太阳能光伏发电的半导体物理学原理简介

太阳能电池是一种能直接把太阳能转化为电能的电子器件，基于半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应指入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。发生这种效应需要两个条件，首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高能级；第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路，在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能光电转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池都是采用半导体材料制备的，而且建立在半导体PN结光电转化基础上的。因此，了解太阳能光伏发电的工作原理，需要熟悉半导体器件物理的一些基本知识。本部分主要介绍半导体材料的基本表征，包括能带机构、导电性、半导体的导电机理、载流子的浓度、载流子的运输、非平衡载流子的寿命与复合和半导体的吸收系数，再介绍了半导体PN结的能带结构，在此基础上介绍了太阳能电池的结构、基本原理和基本特性。

一、半导体物理基础

1.能带结构和导电性

半导体的导电特性基本可以用一种简单的模型来解释。硅是四价元素，每个原子的最外层上有4个价电子，在硅晶体中每个硅原子有4个硅原子相邻，组成正四面体结构，如图11-1所示。硅原子之间靠共价键结合，即共用一对价电子。

（1）能带结构。

①电子的公有化。

对单个原子的电子而言，电子围绕原子核按层分布，每层电子的能量是固定的，电子占据一组分立的能级。在规则整齐排列的晶体中，当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠，晶体中每个原子的电子同时受到多个原子核和电子的作用。由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个电子所有的现象，称为电子共有化。

②能带。

晶体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级，分裂成N条靠得很近的能级，称为能带。如图11-2所示。

图11-1　硅原子的正四面体结构

图11-2　能带的形成

晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某条能级上。允许电子存在的一系列准连续的能量状态叫允带，允带与允带间禁止电子存在的范围叫禁带。如图11-2所示。

③能带中的电子排布。

能带中的电子排布遵从泡利不相容原理和能量最小原理。设孤立原子的一个能级E，它最多能容纳2（2l+1）个电子。假设这个能级分裂成由N条能级组成的能带后，能带最多能容纳2N（2l+1）个电子。电子排布时应该从最低的能级开始。

④满带、导带、空带。

能带中各能级都被电子填满的称为满带，满带中的电子不导电。

被电子部分填充的能带称为导带。价电子能级分裂后形成的能带称为价带。有的晶体的价带是导带，有的晶体的价带可能是满带。

所有能级均为被电子填充的能带为空带，空带不导电。

（2）导体、半导体和绝缘体。

电导现象随电子填充允带方式的不同而不同，现在就可用电子能带结构来描述金属、绝缘体和半导体之间的差别。

①导体。

从能带结构上看，能带有两种情形：第一种，没有满带，包括导带和空带不重叠；导带和空带重叠；第二种，有满带，但满带和空带重叠。如图11-3所示。

从能带结构图上还可以看出，价带被电子部分占满，电子可以在晶体中自由运动。在外电场的作用下，大量的共有化电子很容易获得能量，从低能级跃迁到高能级，集体的定向流动形成电流，显出很强的导电能力。

图11-3　导体的能带结构

②绝缘体。

在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以不能形成电流。

图11-4　绝缘体的能带结构

图11-5　半导体的能带结构

从图11-4可以看出，禁带很宽，一般情况下，共有化电子从热激发中得到的能量不足以使其从低能级的满带跃迁到高能级的空带上。

③半导体。

所谓半导体，具有和绝缘体类似的能带结构，但禁带宽度比较窄，价带填满电子，所以绝对零度不导电。常温下，部分价带电子被激发到空带，形成有少数电子填充的导带和留有少数空穴的价带，都能导电。能带结构如图11-5所示。

禁带宽度的存在，被激发的电子少于导体中的自由电子，导电能力比导体差。

2.半导体的导电机制

（1）本征半导体。

本征半导体是纯净的不含杂质的半导体，导电性能介于导体与绝缘体之间。在图11-5所示的能带结构中，禁带宽度Eg比较小，升高温度、接受光照或者加上电场，满带的电子接受能量后被激发到空带，满带上的一个电子跃迁到空带，满带中失去了一个电子后出现一个空位，相对于产生了一个带正电的粒子，称为空穴，把电子抵消了。空带的电子数增多，同时在价带产生同样数目的“空穴”。

在电场的作用下，电子和空穴都可参与导电，将它们称作本征载流子，这与金属导体导电有很大的区别。

电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴，电子和空穴是成对产生的，这种电子-空穴对的产生过程叫做本征激发。

（2）杂质半导体。

在纯净的半导体中适当掺入杂质，可提高半导体的导电能力，同时改变了半导体的导电机制。

根据掺入杂质的不同，杂质半导体分为N型（电子型）半导体和P型（空穴型）半导体。

①n型半导体。

在本征半导体硅（Si）或锗（Ge）中，掺入少量五价元素（如P、As等）形成N型半导体。

图11-6　P原子替代硅原子的硅晶格

图11-7　n型半导体的能带结构

图11-6表示一个V族杂质原子（如磷原子）替代一个硅原子的部分晶格。磷原子的5个价电子除与相邻的硅原子形成共价键外，还多余1个价电子，与共价键相比，这个剩余价电子极松弛地结合于杂质原子，不在价带内。因此，只要杂质原子得到很小的能量，就可以释放出电子形成自由电子，而本身变成1价正离子，但因受晶格点阵的束缚，不能运动，最终形成电子过剩的n型半导体。这类可以向半导体提供自由电子的杂质称为施主杂质。

