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太阳能电池培训手册 第一章 太阳电池的工作原理和基本特性 1.1 半导体物理基础 1.1.1 半导体的性质 世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。容易导电 的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电的物体称为绝缘体，常见 的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，主要有锗、 硅、砷化镓、硫化镉等等。众所周知，原子是由原子核及其周围的电子构成的，一些电子脱 离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由电子。金属之所以容易导电，是因为在金属体 内有大量能够自由运动的电子，在电场的作用下，这些电子有规则地沿着电场的相反方向流 动，形成了电流。自由电子的数量越多，或者它们在电场的作用下有规则流动的平均速度越 高，电流就越大。电子流动运载的是电量，我们把这种运载电量的粒子，称为载流子。在常 温下，绝缘体内仅有极少量的自由电子，因此对外不呈现导电性。半导体内有少量的自由电 子，在一些特定条件下才能导电。 半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（OCLS）和 砷化镓（GaAs），还可以是合金，如 GaAL As，其中 x 为0-1之间的任意数。许多有机化合 x 1-x 物，如蒽也是半导体。 半导体的电阻率较大（约 10-5 7 -8 -6 ≤ρ≤10 Ω⋅m），而金属的电阻率则很小（约 10 ∼10 Ω⋅m）， 绝缘体的电阻率则很大（约ρ≥108Ω⋅m）。半导体的电阻率对温度的反应灵敏，例如锗的温度 从 200 0 C 升高到 30 C，电阻率就要降低一半左右。金属的电阻率随温度的变化则较小，例如 铜的温度每升高 1000C，ρ增加 40%左右。电阻率受杂质的影响显著。金属中含有少量杂质 时，看不出电阻率有多大的变化，但在半导体里掺入微量的杂质时，却可以引起电阻率很大 的变化，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从 2.14×103Ω⋅m减小到 0.004Ω⋅m 左右。金属的电阻率不受光照影响，但是半导体的电阻率在适当的光线照射下可以发生显著 的变化。 1.1.2 半导体物理基础 1.1.2.1 能带结构和导电性 半导体的许多电特性可以用一种简单的模型来解释。硅是四价元素，每个原子的最外 壳层上有 4个电子，在硅晶体中每个原子有 4 个相邻原子，并和每一个相邻原子共有两个价 电子，形成稳定的 8 电子壳层。 自由空间的电子所能得到的能量值基本上是连续的，但在晶体中的情况就可能截然不 同了，孤立原子中的电子占据非常固定的一组分立的能线，当孤立原子相互靠近，规则整齐 排列的晶体中，由于各原子的核外电子相互作用，本来在孤立原子状态是分离的能级扩展， 根据情况相互重叠，变成如图 2.1所示的带状。电子许可占据的能带叫允许带，允许带与允 许带间不许可电子存在的范围叫禁带。 __________________________________________________________________ 1 太阳能电池培训手册 图2.1 原子间距和电子能级的关系 在低温时，晶体内的电子占有最低的可能能态。但是晶体的平衡状态并不是电子全都 处在最低允许能级的一种状态。基本物理定理——泡利（Pauli）不相容原理规定，每个允 许能级最多只能被两个自旋方向相反的电子所占据。这意味着，在低温下，晶体的某一能级 以下的所有可能能态都将被两个电子占据，该能级称为费米能级（EF ）。随着温度的升高， 一些电子得到超过费米能级的能量，考虑到泡利不相容原理的限制，任一给定能量 E