第4章 太阳能光电转换
太阳能发电原理及工作过程
太阳能发电原理及工作过程太阳能发电是利用太阳光直接或间接转化为电能的过程。
太阳能发电系统主要由太阳能光电转换设备、电能储存设备和电能管理控制装置组成。
其工作原理是利用光电效应将太阳光能转换为电能，通过光伏组件收集太阳光能，然后转换为直流电，最终通过逆变器转成交流电供电使用。
太阳能发电原理太阳能发电的基本原理是光电效应。
光电效应是指在特定材料表面或内部，光子激发了材料内的电子，使其从价带跃迁到导带，从而产生电荷载流的现象。
光子的能量大于或等于材料的带隙宽度时，才能引发光电效应。
对于硅等半导体材料，太阳光通常能够激发光电效应。
太阳能发电工作过程1.太阳光进入太阳能光伏组件。
2.光伏组件中的光子被材料吸收，产生电子-空穴对。
3.电子被释放到导体中，形成电流。
4.通过金属导线将电流传输到逆变器中。
5.逆变器将直流电转换为交流电，可供家庭或工业用电。
太阳能发电系统优势1.环保：太阳能发电过程中无排放污染物，减少对环境的破坏。
2.可再生：太阳能是不会枯竭的能源，能源可持续。
3.经济：一次性投资、长期受益，减少能源开支。
4.自给自足：可分布式建设，使建筑物自己产生所需电力。
太阳能发电系统应用太阳能发电系统已广泛应用于住宅、商业和工业领域。
特别是在偏远地区、岛屿或山区，太阳能发电成为一种理想的能源解决方案。
此外，政府部门也在不断支持太阳能发电应用，出台相关政策鼓励太阳能发电的普及和应用，促进可持续发展。
总的来说，太阳能发电作为一种清洁、可再生的能源，具有巨大的潜力和发展前景。
随着技术的不断进步和成本的下降，太阳能发电系统将在未来得到更广泛的应用和推广，为人类提供更清洁、可持续的能源。
光电转换效率计算公式
光电转换效率计算公式光电转换效率是衡量太阳能电池性能的一个关键指标，它能告诉我们太阳能电池把光能转化为电能的能力到底有多强。
咱先来说说光电转换效率的计算公式到底是啥。
简单来讲，光电转换效率（η）等于太阳能电池的输出功率（Pout）除以入射光功率（Pin），再乘以 100%，用公式写出来就是：η = （Pout / Pin）× 100% 。
那这里面的输出功率和入射光功率又咋算呢？输出功率就是太阳能电池产生的电能功率，它等于输出电压（V）乘以输出电流（I），也就是 Pout = V × I 。
而入射光功率呢，就是照射到太阳能电池上的光的功率，这个跟光的强度和照射面积有关系。
比如说，我有一次去参加一个科技展览，看到了各种各样的太阳能设备。
其中有一个小型的太阳能板，工作人员正在给大家讲解它的性能。
我就特别好奇，凑过去听。
他拿着一个测量仪器，给我们展示了这个太阳能板在当时的光照条件下产生的电压和电流，然后通过计算得出了输出功率。
接着，他又告诉我们当时的光照强度和太阳能板的面积，从而算出了入射光功率。
最后，按照光电转换效率的公式，算出了这块太阳能板的光电转换效率。
我当时就觉得，原来这些看似复杂的科学知识，通过实际的操作和计算，也能变得这么清晰易懂。
要想提高光电转换效率，那可不是一件简单的事儿。
这涉及到材料的选择、制造工艺的改进等等好多方面。
比如说，使用更高质量的半导体材料，能让电子和空穴的分离更有效，从而提高效率；优化电池的结构，像增加层数、改变形状，也能让更多的光被吸收和转化。
在实际应用中，光电转换效率的高低直接影响着太阳能产品的实用性和经济性。
效率越高，同样面积的太阳能板就能产生更多的电能，这对于大规模的太阳能电站或者是我们日常生活中使用的太阳能小设备，都太重要啦。
总之，光电转换效率的计算公式虽然看起来简单，但其背后涉及的科学知识和实际应用可真是不简单。
我们在不断探索和创新，就是为了让这个效率越来越高，让太阳能为我们的生活带来更多的便利和美好。
光电转换效率公式
光电转换效率公式η = (Pout / Pin) × 100%其中，η表示光电转换效率（以百分数表示），Pout表示输出的电能（以瓦特为单位，通常通过电压和电流计算得出），Pin表示输入的光能（以瓦特为单位，通常通过光强和光吸收面积计算得出）。
