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1、Introduction to Solar Photovoltaic Technology 培训教师：冯少纯培训教师：冯少纯第一节第一节1.太阳电池发展史太阳电池发展史太阳能太阳能n太阳是距离地球最近的恒星，直径约太阳是距离地球最近的恒星，直径约1390000km,1390000km,体积和质量是地球的体积和质量是地球的130130万倍和万倍和3333万倍。表面温度约为万倍。表面温度约为5800K5800K，主要由氢和氦组，主要由氢和氦组成。其中氢占成。其中氢占80%80%，氦占，氦占19%19%。n太阳内部处于高温高压状态，不停进行着热核太阳内部处于高温高压状态，不停进行着热核反应，由氢聚变
2、成氦，并将质量转化为能量。反应，由氢聚变成氦，并将质量转化为能量。n青藏高原是我国太阳能资源最好的地区，而四青藏高原是我国太阳能资源最好的地区，而四川盆地云雨天气多，太阳能资源相对较差。川盆地云雨天气多，太阳能资源相对较差。太阳能太阳能n当太阳光照射到地球时，一部分光线当太阳光照射到地球时，一部分光线被被反射反射或或散射散射，一部分光线被吸收，一部分光线被吸收，只有约只有约70%70%的光线能到达地球表面。的光线能到达地球表面。n到达地球表面的太阳光一部分被表面到达地球表面的太阳光一部分被表面物体所吸收，另外一部分又被反射回物体所吸收，另外一部分又被反射回大气层。大气层。太阳电池发展史太阳电池
3、发展史太阳能光伏发电最核心的器件太阳能光伏发电最核心的器件太阳电池。太阳电池。从从1839年年法法国国科科学学家家E.Becquerel发发现现液液体体的的光光生生伏伏特特效效应应（简简称称光光伏伏现现象象）算算起起，太太阳阳能能电电池池已已经经经经过过了了160多多年年的的漫漫长长的的发发展展历历史史。从从总总的的发发展展来来看看，基基础础研研究究和和技技术术进进步步都都起起到到了了积积极极推推进进的的作作用用。对对太太阳阳电电池池的的实实际际应应用用起起到到决决定定性性作作用用的的是是美美国国贝贝尔尔实实验验室室关关于于单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池的的研研制制成成功功，在在太太阳阳电电池池
4、发发展展史史上上起起到到里里程程碑碑的的作作用用。至至今今为为止止，太太阳阳能能电电池池的的基基本本结结构构和和机机理理没没有有发发生改变。生改变。太阳电池发展史太阳电池发展史 太太阳阳电电池池后后来来的的发发展展主主要要是是薄薄膜膜电电池池的的研研发发，如如非非晶晶硅硅太太阳阳电电池池、CIS太太阳阳电电池池、CdTe太太阳阳电电池池和和纳纳米米燃燃料料敏敏化化太太阳阳电电池池等等，此此外外主主要要的的是是生生产产技技术术的的进进步步，如如丝丝网网印印刷刷、多多晶晶硅硅太太阳阳电电池池生生产产工工艺艺的的成成功功开开发发，特特别别是是氮氮化化硅硅薄薄膜膜的的减减反反射射和钝化技术的建立以及生
5、产工艺的高度自动化等。和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。太阳电池发展史太阳电池发展史 回回顾顾历历史史有有利利于于了了解解光光伏伏技技术术的的发发展展历历程程，按按时时间间的的发发展展顺顺序序，将将于于太太阳阳电电池池发发展展有有关关的的历历史事件汇总如下：史事件汇总如下：1839年年法法国国实实验验物物理理学学家家E.Becquerel发发现现液液体体的的光光生生伏特效应，简称为光伏效应。伏特效应，简称为光伏效应。1877年年W.G.Adams和和R.E.Day研研究究了了硒硒（Se）的的光光伏伏效应，并制作第一片硒太阳能电池。效应，并制作第一片硒太阳能电池。1883年年美美国国发
6、发明明家家Charles Fritts描描述述了了第第一一块块硒硒太太阳阳能电池的原理。能电池的原理。太阳电池发展史太阳电池发展史 1904年年Hallwachs发发现现铜铜与与氧氧化化亚亚铜铜（Cu/Cu2O）结结合合在在一一起起具具有有光光敏敏特特性性；德德国国物物理理学学家家爱爱因因斯斯坦坦（Albert Einstein）发表关于光电效应的论文。）发表关于光电效应的论文。1918年年波波兰兰科科学学家家Czochralski发发展展生生长长单单晶晶硅硅的的提提拉拉法工艺。法工艺。1921年年德德国国物物理理学学家家爱爱因因斯斯坦坦由由于于1904年年提提出出的的解解释释光电效应的理论获
