半导体及太阳电池基础

一,基础知识(1)太阳能电池的发电原理太阳能电池是利用半导体材料的光电效应,将太阳能转换成电能的装置.•半导体的光电效应所有的物质均有原子组成,原子由原子核和围绕原子核旋转的电子组成.半导体材料在正常状态下,原子核和电子紧密结合(处于非导体状态),但在某种外界因素的刺激下,原子核和电子的结合力降低,电子摆脱原子核的束搏,成为自由电子.光激励核核电子空穴电子电子对•PN 结合型太阳能电池太阳能电池是由 P 型半导体和 N 型半导体结合而成,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 ,当 P 型和 N 型半导体结合时在结合处会形成电势当芯片在受光过程中,带正电的空穴往 P 型区移动,带负电子的电子往 N 型区移动,在接上连线和负载后,就形成电流..(2)太阳能电池种类－＋＋－－＋P 型铸 造 2工PN 结合（正面 N 极,反 面 P 极 ） 减 反膜形成通过电极,汇集电※在现在的太阳能电池产品中,以硅半导体材料为主,其中又以单晶硅和多晶硅为代表.由于其原材料的广泛性,较高的转换效率和可靠性,被市场广泛接受.非晶硅在民用产品上也有 广泛的应用（如电子手表,计算器等）,但是它的稳定性和转换效率劣于结晶类半导体材料. 化合物太阳能电池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害,现阶段未被市场广泛采用. ※现在太阳能电池的主流产品的材料是半导体硅,是现代电子工业的必不可少的材料,同时 以氧化状态的硅原料是世界上第二大的储藏物质. ※京瓷公司早在上世纪的八十年代就认识到多晶硅太阳能电池的光阔前景和美好未来,率先 开启多晶硅太阳能电池的工业化生产大门.现在已经是行业的龙头,同时多晶硅太阳能电 池也结晶类太阳能电池的主流产品（太阳能电池的 70%以上）.（3）多晶硅太阳能电池的制造方法空间用民用转换效率:24%转换效率:10%转换效率:8%（1400 度以上）破锭(150mm *155mm )N 极烧结电极 印刷 （ 正 反组配叠片层压模拟光源,输出测试边框安装(4)太阳能电池关连的名称和含义•转换效率太阳能电池的转换效率是指电池将接收到的光能转换成电能的比率转换效率 = 100%太阳能电池板被照射的太阳能※标准测试状态由于太阳能电池的输出受太阳能的辐射强度,温度等自然条件的影响,为了表述太阳能电池的输出和评价其性能,设定在太阳能电池板的表面温度为 25 度,太阳能辐射强度为 1000 ｗ/㎡、分光分布 AM1.5 的模拟光源条件下的测试为标准测试状态.大气层分光分布小知识晶硅类理论转换效率极限为 29%,而现在的太阳能电池的转换效率为 17%～19%,因此,太阳能电池的技术上还有很大的发展空间.•太阳能电池输出特性【太阳能电池电流---电压特性(I-V 曲线)】最大输出(PM):最大输出电压(Vpm) 最大输出电流( Ipm ) 开路电压(Voc ):开路状态的太阳能电池端子间的电压短路电流(Isc ):太阳能电池端子间的短路电流最大输出电压(Vｐｍ):最大输出状态时的动作电压最大输出电流 (Ipm ):最大输出状态时的动作电流日照强度变化和 I-V 曲线】温度变化和 I-V 曲线】日照强度—最大输出特性】温度-最大输出特性】最大输出%温度(度)12010080604020-25 0 25 50 75 100专用设备直流有蓄 电 路灯,交通信号灯,无线电 无蓄电池DC 水泵,换气扇,充电器②对能源和节能的贡献太阳能电池 2。

