光伏材料

1 第一章 太阳电池概论太阳辐射太阳系中最大的物体 ， m=2× 1027kg ， 地球 33 万倍； d=1.4 × 106km， 地球的 109 倍 。太阳的主要成分为氢与氦，所占比例分别为 78%和 20%，剩下 2%为其他元素 。太阳实质 上是一 个由 氢 - 氢发 生核聚 变反应 所加热 的气体 球， 其中心 温度高达20,000,000K 。由于太阳内部的辐射大部分被太阳表面附近的负氢离子层吸收，而且在负氢离子层聚集的热量在对流传热的作用下把热量传到光球， 然后能量通过辐射的形式传递到外层气体中，太阳表面温度或光球层温度约为 6000K 。连续的电磁辐射光谱 ,光谱分布由普朗克辐射定律决定： 物体吸收热量后辐射总能量增加，而且辐射峰值向短波移动，太阳辐射光谱中 90%是波长位于 100nm-3000nm ，大部分属于可见光（ 390-760nm）范 围，可见光 0.4-4ev，红外线低于 0.4ev，而紫外线高于 4ev。太阳辐射能量中约有 10 亿分之一可以进入大气层上界，其中 30%被大气层反射回太空， 23% 被大气层吸收， 仅有 47%的能量能够到达地球表面， 其功率约为 8.2 × 1010MW（这一功率相当于 45 万个长江三峡水电站的功率） 。太阳光辐射一般包括直接辐射和间接辐射， 辐射强度因所处纬度、 季节、 天气及一天中时间的不同而异散射辐射的原因包括瑞利散射和大气中分子的散射， 及大气层中悬浮颗粒和灰尘引起的散射。 散射太阳光的光谱成分不同于直射太阳光的光谱成分。 散射辐射光中含有更丰富的短波光，或 “ 蓝 ” 波长的光。根据太阳能辐射总量 （ KWh/m2 ） 和月均温 ≥ 10℃ 期间日照数 ≥ 6h的天数， 将我国划分为四类辐射区。太阳常数在大气层之外，垂直于太阳光方向单位面积上辐射强度称为太阳常数，一般采用AM1.5 表示地球表面太阳关的平均辐射强度。大气质量为零时的辐射，表示为 AM0 （ Air Mass 0 ） 。 AM0 约为 1.36kW/m2 太阳在正上方且恰好处于赤道面上海拔为零时，太阳垂直入射光可表示为 AM1 ，晴朗的天气 AM1 为 1000W/m2 ； 当太阳偏离正上方 48℃和 60℃时， 大气质量分别为 AM1.5和 AM2，气质分别为 844 W/m2 和 750 W/m2 。太阳能的利用AM0 约为 1400W/m2 ，地球赤道周长为 40000km，所以可以计算地球获得太阳的能量为 173,000TW 1co sx光热利用太 阳 能 发电光化利用2 太阳能优缺点优点：普遍性，安全性，资源丰富，无污染性。缺点： 1）太阳能受气候、天气、昼夜甚至时间的影响较大。在太阳能资源贫乏地区不易推广太阳能利用。2） 太阳能发电为直流电， 在转变交流电时候会产生能量损失， 而且要增加其他配套装置。这些因素都导致太阳能发电成本增加。3）由于太阳电池发电密度低，如果想产生相当量的能量必须要大面积安装。安装位置的选择以及视觉冲击都是一个需解决的问题。第二章 半导体物理基础晶体固态物质可分为晶体和非晶体两大类。晶体结构晶体长程有序性；非晶体短程有序性。3 晶体结构：晶体中原子 (离子或分子 )规则排列的方式。单晶体、多晶体及准晶体。单晶体： 整块晶体内原子排列规律完全一致的晶体； 多晶体则是由许多取向不同的单晶体无规则的堆积而成； 而准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体， 具有完全有序的结构，但不具有晶体平移周期性。晶体特征表现为：有固定的几何外形，有固定的熔点，具有各向异性的性能。晶体都有一定的对称性，有 32 种对称元素系，对应的对称动作群称做晶体系点群晶体按其组成粒子之间结合力的不同可分为四类： 离子晶体、 共价晶体、 分子晶体和金属晶体。半导体材料主要靠共价键结合，所以为共价晶体。共价键特点：饱和性和方向性饱和性：指每个原子与周围原子之间的共价键数目有一定的限制方向性： 指原子间形成共价键时， 电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度， 这个方向就是共价键方向。