固体物理学年论文文档 2Word文档格式.docx

固体物理学年论文文档 2Word文档格式.docx

《固体物理学年论文文档 2Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固体物理学年论文文档 2Word文档格式.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

如下图。

图3

N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，

这就是PN结。

图4

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层），界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。

这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。

N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。

达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。

当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。

然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。

（如下图所示）图5

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（如图梳状电极），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（如图），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。

2）将光子转换为电子[2]

计算器和人造卫星上使用的太阳能电池都是光伏电池或者模块（模块就是一组通过电路连接并封装在一个框架内的电池）。

光伏电池（Photovoltaics），顾名思义（photo=光，voltaic=电），是指将太阳光转换为电能的电池。

光伏电池之前只用在太空中，而现在却越来越普及，且使用方式也越来越普通。

它们甚至可以为您的住宅供电。

这些装置是如何工作的呢？

光伏（PV）电池由半导体材料制成，比如硅就是目前最常用的一种半导体。

当光照射电池时，有一部分光会被半导体材料吸收。

这意味着吸收的光能将传给半导体。

能量会导致电子逸出，使它们可以自由流动。

光伏电池中还有一个或多个电场，可以迫使由光吸收并释放的电子以一定方向流动。

电子的流动形成电流，通过在光伏电池的顶部和底部安放金属触点，我们可以将电流引出来，以供使用。

例如，电流可以为计算器供电。

此电流以及电池电压（由内部电场产生）决定了太阳能电池的功率（或者瓦特数）。

这是发电的基本过程，但是实际情况要复杂得多。

让我们来深入研究一个光伏电池的示例：

单晶硅电池。

[5]、[6]

硅有一些特别的化学特性，尤其是它的晶体结构。

硅原子含有14个电子，排列在三个不同的核外电子层中。

距离原子核最近的头两个电子层完全填满。

而最外层电子则处于半满状态，只有四个电子。

硅原子始终会想方设法填满最外面的电子层（即希望有八个电子）。

为此，它会与相邻硅原子的四个电子共享自身的电子，这就好比每个原子与周围原子握手一样，只是在这种情况下，每个原子有四只手与四个邻居相握。

这就形成了晶体结构，该结构对于这种类型的光伏电池具有重要的意义。

现在，我们已经了解了纯晶体硅。

纯硅是一种性能很差的导体，因为它的电子不能像铜这样的导体中的电子那样自由移动。

硅中的电子被全部锁在晶体结构中。

太阳能电池中的硅结构已经过稍稍调整，以便它能作为太阳能电池来工作。

太阳能电池使用的硅混有杂质——其他原子与硅原子混在一起，这样会稍稍改变硅的工作方式。

我们通常认为杂质是某种不好的东西，但在这个例子中，如果没有这些杂质，电池就无法工作。

实际上，这些杂质是有意添加到硅中的。

考虑硅与一个位置不定的磷原子在一起的情况，也许每一百万个硅原子配上一个磷原子。

磷原子的外电子层有五个电子，而不是四个。

它仍然要与硅周围的原子结合，但从某种意义上讲，磷原子有一个电子是不与任何原子握手的。

它没有成为键的一部分，但是磷原子核中的正质子会使其保持在原位上。

当把能量加到纯硅中时（比如以热的形式），它会导致几个电子脱离其共价键并离开原子。

每有一个电子离开，就会留下一个空穴。

然后，这些电子会在晶格周围四处游荡，寻找另一个空穴来安身。

这些电子被称为自由载流子，它们可以运载电流。

不过，留在纯硅中的电子数量极少，因此没有太大的用处。

而将纯硅与磷原子混合起来，情况就完全不同了。

此时，只需很少的能量即可使磷原子的某个“多余”的电子逸出，因为这些电子没有结合到共价键中——它们的邻居不会将它们拉回。

因此，大多数这类电子会成为自由电子，这样，我们就得到了比纯硅中多得多的自由载流子。

有意添加杂质的过程被称为掺杂，当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为N型（“n”表示负电），因为硅里面有很多自由电子。

与纯硅相比，N型掺杂硅是一种性能好得多的导体。

实际上，太阳能电池只有一部分是N型。

另一部分硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有三个而不是四个电子，这样可得到P型硅。

P型硅中没有自由电子（“p”表示正电），但是有自由空穴。

空穴实际是电子离开造成的，因此它们带有相反（正）的电荷。

它们像电子一样四处移动。

在将N型硅与P型硅放到一起时，有趣的情形发生了。

切记，每块光伏电池至少有一个电场。

没有电场，电池就无法工作，而此电场是在N型硅和P型硅接触的时候形成的。

突然，N侧的自由电子（它们一直在寻找空穴来安身）看到了P侧的所有空穴，然后便疯狂地奔向空穴，将空穴填满。

以前，从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。

多余的电子被磷中多余的质子所中和。

缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。

当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。

所有自由电子会填充所有空穴吗？

不会。

如果是这样，那么整个准备工作就没有什么意义了。

不过，在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。

最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。

图6

光伏电池中的电场效应

这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从P侧流向N侧，而不是相反。

它就像一座山——电子可以轻松地滑下山头（到达N侧），却不能向上攀升（到达P侧）。

这样，我们就得到了一个作用相当于二极管的电场，其中的电子只能向一个方向运动。

让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。

当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。

每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。

如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到N侧，将空穴送到P侧。

这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（P侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。

