1、第二章：半導體與第二章：半導體與PN結結2022-4-25UNSW新南威爾士大學1 2.1簡介簡介 2.2基本原理基本原理 2.3載流子的產生載流子的產生 2.4載流子的復合載流子的復合 2.5載流子的運動載流子的運動 2.6 PN結結 2.1 簡介簡介 一直以來，太陽能電池與其它的電子器件都被緊密地聯一直以來，太陽能電池與其它的電子器件都被緊密地聯系在一起。接下來的幾節將講述半導體材料的基本問題和物系在一起。接下來的幾節將講述半導體材料的基本問題和物理原理，這些都是光伏器件的核心知識。這些物理原理可以理原理，這些都是光伏器件的核心知識。這些物理原理可以用來解釋用來解釋PN結的運作機制。結的運

2、作機制。PN結結不僅是太陽能電池的核心不僅是太陽能電池的核心基礎，還是絕大多數其它電子器件如激光和二極管的重要基基礎，還是絕大多數其它電子器件如激光和二極管的重要基礎。礎。2022-4-252 右圖是一個右圖是一個硅錠硅錠，由，由一個大的單晶硅組成，這一個大的單晶硅組成，這樣一個硅錠可以被切割成樣一個硅錠可以被切割成薄片然后被制成不同半導薄片然后被制成不同半導體器件，包括太陽能電池體器件，包括太陽能電池和電腦芯片。和電腦芯片。 2.2.1 基本原理基本原理 -半導體的結構半導體的結構 半導體是由許多單原子組成的，它們以有規律的周期性半導體是由許多單原子組成的，它們以有規律的周期性的結構鍵合在一

3、起，然后排列成型，借此，每個原子都被的結構鍵合在一起，然后排列成型，借此，每個原子都被8個電子包圍著。一個單原子由原子核和電子構成，原子核則個電子包圍著。一個單原子由原子核和電子構成，原子核則包括了質子（帶正電荷的粒子）和中子（電中性的粒子），包括了質子（帶正電荷的粒子）和中子（電中性的粒子），而電子則圍繞在原子核周圍。電子和質子擁有相同的數量，而電子則圍繞在原子核周圍。電子和質子擁有相同的數量，因此一個原子的整體是顯電中性的。基于原子內的電子數目因此一個原子的整體是顯電中性的。基于原子內的電子數目（元素周期表中的每個元素都是不同的），每個電子都占據（元素周期表中的每個元素都是不同的），每個電

4、子都占據著特定的能級。著特定的能級。2022-4-253 半導體材料可以來自元素周期表中的半導體材料可以來自元素周期表中的族元素，或族元素，或者是者是族元素與族元素與族元素相結合（叫做族元素相結合（叫做 - -型半導型半導體體 ），還可以是），還可以是族元素與族元素與族元素相結合（叫做族元素相結合（叫做 - -型半導體型半導體 ）。硅是使用最為廣泛的半導體材料，它是）。硅是使用最為廣泛的半導體材料，它是集成電路（集成電路（ICIC）芯片的基礎，也是最為成熟的技術，而大）芯片的基礎，也是最為成熟的技術，而大多數的太陽能電池也是以硅作為基本材料的。硅的相關材多數的太陽能電池也是以硅作為基本材料的。

5、硅的相關材料性能將在料性能將在硅的材料性質硅的材料性質一節給出。一節給出。4 2.2.1 基本原理基本原理 -半導體的結構半導體的結構右圖展示了一種半導右圖展示了一種半導體的結構。體的結構。硅晶格中硅晶格中的共價鍵示意圖。的共價鍵示意圖。硅原子硅原子共價鍵共價鍵 2.2.1 基本原理基本原理 -半導體的結構半導體的結構 上圖是元素周期表的一部分。相同半導體材料以藍色上圖是元素周期表的一部分。相同半導體材料以藍色字體顯示。半導體可以由單原子構成，如字體顯示。半導體可以由單原子構成，如Si或或Ge，化合物，化合物，如如GaAs、InP、CdTe，還可以是合金，如，還可以是合金，如SixGe（1-x

6、）或或AlxGa（1-x）As。 其中其中X是元素的組分，數值從是元素的組分，數值從0到到1。 半導體的半導體的價鍵結構價鍵結構決定了半導體材料的性能。一個決定了半導體材料的性能。一個關鍵影響就是限制了電子能占據的能級和電子在晶格之關鍵影響就是限制了電子能占據的能級和電子在晶格之間的移動。半導體中，圍繞在每個原子的電子都是共價間的移動。半導體中，圍繞在每個原子的電子都是共價鍵的一部分。共價鍵就是兩個相鄰的原子都拿出自己的鍵的一部分。共價鍵就是兩個相鄰的原子都拿出自己的一個電子來與之共用，這樣，每個原子便被一個電子來與之共用，這樣，每個原子便被8個電子包個電子包圍著。共價鍵中的電子被共價鍵的力量

7、束縛著，因此它圍著。共價鍵中的電子被共價鍵的力量束縛著，因此它們總是限制在原子周圍的某個地方。因為它們不能移動們總是限制在原子周圍的某個地方。因為它們不能移動或者自行改變能量，所以共價鍵中的電子不能被認為是或者自行改變能量，所以共價鍵中的電子不能被認為是自由的，也不能夠參與電流的流動、能量的吸收以及其自由的，也不能夠參與電流的流動、能量的吸收以及其它與太陽能電池相關的物理過程。它與太陽能電池相關的物理過程。2022-4-256 2.2.1 基本原理基本原理 -半導體的結構半導體的結構 2.2.1 基本原理基本原理 -半導體的結構半導體的結構 然而，只有在然而，只有在絕對零度絕對零度的時候才會讓

8、全部電子的時候才會讓全部電子都束縛在價鍵中。都束縛在價鍵中。 在在高溫高溫下，電子能夠獲得足夠下，電子能夠獲得足夠的能量的能量擺脫共價鍵擺脫共價鍵，而當它成功擺脫后，便能自由，而當它成功擺脫后，便能自由地在晶格之間運動并參與導電。在室溫下，半導體地在晶格之間運動并參與導電。在室溫下，半導體擁有足夠的自由電子使其導電，然而在到達或接近擁有足夠的自由電子使其導電，然而在到達或接近絕對零度的時候，它就像一個絕緣體。絕對零度的時候，它就像一個絕緣體。 2.2.1 基本原理基本原理 -半導體的結構半導體的結構 價鍵的存在導致了電子有兩個不同能量狀態。電價鍵的存在導致了電子有兩個不同能量狀態。電子的最低能