太阳能电池的结构与工作原理太阳能电池是利用光电效应将光能转化为电能的一种设备。

其结构以及工作原理十分关键，本文将从多方面进行阐述。

一、太阳能电池的结构太阳能电池的主要结构是由P型半导体和N型半导体材料组成的PN结构。

其具体结构如下：（1）P型半导体层：由于P型半导体材料内部原子存在杂质，导致其内部有大量少子分布，因此呈现出正电导特性。

（2）N型半导体层：与P型半导体层相似，N型半导体材料内部原子也存在杂质，导致其内有大量多子分布，因此呈现出负电导特性。

（3）P-N结：当P型半导体层与N型半导体层相结合时，因其电子浓度相反，形成PN结。

PN结中含有少量的杂质离子，如磷、硅、锗等，在室温下可获得稳定性，并形成一定的空间电荷区，即反向漏电区，可以有效防止电子和空穴的复合，从而将光电转换效率提高到最高。

（4）金属电极：在P型半导体的顶部和N型半导体的底部，分别电浆贴附上一层金属电极，以加强电路连通性。

二、太阳能电池的工作原理太阳能电池是通过光电效应实现将光能转换为电能的。

当光线经过太阳能电池表面时，会被吸收，产生光电子激发，使电子跃迁到导带中，形成相应的空穴。

通过PN结的内部电场作用使空穴向P型半导体集中，电子向N型半导体集中，形成电动势。

在外部电路的作用下，电子流进入电路的负载，使得负载发生电流，从而实现转换效果。

在实际应用中，太阳能电池的转换效率与多种因素有关，如太阳能的强度与方向、电池板的温度与表面状况、电池板质量等因素。

同时，太阳能电池的制造也对其转换效率产生重要影响。

通过多样化材质结构的选择，制造出转换效率高、成本低、稳定性好的太阳能电池，对于太阳能电池的推广应用产生了积极推动作用。

三、太阳能电池的种类太阳能电池种类较多，根据主要材料不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池和非硅太阳能电池。

其中，硅太阳能电池占据了市场主导地位，非硅太阳能电池虽然目前市场份额较小，但这种新型太阳能电池的研究及发展有着重要意义。

太阳能电池的结构
太阳能电池的基本结构分为以下几个部分：
1. 衬底（substrate）：太阳能电池的基础材料，通常为硅（silicon）材料。

衬底是太阳能电池的主要支撑部分。

2. pn结（pn junction）：太阳能电池中重要的组成部分，由n型半导体（n-type semiconductor）和p型半导体（p-type semiconductor）组成。