光电转换效率公式可以用于各种光电转换装置，例如太阳能电池、光电二极管等。
具体计算光电转换效率的公式会根据不同的光电转换装置而有所不同。
以下是几种常见的光电转换效率计算公式：1.太阳能电池的光电转换效率计算公式：太阳能电池的光电转换效率计算公式可以表示为：η = (Pout / Pin) × 100% = (Vmp × Imp / Pin) × 100%其中，η表示光电转换效率（以百分数表示），Pout表示太阳能电池输出的电能（以瓦特为单位，通过太阳能电池的电压Vmp和电流Imp计算得出），Pin表示太阳能电池输入的光能（以瓦特为单位，通过太阳能辐射强度和太阳能电池的面积计算得出）。
2.光电二极管的光电转换效率计算公式：光电二极管的光电转换效率计算公式可以表示为：η = (Pout / Pin) × 100% = (Vf × If / Pin) × 100%其中，η表示光电转换效率（以百分数表示），Pout表示光电二极管输出的电能（以瓦特为单位，通过光电二极管的电压Vf和电流If计算得出），Pin表示光电二极管输入的光能（以瓦特为单位，通过光强和光电二极管的面积计算得出）。
需要注意的是，光电转换效率的计算公式中需要明确输入和输出的能量单位一致，且通常考虑到能量损耗和损失，实际上光电转换效率往往小于理论值。
对于太阳能电池和光电二极管等常见的光电转换装置，可以通过实际测量光电装置输出的电能和输入的光能，并代入光电转换效率的计算公式得出具体数值。
此外，光电转换效率还受到材料的性能、光能与电能转换的机制等因素的影响，因此在设计和优化光电转换装置时，需要综合考虑各种因素并提高光电转换效率。
光电转换器参数
光电转换器参数
光电转换器，即光伏转换器，是一种能够将光能转化为电能的装置。
它由多个组件组成，包括太阳能电池、电子器件和电路等。
以下是光电转换器的一些常见参数：
1. 太阳能电池效率：太阳能电池的效率指的是将太阳辐射能转化为电能的效率。
一
般以百分比表示。
高效太阳能电池的效率可以达到20%以上。
2. 输出电压：光电转换器的输出电压是指通过光伏电池组成的直流电源输出的电压。
一般以伏特（V）为单位。
3. 输出电流：光电转换器的输出电流是指通过光伏电池组成的直流电源输出的电流。
一般以安培（A）为单位。
4. 额定功率：光电转换器的额定功率是指在标准测试条件下，所能输出的最大功率。
一般以瓦特（W）为单位。
5. 光电转换效率：光电转换效率指的是将太阳能转化为可利用的电能的效率。
一般
以百分比表示。
6. 工作温度范围：光电转换器的工作温度范围指的是能够正常工作的温度范围。
一
般以摄氏度（℃）为单位。
7. 耐候性能：光电转换器的耐候性能指的是其能够在不同的气候条件下正常工作的
能力，如耐高温、耐寒等。
8. 尺寸和重量：光电转换器的尺寸和重量可以影响其应用领域和安装方式。
以上是光电转换器的一些常见参数，具体参数会根据不同的型号和制造商而有所差异。
对于光电转换器的选购和使用，建议根据实际需求和性能要求来进行选择。
太阳能电池板光电转换效率测试加工
太阳能电池板光电转换效率测试加工太阳能电池板是目前最常见的太阳能利用方式之一。
将太阳能辐射转化为电能，实现了可再生能源的利用，是推动可持续发展的重要手段之一。
其中，光电转换效率是评价太阳能电池板性能的重要指标。
本文将介绍太阳能电池板光电转换效率测试及加工的相关知识。
一、太阳能电池板光电转换效率测试太阳能电池板的光电转换效率指的是将太阳能辐射转化为电能的效率，是评价太阳能电池板性能的重要指标。
光电转换效率测试是评价太阳能电池板性能的重要手段。
其中，传统的测试方法是使用太阳模拟器和多米诺效应器进行测试。
太阳模拟器是通过模拟太阳光谱和光强度来测试太阳能电池板功率输出的仪器。
多米诺效应器则是用来定量测量光电转换效率和光电导率的仪器。