7、得诺贝尔（光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖。）物理奖。贝贝尔尔(Bell)实实验验室室研研究究人人员员D.M.Chapin,C.S.Fuller和和G.L.Pearson报报道道4.5%效效率率的的单单晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池的的发发现现，几个月后效率达到几个月后效率达到6%。太阳电池发展史太阳电池发展史2000年年世世界界太太阳阳能能电电池池年年产产量量超超过过399MW；X.Wu，R.G.Dhere，D.S.Aibin等等报报道道碲碲化化镉镉（CdTe）太太阳阳能能电电池池效效率率达达到到16.4%；单单晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池售售价价约约为为3USD/W。2002年年
8、世世界界太太阳阳能能电电池池年年产产量量超超过过540MW；多多晶晶硅硅太太阳能电池售价约为阳能电池售价约为2.2USD/W。预计未来世界太阳预计未来世界太阳2020年年太太阳阳能能发发电电成成本本与与化化石石能能源源成成本本相相接接近近，德国可再生能源占德国可再生能源占20%。2030年年太太阳阳能能发发电电达达到到10%20%；德德国国将将关关闭闭所有的核电站。所有的核电站。能发电产业的发展能发电产业的发展预计未来世界太阳预计未来世界太阳2050年年世世界界太太阳阳能能发发电电利利用用将将占占世世界界能能源源总总能能耗耗30%50%份额。份额。2100年年以以煤煤、石石油油、天天然然气气为
9、为代代表表的的化化石石能能源源基基本本枯枯竭竭，人人类类主主要要利利用用太太阳阳能能、氢氢能能、风风能能、生生物物质质能能等等洁洁净净可可再再生生能能源源。人人类类将将充充分分利利用用太太阳能发电。阳能发电。能发电产业的发展能发电产业的发展中国太阳能发电发展史中国太阳能发电发展史1958年我国开始研制太阳能电池。年我国开始研制太阳能电池。1959年年中中国国科科学学院院半半导导体体研研究究所所研研制制成成功功第第一一片片具具有有实用价值的太阳能电池。实用价值的太阳能电池。1971年年3月月在在我我国国发发射射的的第第二二颗颗人人造造卫卫星星科科学学实实验验卫卫星星实实践践一一号号上上首首次次应
10、应用用由由天天津津电电源源研研究究所所研研制制的的太太阳阳能电池。能电池。19791979年年我我国国开开始始利利用用半半导导体体工工业业废废次次硅硅材材料料生生产产单单晶晶硅太阳能电池。硅太阳能电池。中国太阳能发电发展史中国太阳能发电发展史我我国国大大陆陆包包括括正正在在建建设设的的太太阳阳电电池池或或太太阳阳能能电电池池组组件件产产量量可可达达10MW以以上上的的厂厂家家有有很很多多，如如：无无锡锡尚尚德德，保保定定天天威威英英利利，宁宁波波太太阳阳能能，南南京京中中电电光光伏伏，上上海海太太阳阳能能科科技技，云云南南天天达达和和常常州州天天合合等等。我我国国已已成成为为世世界界重重要要的
11、的光光伏伏工工业业基基地地之之一一，初初步步形形成成一一个个以以光光伏伏工工业业为为源源头头的的高科技光伏产业链。高科技光伏产业链。随随着着我我国国“可可再再生生能能源源法法”的的实实施施，我我国国太太阳阳能能光光伏伏发发电电将将得得到到快快速速发发展展。预预计计在在3 35 5年年内内我我国国在在太太阳阳能能光光伏伏电电池池研研发发、生生产产、应应用用产产品品开开发发将将形形成成一一个个世世界界级级的的产产业业基基地地，并并将将在在国国际际太太阳阳能能光光伏伏工工业业产产业业中中占占据据重重要要的地位。的地位。太阳电池分类太阳电池分类l晶体硅太阳电池晶体硅太阳电池 （包括单晶硅和多晶硅太阳电
12、池）（包括单晶硅和多晶硅太阳电池）l非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池l薄膜太阳电池薄膜太阳电池l化合物太阳电池化合物太阳电池l有机半导体太阳电池有机半导体太阳电池第二节第二节2.半导体材料与理论半导体材料与理论半导体定义半导体定义固体按导电性能的高低可以分为：固体按导电性能的高低可以分为：导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 它们的导电性能不同，它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。是因为它们的能带结构不同。半导体种类半导体种类u按照成分可分为：按照成分可分为：有机半导体有机半导体 无机半导体（元素半导体、化合物半导体）无机半导体（元素半导体、化合物半导体）u按照晶体结构可分为：按照晶体结构可
