【学习课件】第二章-太阳能电池原理
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第二章 太阳能电池原理
2.1 半导体物理基础 2.2 光生伏特效应 2.3 金属-半导体接触和MIS结构 2.4 太阳能电池结构及性能测试 2.5 太阳能电池材料分类
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1
2.1 半导体物理基础
2.1.1半导体的能带结构
1、原子的能级和晶体的能带
制造半导体器件所用的
材料大多是单晶体。单
晶体是由靠得很紧密的
c
表面能带弯曲 14
2.1 半导体物理基础
2.1.2 半导体的电子状态和电子分布
➢ 孤立原子的电子状态
孤立原子的电子只在该原子核的势场中运动
➢ 金属的电子状态
金属元素的价电子为所有原子（或离子）所共有，可以 在整个金属晶格的范围内自由运动，称为自由电子。自由 电子是在一恒定为零的势场中运动
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➢ 晶体的结合形式
离子性结合，共价结合，金属性结合和分子结合（范得 瓦尔斯结合）四种不同的基本形式。
➢ 半导体的结合方式：主要共价键 ➢ 共价键特点
饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键； 方向性：原子只能在特定方向上形成共价键；
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4
2.1 半导体物理基础
➢电子的共有化运动
当原子相互接近，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定 程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。 原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限 在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因
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6
2.1 半导体物理基础
原子能级分裂为能带
原子能级
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禁带 禁带
能带
允带 允带
允带
7
2.1 半导体物理基础
能带结构是晶体的普遍属性
价电子的基本特征： 1. 价电子的局域性 2. 价电子的非局域性
Bloch定理：
k(r)uk(r)eikr
uk(r): 与晶格平移周期 一致的周期函数
原子周期性重复排列而
成，相邻原子间距只有
几个埃的量级。
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2
2.1 半导体物理基础
半导体的晶体结构
结构类型 金刚石型 闪锌矿型 纤锌矿型 NaCl型
半导体材料 Si，金刚石，Ge GaAs，ZnO，GaN，SiC InN，GaN，ZnO，SiC
PbS，CdO
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2.1 半导体物理基础
间接带隙
• 价带的极大值和导带的极小 值不位于k空间的原点上。
• 价带的电子跃迁到导带时， 不仅要求电子的能量要改变， 电子的准动量也要改变，称 为间接跃迁
• 间接禁带半导体：Si，Ge
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2.1 半导体物理基础
几个概念：
功函数，电子亲和势，表面能带弯曲
金属
半导体
功函数
电子亲和势
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而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共 有化运动。 电子只能在相似壳层间转移； 最外层电子的共有化运动最显著；
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2.1 半导体物理基础 2个原子
6个原子
N个原子
当N个原子互相靠近形成晶体后，每一个N度简并的能级都分裂 成N个彼此相距很近的能级，这N个能级组成一个能带，这时电 子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动。分裂的每一 个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带。
（1）自由电子的薛定谔方程
自由电子与时间因素无关，因而波函数可以表示为：
(r,t)Aei2k r
自由电子所遵守的薛定谔方程为：
2
2m0
d2(x)
dx2
E(x)
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2.1 半导体物理基础
（2）自由电子的电子状态
波粒二象性
• 粒子： 质量为m0，速度为
p m0v
E
1 2
m0v2
1 2
p2 m0
对于被电子部分占满的能带（导带），在外电场作用下，
电子可从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去， 从而形成电流，起导电作用。
----- 导带电子有导电能力。
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2.1 半导体物理基础
根据能带结构，分为：
导带 Eg > 6 eV Eg
价带
绝缘体
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半导体
导体
10
2.1 半导体物理基础
半导体的能带结构
➢直接带隙 ➢间接带隙
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2.1 半导体物理基础
直接带隙
• 价带的极大值和导带的极小
值都位于k空间的原点上。
• 价带的电子跃迁到导带时，
只要求能量的改变，而电子
Fra Baidu bibliotek
的准动量不发生变化，称为
直接跃迁。
