晶体硅太阳能电池的基本原理
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自由电子产生的同时， 在其原来的共价键中就 出现一个空位，称为空 穴。
+4
+4
+4
+4
空穴
+4
+4
+4
+4
自由 电子
+4
3.2.2 能带结构
由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现 象。共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在 整个固体中运动。
量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中 能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。这些新 能级基本上连成一片，形成能带
当N个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用，对应于 原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条靠得很近的能级。使原 来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于N个很接
近的新能级上。
n=3 n=2
原子能级
ΔE
禁带
能带
N条能级
满带：排满电子的能带 空带：未排电子的能带 未满带：排了电子但未排满的能带 禁带：不能排电子的区域 [1]满带不导电 [2]未满能带才有导电性
导带：最高的满带 价带：最低的空带
电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子， 空穴和电子都参与导电成为载流子
导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体 定向流动形成电流。
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 ，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有
一个较宽的禁带（Eg 约3～6 eV），共有化电子很难从低能级（
满带）跃迁到高能级（空带）上去。
半导体：的能带结构,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄
（Eg 约3 eV以下 )。
部分 填充 能带
导体
导带 价带
导带 ▪最低的空带
Eg 价带
最高的满带
半导体
满带 绝缘体
3.2.3 杂质半导体
1 本征半导体 无杂质，无缺陷的半导体 本证载流子：电子、空穴均参与导电 本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少 2 掺杂半导体 在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成 的半导体
3.2.8 晶硅太阳电池的结构
由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中 流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属， 阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n 结（如图栅状电极），以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。 为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射 损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有 限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用， 形成太阳能光电板。
根据掺杂的不同，杂质半导体分为
N型半导体 P型半导体
N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体
P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。
空带 施主能级
满带
ED Eg
空带
受主能级 满带
Eg Ea
掺入少量五价杂质元素磷
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
P
电子是多数载流子，简 称多子; 空穴是少数载流子，简 称少子。 施主杂质 半导体整体呈电中性
多出一 个电子
出现了一个 正离子
掺入少量三价杂质元素硼
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
B
空穴是多数载流子， 简称多子; 电子是少数载流子， 简称少子。 受主杂质 半导体整体呈电中性
空穴
负离子
3.2.5 PN结
半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。 载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动.
PN结
16
② 内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移
空间电荷区变窄 内电场EIN削弱
多子扩散
阻止
空间电荷区加宽内 促使 电场EIN增强
少子漂移
扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结
EIN
EIN
3.2.6 光生伏特效应
当光照射p-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激 发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电 场运动，电子逆着电场运动，最后在n区边界积累光生电子，在p区边 界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在p区 和n区之间产生了光生电压UOC，这就是p-n结的光生伏特效应。只要光 照不停止，这个光生电压将永远存在。
3.2.7 太阳电池的基本工作原理
光电转换的物理过程： （1）光子被吸收，使PN结的P侧和N侧两边产生电子-空穴对 （2）在离开PN结一个扩散长度以内产生的电子和空穴通过扩散到达空 间电荷区 （3）电子-空穴对被电场分离，P侧的电子从高电位滑落至N侧，空穴 沿着相反的方向移动 （4）若PN结开路，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压
3.3 太阳能电池的电学性能
3.3.1 标准测试条件
光源辐照度：1000W/m2 测试温度：250C AM1.5太阳光谱辐照度分布
在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差， 载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种 运动称为扩散运动。
将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N
型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的
薄层
PN结
① 多子扩散运动形成空间电荷区
由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向…扩散的结 果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N 区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面 处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由N 区指向P区的内电场EIN。
3.2 太阳电池的分类工作原理
3.2.1 半导体
太阳电池基本构造：半导体的PN结
导体：铜（106/(Ω·cm)） 绝缘体: 石英（SiO2(10-16/(Ω·cm))） 半导体: 10-4——104/(Ω·cm)
半导体
元素：硅（SiO2）、锗（Ge）、硒（Se）等 化合物：硫化镉（CdS）、砷化镓（GaAs）等 合金：GaxAl1-xAs(x为0-1之间的任意数) 有机半导体
+4
+4
+4
硅是四价元素，每个原子的
最外层上有4个电子。
这4个电子又被称为价电子
硅晶体中，每个原子有4个
ห้องสมุดไป่ตู้+4
+4
+4
相邻原子，并和每一个相邻
原子共有2个价电子，形成
稳定的8原子壳层。
+4
+4
+4
当温度升高或受到光的 照射时，束缚电子能量 升高，有的电子可以挣 脱原子核的束缚，而参 与导电，称为自由电子。
+4
+4
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+4
空穴