13、分为：非晶体半导体非晶体半导体 晶体半导体（单晶、多晶）晶体半导体（单晶、多晶）u按照特性、功能可分为：按照特性、功能可分为：微电子材料、光电子材料、传感材料微电子材料、光电子材料、传感材料.半导体种类半导体种类 元素半导体共有元素半导体共有12种，包括种，包括 硅、锗、硼、碳、灰锡、磷、灰砷、灰锑、硅、锗、硼、碳、灰锡、磷、灰砷、灰锑、硫、硒、碲、碘。硫、硒、碲、碘。其中只有硅、锗和硒在实际生产中得到其中只有硅、锗和硒在实际生产中得到应用。应用。晶体概念晶体概念简单立方晶格简单立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al 体心立方晶格体心立方晶格 Li、Na、K、Fe 六角密排晶
14、格六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd 晶体：晶体：有有规则对称的几何外形；规则对称的几何外形；物理性质物理性质(力、热、电、光力、热、电、光)各向异性各向异性；有确定的熔点；有确定的熔点；微观微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成排列，形成空间点阵空间点阵(晶格晶格)。多晶结构多晶结构晶界晶界单晶结构单晶结构硅原子结构硅原子结构+142 8 4Si+4硅原子结构硅原子结构 简化模型简化模型 硅，一种四价的非金属元素，在自然界分布极广，地壳中约含27.6%，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。元素符号Si，相对原子量为28.08653，在元素周期
15、表中的lVA族（第四主族），第三周期。n每个原子的价电子分别与相邻的四个原子的价电子组成共价键，在空间形成排列有序的单晶体结构 n纯净的单晶半导体称为本征半导体。本征半导体本征半导体价电子（热激发）价电子（热激发）自由电子自由电子-空穴对空穴对复合复合平衡平衡本征半导体中本征半导体中本征半导体本征半导体(1)在半导体中有两种载流子在半导体中有两种载流子这就是半导体和金属导电原理的这就是半导体和金属导电原理的 本质区别本质区别a.电阻率大电阻率大(2)本征半导体的特点本征半导体的特点b.导电性能随温度变化大导电性能随温度变化大带正电的空穴带正电的空穴带负电的自由电子带负电的自由电子本征半导体不能
16、在半导体器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体本征半导体在外电场作用下，电子的定向移动形成电流在外电场作用下，电子的定向移动形成电流+-在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流+-n本征半导体缺点本征半导体缺点 1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！不适宜制造半导体器件，通常要掺入不适宜制造半导体器件，通常要掺入一些杂质来提高导电能力。一些杂质来提高导电能力。本征半导体本征半导体杂质半导体杂质半导体杂杂质质半半导导体体(Impurity Semiconductor)：在在纯纯净净的的半半导导体体中适当掺入杂质中适
17、当掺入杂质可提高半导体的导电能力可提高半导体的导电能力能改变半导体的导电机制能改变半导体的导电机制按按导导电电机机制制，杂杂质质半半导导体体可可分分为为n型型(电电子子导导电电)和和p型型(空空穴导电穴导电)两种。两种。杂质半导体杂质半导体n型半导体型半导体 SiSiSiSiSiSiSiP 图图中中掺掺入入的的五五价价P原原子子在在晶晶体体中中替替代代Si的的位位置置，构构成成与与Si相相同同的的四四电电子子结结构构，多多出出的的一一个个电电子子在在杂杂质质离离子子的的电电场范围内运动。场范围内运动。杂质半导体杂质半导体磷原子磷原子硅原子硅原子SiPSiSi多余电子多余电子N型半导体n形成：本
18、征半导体中掺入五价杂质原子形成：本征半导体中掺入五价杂质原子，如磷（，如磷（P）。）。n载流子：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。载流子：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。简化图简化图 杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体(2)P型半导体型半导体 四四价价的的本本征征半半导导体体 Si、Ge等等，掺掺入入少少量量三三价价的的杂杂质质元元素素(如如B、Ga、In等等)形成形成空穴型半导体空穴型半导体，也称，也称p型半导体型半导体。SiSiSiSiSiSiSi+B 图图中中在在硅硅晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的硼硼，晶晶体体点点阵阵中中的的某某些些半半导导体体原原子子被被杂杂质质
