太阳能电池及其物理基础.pptx

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光生伏特效应21、半导体物理基础太阳能电池将光能转换为电能主要包含两个步骤：

（1）电池吸收光能并产生“电子空穴”对；

（2）电子-空穴对在器件结构作用下分离，电子流向负极而空穴流向正极，从而产生电流。

如何理解这两个步骤？

1.1能带结构一、能带的形成原子间距d很大，原子的能级为分立能级原子逐渐靠近，相互影响，使孤立的原子能级扩展成为能带Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.1、半导体物理基础太阳能电池将光能转换为电能主要包含两个步骤：

（1）电池吸收光能并产生“电子空穴”对；

（2）电子-空穴对在器件结构作用下分离，电子流向负极而空穴流向正极，从而产生电流。

如何理解这两个步骤？

1.1能带结构一、能带的形成原子间距d很大，原子的能级为分立能级原子逐渐靠近，相互影响，使孤立的原子能级扩展成为能带Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.随着原子间距的减小，3s和3p态相互作用并产生交叠。

在平衡状态原子间距位置产生能带分裂。

每个原子的其中四个量子态处于较低能带，另外四个量子态则处于较高能带。

当处于绝对零度时，电子都处于最低能量状态，从而导致较低能带（价带）的所有状态都是满的，而较高能带（导带）的所有状态都是空的。

价带顶和导带底之间的带隙能量Eg既为禁带宽度。

轨道能量产生重叠，电子开始从高能量轨道向低能量轨道转移独立硅原子的3s和3p态分裂为允带和禁带Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.二、k空间能带图上述内容中，我们定性讨论了晶体中允带和禁带的形成及原因。

我们还可以利用量子力学原理和薛定谔波动方程对允带和禁带的概念做更为严密的讲解。

微观粒子具有波粒二象性，表征波动性的量与表征粒子性的量之间有一定的联系。

一个质量为m0，以速度v自由运动的电子，其动量p与能量E分别为：

Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.德布罗意（DeBroglie）指出，这一自由粒子可以用频率为、波长为的平面波表示：

式中：

A常数r空间某点的矢径k平面波的波数，等于波长的倒数。

为能同时描写平面波的传播方向，通常规定k为矢量，称为波数矢量，。

方向与波面法线平行，为简称波矢，既为k，其大小为：

波的传播方向。

自由电子能量和动量与平面波频率和波矢之间的关系分别为：

h为普朗克（Planck）常数Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.为简单起见，考虑一维情况，即选x轴方面与波的传播方向一致，则：

式中：

也称其为自由电子的波函数，它代表一个沿x轴方向传播的平面波，且遵守定态薛定谔（Schrdinger）方程：

，h为普朗克（Planck）常数，E为电子能量。

式中，最后，计算得：

Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.第一布里渊区：

第二布里渊区：

第三布里渊区：

禁带：

Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.E（k）也是k的周期性函数，周期为/a，即k和k+n/a表示相同的状态。

所以，可以只取-/2ak/2a中的k值来描述电子的能量状态，而将其他区域移动n/a合并到第一区。

在考虑能带结构时，只需考虑-/2ak/2a的区域就够了，就是说只需考虑第一布里渊区，得到如左图所示的曲线。

在这个区域内，E为k的多值函数。

因此，在说明E（k）和k的关系时，必须用En（k）标明是第n个能带，常称这一区域为简约布里渊区，这一区域内的波矢为简约波矢。

Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.三、金属、半导体和绝缘体的能带结构导体：

10-5cm固体按其导电性分类半导体：

10-5cm107cm绝缘体：

107cm

（1）价带、导带和禁带价带：

在绝对零度时，能被电子占满的最高能带导带：

比价带能量更高的能带禁带：

在能带结构中，价带与导带之间能态密度为零的能量区间价带导带禁带ESchl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.

（2）金属、半导体和绝缘体的能带结构金属导带（部分填充）价带（全满）导带（全空）价带（部分空缺）导带价带绝缘体导带（全空）价带（全满）导带（全空）价带（全满）半导体Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.四、几种常见半导体材料的能带结构

（1）硅（Si）及锗（Ge）的能带结构像硅和锗这样的半导体材料，价带能量最大值和导带能量最小值的k坐标不同的半导体，通常称为间接带隙半导体。

硅锗Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.