9、量態是其處在價帶的時候。然而，如果電子的最低能量態是其處在價帶的時候。然而，如果電子吸收了足夠的熱能來打破共價鍵，那么它將子吸收了足夠的熱能來打破共價鍵，那么它將進入導進入導帶成為自由電子帶成為自由電子。電子不能處在這兩個能帶之間的能。電子不能處在這兩個能帶之間的能量區域。它要么束縛在價鍵中除于低能量狀態，要么量區域。它要么束縛在價鍵中除于低能量狀態，要么獲得足夠能量擺脫共價鍵，但它吸收的能量有個最低獲得足夠能量擺脫共價鍵，但它吸收的能量有個最低限度，這個最低能量值被叫做半導體的限度，這個最低能量值被叫做半導體的“禁帶禁帶”。自自由電子的數量和能量是研究電子器件性能的基礎由電子的數量和能量是研

10、究電子器件性能的基礎。 電子擺脫共價鍵后留下來的空間能讓共價鍵從電子擺脫共價鍵后留下來的空間能讓共價鍵從一個電子移動到另一個電子，也因此出現了正電荷一個電子移動到另一個電子，也因此出現了正電荷在晶格中運動的現象。這個留下的空位置通常被叫在晶格中運動的現象。這個留下的空位置通常被叫做做“空穴空穴”，它與電子相似但是帶正電荷。，它與電子相似但是帶正電荷。9 右邊動畫展示右邊動畫展示了當電子能夠逃脫共了當電子能夠逃脫共價鍵時自由電子和空價鍵時自由電子和空穴是如何形成的穴是如何形成的 2.2.1 基本原理基本原理 -半導體的結構半導體的結構對于太陽能電池來說，半導體最重要的參數是：對于太陽能電池來說，

11、半導體最重要的參數是： 1. 禁帶寬度禁帶寬度 2. 能參與導電的自由載流子的數目能參與導電的自由載流子的數目 3. 當光射入到半導體材料時，自由載流子的產生和復當光射入到半導體材料時，自由載流子的產生和復 合。合。 關于這些參數的更詳細描述將在下面幾頁給出。關于這些參數的更詳細描述將在下面幾頁給出。2022-4-25UNSW新南威爾士大學10 2.2.1 基本原理基本原理 -半導體的結構半導體的結構 半導體的半導體的禁帶寬度禁帶寬度是指一個電子從價帶運動是指一個電子從價帶運動到能參與導電的自由狀態所需要吸收的最低能量值。到能參與導電的自由狀態所需要吸收的最低能量值。半導體的價鍵結構顯示了（半

12、導體的價鍵結構顯示了（y軸）電子的能量，此軸）電子的能量，此圖也被叫做圖也被叫做“能帶圖能帶圖”。半導體中比較低的能級被。半導體中比較低的能級被叫做叫做“價帶價帶”（Ev valence band），而處于其中的），而處于其中的電子能被看成自由電子的能級叫電子能被看成自由電子的能級叫“導帶導帶”（Ec）。）。處于導帶和價帶之間的便是禁帶（處于導帶和價帶之間的便是禁帶（EG）了。）了。 2.2.2 基本原理基本原理-禁帶禁帶 2.2.2 基本原理基本原理-禁帶禁帶2022-4-25UNSW新南威爾士大學12 固體中電子的能固體中電子的能帶示意圖。帶示意圖。 一旦進入導帶，電子將自由地在半導體中運

13、動并一旦進入導帶，電子將自由地在半導體中運動并參與導電參與導電。然而，電子在導帶中的運動也會導致另外。然而，電子在導帶中的運動也會導致另外一種導電過程的發生。電子從原本的共價鍵移動到導一種導電過程的發生。電子從原本的共價鍵移動到導帶必然會留下一個空位。來自周圍原子的電子能移動帶必然會留下一個空位。來自周圍原子的電子能移動到這個空位上，然后又留下了另外一個空位，這種留到這個空位上，然后又留下了另外一個空位，這種留給電子的不斷運動的空位，叫做給電子的不斷運動的空位，叫做“空穴空穴”，也可以看，也可以看作在晶格間運動的正電荷。作在晶格間運動的正電荷。2022-4-25UNSW新南威爾士大學13 2.

14、2.2 基本原理基本原理-禁帶禁帶 2.2.2 基本原理基本原理-禁帶禁帶 因此，電子移向導帶的運動不僅導致了電子本身因此，電子移向導帶的運動不僅導致了電子本身的移動，還產生了空穴在價帶中的運動。的移動，還產生了空穴在價帶中的運動。電子和空穴電子和空穴都能參與導電并都能參與導電并都稱為都稱為“載流子載流子”。 移動的移動的“空穴空穴”這一概念有點類似于液體中的氣這一概念有點類似于液體中的氣泡。盡管實際上是液體在流動，但是把它想象成是液泡。盡管實際上是液體在流動，但是把它想象成是液體中的氣泡往相反的方向運動更容易理解些。體中的氣泡往相反的方向運動更容易理解些。 2.2.3 基本原理基本原理 -本

15、征載流子濃度本征載流子濃度 把電子從價帶移向導帶的把電子從價帶移向導帶的熱激發熱激發使得價帶和導帶使得價帶和導帶都產生載流子。這些載流子的濃度叫做都產生載流子。這些載流子的濃度叫做本征載流子濃度本征載流子濃度，用符號用符號ni表示表示。沒有注入能改變載流子濃度的雜質的半沒有注入能改變載流子濃度的雜質的半導體材料叫做導體材料叫做本征材料本征材料。本征載流子濃度就是指本征材。本征載流子濃度就是指本征材料中導帶中的電子數目或價帶中的空穴數目。料中導帶中的電子數目或價帶中的空穴數目。載流子的載流子的數目決定于材料的禁帶寬度和材料的溫度數目決定于材料的禁帶寬度和材料的溫度。寬禁帶會使。寬禁帶會使得載流子