电子流动提供电流，电池的电场产生电压。

有了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。

图7

光伏电池的工作原理

我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量？

遗憾的是，此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为25%左右，通常的吸收率是15%或更低。

为什么吸收率会这么低？

可见光只是电磁频谱的一部分。

电磁辐射不是单频的——它由一系列不同波长（进而产生的一系列能级）组成。

（有关电磁频谱的详细介绍，请参阅狭义相对论基本原理。

）

光可分为不同波长，我们可以通过彩虹看出这一点。

由于射到电池的光的光子能量范围很广，因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。

它们只是穿过电池，就像电池是透明的一样。

但其他一些光子的能量却很强。

只有达到一定的能量——单位为电子伏特（eV），由电池材料（对于晶体硅，约为1.1eV）决定——才能使电子逸出。

我们将这个能量值称为材料的带隙能量。

如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉（除非光子的能量是所需能量的两倍，并且可以创建多组电子空穴对，但这种效应并不重要）。

仅这两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失。

为何我们不选择一种带隙很低的材料，以便利用更多的光子？

遗憾的是，带隙还决定了电场强度（电压），如果带隙过低，那么在增大电流（通过吸收更多电子）的同时，也会损失一定的电压。

请记住，功率是电压和电流的乘积。

最优带隙能量必须能平衡这两种效应，对于由单一材料制成的电池，这个值约为1.4电子伏特。

我们还有其他能量损失。

电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。

我们可以在电池底部镀上一层金属，以保证良好的导电性。

但如果我们将电池顶部完全镀上金属，光子将无法穿过不透光导体，这样就会丧失所有电流（在某些电池中，只有上表面而非所有位置使用了透明导体）。

如果我们只在电池的两侧设置触点，则电子需要经过很长一段距离（对于电子而言）才能抵达接触点。

要知道，硅是半导体，它传输电流的性能没有金属那么好。

它的内部电阻（称为串联电阻）相当高，而高电阻意味着高损耗。

为了最大限度地降低这些损耗，电池上覆有金属接触网，它可缩短电子移动的距离，同时只覆盖电池表面的一小部分。

即使是这样，有些光子也会被网格阻止，网格不能太小，否则它自身的电阻就会过高。

在实际使用电池之前，还要执行其他几个步骤。

硅是一种有光泽的材料，这意味着它的反射性能很好。

被反射的光子不能被电池利用。

出于这个原因，在电池顶部采用抗反射涂层，可将反射损失降低到5%以下。

最后一步是安装玻璃盖板，用来将电池与元件分开，以保护电池。

光伏模块由多块电池（通常是36块）串联和并联而成，以提供可用的电压和电流等级，这些电池放在一个坚固的框架中，后部分别引出正极端子和负极端子，并用玻璃盖板封上。

图8

普通硅光伏电池的基本结构

单晶硅并非光伏电池中使用的唯一材料。

电池材料中还采用了多晶硅，尽管这样生产出来的电池不如单晶硅电池的效率高，但可以降低成本。

此外，还采用了没有晶体结构的非晶硅，这样做同样是为了降低成本。

使用的其他材料还包括砷化镓、硒化铟铜和碲化镉。

由于不同材料的带隙不同，因此它们似乎针对不同的波长或不同能量的光子进行了“调谐”。

一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。

带隙较高的材料放在表面，吸收较高能量的光子；

而带隙较低的材料放在下方，吸收较低能量的光子。

这项技术可大大提高效率。

这样的电池称为多接面电池，它们可以有多个电场。

有了光伏（PV）模块，我们该如何利用呢？

如何利用太阳能来为房间供电？

尽管它并非像随便在屋顶放置一些模块那样简单，但也不是特别复杂。

首先，并非每个屋顶都有合适的朝向或倾斜角度可以充分利用太阳能。

北半球的无轨道光伏系统应指向正南（这是方位）。

它们应该以该地区纬度来设定倾斜角度，以便可以整年吸收尽可能多的能量。

如果希望在上午或下午以及夏季或冬季获得尽可能多的能量，可以采用不同的方位、倾角。