19、取取代代，硼硼原原子子的的最最外外层层有有三三个个价价电电子子，与与相相临临的的半半导导体体原原子子形形成成共共价价键键时时产产生生一一个个空空穴穴。这这个个空空穴穴可可能能吸吸引引束束缚缚电电子子来来填填补补，使使得得硼硼原原子子成成为为不不能能移移动的带负电的离子。动的带负电的离子。P型半导体n形成：本征半导体中掺入三价杂质原子形成：本征半导体中掺入三价杂质原子，如硼（，如硼（B）等。）等。n载流子：空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。载流子：空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。简化图简化图（a）结构示意图）结构示意图 图图1-5 P型半导体的结构型半导体的结构杂质半导体杂质半导体
20、n几个基本概念：几个基本概念：本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体自由电子、空穴自由电子、空穴多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体n无论是无论是N N型还是型还是P P型半导体都是电中性，对型半导体都是电中性，对外不显电性。外不显电性。杂质半导体杂质半导体多子的浓度决定于掺杂原子的浓度多子的浓度决定于掺杂原子的浓度少子的浓度决定于温度少子的浓度决定于温度P-N结结1、P-N结的形成结的形成在在一一块块n型型半半导导体体基基片片的的一一侧侧掺掺入入较较高高浓浓度度的的受受主主杂杂质质，由于杂质的补偿作用由于杂质的补偿作用,该区就成为
21、该区就成为p型半导体。型半导体。在在半半导导体体内内，由由于于掺掺杂杂的的不不同同，使使部部分分区区域域是是n型型，另另一一部部分分区区域域是是p型型，它它们们交交界界处处的的结结构构称称为为p-n结结(P-N junction)。由由于于区区的的电电子子向向P区区扩扩散散，P区区的的空空穴穴向向N区区扩扩散散，在在p型型半半导导体体和和n型型半半导导体体的的交交界界面面附附近近产产生生了了一一个个由由np的电场，称为的电场，称为内建场内建场。P-N结结 内内建建场场大大到到一一定定程程度度,不不再再有有净净电电荷荷的的流流动动，达达到了新的平衡。到了新的平衡。内建场阻止电子和空穴进一步扩散，
22、记作内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作 。P-N结结PN结的形成结的形成在交界面，由于两种载流子在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。的浓度差，出现扩散运动。PNP-N结结PN结的形成结的形成在交界面，由于扩散运动，在交界面，由于扩散运动，经过复合经过复合,出现空间电荷区。出现空间电荷区。空间电荷区空间电荷区耗尽层耗尽层PNP-N结结稳稳定定后后，n区区相相对对p区区有有电电势势差差U0(n比比p高高)。p-n 结结也称也称势垒区势垒区。电子电势能曲线电子电势能曲线U0电子能级电子能级电势曲线电势曲线P-N结结它它阻阻止止P区区带带正正电电的的空空穴穴进一步向进一步向N区扩散；区扩
23、散；也也阻阻止止N区区带带负负电电的的电电子子进一步向进一步向P区扩散。区扩散。P-N结结PN结的形成结的形成PN结结当当扩扩散散电电流流等等于于漂漂移移电电流流时时，达到动态平衡，形成达到动态平衡，形成PN结。结。P-N结结 在在P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体结结合合后后，由由于于N型型区区内内电电子子很很多多而而空空穴穴很很少少，而而P型型区区内内空空穴穴很很多多电电子子很很少少，在在它它们们的的交交界界处处就就出出现现了了电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度差差别别。这这样样，电电子子和和空空穴穴都都要要从从浓浓度度高高的的地地方方向向浓浓度度低低的的地地方方扩扩散散。于于是是，有
24、有一一些些电电子子要要从从N型型区区向向P型型区区扩扩散散，也也有有一一些些空空穴穴要要从从P型型区区向向N型型区区扩扩散散。它它们们扩扩散散的的结结果果就就使使P区区一一边边失失去去空空穴穴，留留下下了了带带负负电电的的杂杂质质离离子子,N区区一一边边失失去去电电子子，留留下下了了带带正正电电的的杂杂质质离离子子。半半导导体体中中的的离离子子不不能能任任意意移移动动，因因此此不不参参与与导导电电。这这些些不不能能移移动动的的带带电电粒粒子子在在P和和N区区交交界界面面附附近近，形形成成了了一一个个很很薄薄的的空空间间电电荷荷区区，就就是是所所谓的谓的PN结。结。文字总结：文字总结：PN结的形