然而，这种测试方法存在一些缺陷。
首先，太阳模拟器只能模拟太阳光谱和光强度，但无法模拟天气和季节的影响，因此测试结果难以达到实际情况。
其次，太阳模拟器成本较高，不利于大规模应用。
因此，近年来，多种新型测试方法被提出，如：现场光谱分析法、宽谱光谱分析法、电池音频法、光感电导谱法等。
这些新型测试方法能够更加准确地测试太阳能电池板的光电转换效率。
二、太阳能电池板加工技术太阳能电池板的加工技术影响着太阳能电池板的性能。
以下介绍几种常见的加工技术。
1.衬底制备技术衬底制备技术是太阳能电池板加工的基础，其稳定性、光滑度、反射率等性能，直接影响了太阳能电池板的光电转换效率。
常用的衬底材料有硅、玻璃等。
2.锗抛光技术锗抛光技术是提高太阳能电池板效率的重要手段之一。
锗是太阳能电池板的一种常见材料，其表面质量直接影响着太阳能电池板的效率。
通过锗抛光技术，可以将锗表面的缺陷减少到可接受的程度，提高太阳能电池板的效率。
3.层状结构技术层状结构技术是对太阳能电池板的光电性能进行调控的一种方法。
通过在太阳能电池板表面加上一层金属薄膜，可以调节其反射率和透过率，从而提高太阳能电池板的效率。
三、结语太阳能电池板的光电转换效率测试及加工技术是目前太阳能电池板领域研究的热点问题。
太阳能电池的种类
第四章太阳能电池的种类太阳能电池是利用半导体的光生伏特效应，许多材料都可以用来做太阳能电池，因而太阳能电池的种类很多。
一、单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的特点：•作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上没有影响。
•单晶制备以及pn结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证。
•硅的密度低，材料轻。
即使是50µm以下厚度的薄板也有很好的强度。
•与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高。
•电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证20年以上的工作寿命。
1、如何制备单晶硅材料To get silicon in single-crystal state, we first melt the high-purity silicon. We then cause it to reform very slowly in contact with a single crystal "seed." The silicon adapts to the pattern of the single crystal seed as it cools and solidifies gradually. Not suprisingly, because we start from a "seed," this process is called "growing" a new ingot of single-crystal silicon out of the molten silicon. Several specific processes can be used to accomplish this. The most established and dependable means are the Czochralski method and the floating-zone (FZ) technique.Czochralski processThe most widelyused technique for makingsingle-crystal silicon is theCzochralski process. In theCzochralski process, seedof single-crystal siliconcontacts the top of moltensilicon. As the seed isslowly raised, atoms of themolten silicon solidify inthe pattern of the seed andextend the single-crystalstructure.在得到硅单晶片后，就可以开始制备太阳能电池。