16、很難通過熱激發來穿過它，因此寬禁帶的本征得載流子很難通過熱激發來穿過它，因此寬禁帶的本征載流子濃度一般比較低。但還可以通過提高溫度讓電子載流子濃度一般比較低。但還可以通過提高溫度讓電子更容易被激發到導帶，同時也提高了本征載流子的濃度。更容易被激發到導帶，同時也提高了本征載流子的濃度。2022-4-2515導帶導帶價帶價帶 2.2.3 基本原理基本原理 -本征載流子濃度本征載流子濃度 下圖顯示了下圖顯示了兩個溫度下兩個溫度下的半導體本征載流子濃度。需的半導體本征載流子濃度。需要注意的是，兩種情況中，自由電子的數目與空穴的數目要注意的是，兩種情況中，自由電子的數目與空穴的數目都是相等的。都是相等的

17、。室溫室溫高溫高溫 2.2.4 基本原理基本原理-摻雜摻雜 通過摻入其它原子可以改變硅晶格中電子與空穴的平通過摻入其它原子可以改變硅晶格中電子與空穴的平衡。比硅原子多一個價電子的原子可以用來制成衡。比硅原子多一個價電子的原子可以用來制成n型半導體型半導體材料，這種原子把一個電子注入到導帶中，因此增加了導帶材料，這種原子把一個電子注入到導帶中，因此增加了導帶中電子的數目。相對的，比硅原少一個電子的原子可以制成中電子的數目。相對的，比硅原少一個電子的原子可以制成p型半導體材料。在型半導體材料。在p型半導體材料中，被束縛在共價鍵中型半導體材料中，被束縛在共價鍵中的電子數目比本征半導體要高，因此顯著地

18、提高了空穴的數的電子數目比本征半導體要高，因此顯著地提高了空穴的數目。在已摻雜的材料中，總是有一種載流子的數目比另一種目。在已摻雜的材料中，總是有一種載流子的數目比另一種載流子高，而這種濃度更高的載流子就叫載流子高，而這種濃度更高的載流子就叫“多子多子”，相反，相反，濃度低的載流子就叫濃度低的載流子就叫“少子少子”。2022-4-25UNSW新南威爾士大學17 2.2.4 基本原理基本原理-摻雜摻雜 下面的示意圖描述了單晶硅摻雜后制成下面的示意圖描述了單晶硅摻雜后制成n型和型和p型半導體。型半導體。2022-4-2519下表總結了不同類型半導體的特性下表總結了不同類型半導體的特性P型（正）型（

19、正）N型（負）型（負）摻雜摻雜族元素族元素（如硼）（如硼）族元素族元素（如磷）（如磷）價鍵價鍵失去一個電子失去一個電子（空穴）（空穴）多出一個電子多出一個電子多子多子空穴空穴電子電子少子少子電子電子空穴空穴 2.2.4 基本原理基本原理-摻雜摻雜 下面的動畫展示了下面的動畫展示了p型硅與型硅與n型硅。在一塊典型的半導體型硅。在一塊典型的半導體中，中，多子濃度可能達到多子濃度可能達到1017cm-3，少子濃度則為少子濃度則為106cm-3。這。這是一個怎樣的數字概念呢？少子與多子的比例比一個人與地是一個怎樣的數字概念呢？少子與多子的比例比一個人與地球總的人口數目的比還要小。少子既可以通過熱激發又

20、可以球總的人口數目的比還要小。少子既可以通過熱激發又可以通過光照產生。通過光照產生。2022-4-25UNSW新南威爾士大學20N型半導體。之所以叫型半導體。之所以叫n型是因為多型是因為多子是帶負電的電子（子是帶負電的電子（ Negatively charged electrons ）。）。 P型半導體。之所以叫型半導體。之所以叫p型是因為型是因為多子是帶正電的空穴（多子是帶正電的空穴（ Positively charged holes）。 2.2.4 基本原理基本原理-摻雜摻雜 2.2.5 基本原理基本原理-平衡載流子濃度平衡載流子濃度 在沒有外加偏壓的情況下，導帶和價帶中的載流子濃度在沒有

21、外加偏壓的情況下，導帶和價帶中的載流子濃度就叫就叫本征載流子濃度本征載流子濃度。對于多子來說，其平衡載流子濃度等。對于多子來說，其平衡載流子濃度等于本征載流子濃度加上摻雜入半導體的自由載流子的濃度。于本征載流子濃度加上摻雜入半導體的自由載流子的濃度。在多數情況下，摻雜后半導體的自由載流子濃度要比本征載在多數情況下，摻雜后半導體的自由載流子濃度要比本征載流子濃度高出幾個數量級流子濃度高出幾個數量級，因此多子的濃度幾乎等于摻雜載，因此多子的濃度幾乎等于摻雜載流子的濃度。流子的濃度。 在平衡狀態下，多子和少子的濃度為常數，由在平衡狀態下，多子和少子的濃度為常數，由質量作用質量作用定律定律可得其數學表

22、達式。可得其數學表達式。 n0p0=n2i 式中式中ni表示本征載流子濃度表示本征載流子濃度，n0和和p0分別為電子和空穴分別為電子和空穴的平衡載流子濃度。的平衡載流子濃度。2022-4-25UNSW新南威爾士大學21 2.2.5 基本原理基本原理-平衡載流子濃度平衡載流子濃度使用上面的質量作用定律，可得多子和少子的濃度：使用上面的質量作用定律，可得多子和少子的濃度： 上面的方程顯示少子的濃度隨著摻雜水平的增上面的方程顯示少子的濃度隨著摻雜水平的增加而減少。例如，在加而減少。例如，在n型材料中，一些額外的電子隨型材料中，一些額外的電子隨著摻雜的過程而加入到材料當中并占據價帶中的空穴，著摻雜的過