25、成结的形成P-N结结 扩扩散散越越强强，空空间间电电荷荷区区越越宽宽。在在空空间间电电荷荷区区，由由于于缺缺少少多多子子，所所以以也也称称耗耗尽尽层层。在在出出现现了了空空间间电电荷荷区区以以后后，由由于于正正负负电电荷荷之之间间的的相相互互作作用用，在在空空间间电电荷荷区区就就形形成成了了一一个个内内电电场场，其其方方向向是是从从带带正正电电的的N区区指指向向带带负负电电的的P区区。显显然然，这这个个电电场场的的方方向向与与载载流流子子扩扩散散运运动动的的方方向向相相反反它它是是阻阻止止扩扩散的。散的。文字总结：文字总结：PN结的形成结的形成P-N结结 另另一一方方面面，这这个个电电场场将将
26、使使N区区的的少少数数载载流流子子空空穴穴向向P区区漂漂移移，使使P区区的的少少数数载载流流子子电电子子向向N区区漂漂移移，漂漂移移运运动动的的方方向向正正好好与与扩扩散散运运动动的的方方向向相相反反。从从N区区漂漂移移到到P区区的的空空穴穴补补充充了了原原来来交交界界面面上上P区区所所失失去去的的空空穴穴，从从P区区漂漂移移到到N区区的的电电子子补补充充了了原原来来交交界界面面上上N区区所所失失去去的的电电子子，这这就就使使空空间间电电荷荷减减少少，因因此此，漂漂移移运运动动的的结结果果是是使使空空间间电电荷荷区区变变窄窄。当当漂漂移移运运动动达达到到和和扩扩散散运运动动相相等等时时，PN结
27、结便便处处于于动动态态平平衡衡状状态态。内内电电场场促促使使少少子子漂漂移移，阻阻止止多多子子扩扩散散。最最后后，多多子子的的扩扩散散和和少少子子的的漂漂移移达达到到动动态态平衡。平衡。文字总结：文字总结：PN结的形成结的形成载载流流子子浓浓度度差差复复合合内电场内电场阻碍多子扩散阻碍多子扩散帮助少子漂移帮助少子漂移扩扩散散漂漂移移动动态态平平衡衡内电场内电场多多子子扩扩散散产产生生空空间间电电荷荷区区P区区N区区PN结结稳稳定定PN结的形成过程结的形成过程PN结结P-N结的单向导电性结的单向导电性 由由于于p-n结结处处阻阻挡挡层层的的存存在在，把把电电压压加加到到p-n结结两两端端时，阻挡
28、层处的电势差将发生变化。时，阻挡层处的电势差将发生变化。p型型n型型I(1)正向偏压正向偏压在在p-n结结的的p端端接接电电源源正正极极，n端端接接负负极极，这这叫叫对对P-N结结加加正正向向偏偏压压(如如图图)。此此时时 与与 反反向向，阻挡层势垒削弱、阻挡层势垒削弱、变变窄窄，有有利利于于空空穴穴向向n型型区区、电电子子向向p型型区区移移动动，即即形形成成正向电流正向电流(mA级级)P-N结的单向导电性结的单向导电性外外加加电电压压越越大大，正正向向电电流流也也越越大大，而而且且呈呈非线性的伏安特性。非线性的伏安特性。V（伏）（伏）302010（毫安）（毫安）正向正向00.21.0IP-N
29、结的单向导电性结的单向导电性(2)负向偏压负向偏压在在p-n结结的的p型型一一端端接接电电源源负负极极，另另一一端端接接正正极极，这这叫叫对对p-n结结加加反反向向偏偏压压。此此时时 与与 同同向向，阻阻挡挡层层势势垒垒增增大大、变变宽宽，不不利利于于空空穴穴向向n型型区区、电电子子向向p型型区区移移动动。没没有有正正向电流。向电流。p型型n型型IE阻阻E外外 但但是是，由由于于少少数数载载流流子子的的存存在在，在在外外电电场场作作用用下下，会会形形成成很很弱弱的的反反向向电电流，称为流，称为漏电流漏电流(A级级)。P-N结的单向导电性结的单向导电性 当当反反向向电电压压超超过过某某一一数数值
30、值后后，反反向向电电流流会会急急剧剧增增大大，这这称称为为反反向击穿向击穿。击穿电压击穿电压V(伏伏)-10-20-30I（微安）（微安）反向反向-20-30 由由上上可可知知，p-n结结可可以以作作成成具具有有整整流流、开开关关等作用的等作用的晶体二极管晶体二极管(diode)。P-N结的反向击穿结的反向击穿 P-N结的单向导电性结的单向导电性PN结外加正向电压时处于导通状态结外加正向电压时处于导通状态加正向电压是指加正向电压是指P端加正电压，端加正电压，N端加负电压，也称正向端加负电压，也称正向接法或正向偏置。接法或正向偏置。P-N结的单向导电性结的单向导电性 内电场内电场外电场外电场外外