光电转换效率公式
光电转换效率公式1. 光电转换效率（η）= 电池输出功率（Pout）/ 光能输入功率（Pin）这是最基本的光电转换效率公式，它描述了光能转化为电能的效率。
其中，电池输出功率是指光电池所能输出的电功率，光能输入功率是指光源向光电池提供的光功率。
光电转换效率的值在0到1之间，一般用百分比表示。
2. 光电转换效率（η）= 短路电流（Jsc）× 开路电压（Voc）/ 光能输入功率（Pin）这是另一种光电转换效率公式，它用短路电流和开路电压来表示光电池的转换效率。
短路电流是在光照强度较大时，光电池通过一个短路负载所能输出的电流；开路电压是在光照强度较小时，光电池输出电流为零时的电压。
3. 光电转换效率（η）= 填充因子（FF）× 开路电压（Voc）× 短路电流密度（Jsc）/ 光能输入功率（Pin）这是一种综合考虑了填充因子、开路电压和短路电流密度的光电转换效率公式。
填充因子是指光电池的输出功率与短路电流和开路电压的乘积之间的比值，它是衡量光电池性能的一个重要参数。
除了上述公式，还有一些专门针对不同类型光电器件的转换效率公式。
例如，对于太阳能电池，还可以使用以下公式：4. 光电转换效率（η）= 最大功率（Pmax）/ 光能输入功率（Pin）这是太阳能电池常用的光电转换效率公式，最大功率是指光电池在特定条件下所能输出的最大功率。
需要注意的是，光电转换效率公式在计算实际光电转换系统的性能时，还需要考虑一些附加因素，如温度、光谱分布等。
实际中，为了评估光电转换设备的整体性能，通常还会考虑系统的光损耗、热损耗等因素，以得到更准确的光电转换效率。
可见光不同波段对太阳能电池光电转换效率影响的研究
一、概述由于全球能源需求不断增加，太阳能作为一种清洁、可再生能源备受关注。
太阳能电池作为太阳能的关键转换器，其光电转换效率对于太阳能发电的整体效率具有重要影响。
可见光是太阳光的主要组成部分之一，其不同波段对太阳能电池的光电转换效率有着重要影响。
本文将对可见光不同波段对太阳能电池光电转换效率的影响进行研究分析。
二、可见光波段与太阳能电池的光电转换效率1. 可见光波段概述可见光波段指的是波长在380nm至700nm之间的光线，这是人眼可见的光线范围。
在太阳光中，可见光波段占据了很大比例，对于太阳能电池的光电转换起着至关重要的作用。
2. 不同波段对光电转换效率的影响(1) 短波长可见光影响短波长可见光具有较高的能量，它能够激发太阳能电池中的光生载流子，从而提高光电转换效率。
然而，过高的能量也可能带来能带结构的变化和材料的损伤，进而降低光电转换效率。
(2) 长波长可见光影响长波长可见光具有较低的能量，它的穿透能力较强，能够渗透到太阳能电池内部，激发其中较深的能级，从而提高整体的光电转换效率。
然而，在一些特定的材料中，长波长可见光可能会导致一些非辐射复合过程，降低光电转换效率。
三、不同波段可见光对太阳能电池研究现状1. 实验研究方法目前研究人员常采用太阳能电池的光电转换效率作为评价指标，通过调控不同波段可见光的强度和频率，测量太阳能电池的光电转换效率并进行对比分析，从而探究其影响规律。
2. 结果和发现近年来的研究表明，不同波段可见光对太阳能电池的影响并不是简单的线性关系，其具体影响取决于太阳能电池的材料、结构等因素，并且还存在着互补和抵消的关系。
四、可见光波段对太阳能电池的优化与应用1. 光谱分拣器的应用目前一些新型的太阳能电池在设计中加入了光谱分拣器，可以根据可见光的不同波段特性，选择性地增强或减弱特定波段的光线进入太阳能电池，从而达到最优的光电转换效率。
