過禁帶躍遷到上面的空帶中去形成電流 ， 這時(shí)絕緣體就被擊穿而變成導(dǎo)體了 。 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) (2) 導(dǎo)電機(jī)制 1. 電子導(dǎo)電 …… 半導(dǎo)體的載流子是電子 2. 空穴導(dǎo)電 …… 半導(dǎo)體的載流子是空穴 滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后 , 滿帶中出現(xiàn)一個(gè)空位 。 滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流，這稱為 空穴導(dǎo)電 。 載流子濃度隨溫度增高而增大 ,因此使電阻率變小 。 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) (1) N型半導(dǎo)體 四價(jià)的本征半導(dǎo)體 Si、 Ge等 ， 摻入少量五價(jià)的 雜質(zhì) 元素 (如 P、 As等 )形成 電子型半導(dǎo)體 ， 也稱 n型半導(dǎo)體 。 因向空帶供應(yīng)自由電子 ， 所以這種雜質(zhì)能級(jí)稱施主能級(jí) 。 Si Si Si Si Si Si Si + B 圖中在硅晶體中摻入少量的硼 ， 晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代 ， 硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子 ，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴 。 這種攙雜使?jié)M帶中空穴的濃度較純凈半導(dǎo)體的空穴濃度增加了很多倍 ， 從而使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng) 。 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 雜質(zhì)補(bǔ)償作用 實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度 nd）， 又有受主雜質(zhì)（濃度 na）， 若 nd?na—— 為 n型（施主） 若 nd?na—— 為 p型（受主） 利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用， 可以制成 PＮ結(jié)。 PN結(jié) PN結(jié) n型 p型 E阻PN結(jié)處電偶層的形成 n區(qū) (電子多 、 空穴少 )的電子向 p區(qū)擴(kuò)散 ， p區(qū) (空穴多 、 電子少 )的空穴向 n區(qū)擴(kuò)散 ， 在交界面處形成正負(fù)電荷的積累 ，交界處形成 電偶層 ， 此特殊結(jié)構(gòu)即為 pn結(jié) ， 厚度約為 107m (?m)。 pn 結(jié)也稱 勢(shì)壘區(qū) 。 空間電荷區(qū) 耗盡層 PN結(jié) PN結(jié)的形成 PN結(jié) 當(dāng)擴(kuò)散電流等于漂移電流時(shí) ，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 ， 形成 PN結(jié) 。 它們擴(kuò)散的結(jié)果就使 P區(qū)一邊失去空穴 ， 留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子 ,N區(qū)一邊失去電子 ，留下了帶正電的雜質(zhì)離子 。 在空間電荷區(qū) ，由于缺少多子 ， 所以也稱耗盡層 。 從 N區(qū)漂移到 P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來交界面上 P區(qū)所失去的空穴 ， 從 P區(qū)漂移到 N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來交界面上 N區(qū)所失去的電子 ， 這就使空間電荷減少 ， 因此 ， 漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄 。 文字總結(jié)： PN結(jié)的形成 PN結(jié) PN結(jié)處能帶的彎曲 空帶 空帶 0eU?施主能級(jí) 受主能級(jí) 滿帶 滿帶 PN結(jié) pn結(jié)的形成使其附近能帶的形狀發(fā)生了變化 。這一勢(shì)壘區(qū)也稱 阻擋層 (deplection zone) PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 由于 pn結(jié)處阻擋層的存在 ， 把電壓加到 pn結(jié)兩端時(shí) ， 阻擋層處的電勢(shì)差將發(fā)生變化 。 此時(shí) 與 同向 ， 阻擋層勢(shì)壘增大 、變寬 ， 不利于空穴向 n型區(qū) 、 電子向 p型區(qū)移動(dòng) 。 擊穿電壓 V (伏 ) 10 20 30 I（微安） 反向 20 30 由上可知 ， pn結(jié)可以作成具有整流 、 開關(guān)等作用的 晶體二極管 (diode)。 PN結(jié)的單向?qū)щ娦? PN結(jié)的伏安特性 正向特性 反向特性 反向擊穿 PN結(jié)的電流方程為 )1( ?? TUuS eIi其中， IS 為反向飽和