云南师范大学光伏科学基础试卷及参考答案(A卷)

2017-2018年 上学期《光伏科学基础》期末考试试题
【参考答案】 学院：能源与环境科学学院 专业： 年级： 班级： 学号： 姓名： 考试方式：（闭卷\开卷）闭卷 考试时量： 试卷编号：（A\B 卷）：A 卷
一、简答题（共80分，每题8分）
1. 画出理想情况（不考虑串联电阻R s 、并联电阻R sh )太阳电池的等效电路图，在图中标明光电流I L 、漏电流I sh 、暗电流I bk 和输出电流I 的方向，写出输出电流I 和输出电压V 之间的关系式。

答：理想情况（不考虑串联电阻Rs 、并联电阻Rsh)太阳电池的等效电路图如下
211)exp(00-=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡--=n T nk qV I I I L
2. 试说明太阳电池效率的损失主要来自于哪些方面。

答：
○1表面光学损失（表面反射和电极遮光）；
○2长波损失（薄电池）；
○3短波损失（死层，加强晶格热振动释放声子）
；
○4复合损失（表面复合与体内复合）；
○5寄生电阻损耗（Rs 和Rsh ）；
L
R
3.请简述提高光谱响应的方法。

答：提高顶层光谱响应的方法：
○1在顶层加入漂移场，即在顶层进行非均匀扩散，形成n+n层；
○2表面钝化，降低前表面复合速度；
提高基区光谱响应的方法：
○1在基区制作背电场，即在基区进行非均匀掺杂形成pp+层；
○2表面钝化，降低后表面复合速度；
4.什么是方块电阻(方块电阻的定义），如何减小方块电阻。

答：方块电阻：顶层薄层电阻R sheet或者称为方块电阻R□，表面为正方形的半导体薄层在电流方向呈现的电阻就叫做方块电阻。

减小方块电阻：增加结深或者提高掺杂浓度。

5.画出外加正向、反向偏压时p-n结能带图，标出内建电场方向E in、势垒高度。

答：在外加电压下，p-n结的能带图（正向偏压V F）
外加电压的电势差与p-n结的接触电势差方向相反，势垒高度由qV D降低为q(V D-V F),势垒宽度减小。

在外加电压下，p-n结的能带图（反向偏压V R）
6.背电场对太阳电池的作用（优点）有哪些？
答：
○1提高光生载流子收集几率；
○2提高长波光谱效应；
○3降低R S；
○4减小电池厚度；
○5提高J SC、V OC；
○6提高填充因子；
7.说明太阳电池的工作原理。

答：○1当适当波长的光从顶层表面入射到电池内部时，入射光子分别为发射区、势垒区和基区的价带电子所吸收，价带电子吸收光子后激发到导带，产生电子——空穴对。

○2产生在势垒区的电子——空穴对，在势垒区内建静电场的作用下，将电子扫入n区，将空穴扫入p区，使之分离。

○3在n区势垒边界x＝0处，光生空穴几乎全部被扫入p区，因而该处就与n区内部形成了指向势垒方向的少数载流子（空穴）浓度梯度。

使n区光生空穴以扩散方式向势垒区运动，一旦到达势垒边界，便被内建电场扫至p区，光生电子仍留在n区。

p区势垒边界处光生电子近似为零，p区内部也形成指向势垒方向的少数载流子（电子）浓度梯度，使p区电子向势垒区扩散，到达势垒边界后即被扫至n区，光生空穴仍留在p区；
○4各区产生的光生载流子，在内建电场作用下，越过势垒，形成光生电流；
○5电池两端开路情况下，被分离的光生电子——空穴对分别积累在n区和p区，与热平衡状态相比，n区有了过剩电子，p区有了过剩空穴，这就建立起了以p区为正、n区为负的光生电动势（或称光生电压）。

○6如果将电池两端接入负载，在持续的光照下，就会有电流从电池的p端经过负载流入n端。

8.画出外接负载情况下太阳电池能带图并简要说明其工作原理。

答：太阳电池外接负载状态的能带图
外接负载：太阳电池工作原理
○1介于开路状态与短路状态之间；
○2被内建电场分离的光生载流子一部分积累在p-n结边界处提供光电压V，即工作电压；
○3一部分被外电路收集，流经外电路对负载做功，电流J由p区→负载→n区;
○4流经负载的电流：I=AEJL-ATJbk(V);
○5Jbk(V)是在工作电压V下，太阳电池的暗电流密度（反向电流密度），它等于相同电压V下，p-n结的正向电流密度。

9. 解释什么是欧姆接触？
答：
○
1金属与半导体相接触不产生明显的附加阻抗； ○
2不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著改变； ○
3具有线性的、对称的电流-电压关系； ○
4由于半导体表面具有较高的表面态，因此不能通过选择不同的金属制成反阻挡层实现； ○
5通过重掺杂利用隧道效应实现；
10简要说明隧道击穿、雪崩击穿、热电击穿各自是怎样形成的？
答：
○
1当反偏压很大时，p 区价带顶电子的能量超过了n 区导带底电子的能量，则由于量子力学的隧道效应，p 区价带电子可穿过禁带直接到达n 区，当反偏压增大，经隧道穿透的电子数量很大，发生隧道击穿。

○2当反向偏压足够大时，势垒区的电子和空穴在强电场加速下获得很大的动能，与晶格原子发生碰撞时把满带中的电子激发到导带，产生电子-空穴对，“第二代”的电子和空穴在强电场的作用下继续发生碰撞电离，当反偏压增加使得碰撞电离效应非常显著，势垒区内载流子的浓度急剧倍增，发生倍增效应，迅速增大反向电流，从而发生雪崩击穿。

○
3当pn 结加反向偏压时，反向电流引起热损耗，随着反向偏压增大，反向电流所损耗的功率也越大，产生大量热能，若不能及时散热将引起结温上升。

而反向饱和电流密度J S 随温度按指数规律上升，当结温上升时，反向电流也随之增大，进一步加剧了结温的增加，如此循环下去，最后使J S 无限增大而发生击穿，这种由于热不稳定性而引起的击穿称为热电击穿。

二、计算题（共20分，每题10分）
1.室温下，本征锗的电阻率为47cm Ω，试求本征载流子浓度。

若锗原子的浓度为
2234.410cm -⨯，掺入施主杂质，使每610个锗原子中有一个杂质原子，计算室温下电子浓
度和空穴浓度(设杂质全部电离)。

试求该掺杂锗材料的电阻率。

设s V cm n ⋅=/36002μ，
s V cm p ⋅=/17002μ 且认为不随掺杂而变化。

若流过样品的电流密度为252.3/mA cm ，求所加的电场强度。

答案：（略）
2.画出金属和N 型半导体接触能带图（m s W W >，且忽略间隙），并分别写出金属一边的势垒高度和半导体一边的势垒高度表达式。

答案：（略）。