这两种材料的特性不同，使得在pn结附近形成了电势差，从而形成一个内建电场。

3. 正极（anode）和负极（cathode）：太阳能电池的正
极和负极分别连接到n型半导体和p型半导体中，用于收
集电流。

正极和负极通常由金属材料制成。

4. 电池封装材料（encapsulation material）：太阳能电
池需要通过封装材料来保护衬底和pn结，同时也要防止湿气、灰尘等外界物体进入。

常见的封装材料有玻璃（glass）、聚合物（polymer）等。

5. 反射层（reflective layer）：用于减少光的反射损失，提高太阳能电池的光吸收效率。

常见的反射层材料有氧化铝（aluminum oxide）等。

总的来说，太阳能电池的结构可以简化为由衬底、pn结、正极、负极、封装材料和反射层等组成的一个封装结构。

当太阳光照射到太阳能电池上时，光能被吸收并转化为电能。

太阳能电池基本原理太阳能电池是将太阳能转化为电能的一种设备。

其基本原理是通过光电效应，将太阳光直接转化为电能。

下面将从几个步骤来阐述太阳能电池的基本原理。

一、光电效应光电效应是将光子能量转化为电子能量的过程。

当光子能量达到一定程度时，可以将电子从金属表面上释放出来，这个现象被称为“光电效应”。

光电效应是太阳能电池能够工作的基础。

二、半导体太阳能电池的主要材料是半导体。

半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料。

在太阳能电池中，半导体被掺杂成p型和n型材料。

p型半导体的材料中含有掺杂元素的空穴，n型半导体的材料中含有掺杂元素的自由电子，这种不同类型的半导体材料通过接触形成p-n结。

三、太阳能电池的原理当太阳光照射到太阳能电池上时，光子将经由计算机的帮助，穿过外表面玻璃接触到p-n结的p区。

此时，p型半导体材料中的空穴会将能量吸收，然后n型半导体中的自由电子会被激活，从而产生电流。

这样的过程就是太阳能电池的基本工作原理。

四、太阳能电池的制作太阳能电池的制作过程主要包括多个步骤，具体来说有以下几个步骤：（1）掺杂：尝试将半导体材料掺杂成p型和n型；（2）打沟槽：用磁力或者机械的方式在导体表面打沟槽，以便形成导线；（3）在导体表面涂抹：用具有导电性质的金属在导体表面形成电极；（4）密封：太阳能电池在制作完成后需要密封，以便保证其不会遭受氧化而失效。

总之，太阳能电池的基本原理是通过光电效应来转化太阳能为电能。

太阳能电池是一种高效的清洁能源，越来越多的人开始关注和使用太阳能电池，以减少对环境的影响。

课程大纲第一部分：基础知识第章引言第一章：引言第二章：半导体基础第三章：P-N结第四章：太阳能电池基础第二部分：传统太阳能电池第章能第五章：晶体硅太阳能电池第六章：高效III-V族化合物太阳能电池第七章：硅基薄膜太阳能电池第八章：高效薄膜太阳能电池（CIGS, CdTe）第三部分：新型太阳能电池第九章：有机太阳能电池第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等）第十二章：多结太阳能电池主讲教师：（1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@张兴旺14章学时）xwzhang@semi ac cn尹志岗（5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@游经碧（8-12章：22学时）；82304566，jyou@课程性质：专业选修课课程性质专业选修课课时：54课时考试类型：开卷成绩计算方式：期末考试（70%）+小组文献汇报（30%）成绩计算方式期末考试参考书目：1熊绍珍朱美芳：《太阳能电池基础与应用》科学出版社1. 熊绍珍，朱美芳：《太阳能电池基础与应用》，科学出版社，2009年2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：《半导体物理学》，电子工业出版社，2011年3. 白一鸣等编，《太阳电池物理基础》，机械工业出版社，2014年第一章引言太阳能的利用方式1.2太阳能资源及其分布31.114太阳电池工作原理31.3太阳电池发展历程1.4太阳电池应用与趋势31.51.6中国光伏发电的现状1973年，由于中东战争而引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的能源危机，人类认识到常规能源的局限性、以石油为代表的“能源危机”，人类认识到常规能源的局限性有限性和不可再生性，认识到新能源对国家经济发展、社会稳定及安全的重要性。

与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战着人类的忍受极限……1.1 太阳能资源：未来能源的主要形式太阳能核能地热能生物质能风能水势能清洁能源－－光伏发电太阳------物理参数太阳------地球生命之源！表度太阳------巨大的火球！表面温度：5760-6000K中心温度：1.5×107K日冕层温度：5×106K198930质量：1.989×10kg太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于132每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量(世界能源消耗)3.0 ×1020joule/y=万分之一！3.0 ×1024joule/y万分之巨大潜力(照射到地面的太阳能)457亿年>50亿年我国的太阳能资源45.7亿年，>50亿年，取之不尽、用之不竭地表每年吸收太阳能17000亿吨标煤2007年一次能源26.5亿吨标煤解决能源危机特点能源取之不尽、无污染地球表面角度0.1%的太阳能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍资源丰富太阳环改善环境、保护气候无污染物废气噪音的污染特点能的境角无污染物、废气、噪音的污染1 MW并网光伏电站的年发电能力约为113万优点度并能kWh，可减排二氧化碳约191余吨相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约节能减排8.54吨。