31、电电场场抵抵消消内内电电场场的的作作用用，使使耗耗尽尽层变窄，形成较大的扩散电流。层变窄，形成较大的扩散电流。P-N结的单向导电性结的单向导电性PN结外加反向电压时处于截止状态结外加反向电压时处于截止状态外电场和内电场的共同作用，使耗外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变宽，形成很小的漂移电流。尽层变宽，形成很小的漂移电流。P-N结的单向导电性结的单向导电性PN结的伏安特性结的伏安特性 正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿反向击穿PN结的电流方程为结的电流方程为其中，其中，IS 为反向饱和电流，为反向饱和电流，UT26mV，半导体的导电特性半导体的导电特性1、掺杂特性、掺杂特性 掺掺入入微微
32、量量的的杂杂质质（简简称称掺掺杂杂）能能显显著著地地改改变变半半导导体体的的导导电电能能力力。杂杂质质含含量量改改变变能能引引起起载载流流子子浓浓度度变变化化，半半导导体体材材料料电电阻阻率率随随之之发发生生很很大大变变化化。在在同同一一种种材材料料中中掺掺入入不不同同类类型型的的杂杂质质，可可以以得得到到不同导电类型的半导体材料。不同导电类型的半导体材料。半导体的导电特性半导体的导电特性2、温度特性、温度特性 温温度度也也能能显显著著改改变变半半导导体体材材料料的的导导电电性性能能。一一般般来来说说，半半导导体体的的导导电电能能力力随随温温度度升升高高而而迅迅速速增增加加，即即半半导导体体的
33、的电电阻阻率率具具有有负负的的温温度度系系数数，而而金金属属的的电电阻阻率率具具有有正正当当温温度度系系数数，且且其其随随温温度度的的变化很慢。变化很慢。半导体的导电特性半导体的导电特性3、环境特性、环境特性 半半导导体体的的导导电电能能力力还还会会随随光光照照而而发发生生变变化化（称称为为光光电电导导现现象象）。此此外外半半导导体体的的导导电电能能力力还还会会随随所所处处环环境境的的电电场场、磁磁场场、压压力力和和气气氛氛的的作作用用等而变化。等而变化。半导体的特性应用半导体的特性应用1、热敏电阻、热敏电阻 根根据据半半导导体体的的电电阻阻值值随随温温度度的的升升高高而而迅迅速速下下降降的的
34、现现象象制制成成的的半半导导体体器器件件，称称为为热热敏敏电电阻阻(thermosensitive resistance)。热热敏敏电电阻阻有有体体积积小小，热热惯惯性性小小，寿寿命命长长等优点，已广泛应用于自动控制技术。等优点，已广泛应用于自动控制技术。半导体的特性应用半导体的特性应用2、光敏电阻、光敏电阻 半半导导体体硒硒，在在照照射射光光的的频频率率大大于于其其红红限限频频率率时时，它它的的电电阻阻值值有有随随光光强强的的增增加加而而急急剧剧减减小小的的现现象象。利利用用这这种种特特性性制制成成的的半半导导体体器器件件称称为为光光敏敏电电阻阻(photosensitive resista
35、nce)。光光敏敏电电阻阻是是自自动动控控制制、遥遥感感等技术中的一个重要元件等技术中的一个重要元件。半导体的特性应用半导体的特性应用3、温差热电偶、温差热电偶 把把两两种种不不同同材材料料的的半半导导体体组组成成一一个个回回路路，并并使使两两个个接接头头具具有有不不同同的的温温度度，会会产产生生较较大大的的温温差差电电动动势势，称称为为半半导导体体温温差差热热电电偶偶。温温度度每每差差一一度度，温差电动势能够达到、甚至超过温差电动势能够达到、甚至超过1毫伏。毫伏。利利用用半半导导体体温温差差热热电电偶偶可可以以制制成温度计，或小型发电机成温度计，或小型发电机。半导体的特性应用半导体的特性应用
36、4、集成电路、集成电路 p-n结结的的适适当当组组合合可可以以作作成成具具有有放放大大功功能能的的晶晶体体三三极极管管(trasistor)，以以及及其其他他各各种种晶晶体体管管。进进一一步步可可将将它它们们作作成成集集成成电电路路、大大规规模模集集成成电电路路和和超大规模集成电路。超大规模集成电路。半导体的特性应用半导体的特性应用 1947年年12月月23日，美国贝尔实日，美国贝尔实验室的半导体小组，验室的半导体小组，W.Shockley，J.Bardeen，W.Brattain做出了世做出了世界上第一只具有放大作用的点接触界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。型晶体三极管。固定针固定
37、针B探针探针固定针固定针AGe晶片晶片1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。人类历史上的人类历史上的第一个晶体管第一个晶体管半导体的特性应用半导体的特性应用人类历史上的第一块集成电路人类历史上的第一块集成电路1958年年9月月 Texas InstrumentsJack Kilby2000年诺贝尔奖年诺贝尔奖半导体的特性应用半导体的特性应用pnp电信号电信号cbVebVcbRe后来，晶体管又从点接触型发展到后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型面接触型。晶体管比真空电子管体积小，重量轻，成本低，可晶体管比真空电子管体积小，重量轻，成本低，可靠性高，寿命长，很快