晶体中周期性重复的内容 （结构基元） 简化为一个点， 而有这些点组成的结构称为空间点阵，简化点称为点阵点。晶体结构 =结构基元 +点阵。假象直线将这些点连接起来构成有周期性的空间格架， 这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格，这些代表原子中心的点被称为结点 . 晶胞是晶体结构中基本重复单位，但不一定是最小单元。4 一般情况下，晶胞是平行六面体，三维空间的重复排列构成晶格晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长 a、 b、 c 和三条棱边之间的夹角 α 、 β 、 γ等六个参数来描述；每个晶胞含有的原子数为 1/x。简单立方晶体（图 2.4） ， a=b=c， α =β =γ =900，面心立方晶体晶胞原子数 3，体心立方晶体晶胞 2，简单立方晶体晶胞 1 个晶体按其点阵参数可分为 14 中点阵，即 14 种布拉伐格子14 种点阵对应七个晶系 : 立方四方斜方六角单斜三斜5 晶系 边长 夹角 晶体实例立方 a=b=c α =β =γ =90° Cu , NaCl 四方 a=b≠c α =β =γ =90° Sn , SnO2 正交 a≠ b≠c α =β =γ =90° I2 , HgCl2 三方 a=b=c α =β =γ≠ 90° Bi , Al2O3 a=b≠c α =β =90°γ =120°六方 a=b≠c α =β =90°γ =120° Mg , AgI 单斜 a≠ b≠c α =β =90°γ =120° S , KClO3 三斜 a≠ b≠c α≠β≠γ≠ 90° CuSO4· 5H2O 晶系 特征对称元素 晶胞特点 空间点阵型式立方晶系 4 个按立方体对角线取向的 3 重旋转轴a=b=c α =β =γ =90°简单立方立方体心立方面心六方晶系 6 重对称轴 a=b≠ c α = β =90 ° , γ=120°简单六方四方晶系 4 重对称轴 a=b≠ c α =β =γ =90°简单四方体心四方三方晶系 3 重对称轴 a=b=c α =β =γ ≠ 90°简单六方R 心六方正交晶系 2 个互相垂直的对称面或 3 个互相垂直的2 重对称轴a≠ b≠ c α =β =γ =90°简单正交C 心正交面心正交面心正交单斜晶系 2 重对称轴或对称面 a≠ b≠ c α =β =90°≠ γ简单单斜C 心单斜三斜晶系 无 a≠ b≠ c a≠ b≠ c≠ 90°简单单斜晶列： 晶格中任意两个个点连接一条直线。 过一格点可以做无数晶列， 晶列上格点具有周期性晶列族：平行晶列构成晶列族，晶列族包括所有格点，同一平面内相邻晶列间距相等。6 两种不同的晶列晶向：晶列取向，通常用晶向指数来描述晶胞中任取一格点作为原点， 则任一格点位矢 R=ma+nb+pc ， 那么该晶列晶向指数可表示为 [m n p] 沿立方边的晶列有 6 个不同的晶向， 分别为 [100] 、 [010] 、 [001] 、 [100]、 [010] 、 [001] ，由于这 6 个方向具有对称性，统称为等效晶向，记作 简单立方 12 条面对角线记作 ，体对角线记作 。晶面： 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面。 平行的晶面组成晶面族密勒指数来描述晶面的方向。任选一格点为原点，以晶胞基矢 a,b,c 为坐标轴，晶面在坐标轴上截距 r,s,t 的倒数比即为密勒指数，表示为（ hkl） 。电子状态和能带电子壳层，壳层交叠，电子共有化一、周期性势场和电子的共有化以钠为例，分析价电子在 Na+ 的电场中的势能特点7 一维晶体点阵形成的周期性势能函数曲线电子能量 E 低，穿过势垒概率小，共有化程度低；电子能量 E 高，穿过势垒概率大，共有化程度高。二、能带和能带中电子的分布电子在晶体中作共有化运动，处在三维周期性势场 中结论：E d + + + + + + r E EP 离 子 间距能级分裂，允带，禁带，满带，空带，价带电子在能带中的占据遵守泡利不相容原理及能量最小原理。