23、程而加入到材料當中并占據價帶中的空穴，空穴的數目隨之下降。空穴的數目隨之下降。 n型型 n0=NDP0=n2i/ND p型型 P0=NAn0=n2i/NA 下圖描述了低摻雜和高摻雜情況下的平衡載流子濃度。下圖描述了低摻雜和高摻雜情況下的平衡載流子濃度。并顯示，當摻雜水平提高時，少子的濃度減小。并顯示，當摻雜水平提高時，少子的濃度減小。N型半導體材料型半導體材料低摻雜低摻雜高摻雜高摻雜價帶價帶價帶價帶導帶導帶導帶導帶 2.2.5 基本原理基本原理-平衡載流子濃度平衡載流子濃度 2.3.1 載流子的產生載流子的產生-光的吸收光的吸收 入射到半導體表面的光子要么在表面被反射，要么被半入射到半導體表面

24、的光子要么在表面被反射，要么被半導體材料所吸收，或者兩者都不是，即只是從此材料透射而導體材料所吸收，或者兩者都不是，即只是從此材料透射而過。對于光伏器件來說，反射和透射通常被認為損失部分，過。對于光伏器件來說，反射和透射通常被認為損失部分，就像沒有被吸收的光子一樣不產生電。如果光子被吸收，將就像沒有被吸收的光子一樣不產生電。如果光子被吸收，將在價帶產生一個電子并運動到導帶。決定一個光子是被吸收在價帶產生一個電子并運動到導帶。決定一個光子是被吸收還是透射的關鍵因素是光子的能量。基于光子的能量與半導還是透射的關鍵因素是光子的能量。基于光子的能量與半導體禁帶寬度的比較，入射到半導體材料的光子可以分為

25、三種：體禁帶寬度的比較，入射到半導體材料的光子可以分為三種： 1. EphEg 光子能量大于禁帶寬度并被強烈吸收。光子能量大于禁帶寬度并被強烈吸收。 2022-4-25UNSW新南威爾士大學24 下面的動畫展示了三種不同能量層次的光子在半導體下面的動畫展示了三種不同能量層次的光子在半導體內產生的效應。內產生的效應。2022-4-25UNSW新南威爾士大學25 2.3.1 載流子的產生載流子的產生-光的吸收光的吸收 2.3.1 載流子的產生載流子的產生-光的吸收光的吸收 對光的吸收即產生了多子又產生少子。對光的吸收即產生了多子又產生少子。在很在很多光伏應用中多光伏應用中，光生載流子的數目光生載流

26、子的數目要比由于摻雜要比由于摻雜而產生的多子的數目而產生的多子的數目低低幾個數量級。因此，在被幾個數量級。因此，在被光照的半導體內部，多子的數量變化并不明顯。光照的半導體內部，多子的數量變化并不明顯。但是對少子的數量來說情況則完全相反。由光產但是對少子的數量來說情況則完全相反。由光產生的少子的數目要生的少子的數目要遠高于遠高于原本無光照時的光子數原本無光照時的光子數目，也因此在有光照的太陽能電池內的少子數目目，也因此在有光照的太陽能電池內的少子數目幾乎等于光產生的少子數目。幾乎等于光產生的少子數目。 2.3.2 載流子的產生載流子的產生-吸收系數吸收系數 吸收系數決定著一個給定波長的光子在被吸

27、吸收系數決定著一個給定波長的光子在被吸收之前能在材料走多遠的距離。如果某種材料的收之前能在材料走多遠的距離。如果某種材料的吸收系數很低，那么光將很少被吸收，并且如果吸收系數很低，那么光將很少被吸收，并且如果材料的厚度足夠薄，它就相當于透明的。吸收系材料的厚度足夠薄，它就相當于透明的。吸收系數的大小決定于材料和被吸收的光的波長。在半數的大小決定于材料和被吸收的光的波長。在半導體的吸收系數曲線圖中出現了一個很清晰的邊導體的吸收系數曲線圖中出現了一個很清晰的邊緣，這是因為能量低于禁帶寬度的光沒有足夠的緣，這是因為能量低于禁帶寬度的光沒有足夠的能量把電子從價帶轉移到導帶。因此，光線也就能量把電子從價帶

28、轉移到導帶。因此，光線也就沒被吸收了。沒被吸收了。 2.3.2 載流子的產生載流子的產生-吸收系數吸收系數砷化鎵砷化鎵磷化銦磷化銦鍺鍺硅硅下圖顯示幾種半導體材料的吸收系數：下圖顯示幾種半導體材料的吸收系數：四種不同半導體四種不同半導體在溫度為在溫度為300K時的吸收系數時的吸收系數，實驗在真空環境下進行。，實驗在真空環境下進行。 該圖表明該圖表明，即使是，即使是那些能量比禁帶寬度高那些能量比禁帶寬度高的光子，它們的吸收系的光子，它們的吸收系數也不是全都相同的，數也不是全都相同的，而是與波長有密切的聯而是與波長有密切的聯系。系。 一個光子被吸收的概率取決于這個光子能與電子作用一個光子被吸收的概率

29、取決于這個光子能與電子作用（即把電子從價帶轉移到導帶）的可能性。對于一個能量（即把電子從價帶轉移到導帶）的可能性。對于一個能量大小非常接近于禁帶寬度的光子來說，其吸收的概率是相大小非常接近于禁帶寬度的光子來說，其吸收的概率是相對較低的，因為只有處在價帶邊緣的電子才能與之作用并對較低的，因為只有處在價帶邊緣的電子才能與之作用并被吸收。當光子的能量增大時，能夠與之相互作用并吸收被吸收。當光子的能量增大時，能夠與之相互作用并吸收光子的電子數目也會增大。然而，對于光伏應用來說，比光子的電子數目也會增大。然而，對于光伏應用來說，比禁帶寬度多出的那部分光子能量是沒有實際作用的，因為禁帶寬度多出的那部分光子

30、能量是沒有實際作用的，因為運動到導帶后的電子又很快因為熱作用回到導帶的邊緣。運動到導帶后的電子又很快因為熱作用回到導帶的邊緣。 硅的其它光學性質在硅的其它光學性質在硅的光學性質硅的光學性質一節中給出。一節中給出。2022-4-25UNSW新南威爾士大學29 2.3.2 載流子的產生載流子的產生-吸收系數吸收系數 2.3.3 載流子的產生載流子的產生-吸收深度吸收深度 吸收系數與波長的關系導致了不同波長的光在被吸收系數與波長的關系導致了不同波長的光在被完全吸收之前進入半導體的深度的不同。下面將給出另完全吸收之前進入半導體的深度的不同。下面將給出另一個參數一個參數-吸收深度吸收深度，它與吸收系數成