当然，不管在一天或者一年中的什么时间，模块决不能被附近的树木或者建筑物挡住。

在光伏模块中，即使36块电池中只有一块被挡住了，发电量也会减少一大半。

如果您有一间房子，它的屋顶没有遮挡并且朝南，那么您还需要确定自己需要的系统规模。

这是一项复杂的工作，因为发电量取决于天气情况，而天气从来都是不可完全预测的，并且您的用电需求也会随时发生变化。

这些障碍很容易清除。

气象数据会提供不同地理区域每月的平均日照水平。

其中考虑了降雨和多云天气，以及纬度、湿度和其他更细微的因素。

您在设计时应考虑到日照状况最差的月份，这样才能保证全年都有充足的电力供应。

有了这个数据，并且清楚自己家里的平均用电需求（通过用电帐单即可得知每月的用电量），可以用一些简单的方法来确定您需要多少个光伏模块。

此外，您还需要确定系统电压，这可以通过决定串联的模块数量来控制。

您可能已经猜到我们要解决的几个问题了。

首先，在没有太阳光照射时我们应该怎么做？

当然，如果可以选择的话，肯定没有人愿意接受只在白天并且只在晴朗的白天才有电的生活。

我们需要能量存储装置——电池。

遗憾的是，电池为光伏系统增加了很多成本和维护工作。

但是在目前，电池还是一个必需品，因为只有这样才能完全摆脱天气的影响。

绕开这个问题的一个方法是，将房子与电网相连，从而可以在需要电的时候买电，而在发电量超过需要时卖电。

这样，电网实际上充当了一个巨大的能量存储系统。

当然，这需要征得电网方面的同意，并且在大多数情况下，它们从您这里买电的价格将比它们售电的价格低得多。

您还需要特殊的设备来确保出售给电网的电力与它们的电力同步——即共享相同的正弦波形和频率。

安全性也是一个问题。

电网需要确保如果在您的住宅附近出现断电，您的光伏系统不会向线路工人以为已经没有电的线路供电。

这称之为隔离。

如果您决定使用电池，请切记电池是需要维护的，并且在一定年限之后需要更换。

光伏模块应该可以使用20年或者更长的时间，但电池就没有这么长的寿命了。

由于电池中存有能量且包含酸性电解液，光伏系统中的电池可能非常危险，因此您需要为它们提供一个通风良好的非金属外壳。

三、太阳能电池的应用[3]

硅太阳能电池问世，由于它可靠性高，寿命长，适于工作很多特殊环境和场合。

取代了硒光电池，得到发展和广泛应用。

1、航天、宇宙太空开发及高科领域的应用

太阳能电池由于它可靠性和特有优越性首先在航天技术上大显身手。

1958年太阳能电池第一次蹬上人造卫星。

至此航天、卫星就没离过太阳能电池；

未来太空的开发，首先蹬月太阳能电池必将扮演重要角色。

蹬上其它星球、目前的火星探测器“勇气”号，“机遇”号，太阳能电池是它们赖以工作的主要电源。

2004年1月3日“勇气”号蹬陆火星；

2004年2月24日“机遇”号蹬陆火星。

2004年12月22日路透社报道：

火星探测器“勇气”号和“机遇”号在火星表面虽然工作快近一年，但工作状态很好，它们的能源基本来源于太阳能电池。

到现在，“机遇”号探测器电力输出能量达每日900W/h；

“勇气”号探测器电力输出能量达每日400W/h。

据说“勇气”号电力小的原因是电池表面积尘造成，而“机遇”号探测器太阳能电池板面积尘不知何故总能被清除而输出电力比“勇气”号大。

军用太阳能电源，在特殊环境的条件，边防哨所，高山大漠海岛等电源。

人类已经开始考虑在月球上建太阳能电站。

2、工农业生产的应用

作为一种新的能源在工农业生产上也得到了广泛应用。

在漫无人际的高山大海，各种灯塔航标，各种卫星通信接收站；

各种遥控遥测、气象观测站、公路铁路的自动信号灯等成为优选电源。

在许多边远无电地区的离网式光伏供电系统。

光电池在自动控制中得到诸多的应用。

在工厂产品的检数、测量；

制作各种传感器；

利用光电池对各种波长（颜色）响应灵敏度不同（或加盖滤镜）探测光的颜色等。

交通、通信、林业、农业、电视、气象、地质等专业的太阳能电源。

太阳能光伏水泵。

3、民用生活的小产品

当前太阳能电池光电小产品种类、名目繁多。

在许多方面成为消费品电源。

（1）小型光伏系统类：

光伏充电器：

例可给2节5号鎘镍电池充电，或做小型3V电源。

太阳能计算器：

做袖珍便携式计算器的供电源，有光照既可工作。

太阳能小风帽：

利用阳光自动调节小风扇，是夏日取凉的绝对佳品。

太阳能手提灯：

利用太阳能电池充电，用蓄电池贮能，特别适于无电地区及移动中使用。

参考文献

[1]参考《太阳能电池制作原理及方法》[2]参考光伏发电资料[3]节选《太阳能的利用》