2. 多层光伏电池的构建一些研究人员通过多层叠加不同吸收光谱波段的太阳能电池，可以有效利用可见光的不同波段能量，提高整体的光电转换效率。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第4章太阳能光电转换 第1节概论 太阳能光电转换是直接将太阳光能转换为电能，实现转换的主要部件是太阳能电池。太阳能电池也称光伏电池，它没有任何运动的机械部件，在能量转换中具有重要的地位，被认为是“最优雅的能量转换器”。 1954年，贝尔(Bell)实验室的三名研究人员制造出第一块硅太阳能电池，从此揭开了太阳能电池应用的序幕。刚问世时，太阳能电池的转换效率比较低，只有5%左右。1958年，太阳能电池应用到美国卫星“先锋一号”上，这是太阳能电池应用的一个重大突破。两个月后，即1958年5月，苏联也发射了一颗利用太阳能供电的卫星。几十年以来，太空中出现了几千颗卫星，凡是飞行寿命在几个月以上的，大多数都采用太阳能电池作电源。早期设计的太阳能电池系统的输出功率很小，只有几十瓦，后来发展到200~300W，到1963年，发射大型气象试验卫星(NIMBUS)时，功率已经达到了500W。随着空间事业的不断发展，出现了各种应用型的卫星，比如广播卫星、大型通信卫星、气象卫星等，要求的功率越来越大，达到了上千瓦，甚至几千瓦、几十千瓦。进入新千年以来，随着科学研究和生产技术的日新月异的发展，光伏电池在很多领域已经具有了竞争能力。 目前太阳能电池技术的主要目标是进一步降低发电成本。但是，只有当太阳能电池与传统的燃煤、燃油或核能发电竞争时，这种经济性方面的考虑才是必需的。在一些特殊的情况下，比如为太阳能很丰富的边远地区供电，经济性的考虑就完全不同了。 下图是1988年到2004年世界上利用太阳能电池的情况。日本、欧洲、美国一直是发展和利用太阳能电池的主要国家和地区，但从新千年开始，世界其他国家和地区的发展速度明显加快了，尤其是中国。 下表所示为2002~2007年世界主要国家和地区的太阳能电池产量。
第2节光电转换的理论基础 光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。太阳光是由光子组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以产生电能。光生伏特效应是1839年由贝克勒尔(Becquerel)发现的。光生伏特(PV)效应的基本概念如下图所示。本节将讲述光电转换的理论基础。 一、半导体的内部结构和导电性 半导体的导电能力介于导体和非导体之间，导电性能非常独特。如对于同一块半导体，在不同的温度或不同强度光的照射下，导电能力就会有很大的差别；而在纯半导体中加入微量的有用杂质，它的导电能力就可以增加百万倍。半导体的导电能力与金属不同，金属依靠自由电子导电，而半导体则依靠电子-空穴对导电。这些独特的导电性是由其内部的微观物质结构所决定的。下面以半导体硅为例来进行介绍。 所有物质都是由原子组成的。某种物质的原子由一定数量的带正电荷的质子、带负电荷的电子和不带电荷的中子组成。一个质子和一个中子的质量约相等，而中子质量略大。原子核由质子和中子组成，集中了原子的全部正电荷和几乎是全部的质量。与质子数量相等、质量很小而且带负电荷的电子绕原子核高速运动。原子的正负电荷数相同，呈中性。电子在不同的能级上围绕原子核运动，能级越低越接近原子核，能级越高越远离原子核。离原子核最远的电子和邻近的原子相互作用，决定了固体的结构。金属原子的最外层电子受原子核的束缚很弱，容易脱离原子成为自由电子，能在外电场的作用下形成电流，所以金属有良好的导电性。绝缘材料原子的最外层电子结构稳定，受原子核的束缚很强，很难脱离开原子而成为自由电子，所以绝缘材料的导电性很差。半导体材料原子的最外层电子结构介于金属原子和绝缘材料原子之间，这决定了它的导电特性介于金属导体和绝缘体之间。 