一条能级分类成 N 条能级后，该能带所能容纳的电子数2N(2l+1) 8 .固体材料按其导电能力的差异可分为导体、半导体及绝缘体导体的能带有三种结构： 价带部分填满， 价带为满带但与空带重叠， 价带未填满且与空带重叠绝缘体的价带是满带，而且价带与空带间有较大的禁带半导体，能带结构与绝缘体很相似，但是其禁带宽度较小，约为 0.1-2ev 光吸收本征吸收，能量和动量守恒，且光子具有较大能量（ hγ ） ，较小的动量（ h/λ ）直接带隙半导体和间接带隙半导体：半导体价电子在受激跃迁时能量和动量变化的差异3p 3s 2p 2s 1s 最多容纳电子数6× N 6× N 2× N 2× N 2× N 内层电子共有化程度低，相应的能带较窄；外层电子共有化程度高，相应的能带较宽。9 电子和空穴Si 半导体，常见的掺杂杂质为硼（ B）和磷（ P)。掺杂数量较小，即使重掺杂也就每百万个晶体原子中掺入几百个杂质原子。半导体分类半导体是一种具有特殊导电性能的材料 ,半导体的导电能力与材料种类与纯度、材料工作温度及工作环境（电场、磁场、日照）等有关 . 半导体材料纯度的不同， 把半导体分为本征半导体和杂质半导体， 而杂质半导体根据导电载流子的不同分为 P 型半导体和 N 型半导体 . 为了增加半导体材料参与导电的自由电子的数量，通常在半导体中添加一些杂质 ,硅半导体中掺入百万分之一的杂质，其电阻率从 105Ω · CM 降到几个 Ω · CM 杂质填充方式10 本征半导体没有杂质和缺陷的半导体称为本征半导体在热力学温度为零时， 本征半导体不导电。 而在温度不为零时， 半导体价带中电子有可能吸收热量从价带跃迁到导带，从而本征半导体导电 . 本征半导体电子受激跃迁称为本征激发本征激发过程中每产生一个自由电子就会产生一个空穴 , n0=p0= （ NcNv ） 1/2exp(-Eg/2kt) N 型半导体11 12 13 14 缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。理想晶体：格点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷点缺陷缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。15 刃型位错 :在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，沿刀刃方向的位错为刃型位错。螺位错 :将规则排列的晶面剪开 （但不完全剪断） ， 然后将剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层， 然后黏合起来， 形成一个类似于楼梯 拐角处的排列结构， 则此时在 “剪开线” 终结处 （这里已形成一条垂直纸面的位错线） 附近的原子面将发生畸变， 这种原子不规则排列结构称为一个螺位错 .。面缺陷二维方向上偏离理想晶体中的周期性、 规则性排列而产生的缺陷， 即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶、晶粒间界以及堆垛层错。16 堆垛层错 ：是指是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某一层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布 。体缺陷由于杂质在硅晶体中存在有限的固浓度， 当掺入的数量超过晶体可接受的浓度时，杂质在晶体中就会沉积，形成体缺陷。17 第三章 太阳电池基本原理太阳电池太阳电池（ Solar Cells）是指能够把太阳光辐射能量直接转化为电能的器件。从理论上来说金属光电效应是可以做太阳电池的 。太阳电池工业生产中一个重要考虑是转换效率 。光电效应电池的转换效率理论值为 1%，实验室仅为 0.001% ；18 19 20 21 22 23 随着禁带宽度的减小，短路电流增加。在确定的太阳光照的情况下，参与产生电子空穴的光子增多。24 25 第四章 ：太阳级硅制造技术26 27 28 29 30