（2）砷化镓（GaAs）的能带结构像砷化镓这样的半导体材料，价带最大能量与导带最小能量的k坐标相同的半导体，通常称为直接带隙半导体。

直接带隙材料的光跃迁几率是间接带隙材料的10倍，因为电子跃迁过程无动量变化，与晶格无作用，复合过程是辐射复合，使激光器具有较高的内量子效率。

砷化镓Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.五、半导体中的能态密度固体能带的另一个表征是能带中电子状态密度按能量的分布N（E），它是与k空间态密度以及固体能带结构相关的。

k空间单位体积的状态密度是2/

（2）3，其中2是考虑电子自旋。

讨论在E到E+dE范围内的电子状态数dN=N（E）dE，应该是dE能量间隔在k空间所占的体积与k空间状态密度的乘积：

Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.导带底状态密度：

式中，为导带底电子状态密度有效质量。

价带顶状态密度：

式中，为价带顶电子状态密度有效质量。

Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.1.2载流子一、本征半导体和掺杂半导体

（1）本征半导体本征半导体即没有杂质和缺陷的半导体。

绝对零度，本征半导体的能带结构中，价带填满电子，而导带没有电子。

在本征半导体中，电子浓度n等于空穴浓度p，称这个浓度称为本征浓度ni。

下表给出了T=300K时，几种不同材料本征载流子浓度ni的公认值；下图给出了本征半导体的能带结构，EFi为本征费米能级。

SiGaAsGeni=1.51010cm-3ni=1.8106cm-3ni=2.41013cm-3T=300K时，ni的公认值EcEFiEv本征半导体能带结构图Schl.ofOptoelectronicInform.StateKeyLab.ofETFID“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.

（2）掺杂半导体掺有杂质的半导体称为掺杂半导体：

n型半导体是在族元素（如硅、锗）半导体中掺入少量的族元素（如磷、锑、砷等）杂质，作为替位杂质。

族元素原子从向导带提供了电子，因此我们称之为施主杂质原子。

施主杂质原子能在导带中产生电子。

掺杂半导体n型半导体：

EFEFip型半导体：

EFEFi,n0ni，nip0，即n0p0Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.p型半导体则是在族元素（如硅、锗）半导体中掺入少量的族元素（如硼等）杂质，作为替位杂质。

族元素有三个价电子，并且都与硅原子结合形成共价键，则有一个共价键的位置是空的，即空穴。

族元素原子从价带中获得电子，因此我们称之为受主杂质原子。

受主杂质原子能在价带中产生空穴，但不在导带中产生电子。

我们称这种类型的半导体为p型半导体（p代表带正电的空穴）。

p型半导体特征：

EFEFi,n0ni，nip0，即n0p0Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.掺杂半导体示意图Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.二、平衡态载流子分布在一定温度下，半导体中载流子（电子、空穴）的来源：

1电子从价带直接激发到导带，在价带留下空穴的本征激发；2施主或受主杂质的电离激发，与载流子的热激发过程相对应，还会伴随有电子与空穴的复合过程。

在一定温度下，半导体材料内载流子的产生和复合达到热力学平衡，称此动态平衡下的载流子为热平衡载流子。

电子作为费米子，服从费米-狄拉克统计分布，费米-狄拉克分布函数代表能量为E的量子态被电子占据的可能，或表示被电子填充的量子态占中量子态的比率，具体公式如下：

式中：

EF费米能级kB波尔兹曼常数Schl.ofOptoelectronicInform.StateKeyLab.ofETFID“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.T=0K时：

EEF，量子态完全被占；EEF，量子态被占的可能为零。

T0K时：

电子获得多余能量进入高能级，此时高于EF的能量状态被电子占据的几率不为零。

能量为EF的量子态被占据的可能为1/2。

Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.空穴状态概率（1-f（E）与f（E）函数关于费米能级EF对称。

Schl.