1 硅太阳能电池的工作原理

　　一般说半导体就是常温下电阻率介于导体和绝缘体之间的材料,电阻率大约在10-5～107Ω·m之间,温度升高、光或射线辐照、掺入活性杂质时,电阻率就会减小。从能带的观点看,半导体的禁带宽度(常用电子伏特eV这个能量单位计量)比导体大(有的导体没有禁带),比绝缘体小,在半导体的发展中,一般将硅(1.21eV)、锗(0.785eV)称为第一代半导体材料;将砷化镓(1.4eV)、磷化铟、磷化镓、砷化铟、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料;而将宽禁带(Eg>2.3eV)的氮化镓(3.4eV)、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料。硅原子中含有14个电子,排列在三个不同的核外电子层中。距离原子核近的两个电子层完全填满(第一层2个、第二层8个)。而最外层(第3层)只有4个电子,这就是价电子,所以硅是4价的。第三层的第一分层中可容纳2个,已满;第二分层中可容纳6个,现在只有2个,还有4个空位。第三层的能级分裂成三个能带,即“满带”、“空带”和中间隔离的“禁带”。4个价电子都在满带中,空带中本来也能容纳4个电子,现在一个也没有。当照射光的光子能量大于禁带宽度的能量时,满带中的价电子有一部分就会被激发到空带中去,空带中有了电子,称为导带,导带中的电子可挣脱原子核的束缚成为自由电子;满带中出现了空位,称为价带,价带中有了空位,就允许临近的价电子移动到这个空位上来,效果好像空位的移动,可把空位看成带正电荷的粒子,就称为“空穴”。硅原子始终会想方设法填满最外面的电子层(即希望有8个电子)。为此,它会与相邻硅原子的电子联系起来,每个原子有4个电子与周围4个原子中的一个电子共用。这就形成了外围8个电子的共价键结构。如果晶体中有了一个5价的原子(如磷),它外围有5个电子,但只有4个电子能参加它们共价键的结合,剩下了一个电子,这就是自由电子,它可以不受约束地自由运动。整个晶体还是中性的,它是由自由的电子和受束缚的正离子组成的,称为N型半导体;如果晶体中有了一个3价的原子(如:硼),它外围只有三个电子与邻近的硅原子共价键结合,有一个键上的空位,附近的电子可以方便地来补充,空位也就移动到另一个地方,这就相当于正电荷的移动,这就是空穴移动,整个晶体还是中性的,它是由空穴和受束缚的负离子组成的。当一块N形硅片表面,用扩散或烧结合金层的方法掺入一些P型(三价)杂质时,N型和P型的晶体就共居在一起了,形成PN结,N型中的自由电子和P型中的空穴就自由地复合了,形成一个阻挡层,或称为空间电荷区,N层失去了电子,剩下了正离子;P层失去了空穴,剩下了负离子,PN结阻挡层内电场的方向是指向P区的。当光照射在PN结上时,如光子能量大于硅的禁带宽度时,阻挡层中就产生了电子空穴对。在内电场的作用下,被光激发的电子移向N区外侧,被光激发的空穴移向P区外侧,从而在硅光电池的PN结的两边形成电势差,P区带正电,为光电池的正极,N区带负电,为光电池的负极。照在PN结上的光强增加,就有更多的空穴流向P区,更多的电子流向N区,从而硅光电池两侧的电势差增加。当给太阳能电池连结负载R时,在光照射下就会向负载R上供应电流I,这时负载上得到的输出功率为Po=RI2。通过调整负载R的大小,可以得到最大输出功率Po,它与当时输入的光功率Pi之比(或同一段时间的输出电能与输入光能之比)称为太阳能电池的能量转换效率(或光电转换效率)。近年来,比较高的硅太阳能电池效率为单晶硅22%(激光刻槽埋藏栅线的达24.4%);多晶硅18%;非晶态硅9%;微晶硅13.2%。非晶态硅与单晶硅结合的薄层(HIT),每块面积可做到100cm2以上,效率为23%。

　　2 半导体材料与纯净硅的生产

　　常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。