【正文】 能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。由價帶電子得到光的能量躍遷到導(dǎo)帶的過程決定的光的吸收稱為本征或固有吸收。當(dāng)外加電壓使得n區(qū)為正時，勢壘高度增加，載流子的移動就變得困難，幾乎沒有電流流過（此時稱為反向）。當(dāng)p型，n型單獨存在時，（a）所示，分別位于介帶和導(dǎo)帶附近.一旦形成pn結(jié)，由于結(jié)兩邊的電子和空穴的濃度不同，電子就強烈地要從n區(qū)向p區(qū)擴散，空穴則要向相反方向擴散，其結(jié)果在n型一邊出現(xiàn)正電荷，在p型一邊出現(xiàn)負電荷，這兩種電荷層在半導(dǎo)體內(nèi)部建立了一個內(nèi)建電場，這個電場反過來又在結(jié)處產(chǎn)生一個內(nèi)部電位降，阻擋了電子和空穴的進一步擴散，包含這兩種電荷層的空間稱為耗盡區(qū)或空間電荷區(qū)。r為電荷密度。（b）所示，在表面處存在許多能量位于禁帶中的允許能態(tài)。這些缺陷能級引起一種很有效的兩級復(fù)合過程。但對硅來說，其它的復(fù)合機構(gòu)遠比這重要得多。總的輻射復(fù)合速率RR與導(dǎo)帶中占有態(tài)（電子）的濃度和價帶中未占有態(tài)（空穴）的濃度的乘積成正比，即 ()式中，B對給定的半導(dǎo)體來說是一個常數(shù)。因此，光照射時材料的載流子濃度將超過無光照時的值。光為價帶電子提供能量，使它躍遷到導(dǎo)帶，在躍遷過程中，能量和動量守恒，對沒有聲子參與的情況，即不伴隨有動量變化的躍遷稱為直接躍遷，而伴隨聲子的躍遷稱為間接躍遷。因為電流與荷電粒子流成正比，所以對應(yīng)于電子的一維濃度梯度的電流密度是 ()其中De是擴散常數(shù)。重摻雜時，這個影響就得不太顯著，因為此時電離了的摻雜劑是有效的載流子的散射體。此速度通常要比電場給與的速度大得多，在兩次碰撞之間由電場所引起的電子平均速度的增量稱為漂移速度。費米能級在描述半導(dǎo)體的能級圖上是重要的參量。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)有時也得不到n、p兩種導(dǎo)電類型的情況。 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，由于形成完整的共價鍵上缺少一個電子。它的5個價電子除與相鄰的硅原子形成共價鍵外，還多余1個價電子，與共價鍵相比，這個剩余價電子極松弛地結(jié)合于雜質(zhì)原子。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)。這個空位可由價帶中鄰鍵上的電子來占據(jù)，而這個電子移動所留下的新的空位又可以由其它電子來填補。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到離允許帶少許上方的另一個能級，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。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。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。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。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)。電阻率受雜質(zhì)的影響顯著。 原子間距和電子能級的關(guān)系在低溫時，晶體內(nèi)的電子占有最低的可能能態(tài)。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)。這樣，我們可以看成是空位在依次地移動，等效于帶正電荷的粒子朝著與電子運動方向相反的方向移動，稱它為空穴。周期表中Ⅲ族和V族原子在硅中充當(dāng)替位雜質(zhì)，（如磷）替換了一個硅原子的部分晶格。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價正離子，但因受晶格點陣的束縛，它不能運動。所以，就從相鄰的硅原子中奪取一個價電子來形成完整的共價鍵。半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子的濃度各自達到平衡值。所謂費米能級，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。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）。電場強度的提高，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。同樣對于空穴，有 ()從根本上講，漂移和擴散兩個過程是有關(guān)系的，因而，遷移率和擴散常數(shù)不是獨立的，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，室溫時為26mv。 