38、成为第二代电子器件。靠性高，寿命长，很快成为第二代电子器件。半导体的特性应用半导体的特性应用INMOS T900 微处理器微处理器每每一一个个集集成成块块(图图中中一一个个长长方方形形部部分分)约约为为手手指指甲甲大大小小，它它有有300多多万万个三极管个三极管 半导体的特性应用半导体的特性应用1971年制造的第一个单片机年制造的第一个单片机Intel 4004，2300个晶体管个晶体管10微米技术微米技术,640bytes，108KHzPentium IV5500万个晶体管万个晶体管0.13微米技术微米技术光生伏特效应光生伏特效应 当当P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体结结合合在在一一
39、起起，形形成成PN结结时时，由由于于多多数数载载流流子子的的扩扩散散，形形成成了了空空间间电电荷荷区区，并并形形成成一一个个不不断断增增强强的的从从N型型半半导导体体指指向向P型型半半导导体体的的内内建建电电场场。导导致致多多数数载载流流子子反反向向漂漂移移。达达到到平平衡衡后后，扩扩散散产产生生的的电电流流和和漂漂移产生的电流相等。移产生的电流相等。如如果果光光照照在在PN结结上上，而而且且光光能能大大于于PN结结的的禁禁带带宽宽度度，则则在在PN结结附附近近将将产产生生电电子子 空空穴穴对对。由由于于内内建建电电场场的的存存在在，产产生生的的非非平平衡衡载载流流子子将将向向空空间间电电荷荷
40、区区两两端端漂漂移移，产产生生光光生生电电势势（电电压压），破破坏坏了了原原来来的的平平衡衡。如如果果将将PN结结与与外外电电路路相相连连，则则电电路路中中出出现现电电流流，称称为为光光生生伏伏特特现现象象或或光光生生伏特效应。伏特效应。PN结结光生伏特效应光生伏特效应 当光照射在当光照射在p-n结上时，光结上时，光子会产生子会产生电子电子-空穴对空穴对。e+h+pn+_光光 由由光光照照射射，使使p-n结结产产生生电电动动势势的的现现象象称称光光生生伏伏特特效效应应。利利用用太太阳阳光光照照射射p-n结结产产生生电电池池的的装装置置叫叫太太阳阳能能电池电池。太阳能电池应用前景十分广泛。太阳能
41、电池应用前景十分广泛。PN结的制备结的制备nP38第三节第三节3.硅片的生产硅片的生产硅材料硅材料 太太阳阳电电池池产产品品需需要要高高纯纯的的原原料料，对对于于太太阳阳电电池池要要求求硅硅材材料料的的纯纯度度约约是是99.99%99.9999%。而而对对半半导导体体技技术术要要求求的的纯纯度度还还要要高高几几个个数数量量级级。硅硅材材料料是是用用二二氧氧化化硅硅(SiO2)作作为为生生产产原原料料，将将其其熔熔化化并并除除去去杂杂质质就就可可制制取取粗粗级级硅硅，也也称称冶冶金金级级硅硅、工业硅、金属硅。工业硅、金属硅。硅材料硅材料 多多晶晶硅硅按按纯纯度度分分类类可可以以分分为为冶冶金金级
42、级（工工业业硅硅）、太太阳能级、电子级。阳能级、电子级。1、冶冶金金级级硅硅(Metallurgical Grade,MG)：是是硅硅的的氧氧化化物物在电弧炉中被碳还原而成。一般含在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si为为9099%。2、太太阳阳级级硅硅(Solar Grade,SG)：纯纯度度介介于于冶冶金金级级硅硅与与电电子子级级硅硅之之间间，至至今今未未有有明明确确界界定定。一一般般认认为为含含Si在在99.9999.9999（46个个9）3、电电子子级级硅硅(Electronic Grade,EG)：一一般般要要求求含含Si99.9999%以以 上上，超超 高高 纯纯 达达 到到 99.9
43、999999%99.999999999%（911个个9）。其导电性介于）。其导电性介于 10-41010 欧厘米。欧厘米。太阳能级硅太阳能级硅太太阳阳能能级级硅硅是是电电子子级级硅硅生生产产过过程程的的副副产产品品，按按照照质质量量排排序序主主要要包包括括以以下下几几种种：电电子子级级硅硅的的次次级级产产品品等等外外品品硅硅大大块块料料小小块块料料单单晶晶硅硅锭锭头头尾尾料料厂厂内内循循环环返返回回料料埚底料埚底料其它来源的硅料其它来源的硅料 杂质含量：杂质含量：10100 ppm 电阻率：电阻率：0.51 ohm-cm以上以上(B、P)(1)少子寿命少子寿命(ms)(2)单位硅料消耗单位硅料