• 直接禁带半导体：GaAs，
GaN，ZnO
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12
2.1 半导体物理基础
E
E (k)2 2m
• 波失k可以描述自由电子 的运动状态
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• 波： 波数为k，频率为f
p k
E f
19
r (x) = |f |2
f = Aeikx
E
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(k)2 E
2m
k
20
2.1 半导体物理基础
自由电子的电子状态
p k
E
1 2
m0v2
1 2
p2 m0
E 2k 2 2m0
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2.1 半导体物理基础
自由电子E与k的关系
• 自由电子的能量E与波 失k的关系呈抛物线形状。
➢ 晶体中价电子可用被周期调制的 自由电子波函数描述
➢ 周期函数反映了电子的局域特性
➢ 自由电子波函数反映了电子的非 局域特性
➢ 由于电子波函数的空间位相有自 由电子波函数一项决定，Bragg 衍射同样发生
➢ 能带必然存在，能带结构是晶体 的必然属性
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2.1 半导体物理基础
2、金属、绝缘体和半导体
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16
能带的准自由电子物理模型
金属中的准自由电子（价电子）模型
金属中的自由电子除去与离子实相互碰撞的瞬间外， 无相互作用。电子所受到的势能函数为常数。
电子波函数仍然为自由电子波函数 电子受到晶格的散射，当电子的波矢落到布里渊区 边界时，发生Bragg衍射
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2.1 半导体物理基础
所有固体中均含有大量的电子，但其导电性却相差很大。固 体能够导电，是固体中电子在外电场作用下作定向运动的结 果。也就是说，电子与外电场间发生了能量交换。
对于所有能级均被电子所占满的能带（满带），在外电场 作用下，其电子并不形成电流，对导电没有贡献。----- 满带电子不导电。 通常原子中的内层电子都是占满满带中的能级，因而内层 电子对导电没有贡献。
15
2.1 半导体物理基础
➢ 半导体的电子状态
晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势 场以及其它大量电子的平均势场中运动
大量电子的平均势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶 格的周期相同。
两者的共同点在于都有一个恒定的势场。
因而可以先分析自由电子的状态，接着再考虑加上一个平均
场后的电子状态
2.1 半导体物理基础 2.2 光生伏特效应 2.3 金属-半导体接触和MIS结构 2.4 太阳能电池结构及性能测试 2.5 太阳能电池材料分类
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2.1 半导体物理基础
2.1.1半导体的能带结构
1、原子的能级和晶体的能带
制造半导体器件所用的
材料大多是单晶体。单
晶体是由靠得很紧密的
c
表面能带弯曲 14
2.1 半导体物理基础
2.1.2 半导体的电子状态和电子分布
➢ 孤立原子的电子状态
孤立原子的电子只在该原子核的势场中运动
➢ 金属的电子状态
金属元素的价电子为所有原子（或离子）所共有，可以 在整个金属晶格的范围内自由运动，称为自由电子。自由 电子是在一恒定为零的势场中运动
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➢ 晶体的结合形式
离子性结合，共价结合，金属性结合和分子结合（范得 瓦尔斯结合）四种不同的基本形式。
➢ 半导体的结合方式：主要共价键 ➢ 共价键特点
饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键； 方向性：原子只能在特定方向上形成共价键；
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2.1 半导体物理基础
➢电子的共有化运动
当原子相互接近，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定 程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。 原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限 在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因
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2.1 半导体物理基础
原子能级分裂为能带
原子能级
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禁带 禁带
能带
允带 允带
允带
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2.1 半导体物理基础
能带结构是晶体的普遍属性
价电子的基本特征： 1. 价电子的局域性 2. 价电子的非局域性
Bloch定理：
k(r)uk(r)eikr
uk(r): 与晶格平移周期 一致的周期函数
原子周期性重复排列而
成，相邻原子间距只有
几个埃的量级。
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2.1 半导体物理基础
半导体的晶体结构
结构类型 金刚石型 闪锌矿型 纤锌矿型 NaCl型
半导体材料 Si，金刚石，Ge GaAs，ZnO，GaN，SiC InN，GaN，ZnO，SiC
PbS，CdO
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2.1 半导体物理基础
间接带隙
• 价带的极大值和导带的极小 值不位于k空间的原点上。