硅原子有14个电子，其最外层有4个电子，称为价电子，在光生伏特效应中起重要作用。大量的硅原子通过价电子结合在一起，形成晶体。在晶体中，每个硅原子通常和邻近的4个硅原子以共价键的形式分别共享4个价电子。这样，一个硅原子和4个与其共享价电子的硅原子构成了一个基本单位，一系列的由5个硅原子组成的基本单位构成了硅晶体。硅原子的这种有规律的、固定的结构称为晶格，如下图所示。 单晶硅的这种结构叫做共价键结构。这种结构的特点是：共价键内的共有电子所受的束缚力并不太紧，在一定温度或强光的照射下，由于热能或光能转化为电子的动能，如果动能足够大，电子就可以挣脱束缚而成为自由电子。共价电子挣脱束缚而成为自由电子以后，便留下一个空穴。通常把电子看成带负电的载流子，把空穴看成带正电的载流子。由光照产生的载流子叫做光生载流子。 由半导体共价键产生的自由电子在电场或热作用下运动。有的自由电子可能遇到已经产生的空穴，与空穴进行复合，从而使载流子消失。空穴载流子的不断产生和消失，相当于空穴(正电荷)的移动。由于电子和空穴的移动，就使半导体具有导电性。纯半导体在外界因素作用下所产生的电导率叫本征电导率。这种电导率仅取决于半导体本身原子的激发状态。自由电子ˉ空穴对随着外界条件的消失而消失，电子与空穴互相复合，恢复到激发前的平衡状态，使本征电导率趋近于零。即使在激发的非平衡状态下，纯半导体中电子-空穴对的数目仍然有限，离导电的实际要求还差得很远，故纯半导体的用处不大。 二、半导体禁带宽度和光学特性 硅原子遵守量子力学的下述原理：原子中的电子分布在层次分明的各个能级上；电子从能量较低的能级跃迁到能量较高的能级，需要吸收一定的能量；当原子形成晶体时，由于原子之间的影响，单一的能级变成具有一定幅度的能带，每个能带由若干能级组成。 原子中最外层电子或价电子所在的能带为价带，通常也是被电子占用的能量最高的能带，也叫满带。少数电子由于热运动的缘故，可以跃迁到上面空着的具有较高能量的能带，成为导电的自由电子，具有能导电的电子的最高能带为导带。价带和导带之间有一个空隙带，叫做禁带。禁带具有一定的能量，这种能量叫做禁带宽度。实际上，这个能量是导带的最低能级与满带的最高能级的能量差。禁带宽度用Eg表示。 对于绝缘体Al2O3，其室温下的禁带宽度为10eV，而半导体锗的禁带宽度仅为0.7eV，硅的禁带宽度为1.12eV。 当电子受到激发跃迁到导带以后，在满带中留下空穴。空穴只在半导体的晶格中形成。 当半导体表面受到光的照射时，光可能被反射、吸收或透射。有些光子的能量大到是以使电子挣脱原子的束缚，同时把电子由价带激发到导带，使半导体中产生大量的电子-空穴对。这种现象叫内光电效应(光子把电子打出金属的现象是外光电效应)。实现内光电效应的条件是
其中，ε为光子的能量，eV；h为普朗克常数，4.136×1015eV·s；v是光的频率，1/s。 半导体材料就是依靠内光电效应把光能转化为电能的。只有当射入光子的能量大于禁带宽度的能量时，才能使半导体价带中的电子被激发到导带，实现光电的能量转换；否则光子对光电能量转换过程不起作用。被半导体材料吸收的每个具有ε>Eg的光子能产生一个而且仅是一个电子-空穴对。光子的能量决定于其频率或波长。 能量高于禁带宽度的入射光子可以被电子完全吸收，吸收了能量的电子就跃过禁带，到达导带中的较高的能级。当电子最终落到导带底层时，其从光子接受的多余能量就以热能的形式释放到晶格中。 由此可见，禁带宽度这个物理量，对于太阳能电池来说，具有举足轻重的影响，它使每种太阳能电池对所吸收的光的波长都有一定的选择性。 由于v=c/λ，c为光速，m/s，所以有
波长大于截止波长的光不能实现光电转换。下表列出了各种半导体材料的禁带宽度和截止波长，以及可供利用的太阳能比率。可以看出，禁带宽度越大，可供利用的太阳能就越少。 半导体材料在吸收光子时，还表现出一种“带隙”的特性。光子不是在半导体表面全部被吸收，而是在材料的一层厚度里逐步被吸收。一般情况下，光子能量通量，即单位时间通过单位截面的光子能量(光强，亦代表光子数)是光子在材料中运动的距离x的函数，即