直接帶隙半導(dǎo)體的能量－晶體動量圖 間接帶隙半導(dǎo)體的能量－晶體動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。如果切斷光源，則載流子濃度就衰減到它們平衡時的值。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)能夠計算出B。三、俄歇復(fù)合在俄歇（Auger）效應(yīng)中，電子與空穴復(fù)合時，將多余的能量傳給第二個電子而不是發(fā)射光。（a）所示，在此過程中，電子從導(dǎo)帶能級弛豫到缺陷能級，然后再弛豫到價帶，結(jié)果與一個空穴復(fù)合。因此由上面所敘述的機構(gòu)，在表面處，復(fù)合很容易發(fā)生。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。通過這個空間電荷區(qū)的作用，使費米能級成同一水平，達到平衡狀態(tài)。當(dāng)存在外加電壓時，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V0，加反向電壓時V0。太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是結(jié)的光生伏特效應(yīng)。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的PN結(jié)組成。通過調(diào)整負載的大小，可以在一個最佳的工作點上得到最大輸出功率。這時電子及空穴將總的hν Eg（ev）的多余能量以聲子（晶格振動）的形式傳給晶格。流過負載電阻的電子到達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。這個薄膜層稱為減反射膜（Antireflective coating）。d1163。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。在恒定光照下，一個處于工作狀態(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。當(dāng)負載RL從0變化到無窮大時，輸出電壓V則從0變到VOC，同時輸出電流便從ISC變到0，由此得到電池的輸出特性曲線。但是在外層空間存在著高能粒子，如電子、質(zhì)子、g粒子等。對于Si，溫度每增加1176。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。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。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，就會建立起一個電場，其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改善了ISC。如果Wp+與Ln+能比擬，且N+aNa，則Sn可以估計零，Sn對JSC、。為了使ISC最大，金屬柵占有的面積應(yīng)最小。在照明條件下，它們的IV曲線沿電流軸平移，接上負載后，該器件在正電壓和正電流象限工作，給負載提供功率?！?，可望達到最高效率。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础⒐杵瞥商栯姵兀?、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。降低太陽電池的成本決定于硅材料成本的降低。也由于該種材料易得。 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備、擴散制結(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。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。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，晶面間的共價健密度越高，也就越難腐蝕。擴散是物質(zhì)分子或原子運動引起的一種自然現(xiàn)象，熱擴散制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。該方法成本低廉，適宜于小批量生產(chǎn)涂源擴散工藝的主要控制因素是擴散溫度，擴散時間和雜質(zhì)源濃度，最佳擴散條件常隨硅片的性質(zhì)和擴散設(shè)備而變化。C擴散時間 15～60min則可使方塊電阻為10～40W/□。通源時間10～15min。 擴散方法 比 較簡單涂布源擴散設(shè)備簡單，操作方便。擴散硅片表面狀態(tài)好，ｐ—ｎ結(jié)面平整，均勻性，重復(fù)性較好，工藝成熟。目前，工業(yè)化生產(chǎn)用等離子干法腐蝕，在輝光放電條件下通過氟和氧交替對硅作用，去除含有擴散層的周邊。