其能带结构如图11-7所示。杂质原子中多余的电子的能级在禁带中，而且紧靠空带，杂质价电子很容易向空带跃迁，因而施主能级向空带供应自由电子，除此之外，还存在从价带激发到导带的电子。由于这个过程是电子-空穴成对产生的，因此，也存在相同数目的空穴。我们把数量多的电子称为多数载流子，将数量少的空穴称为少数载流子。

即使掺杂浓度很低，但也会使空带中的自由电子的浓度比同等条件下本征半导体空带中的自由电子浓度大很多倍，从而显著增强了半导体的导电特性。

总之，N型半导体的多子是自由电子，少子是空穴。

②P型半导体。

在本征半导体硅（Si）或锗（Ge）中，掺入少量三价元素（如B、Al等）形成P型半导体。

图11-8表示一个Ⅲ族杂质原子（如磷原子）替代一个硅原子的部分晶格。B原子有3个价电子，由于形成完整的共价键上缺少一个电子，就从相邻的硅原子中夺取一个价电子来形成完整的共价键。被夺走的电子留下一个空位，成为空穴。而本身称为1价负离子的同时，提供了束缚不紧的空穴。这种结合用很小的能量就可以破坏，而形成自由空穴，使半导体成为空穴过剩的P型半导体，这类可以接受电子的杂质称为受主杂质。

其能带结构如图11-9所示。掺杂后多余的空穴的能级在禁带中，而且紧靠满带，满带中的电子很容易跃迁到此杂质能级，使满带中产生空穴。因而受主能级接受满带提供的自由电子。

图11-8　B原子替代硅原子的硅晶格(www.xing528.com)

图11-9　P型半导体的能带结构

即使掺杂浓度很低，但也会使满带中的空穴的浓度比同等条件下本征半导体的空穴的浓度增大很多倍，从而显著增强了半导体的导电特性。

总之，P型半导体的多子是空穴，少子是自由电子。

（3）杂质的补偿作用。

实际的半导体中既有施主杂质（假设浓度为nd），也有受主杂质（假设浓度为na），两种杂质有补偿作用。

如果nd＞na，则半导体的类型为N型；

如果nd＜na，则半导体的类型为P型。

3.载流子的浓度

（1）本征半导体的载流子浓度。

在大于绝对零度时，本征半导体就有电子从价带激发到导带去，同时价带中产生空穴，这是本征激发。因为自由电子和空穴是成对出现的，导带中的自由电子浓度应等于价带中的空穴浓度。表11-1为室温下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度。

表11-1　300K下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度

（2）杂质半导体的载流子浓度。

通常，在室温下所有的杂质都已经电离，一个杂质原子可以提供一个载流子。假设掺入半导体的杂质浓度远大于本征激发产生的载流子浓度。

N型半导体的载流子浓度　n≈Nd（Nd为施主杂质浓度）

P型半导体的载流子浓度　n≈Na（Na为受主杂质浓度）

4.载流子的传输

半导体中的载流子传输运动包括漂移运动和扩散运动。

漂移运动：在外电场的作用下，半导体中的载流子要顺着或逆着电池方向运动。漂移速度是载流子做定向运动的速度，大小不一，通常取平均值。

扩散运动：无规则热运动而引起粒子由高浓度处向低浓度处有规则的输运。扩散运动只与浓度差有关，和浓度大小没有关系；是粒子的有规则运动，但又与粒子的无规则运动密切相关。对于一块均匀掺杂的半导体，例如N型半导体，因为其呈电中性，载流子分布均匀，没有浓度差异，因而不发生载流子的扩散运动。扩散运动产生的电流称为扩散电流。

半导体总的电流等于扩散电流与漂移电流之和。

5.非平衡载流子的寿命与复合

半导体的热平衡状态是相对的，对半导体中的载流子，产生和复合处于相对平衡。假设对半导体施加外部影响，如接受光照、加电压等，就会破坏原有的热平衡状态，迫使其处于偏离热平衡状态，称为非平衡状态。

处于非平衡状态的半导体，载流子浓度比平衡时多出一部分，多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。

当用适当波长的光照射在半导体上时，会打破产生和复合的相对复合，产生大于复合，在半导体中产生了非平衡载流子，半导体处于非平衡状态。如果去掉光源，则载流子浓度就衰减到它们平衡时的值，这个衰减过程通称为复合过程。常见的复合方式有辐射复合、俄歇复合等。