太阳能电池与半导体材料的关系分析太阳能电池是利用光能转化成电能的一种设备，具有无污染、绿色环保、可再生等优点，逐渐被人们所重视。

太阳能电池的核心部件是半导体材料。

本文将对太阳能电池与半导体材料之间的关系进行分析。

一、半导体材料的基本概念半导体材料是一种介于导体与绝缘体之间的材料。

在其内部平衡状态下，由于其导电能力与绝缘性质之间的转化，使得其电子浓度与空穴浓度相等，整体为电中性。

半导体材料具有优异的电学、光学和热学性质，广泛应用于电子、照明和能源等领域。

半导体材料主要包括硅、锗、氮化物、磷化物等。

其中，硅是最为重要的基础半导体材料之一。

在半导体器件中，硅晶体是最广泛应用的基板。

锗及氮化物、磷化物等半导体材料在特定电子应用中也得到了广泛应用。

二、太阳能电池的工作原理太阳能电池是半导体材料的一种应用。

太阳能电池采用p-n结的结构来实现光电转换。

其工作原理基于光伏效应。

光伏效应是指在光照下，半导体材料吸收光能而产生电流的物理现象。

在p-n 结中，当光线照射到p区域的半导体晶体上时，光相当于一个光量，光子与p区域的半导体物质发生作用，使p区域的电子在光的作用下跃迁到n区域，即被称为“光生电子”，在内电场的作用下，光生电子在p-n结两侧产生电势差，产生电流。

当没有光照射时，则没有电流通过p-n结。

该原理被证明是实现太阳能光电转换的最有效方法之一。

三、太阳能电池中半导体材料的选择半导体材料的性能对太阳能电池的效率有着直接的影响。

对于太阳能电池而言，半导体材料应该具有以下特征：1、高光电转换效率较高的光电转换效率是太阳能电池的关键。

太阳能电池应具有较高的光电转换效率，才能将光能转化为电能，并提高能源利用效率。

2、稳定性太阳能电池应具有足够的稳定性，尽量避免因材料本身的劣化以及外部环境的影响而导致性能下降。

3、低成本低成本是太阳能电池广泛应用的重要前提。

半导体材料本身的成本、薄膜的成本、生产工艺等方面都需要考虑。

太阳能电池的材料和器件设计太阳能电池是一种能够将太阳能转化为电能的器件，其中的材料和器件设计对于其效率和成本非常重要。

一、太阳能电池的基本结构和原理太阳能电池的基本结构由两层半导体材料组成，其中一层是P 型半导体，另一层是N型半导体，它们之间形成PN结。

当光子被吸收并被半导体材料电离时，会产生电子和空穴，电子和空穴会被PN结分开，形成电场，最终形成电池输出电能。

二、太阳能电池的材料选择太阳能电池的性能与材料的选择密切相关。

目前，太阳能电池使用的材料主要有硅、铜铟镓硒、半导体有机材料等。

1.硅材料硅材料是太阳能电池的主要材料，其具有稳定性好、电转换效率高等优点。

但是，硅材料存在价格高、厚度大、生产成本高等缺点。

2.铜铟镓硒材料铜铟镓硒材料是一种新型的太阳能电池材料，其具有光学吸收率高、热稳定性好等优点。

但是，其成本较高。

3.有机太阳能电池材料有机太阳能电池材料是一种新型的太阳能电池材料，其具有制备简单、柔性好等优点。

但是，目前其转换效率较低。

三、太阳能电池的器件设计太阳能电池的器件设计是太阳能电池的关键之一。

1.表面结构设计通过优化太阳能电池的表面结构可以提高其光吸收率，提高太阳能电池的电转换效率。

目前，常用的太阳能电池表面结构设计有菱形纹、圆锥状结构、反射层结构等。

2.结构优化设计通过优化太阳能电池的结构，可以提高太阳能电池的光吸收率和电转换效率。

常用的结构优化设计有波导结构、布拉格反射结构等。

3.材料配合设计在太阳能电池的制备过程中，通过对太阳能电池的材料配合进行优化，可以提高太阳能电池的电转换效率。

例如，通过在太阳能电池的P-N结中添加掺杂元素，可以提高太阳能电池的电转换效率。

四、未来的太阳能电池材料和器件设计趋势未来的太阳能电池材料和器件设计趋势主要有以下几个方向：1.多元复合太阳能电池材料的开发通过多种材料的复合，可以使太阳能电池具有更高的光吸收率和更好的电转换效率。

2.柔性太阳能电池的发展柔性太阳能电池具有制备成本低、便于携带等优点，未来柔性太阳能电池的发展将会越来越广泛应用。