其中，I(x)是在深度x处的光的强度，W/m2；I(0)是射入正交表面的光强，W/m2；a是吸收系数，1/m。同一种半导体材料，对频率高的光子，一般吸收系数也大；不同的半导体材料，对同一频率的光子，一般吸收系数不同。这就意味着太阳能电池对半导体材料的薄膜厚度有一定的要求。例如，若要吸收90%以上的光子能量，半导体Si的薄膜厚度需超过100um，而半导体GaAs的薄膜厚度只需要1um。 三、半导体的掺杂特性 没有杂质的纯半导体也称为本征半导体。为了使半导体具有实用性，在半导体中加入少量杂质可能改变其导电机制(电子导电或者空穴导电)，这种半导体称为杂质半导体。如果杂质半导体中的导电载流子主要是电子，则称为n型半导体；若载流子主要是空穴，称为p型半导体。 下图显示了在硅晶格中加入杂质的分子结构。
当掺入具有5个价电子的磷原子时，磷原子替代了硅晶格中的硅原子，其4个价电子和周围的4个硅原子形成共价键，同时多出一个价电子。这个价电子受原子核的束缚较小，其能级属于禁带，但靠近导带，容易被激发到导带中而成为自由电子。当在硅晶体中加入的磷原子是够多时，就能产生很多自由电子。当受到外界条件激发时，半导体中的自由电子(负电荷)数远多于空穴(正电荷)数，自由电子称为多数载流子或多子，空穴称为少数载流子或少子。像磷原子这样的能在半导体中贡献自由电子的杂质原子称施主。这种主要依靠从施主能级激发到导带中去的电子来导电的半导体称为电子型或n型半导体，如掺入磷原子的硅就称为n型硅。当掺入有3个价电子的硼原子时，一个硼原子替代硅晶格中的一个硅原子，与周围的4个硅原子形成共价键时还缺少一个价电子，换句话说，有一个多余的空穴。硼原子的价电子能级虽然也属于禁带，但靠近满带，满带中的电子就容易被激发到硼原子能级，从而填补该空穴，同时留下一个能级较低的新空穴。这就是说，掺入杂质硼的作用是为半导体硅提供了多数载流子空穴，而电子却是少数载流子。像硼原子这样的能在半导体中贡献空穴的杂质原子称受主。这种主要依靠受主能级使满带中产生空穴来导电的半导体称为空穴型或p型半导体，如掺入硼原子的硅就称为p型硅。 在室温热平衡状态下，半导体中导电电子浓度n和空穴浓度p的关系如下：
其中，B对所有半导体几乎是个常数，B≈1039/cm6；Eg是半导体禁带宽度；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；对本征半导体，m=p=ni，ni为本征载流子浓度。 在n型半导体中，施主浓度Nd>>ni，则
在p型半导体中，受主浓度Na>>ni，则 可见，n型半导体中电子是多子，空穴是少子；p型半导体中则相反。 掺入杂质的p型和n型半导体本身都是电中性的，但是在吸收光子以后，由于基体材料(如硅等)中的原子激发而形成电子-空穴对和杂质产生多数载流子，从而使半导体的电导率大为增加。如在室温下，纯净硅的ni≈1010 /cm3，若掺杂磷原子的浓度Nd=n=1015/cm3，则p=105/cm3。而金属的ni>1022/cm3，显然纯净硅的导电性很差，掺杂后的n型硅的导电性大为增强。 需要指出的是，当掺杂半导体的温度很高时，不论是p型还是n型，由于施主和受主能级都居于禁带中央，掺杂半导体都会变为本征半导体。 四、p-n结 在n型半导体内，电子很多，空穴很少；而在p型半导体内，空穴很多，电子很少。当n型和p型半导体接触时，在交界面两侧，电子和空穴的浓度不相等，使空穴由浓度大的p 型区向浓度小的n型区扩散，同样，电子由浓度大的n型区向浓度小的p型区扩散。这就是多数载流子的扩散运动。 在未扩散以前，n型区和p型区都是电中性的。如上所述，多数载流子的扩散使交界面处p型区一侧出现负电荷(电子)积累，n型区一侧出现正电荷(空穴)积累，形成一层电偶极层，这就是p-n结，其厚度约为0.1um量级。这样就在p-n结内产生一个由n型区指向p型区的电场，称为内建电场。