非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子的寿命常指少数载流子的寿命。

不同半导体材料的寿命很不相同。通常，锗比硅更容易获得较高的寿命，而砷化镓的寿命相对要短得多。在比较完整的锗单晶中，寿命可超过104μs。纯度和完整性较好的硅单晶，寿命可达103μs以上。砷化镓的寿命最短，约为10-8～10-9 s或者更低。即使是同种材料，在不同的条件下，寿命也可在一个很大范围内变化。

6.半导体的吸收系数

半导体吸收光的能力由光的频率ν和材料的禁带宽度决定。当频率低、光子能量hν比半导体的禁带宽度Eg小时，大部分光都能穿透；随着频率变高，半导体吸收光的能力急剧增强。吸收某个波长λ的光的能力用吸收系数α（hν）来定义。半导体的光吸收由各种因素决定，这里仅考虑到在太阳能电池上用到的电子能带间的跃迁。通常，禁带宽度越宽，对某个波长的吸收系数就越小。另外，光的吸收还依赖于导带、价带的态密度。

光为价带电子提供能量，使其跃迁到导带，在跃迁过程中，遵循能量守恒和动量守恒。如果没有声子参与，不伴随有动量变化的跃迁称为直接跃迁，其吸收过程如图11-10（a）所示，而伴随声子的跃迁称为间接跃迁，其吸收过程如图11-10（b）所示。

硅材料属于间接跃迁型，其吸收系数上升很平缓，所以在太阳光照射下，光可到达距表面20μm以上相当深的地方，在此还能产生电子-空穴对。与此相反，对直接跃迁型材料，如砷化镓（GaAs），在其禁带宽度附近吸收系数急剧增加，对能量大于禁带宽度的光子的吸收增加缓慢，此时，光的吸收和电子-空穴对的产生，大部分发生在距表面2μm左右的极薄区域中。总之，制造太阳能电池时，选择使用直接跃迁型材料，即使厚度很薄，也能充分的吸收太阳光，而选择间接跃迁型材料时必须保证一定的厚度，因为没有一定的厚度，就不能保证光的充分吸收。但是作为太阳能电池合适的厚度，并不是仅仅由吸收系数来决定的，与少数载流子的寿命也有关系，当半导体掺杂时，吸收系数将向高能量一侧发生偏移。

图11-10　半导体光能量吸收

一部分光在半导体表面被反射掉，因此，进入半导体内部的光实际上等于减去反射后所剩的部分。为了充分利用太阳光，应在半导体表面制备绒面和减反射层，以减少光在其表面的反射损失。

二、半导体PN结

1.PN结的形成

在一块N型（P型）半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主（施主）杂质，由于杂质的补偿作用，该区域是P型半导体，它们交界处的结构称为PN结。

空间电荷区的形成。如图11-11所示，当P型和N型半导体接触时，由于两边的电子和空穴的浓度不同，N区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在交界面处形成正负电荷的积累，建立了内电场。内电场将阻止电子和空穴的进一步扩散，最终达到动态平衡。稳定后，内建电场从N区指向P区，形成电势差Uo。如图11-12所示。PN结也被称为势垒区。在PN结的形成区域留下不能移动的正负电荷，所以，PN结又被称为空间电荷区。

PN结出电子能带的弯曲。PN结的形成使其附近能带的形状发生了变化，如图11-12所示。带正电的空穴，其电势能曲线类似于图中上部的电势曲线，效果是阻止左边P区的空穴向右扩散；带负电的电子，其电势能曲线如图的下部所示，阻止右边N区的电子向左扩散。因为PN结的存在，半导体中电子的能量应考虑势垒带来的电子附加势能，所以电子的能带会出现弯曲现象，如图11-13所示。能带的弯曲对N区的多子电子和P区的多子空穴都会形成一个势垒，阻碍N区电子和P区空穴进入对方区域。这一势垒区也称阻挡层。

2.PN结的单向导电特性

在PN结上加偏置电压时，由于空间电荷区内没有载流子（又称为耗尽区）形成高阻区，因此，电压几乎全部跨落在空间电荷区上。

加正向电压：当外加电压使得P区为正时，称为正向偏置，简称为正偏。此时，外电场的方向与内电场方向相反，如图11-4所示，使势垒高度减小、变窄，导致空穴从P区向N区的移动和电子从N区向P区的移动变得容易，也就形成了正向电流，其数量级为mA。当外加电场越大，正向电流越大，而且电压与电流关系（所谓的伏安关系）呈非线性状态，如图11-15所示。

图11-11　PN结的形成过程

图11-12　电子势能曲线

图11-13　PN结处的能带图

当外加电压使得N区为正时，称为反向偏置，简称为反偏。此时，外电场的方向与内电场方向相同，如图11-16所示，使势垒高度增大、变宽，导致空穴向N区和电子向P区的移动变得很难。但是，由于少数载流子的存在，在外电场的作用下，会形成很弱小的反向电流，被称为漏电流，其数量级为μA。

当所加的反向电压超过某一数值以后，反向电流会急剧增大，这种现象被称为反向击穿，如图11-17所示。

图11-14　PN结加正向电压加反向电压

图11-15　PN结的正向特性曲线

图11-16　PN结加反向电压

图11-17　PN结的反向特性曲线