31、反比例關系，即，它與吸收系數成反比例關系，即為為-1。吸收深度是一個非常有用的參數，它顯示了光。吸收深度是一個非常有用的參數，它顯示了光在其能量下降到最初強度的大概在其能量下降到最初強度的大概36%（或者說（或者說1/e）的）的時候在材料中走的深度。因為高能量光子的吸收系數很時候在材料中走的深度。因為高能量光子的吸收系數很大，所以它在距離表面很短的深度就被吸收了（例如硅大，所以它在距離表面很短的深度就被吸收了（例如硅太陽能電池就在幾微米以內），而紅光在這種距離的吸太陽能電池就在幾微米以內），而紅光在這種距離的吸收就很弱。即使是在幾微米之后，也不是所有的紅光都收就很弱。即使是在幾微米之后，也不是

32、所有的紅光都能被硅吸收。能被硅吸收。2022-4-25UNSW新南威爾士大學30 2.3.3 載流子的產生載流子的產生-吸收深度吸收深度 藍光在離表面非常近處藍光在離表面非常近處就被吸收而大部分的紅光則在就被吸收而大部分的紅光則在器件的深處才被吸收。器件的深處才被吸收。 動畫顯示了紅光與藍光的動畫顯示了紅光與藍光的吸收深度的不同。吸收深度的不同。下圖顯示了幾種半導體的吸收深度：下圖顯示了幾種半導體的吸收深度：2022-4-2532 2.3.3 載流子的產生載流子的產生-吸收深度吸收深度 2.3.4 載流子的產生載流子的產生-生成率生成率 生成率生成率是指被光線照射的半導體每一點生成電子的是指被

33、光線照射的半導體每一點生成電子的數目。忽略反射，半導體材料吸收光線的多少決定于吸收數目。忽略反射，半導體材料吸收光線的多少決定于吸收系數（系數（ 單位為單位為cm-1）和半導體的厚度。半導體中每一點）和半導體的厚度。半導體中每一點中光的強度可以通過以下的方程計算：中光的強度可以通過以下的方程計算： I=I0e-x 式中式中為材料的吸收系數，單位通常為為材料的吸收系數，單位通常為cm-1，x為光入為光入射到材料的深度，射到材料的深度，I0為光在材料表面的功率強度。為光在材料表面的功率強度。 該方程可以用來計算太陽能電池中產生的電子空穴對該方程可以用來計算太陽能電池中產生的電子空穴對的數目的數目。

34、2022-4-25UNSW新南威爾士大學33 假設減少的那部分光線能量全部用來產生電子空穴假設減少的那部分光線能量全部用來產生電子空穴對，那么通過測量透射過電池的光線強度便可以算出半導對，那么通過測量透射過電池的光線強度便可以算出半導體材料生成的電子空穴對的數目。因此，對上面的方程進體材料生成的電子空穴對的數目。因此，對上面的方程進行微分將得到半導體中任何一點的生成率。即行微分將得到半導體中任何一點的生成率。即 G=N0e-x 其中其中N0為表面的光子通量（光子為表面的光子通量（光子/單位面積單位面積.秒）秒） 為吸收系數，為吸收系數，x為進入材料的距離。為進入材料的距離。 方程顯示，光的強度

35、隨著在材料中深度的增加呈指數方程顯示，光的強度隨著在材料中深度的增加呈指數下降，即材料表面的生成率是最高的。下降，即材料表面的生成率是最高的。 2022-4-2534 2.3.4 載流子的產生載流子的產生-生成率生成率 2.3.4 載流子的產生載流子的產生-生成率生成率 對于光伏應用來說對于光伏應用來說，入射光是由一系列不同波長，入射光是由一系列不同波長的光組成的，因此不同波長光的生成率也是不同的。下的光組成的，因此不同波長光的生成率也是不同的。下圖顯示三種不同波長的光在硅材料中的生成率。圖顯示三種不同波長的光在硅材料中的生成率。 計算一系列不同波長的光的生成率時，凈的生成率等于每種波計算一系

36、列不同波長的光的生成率時，凈的生成率等于每種波長的總和。下圖顯示入射到硅片的光為標準太陽光譜時，不同長的總和。下圖顯示入射到硅片的光為標準太陽光譜時，不同深度的生成率大小。深度的生成率大小。Y軸的范圍大小是成對數的軸的范圍大小是成對數的，顯示著在電，顯示著在電池表面產生了數量巨大的電子空穴對，而在電池的更深處，生池表面產生了數量巨大的電子空穴對，而在電池的更深處，生成率幾乎是常數。成率幾乎是常數。2022-4-2536 2.3.4 載流子的產生載流子的產生-生成率生成率 2.4.1 復合理論復合理論-復合的類型復合的類型 所有處在導帶中的電子都是亞穩定狀態的，并最終會所有處在導帶中的電子都是亞

37、穩定狀態的，并最終會回到價帶中更低的能量狀態。它必須移回到一個空的價帶回到價帶中更低的能量狀態。它必須移回到一個空的價帶能級中，所以，當電子回到價帶的同時也有效地消除了一能級中，所以，當電子回到價帶的同時也有效地消除了一個空穴。這種過程叫做復合。在單晶半導體材料中，復合個空穴。這種過程叫做復合。在單晶半導體材料中，復合過程大致可以分為三種：過程大致可以分為三種： 輻射復合輻射復合 俄歇復合俄歇復合 肖克萊肖克萊-雷德雷德-霍爾復合霍爾復合這些復合在右邊的動畫中都有這些復合在右邊的動畫中都有描述。描述。2022-4-25 輻射復合輻射復合 輻射復合是輻射復合是LED燈和激光這類的半導體器件的主要