前兩種去除背結(jié)的方法，對于ｎ＋／ｎ和Ｐ＋／ｎ型電池都適用，蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法僅適用于n+/p型太陽電池制作工藝。 硅合金過程示意圖 鋁硅相圖背結(jié)能否燒穿與下列因素有關(guān)，基體材料的電阻率，背面擴散層的摻雜濃度和厚度，背面蒸鍍或印刷鋁層的厚度，燒結(jié)的溫度，時間和氣氛等因素。掩膜由線切割機，光刻加工或激光加工的不銹鋼箔或鈹銅箔制成。這種單電池的最大輸出功率可由ABJmpVmp得到，式中AB為單電池的面積，Jmp和Vmp分別為最大功率點的電流密度和電壓。S是柵線的線距。于是，最佳值由下面條件給出，即即： 實際上，不可能得到這個最佳值，在特定的條件下，要保持產(chǎn)品有較高的成品率，WF及S的最小值均受到工藝條件的限制。光照射到平面的硅片上，其中一部分被反射，即使對絨面的硅表面，由于入射光產(chǎn)生多次反射而增加了吸收，但也有約11%的反射損失。 減反射膜的硅表面反射的正常入射光的百分比與波長的關(guān)系減反射膜的厚度的選取使得波長在600nm處產(chǎn)生最小的反射。（3） 有足夠的機械強度，能經(jīng)受在運輸、安裝和使用過程中發(fā)生的沖突，振動及其它應(yīng)力。 全膠密封太陽電池組件示意圖1－硅太陽電池；2－粘接劑；3－電極引線；4－下底板；5－互連條。（4）能適用自動化的組件封裝一般為鋼化玻璃、鋁合金、有機玻璃、TPF等。坎德拉是一光源在給定的方向上的光強度，該光源發(fā)出頻率為540180。地面上比較常見的輻射照度是在600~900 w/m2范圍內(nèi)，除了輻照度數(shù)值范圍以外，太陽輻射的特點之一是其均勻性，這種均勻性保證了同一太陽電池方陣上各點的輻照度相同。原因是這種情況在地面上比較有代表性。因此比較適合于制造小面積太陽模擬器，脈沖式太陽模擬器在工件時并不連續(xù)發(fā)光，只在很短的時間內(nèi)（通常是毫秒量級以下）以脈沖形式發(fā)光。因此經(jīng)反射后紅外線大大減弱而其它光線卻成倍增加。從電路來考慮是它需要一套復(fù)雜而比較龐大的電源及起輝裝置。輻照不穩(wěn)定度按下式計算輻照不穩(wěn)定度＝177。使用模擬陽光，光譜取決于電光源的種類及濾光、反光系統(tǒng)。C。標準測試溫度允許差為+2176。為了減少光譜失配誤差，模擬陽光的光譜應(yīng)盡量接近標準陽光光譜，或選用和被測量電池光譜響應(yīng)基本相同的標準太陽電池。(λ)的相對偏差：即 由上述容易看到，在兩種特殊情況下光譜失配誤差消失：一種情況是太陽模擬器的光譜和標準太陽光譜完全一致，另一種情況是被測太陽電池的光譜響應(yīng)和標準太陽電池的光譜響應(yīng)完全一致。脈沖氙燈：脈沖式太陽模擬選用各種脈沖氙燈作為光源，這種光源的特點是能在短時間內(nèi)發(fā)出比一般光源強若干倍的強光，而且光譜特性比穩(wěn)態(tài)氙燈更接近于日光。因此目前簡易型太陽模擬器多數(shù)采用冷光燈。其缺點是由于測試工作在極短的時間內(nèi)進行，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，在大面積太陽電池組件測量時，目前一般都采用脈沖式太陽模擬器，用計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理。地面上的情況則不同，一部分太陽光直接從太陽照射下來，而另一部分則來自大氣層或周圍環(huán)境的散射，前者稱為直接輻射，后者稱為天空輻射。在地面上，由于太陽光透過大氣層后被吸收掉一部分，這種吸收和大氣層的厚度及組成有關(guān)，因此是選擇性吸收，結(jié)果導(dǎo)致非常復(fù)雜的光譜分布。光通量的單位是流明（lm），它用來計量所發(fā)出的總光量，發(fā)光強度為1cd的點光源，向周圍空間均勻發(fā)出4p流明的光能量。邊框為粘結(jié)劑構(gòu)成對組件邊緣的密封。在組件中它是一項易被忽視但在實用中是決不能輕視的部件。（5） 組合成本低。商品化太陽電池中使用的一些減反射膜材料的折射率如下表。從第二個界面返回到第一個界面的反射光與第一個界面的反射光相位差180176。若把柵線寬度WF取作在特定工藝條件下的最小值，則對應(yīng)于這個最小的S值能夠用漸近法求出，對某個設(shè)定值S39。對于硅電池來說，在一個太陽下工作時，接觸電阻損耗一般不是主要問題。圖中也表示出這個設(shè)計的對稱性。目前，該工藝已走向成熟，使線條的寬度可降到50mm，高度達到10～20mm。習(xí)慣上把制作在電池光照面上的電極稱為上電極。C）以上燒結(jié)合金（）?；瘜W(xué)腐蝕是一種比較早使用方法，該方法可同時除去背結(jié)和周邊的擴散層，因此可省去腐蝕周邊的工序。擴散過程中，在硅片的周邊表面也形成了擴散層。擴散硅片中表面狀態(tài)欠佳，ｐ—ｎ結(jié)面不太平整，對于大面積硅片薄層電阻值相差較大。（5）把石英舟拉至爐口降溫５分鐘，取出擴散好的硅片，硼液態(tài)源