• 价带的电子跃迁到导带时， 不仅要求电子的能量要改变， 电子的准动量也要改变，称 为间接跃迁
• 间接禁带半导体：Si，Ge
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2.1 半导体物理基础
几个概念：
功函数，电子亲和势，表面能带弯曲
金属
半导体
功函数
电子亲和势
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而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共 有化运动。 电子只能在相似壳层间转移； 最外层电子的共有化运动最显著；
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2.1 半导体物理基础 2个原子
6个原子
N个原子
当N个原子互相靠近形成晶体后，每一个N度简并的能级都分裂 成N个彼此相距很近的能级，这N个能级组成一个能带，这时电 子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动。分裂的每一 个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带。
（1）自由电子的薛定谔方程
自由电子与时间因素无关，因而波函数可以表示为：
(r,t)Aei2k r
自由电子所遵守的薛定谔方程为：
2
2m0
d2(x)
dx2
E(x)
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2.1 半导体物理基础
（2）自由电子的电子状态
波粒二象性
• 粒子： 质量为m0，速度为
p m0v
E
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m0v2
1 2
p2 m0
对于被电子部分占满的能带（导带），在外电场作用下，
电子可从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去， 从而形成电流，起导电作用。
----- 导带电子有导电能力。
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2.1 半导体物理基础
根据能带结构，分为：
导带 Eg > 6 eV Eg
价带
绝缘体
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半导体
导体
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2.1 半导体物理基础
半导体的能带结构
➢直接带隙 ➢间接带隙
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2.1 半导体物理基础
直接带隙
• 价带的极大值和导带的极小
值都位于k空间的原点上。
• 价带的电子跃迁到导带时，
只要求能量的改变，而电子
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的准动量不发生变化，称为
直接跃迁。
• 直接禁带半导体：GaAs，
GaN，ZnO
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2.1 半导体物理基础
E
E (k)2 2m
• 波失k可以描述自由电子 的运动状态
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• 波： 波数为k，频率为f
p k
E f
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r (x) = |f |2
f = Aeikx
E
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(k)2 E
2m
k
20
2.1 半导体物理基础
自由电子的电子状态
p k
E
1 2
m0v2
1 2
p2 m0
E 2k 2 2m0
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2.1 半导体物理基础
自由电子E与k的关系
• 自由电子的能量E与波 失k的关系呈抛物线形状。
➢ 晶体中价电子可用被周期调制的 自由电子波函数描述
➢ 周期函数反映了电子的局域特性
➢ 自由电子波函数反映了电子的非 局域特性
➢ 由于电子波函数的空间位相有自 由电子波函数一项决定，Bragg 衍射同样发生
➢ 能带必然存在，能带结构是晶体 的必然属性
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2.1 半导体物理基础
2、金属、绝缘体和半导体
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能带的准自由电子物理模型
金属中的准自由电子（价电子）模型
金属中的自由电子除去与离子实相互碰撞的瞬间外， 无相互作用。电子所受到的势能函数为常数。
电子波函数仍然为自由电子波函数 电子受到晶格的散射，当电子的波矢落到布里渊区 边界时，发生Bragg衍射
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2.1 半导体物理基础
所有固体中均含有大量的电子，但其导电性却相差很大。固 体能够导电，是固体中电子在外电场作用下作定向运动的结 果。也就是说，电子与外电场间发生了能量交换。
对于所有能级均被电子所占满的能带（满带），在外电场 作用下，其电子并不形成电流，对导电没有贡献。----- 满带电子不导电。 通常原子中的内层电子都是占满满带中的能级，因而内层 电子对导电没有贡献。
15
2.1 半导体物理基础
➢ 半导体的电子状态
晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势 场以及其它大量电子的平均势场中运动
大量电子的平均势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶 格的周期相同。
两者的共同点在于都有一个恒定的势场。
因而可以先分析自由电子的状态，接着再考虑加上一个平均
场后的电子状态