38、復合機燈和激光這類的半導體器件的主要復合機制。然而，對于由硅制成的陸地用太陽能電池來說，輻射復合制。然而，對于由硅制成的陸地用太陽能電池來說，輻射復合并不是主要的，因為硅的禁帶并不是直接禁帶，它使得電子不并不是主要的，因為硅的禁帶并不是直接禁帶，它使得電子不能直接從價帶躍遷到導帶。輻射復合的幾個主要特征是：能直接從價帶躍遷到導帶。輻射復合的幾個主要特征是： 1）在輻射復合中，電子與空穴直接在導帶結合并釋放一個）在輻射復合中，電子與空穴直接在導帶結合并釋放一個 光子。光子。 2）釋放的光子的能量近似于禁帶寬度，所以吸收率很低，）釋放的光子的能量近似于禁帶寬度，所以吸收率很低， 大部分能夠飛出半導

39、體。大部分能夠飛出半導體。 2022-4-25UNSW新南威爾士大學38 2.4.1 復合理論復合理論-復合的類型復合的類型通過復合中心的復合通過復合中心的復合 通過復合中心的輻射也被叫做肖克萊通過復合中心的輻射也被叫做肖克萊-萊德萊德-霍爾或霍爾或SRH復合，它不會發生在完全純凈的、沒有缺陷的材料中。復合，它不會發生在完全純凈的、沒有缺陷的材料中。SRH復合過程分為兩步：復合過程分為兩步： 1）一個電子（或空穴）被由晶格中的缺陷產生的禁帶中的）一個電子（或空穴）被由晶格中的缺陷產生的禁帶中的一個能級所俘獲。這些缺陷要么是無意中引入的要么是故意一個能級所俘獲。這些缺陷要么是無意中引入的要么是故

40、意加入加入 到材料當中去的，比如往材料中摻雜。到材料當中去的，比如往材料中摻雜。 2.4.1 復合理論復合理論-復合的類型復合的類型 2）如果在電子被熱激發到導帶之前，一個空穴（或電子）也）如果在電子被熱激發到導帶之前，一個空穴（或電子）也被俘獲到同一個能級中，那么復合過程就完成了。被俘獲到同一個能級中，那么復合過程就完成了。 載流子被俘獲到禁帶中的缺陷能級的概率取決于能級到載流子被俘獲到禁帶中的缺陷能級的概率取決于能級到兩能帶（導帶和禁帶）的距離。因此，如果一個能級被引入兩能帶（導帶和禁帶）的距離。因此，如果一個能級被引入到靠近其中一能帶的邊緣地區，發生復合的可能性將比較小，到靠近其中一能帶

41、的邊緣地區，發生復合的可能性將比較小，因為電子比較容易被激發到導帶去，而不是與從價帶移動到因為電子比較容易被激發到導帶去，而不是與從價帶移動到同一個能級的空穴復合。基于這個因素，處在禁帶中間的能同一個能級的空穴復合。基于這個因素，處在禁帶中間的能級發生復合的概率最大。級發生復合的概率最大。2022-4-25UNSW新南威爾士大學40 2.4.1 復合理論復合理論-復合的類型復合的類型 俄歇復合俄歇復合 一個俄歇復合過程有三個載流子參與。一個光子與一個一個俄歇復合過程有三個載流子參與。一個光子與一個空穴復合后，其釋放的能量并不是以熱能或光子的形式傳播空穴復合后，其釋放的能量并不是以熱能或光子的形

42、式傳播出去，而是把它傳給了第三個載流子，即在導帶中的電子。出去，而是把它傳給了第三個載流子，即在導帶中的電子。這個電子接收能量后因為熱作用最終又回到導帶的邊緣。這個電子接收能量后因為熱作用最終又回到導帶的邊緣。 俄歇復合是重摻雜材料和被加熱至高溫的材料最主要俄歇復合是重摻雜材料和被加熱至高溫的材料最主要的復合形式的復合形式。2022-4-25UNSW新南威爾士大學41 2.4.1 復合理論復合理論-復合的類型復合的類型 如果半導體中少子的數目因為外界的短暫激發而在原來平如果半導體中少子的數目因為外界的短暫激發而在原來平衡的基礎上增加，這些額外激發的少子將因為復合過程而漸漸衡的基礎上增加，這些額

43、外激發的少子將因為復合過程而漸漸衰退回原本平衡時的狀態。在太陽能電池中一個重要的參數是衰退回原本平衡時的狀態。在太陽能電池中一個重要的參數是復合發生的速率，這樣也叫做復合發生的速率，這樣也叫做”復合率復合率”。復合率決定于額外。復合率決定于額外少子的數目。例如，當沒有額外少子時，復合率將為零。少子的數目。例如，當沒有額外少子時，復合率將為零。“少少子壽命子壽命”（用符號（用符號 和和 表示）是指產生電子空穴對之后處在表示）是指產生電子空穴對之后處在激發狀態的載流子在復合之前能存在的平均時間。還有一個相激發狀態的載流子在復合之前能存在的平均時間。還有一個相關的參數關的參數少子少子擴散長度擴散長度

44、，是指在復合之前一個載流子從產生，是指在復合之前一個載流子從產生處開始運動的處開始運動的平均路程平均路程。 pn 2.4.2 復合理論復合理論-擴散長度擴散長度2022-4-25UNSW新南威爾士大學42 少數載流子壽命和擴散長度在很大程度上取決于材料的少數載流子壽命和擴散長度在很大程度上取決于材料的類型和復合的數量。對于許多種類的硅太陽能電池來說，類型和復合的數量。對于許多種類的硅太陽能電池來說，SRH復合是主要的復合機制。而復合率則決定于材料中存復合是主要的復合機制。而復合率則決定于材料中存在的缺陷數量，因此，當太陽能電池的摻雜量增加時，在的缺陷數量，因此，當太陽能電池的摻雜量增加時，SR

45、H復合的速率也將隨著增加。另外，因為俄歇復合更多復合的速率也將隨著增加。另外，因為俄歇復合更多的是在重摻雜和被加熱的材料發生，所以俄歇復合過程也會的是在重摻雜和被加熱的材料發生，所以俄歇復合過程也會隨著摻雜的增加而增強。此外，生成半導體薄片的方法和過隨著摻雜的增加而增強。此外，生成半導體薄片的方法和過程對擴散長度也有重要影響。程對擴散長度也有重要影響。 2.4.2 復合理論復合理論-擴散長度擴散長度2022-4-25UNSW新南威爾士大學44 右圖為高效率的右圖為高效率的PERL（NSW特有特有技術技術）多晶硅太陽能電池的比色圖。）多晶硅太陽能電池的比色圖。圖下的比例系數代表著光生載流子的圖下