+4
+4
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+4
自由 电子
+4
3.2.2 能带结构
由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现 象。共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在 整个固体中运动。
量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中 能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。这些新 能级基本上连成一片，形成能带
当N个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用，对应于 原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条靠得很近的能级。使原 来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于N个很接
近的新能级上。
n=3 n=2
原子能级
ΔE
禁带
能带
N条能级
满带：排满电子的能带 空带：未排电子的能带 未满带：排了电子但未排满的能带 禁带：不能排电子的区域 [1]满带不导电 [2]未满能带才有导电性
导带：最高的满带 价带：最低的空带
电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子， 空穴和电子都参与导电成为载流子
导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体 定向流动形成电流。
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 ，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有
一个较宽的禁带（Eg 约3～6 eV），共有化电子很难从低能级（
满带）跃迁到高能级（空带）上去。
半导体：的能带结构,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄
（Eg 约3 eV以下 )。
部分 填充 能带
导体
导带 价带
导带 ▪最低的空带
Eg 价带
最高的满带
半导体
满带 绝缘体
3.2.3 杂质半导体
1 本征半导体 无杂质，无缺陷的半导体 本证载流子：电子、空穴均参与导电 本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少 2 掺杂半导体 在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成 的半导体
3.2.8 晶硅太阳电池的结构
由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中 流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属， 阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n 结（如图栅状电极），以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。 为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射 损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有 限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用， 形成太阳能光电板。
根据掺杂的不同，杂质半导体分为
N型半导体 P型半导体
N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体
P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。
空带 施主能级
满带
ED Eg
空带
受主能级 满带
Eg Ea
掺入少量五价杂质元素磷
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P
电子是多数载流子，简 称多子; 空穴是少数载流子，简 称少子。 施主杂质 半导体整体呈电中性
多出一 个电子
出现了一个 正离子
掺入少量三价杂质元素硼
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B
空穴是多数载流子， 简称多子; 电子是少数载流子， 简称少子。 受主杂质 半导体整体呈电中性
空穴
负离子
3.2.5 PN结
半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。 载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动.
PN结
16
② 内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移
空间电荷区变窄 内电场EIN削弱
多子扩散
阻止
空间电荷区加宽内 促使 电场EIN增强
少子漂移
扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结
EIN
EIN
3.2.6 光生伏特效应
当光照射p-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激 发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电 场运动，电子逆着电场运动，最后在n区边界积累光生电子，在p区边 界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在p区 和n区之间产生了光生电压UOC，这就是p-n结的光生伏特效应。只要光 照不停止，这个光生电压将永远存在。
3.2.7 太阳电池的基本工作原理
光电转换的物理过程： （1）光子被吸收，使PN结的P侧和N侧两边产生电子-空穴对 （2）在离开PN结一个扩散长度以内产生的电子和空穴通过扩散到达空 间电荷区 （3）电子-空穴对被电场分离，P侧的电子从高电位滑落至N侧，空穴 沿着相反的方向移动 （4）若PN结开路，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压
3.3 太阳能电池的电学性能
3.3.1 标准测试条件
光源辐照度：1000W/m2 测试温度：250C AM1.5太阳光谱辐照度分布
在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差， 载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种 运动称为扩散运动。
将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N
型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的
薄层
PN结
① 多子扩散运动形成空间电荷区
由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向…扩散的结 果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N 区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面 处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由N 区指向P区的内电场EIN。
3.2 太阳电池的分类工作原理
3.2.1 半导体
太阳电池基本构造：半导体的PN结
导体：铜（106/(Ω·cm)） 绝缘体: 石英（SiO2(10-16/(Ω·cm))） 半导体: 10-4——104/(Ω·cm)
半导体
元素：硅（SiO2）、锗（Ge）、硒（Se）等 化合物：硫化镉（CdS）、砷化镓（GaAs）等 合金：GaxAl1-xAs(x为0-1之间的任意数) 有机半导体
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硅是四价元素，每个原子的
最外层上有4个电子。
这4个电子又被称为价电子
硅晶体中，每个原子有4个
ห้องสมุดไป่ตู้+4
+4
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相邻原子，并和每一个相邻
原子共有2个价电子，形成
稳定的8原子壳层。
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当温度升高或受到光的 照射时，束缚电子能量 升高，有的电子可以挣 脱原子核的束缚，而参 与导电，称为自由电子。