太陽能電池光電轉換原理及技術改進詳解

2、雜質半導體

雜質半導體：通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量雜質元素，便可得到雜質半導體。

按摻入的雜質元素不用，可形成N型半導體和P型半導體；控制摻入雜質元素的濃度，就可控制雜質半導體的導電性能。

N型半導體： 在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導體。

由于雜質原子的最外層有五個價電子，所以除了與其周圍硅原子形成共價鍵外，還多出一個電子。多出的電子不受共價鍵的束縛，成為自由電子。N型半導體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。由于雜質原子可以提供電子，故稱之為施主原子。P型半導體：在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導體。

由于雜質原子的最外層有三個價電子，所以當它們與其周圍硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生了一個“空位”，當硅原子的最外層電子填補此空位時，其共價鍵中便產(chǎn)生一個空穴。因而P型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子。因雜質原子中的空位吸收電子，故稱之為受主原子。

3、PN結

PN結：采用不同的摻雜工藝，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結。

擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。

當把P型半導體和N型半導體制作在一起時，在它們的交界面，兩種載流子的濃度差很大，因而P區(qū)的空穴必然向N區(qū)擴散，與此同時，N區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴散，如圖示。由于擴散到P區(qū)的自由電子與空穴復合，而擴散到N區(qū)的空穴與自由電子復合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動的，稱為空間電荷區(qū)，從而形成內建電場ε。

隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)加寬，內建電場增強，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止擴散運動的進行。

漂移運動：在電場力作用下，載流子的運動稱為漂移運動。

當空間電荷區(qū)形成后，在內建電場作用下，少子產(chǎn)生飄移運動，空穴從N區(qū)向P區(qū)運動，而自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。在無外電場和其它激發(fā)作用下，參與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目，從而達到動態(tài)平衡，形成PN結，如圖示。此時，空間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為ε =Uho，電流為零。

二、太陽能電池工作原理

1、光生伏打效應:

太陽能電池能量轉換的基礎是半導體PN結的光生伏打效應。如前所述，當光照射到半導體光伏器件上時，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過減反射膜進入硅中，在N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子--空穴對。

耗盡區(qū)：光生電子--空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內建電場分離，光生電子被送進N區(qū)，光生空穴則被推進P區(qū)。根據(jù)耗盡近似條件，耗盡區(qū)邊界處的載流子濃度近似為0，即p=n=0。