46、的比例系數代表著光生載流子的多少以及由于太陽能電池中擴散長度多少以及由于太陽能電池中擴散長度的不同而引起的電池中不同區域的差的不同而引起的電池中不同區域的差異，而擴散長度的不同是由多晶硅材異，而擴散長度的不同是由多晶硅材料的晶界變化造成的。料的晶界變化造成的。 在硅中，少子壽命可以達到在硅中，少子壽命可以達到1s。對于單晶硅太陽能電池來說，擴散長對于單晶硅太陽能電池來說，擴散長度通常在度通常在100-300m之間。這兩個參之間。這兩個參數表征了材料相對于電池應用的質量數表征了材料相對于電池應用的質量和適用度。和適用度。 2.4.2 復合理論復合理論-擴散長度擴散長度 2.4.3 復合理論復合理

47、論-表面復合表面復合 任何在半導體內部或表面的缺陷和雜質都會促進復合。任何在半導體內部或表面的缺陷和雜質都會促進復合。因為太陽能電池表面存在著嚴重的晶格分裂，所以電池表面因為太陽能電池表面存在著嚴重的晶格分裂，所以電池表面是一個復合率非常高的區域。高復合率導致表面附近的區域是一個復合率非常高的區域。高復合率導致表面附近的區域的少子枯竭。就如擴散這一節所解釋的，某些區域的低載流的少子枯竭。就如擴散這一節所解釋的，某些區域的低載流子濃度會引起周圍高濃度區域的載流子往此處擴散。因此，子濃度會引起周圍高濃度區域的載流子往此處擴散。因此，表面復合率受到擴散到表面的載流子的速率的限制。表面復合率受到擴散到

48、表面的載流子的速率的限制。“表面表面復合率復合率”的單位為的單位為cm/sec，被用來描述表面的復合。，被用來描述表面的復合。2022-4-25UNSW新南威爾士大學45半導體表面的掛鍵引起了此半導體表面的掛鍵引起了此處的高復合率。處的高復合率。 在沒有發生復合的表面，往表面運動的載流子數目也為在沒有發生復合的表面，往表面運動的載流子數目也為零，因此表面復合率也為零。當表面復合非常快時零，因此表面復合率也為零。當表面復合非常快時, 向表面運向表面運動的載流子的速度受到最大復合速率的限制，而對大多數半動的載流子的速度受到最大復合速率的限制，而對大多數半導體來說最大速度為導體來說最大速度為1107

49、cm/sec。半導體表面的缺陷半導體表面的缺陷是由是由于晶格排列在表面處的中斷造成的，即于晶格排列在表面處的中斷造成的，即在表面處產生掛鍵在表面處產生掛鍵。減少掛鍵的數目可以通過在半導體表面處生長一層薄膜以連減少掛鍵的數目可以通過在半導體表面處生長一層薄膜以連接這些掛鍵，這種方法也叫做接這些掛鍵，這種方法也叫做表面鈍化表面鈍化。2022-4-25UNSW新南威爾士大學46 2.4.3 復合理論復合理論-表面復合表面復合 2.5.1 載流子的運動載流子的運動 -半導體中載流子的運動半導體中載流子的運動 導帶中的電子和價帶中的空穴之所以被叫做自由載流子，導帶中的電子和價帶中的空穴之所以被叫做自由載

50、流子，是因為它們能在半導體晶格間移動。一個很簡單但在多數情況是因為它們能在半導體晶格間移動。一個很簡單但在多數情況下都適用的對載流子運動的描述是，在一定溫度下，在隨機方下都適用的對載流子運動的描述是，在一定溫度下，在隨機方向運動的載流子都有特定的速度。在與晶格原子碰撞之前，載向運動的載流子都有特定的速度。在與晶格原子碰撞之前，載流子在隨機方向運動的距離長度叫做流子在隨機方向運動的距離長度叫做散射長度散射長度。一旦與原子發。一旦與原子發生碰撞，載流子將往不同的隨機方向運動。生碰撞，載流子將往不同的隨機方向運動。 載流子的速度決定于晶格的溫度載流子的速度決定于晶格的溫度。在溫度為。在溫度為T 的半

51、導體內的半導體內載流子的平均運動能量為載流子的平均運動能量為mv2/2 ，其中，其中m為載流子的質量，為載流子的質量，v代代表熱運動速度。表熱運動速度。2022-4-25UNSW新南威爾士大學472022-4-25UNSW新南威爾士大學48 盡管半導體中的載流子在盡管半導體中的載流子在不停地做隨機運動，但是并不不停地做隨機運動，但是并不存在載流子存在載流子勢運動勢運動，除非有濃，除非有濃度梯度或電場。因為載流子往度梯度或電場。因為載流子往每一個方向運動的概率都是一每一個方向運動的概率都是一樣的，所以載流子往一個方向樣的，所以載流子往一個方向的運動最終會被它往相反方向的運動最終會被它往相反方向的

52、運動給平衡掉。的運動給平衡掉。 2.5.1 載流子的運動載流子的運動 -半導體中載流子的運動半導體中載流子的運動 熱運動速度指的是載流子速度的平均值，即載流子的速度熱運動速度指的是載流子速度的平均值，即載流子的速度是分散的、不均勻的，有些速度快有些則很慢。下面的動畫顯是分散的、不均勻的，有些速度快有些則很慢。下面的動畫顯示了載流子的運動。示了載流子的運動。 在下面的動畫中，一個載流子在在下面的動畫中，一個載流子在與晶格原子碰撞之前在隨機方向運動與晶格原子碰撞之前在隨機方向運動了與散射長度相等的距離（為了看得了與散射長度相等的距離（為了看得更加清晰，晶格原子并沒有顯示出更加清晰，晶格原子并沒有顯