44、消耗（克硅（克硅/瓦或吨硅瓦或吨硅/兆瓦）兆瓦）(3)太阳电池组件总成本太阳电池组件总成本评价因素：评价因素：太阳能级硅太阳能级硅 现现在在的的发发展展趋趋势势是是不不管管是是单单晶晶还还是是多多晶晶硅硅太太阳电池，都使用大尺寸、超薄的硅片。阳电池，都使用大尺寸、超薄的硅片。随随着着半半导导体体材材料料技技术术的的发发展展，对对硅硅片片的的规规格格和和质质量量也也提提出出更更高高的的要要求求，适适合合微微细细加加工工的的大大直直径径硅硅片片在在市市场场中中的的需需求求比比例例将将日日益益加加大大。目目前前，硅硅片片主主流流产产品品是是 200mm，逐逐渐渐向向300mm过过渡渡，研研制制水水平
45、平达达到到400mm450mm。据据统统计计，200mm硅硅片片的的全全球球用用量量占占60%左左右右，150mm占占20%左左右右，其其余余占占20%左左右。右。大尺寸：大尺寸：太阳能级硅太阳能级硅 而而厚厚度度开开始始从从330 m向向240 m、220 m甚甚至至可可减减少少到到100 m以以下下。德德国国太太阳阳能能系系统统研研究究所所使使用用40 m超超薄薄硅硅片片，制制作作的的太太阳阳电电池池的的转转换换效效率率也也达达到到20%。这这些些技技术术的的推推广广使使用用将将节节省省大大量量的的硅硅材材料料，可可明明显显降降低低太太阳阳电电池池的的生生产产成成本本，有有利地促进太阳电池
46、工业的发展。利地促进太阳电池工业的发展。薄厚度：薄厚度：太阳能级硅太阳能级硅杂杂 质：质：(1)周期表中周期表中III或或V族元素，如硼（族元素，如硼（B）、磷（）、磷（P）等）等 电离能低，对电导率影响显著，作掺杂剂电离能低，对电导率影响显著，作掺杂剂 P型掺硼（受主），型掺硼（受主），N型掺磷（施主）型掺磷（施主）(2)I副族和过渡金属元素，如副族和过渡金属元素，如Fe、Zn、Mn、Cr等等 电离能高，起复合中心的作用电离能高，起复合中心的作用 破坏破坏 PN 结特性，少子寿命降低，转换效率下降结特性，少子寿命降低，转换效率下降 (3)碳、氧、氮等元素碳、氧、氮等元素 形成化合物，形成化合
47、物，结晶缺陷，结晶缺陷，性能不均匀，硅片变脆性能不均匀，硅片变脆沙子变黄金沙子变黄金晶体硅晶体硅沙子变黄金沙子变黄金硅：遍地的沙子硅：遍地的沙子 硅硅在在地地壳壳中中的的丰丰度度为为27.7%，在在所所有有的的元元素素中中居居第第二二位位，但但大大部部分分以以氧氧化化物物的的形形式式存存在在。地地壳壳中中含含量量最最多多的的元元素素氧氧和和硅硅结结合合形形成成的的二二氧氧化化硅硅SiO2，占占地地壳壳总总质质量量的的87%。我我国国高高氧氧化化含含量量的的石石英英和和硅硅石石藏藏量量丰丰富富，分分布布很很广广，全全国国各各地地几几乎乎都都发发现现有有高高品品位位的的含含氧氧化化硅硅矿矿，SiO
48、2的含量的含量 大都在大都在99%以上。以上。SiO2硅材料的原料硅材料的原料冶金硅冶金硅冶金硅：耗费能源的低级产品冶金硅：耗费能源的低级产品 冶冶金金级级硅硅是是工工业业提提纯纯的的单单质质硅硅，又又称称金金属属硅硅或或工工业业硅硅，硅硅含含量量的的纯纯度度约约为为98.5%-99.5%。、采采用用生生产产方方法法是是将将二二氧氧化化硅硅和和碳碳元元素素（可可以以用用煤煤、焦焦炭炭和和木木屑屑等等）一一起起在在电电弧弧炉炉中中加加热热至至2100C左左右右，这这时时碳碳就就会会将将硅硅还还原原出来。出来。SiO2+2C=Si+2CO生产工艺化学反应方程式：生产工艺化学反应方程式：冶金硅冶金硅
49、 冶冶金金硅硅广广泛泛应应用用于于冶冶金金、化化工工、电电子子等等行行业业。据据统统计计，用用于于铝铝工工业业的的金金属属硅硅约约占占整整个个行行业业需需求求的的60%左左右右，钢钢铁铁工工业业约约为为15%，有有机机硅硅行行业业约约为为20%，半半导导体体及及其其他行业约为他行业约为5%。在在高高温温下下，SiO2与与焦焦炭炭反反应应，生生成成液液相相的的硅硅沉沉入入电电弧弧炉炉底底部部，此此时时铁铁作作为为催催化化剂剂可可有有效效阻阻止止碳碳化化硅硅的的形形成成。在在电电弧弧炉炉底底部部开开孔孔可可将将液液相相硅硅收收集集，凝凝固固后后可可通通过过机机械械粉粉碎碎，得得到到冶冶金金级级硅硅
50、粉粉。其其中中含含有有大大量量的的金金属属杂杂质质，如如铁、镍、铜、锌等。铁、镍、铜、锌等。冶金硅冶金硅 冶冶金金硅硅的的附附加加产产品品包包括括硅硅微微粉粉、边边皮皮硅硅、黑黑皮皮硅硅、金金属属硅硅渣渣等等。其其中中硅硅微微粉粉也也称称硅硅粉粉、微微硅硅粉粉或或硅硅灰灰，它它广泛应用于耐火材料和混凝土行业。广泛应用于耐火材料和混凝土行业。生生产产一一吨吨冶冶金金硅硅，需需要要消消耗耗12,00013,000 度度电电，电电力力成成本本占占整整个个生生产产成成本本的的60%。因因此此我我国国冶冶金金硅硅产产能能主主要要集集中中在在硅硅石石资资源源非非常常丰丰富富、水水电电充充沛沛的的贵贵州州、