53、示出來）。在與晶格原子碰撞后，載流子來）。在與晶格原子碰撞后，載流子再次以隨機方向運動。下面的動畫舉再次以隨機方向運動。下面的動畫舉出了出了50個散射粒子。盡管在動畫中碰個散射粒子。盡管在動畫中碰撞的次數很少，載流子的撞的次數很少，載流子的勢運動勢運動（ net motion ）還是很小的。還是很小的。2022-4-2549 2.5.1 載流子的運動載流子的運動 -半導體中載流子的運動半導體中載流子的運動 2.5.2 載流子的運動載流子的運動-擴散擴散 如果半導體中一個區域的載流子濃度要比另一個區域的高，如果半導體中一個區域的載流子濃度要比另一個區域的高，那么，由于不停的隨機運動，將引起載流子

54、的勢運動。當出現那么，由于不停的隨機運動，將引起載流子的勢運動。當出現這種情況時，在兩個不同濃度的區域之間將會出現載流子梯度。這種情況時，在兩個不同濃度的區域之間將會出現載流子梯度。載流子將從高濃度區域流向低濃度區域。這種載流子的流動叫載流子將從高濃度區域流向低濃度區域。這種載流子的流動叫做做“擴散擴散”，是由于載流子的隨機運動引起的。在器件的所有，是由于載流子的隨機運動引起的。在器件的所有區域中，載流子往某一方向的運動的概率是相同的。在高濃度區域中，載流子往某一方向的運動的概率是相同的。在高濃度區域，數量龐大的載流子不停地往各個方向運動，包括往低濃區域，數量龐大的載流子不停地往各個方向運動，

55、包括往低濃度方向。然而，在低濃度區域只存在少量的載流子，這意味著度方向。然而，在低濃度區域只存在少量的載流子，這意味著往高濃度運動的載流子也是很少的。這種不平衡導致了從高濃往高濃度運動的載流子也是很少的。這種不平衡導致了從高濃度區域往低濃度區域的勢運動。度區域往低濃度區域的勢運動。2022-4-25UNSW新南威爾士大學50 2.5.2 載流子的運動載流子的運動-擴散擴散如下面的動畫所示。如下面的動畫所示。 擴散的速率決定于載流子的運動速度和兩次散射點相隔擴散的速率決定于載流子的運動速度和兩次散射點相隔的距離。在溫度更高的區域，擴散速度會更快，因為提高溫的距離。在溫度更高的區域，擴散速度會更快

56、，因為提高溫度能提高載流子的熱運動速度。度能提高載流子的熱運動速度。 擴散現象的主要效應之一是使載流子的濃度達到平衡，擴散現象的主要效應之一是使載流子的濃度達到平衡，就像在沒有外界力量作用半導體時，載流子的產生和復合也就像在沒有外界力量作用半導體時，載流子的產生和復合也會使得半導體達到平衡。下面的動畫將闡述這一現象，圖中會使得半導體達到平衡。下面的動畫將闡述這一現象，圖中一個區域有很高濃度的電子，另一個則有高濃度的空穴。因一個區域有很高濃度的電子，另一個則有高濃度的空穴。因為只有載流子的隨機運動，所以最終這兩種濃度會變成一致為只有載流子的隨機運動，所以最終這兩種濃度會變成一致的。的。2022-

57、4-25UNSW新南威爾士大學52 2.5.2 載流子的運動載流子的運動-擴散擴散 2.5.2 載流子的運動載流子的運動-擴散擴散 這個動畫顯示了半導體的高這個動畫顯示了半導體的高濃度部分是怎樣趨向于平均分布濃度部分是怎樣趨向于平均分布的。載流子填滿可利用的空間，的。載流子填滿可利用的空間，僅僅是通過隨機運動。在這種情僅僅是通過隨機運動。在這種情況下，靜電斥力的影響甚微，因況下，靜電斥力的影響甚微，因為載流子之間的距離很遠。此外，為載流子之間的距離很遠。此外，空穴（藍色）的擴散率比電子的空穴（藍色）的擴散率比電子的低，所以需要更長的時間來填滿低，所以需要更長的時間來填滿整個空間。整個空間。 2

58、.5.3 載流子的運動載流子的運動-漂移運動漂移運動 在半導體外加一個電場可以使做隨機運動的帶電載流在半導體外加一個電場可以使做隨機運動的帶電載流子往一個方向運動。在沒有外加電場時，載流子在隨機方向子往一個方向運動。在沒有外加電場時，載流子在隨機方向以一定的速度移動一段距離。然而，在加了電場之后，其方以一定的速度移動一段距離。然而，在加了電場之后，其方向與載流子的隨機方向疊加。那么，如果此載流子是空穴，向與載流子的隨機方向疊加。那么，如果此載流子是空穴，其在電場方向將做加速運動，電子則反之。在特定方向的加其在電場方向將做加速運動，電子則反之。在特定方向的加速運動導致了載流子的勢運動，如下面動畫

59、所示。載流子的速運動導致了載流子的勢運動，如下面動畫所示。載流子的方向是其原來方向與電場方向的向量疊加。方向是其原來方向與電場方向的向量疊加。2022-4-25UNSW新南威爾士大學54 2.5.3 載流子的運動載流子的運動-漂移運動漂移運動 動畫顯示了電場的存在是如何使載流子往一個方向運動動畫顯示了電場的存在是如何使載流子往一個方向運動的。動畫中的粒子是空穴，所以運動的方向與電場方向相同。的。動畫中的粒子是空穴，所以運動的方向與電場方向相同。 由外加電場所引起的載流子運動叫由外加電場所引起的載流子運動叫“漂移運動漂移運動”。漂移。漂移運動不僅發生在半導體材料中，在金屬材料中同樣存在。而運動不

60、僅發生在半導體材料中，在金屬材料中同樣存在。而接下來動畫將分別展示有伴隨和沒有伴隨電場的載流子隨機接下來動畫將分別展示有伴隨和沒有伴隨電場的載流子隨機運動。途中的載流子是電子。因為電子是帶負電的所以它將運動。途中的載流子是電子。因為電子是帶負電的所以它將朝著與電場方向相反的方向運動。值得注意的是，在大多數朝著與電場方向相反的方向運動。值得注意的是，在大多數情況下，電子是往電場相反的方向運動的。但是在有些情況情況下，電子是往電場相反的方向運動的。但是在有些情況中，例如電子跟隨著一系列往電場方向的運動，則有可能是中，例如電子跟隨著一系列往電場方向的運動，則有可能是勢運動，并沿著電場方向運動了一小段