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1、第一节第一节1.太阳电池发展史太阳电池发展史第1页/共176页太阳电池发展史太阳电池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
2、验室室三三位位科科学学家家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机理没有发生改变。和机理没有发生改变。第2页/共176页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
3、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。第3页/共176页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
4、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。第4页/共176页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
5、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得诺贝尔（光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖。）物理奖。1930年年B.Lang研研究究氧氧化化亚亚铜铜/铜铜太太阳阳能能电电池池，发发表表“新新型型光光伏伏电电池池”论论文文；W.Schottky发发表表“新新型型氧氧化化亚亚铜铜光电池光电池”论文。论文。第5页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史1932年年Audobert和和Stora发现硫化镉发现硫化镉(CdS)的光伏现象。的光伏现象。1933年年L.O.Gronda
6、hl发发表表“铜铜-氧氧化化亚亚铜铜整整流流器器和和光光电池电池”论文。论文。1951年生长年生长p-n结，实现制备单晶锗电池。结，实现制备单晶锗电池。1953年年Wayne州州立立大大学学Dan Trivich博博士士完完成成基基于于太太阳阳光光普普的的具具有有不不同同带带隙隙宽宽度度的的各各类类材材料料光光电电转转换换效效率率的的第第一个理论计算。一个理论计算。第6页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史1954年年RCA实实验验室室的的P.Rappaport等等报报道道硫硫化化镉镉的的光光伏伏现现象象，(RCA:Radio Corporation of America，美美国国无无线电
7、公司线电公司)。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%。1955年年西西部部电电工工（Western Electric）开开始始出出售售硅硅光光伏伏技技术术商商业业专专利利，在在亚亚利利桑桑那那大大学学召召开开国国际际太太阳阳能能会会议议，Hoffman电电子子推推出出效效率率为为2%的的商商业业太太阳阳能能电电池池产产品品，电电池为池为14mW/片，片，25美元美元/片，相当于片，相当于1785USD/W。
8、第7页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史1956年年P.Pappaport，J.J.Loferski和和E.G.Linder发发表表“锗和硅锗和硅p-n结电子电流效应结电子电流效应”的文章。的文章。1957年年Hoffman电电子子的的单单晶晶硅硅电电池池效效率率达达到到8%；D.M.Chapin,C.S.Fuller和和G.L.Pearson获获得得“太太阳阳能能转转换器件换器件”专利权。专利权。1958年年美美国国信信号号部部队队的的T.Mandelkorn制制成成n/p型型单单晶晶硅硅光光伏伏电电池池，这这种种电电池池抗抗辐辐射射能能力力强强，这这对对太太空空电电池池很很重重要要；
9、Hoffman电电子子的的单单晶晶硅硅电电池池效效率率达达到到9%；第第一一个个光光伏伏电电池池供供电电的的卫卫星星先先锋锋1号号发发射射，光光伏伏电电池池100cm2，0.1W,为一备用的为一备用的5mW话筒供电。话筒供电。第8页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史1959年年Hoffman电电子子实实现现可可商商业业化化单单晶晶硅硅电电池池效效率率达达到到10%，并并通通过过用用网网栅栅电电极极来来显显著著减减少少光光伏伏电电池池串串联联电电阻阻；卫卫星星探探险险家家6号号发发射射，共共用用9600片片太太阳阳能能电电池池列列阵阵，每片每片2cm2，共，共20W。1960年年Hoffm
10、an电子实现单晶硅电池效率达到电子实现单晶硅电池效率达到14%。1962年年第第一一个个商商业业通通讯讯卫卫星星Telstar发发射射，所所用用的的太太阳阳能电池功率能电池功率14W。1963年年Sharp公公司司成成功功生生产产光光伏伏电电池池组组件件；日日本本在在一一个个灯灯塔塔安安装装242W光光伏伏电电池池阵阵列列，在在当当时时是是世世界界最最大大的的光光伏电池阵列。伏电池阵列。第9页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史1964年宇宙飞船年宇宙飞船“光轮发射光轮发射”，安装，安装470W的光伏阵列。的光伏阵列。1965年年Peter Glaser和和A.D.Little提提出出卫卫
11、星星太太阳阳能能电电站站构思。构思。1966年带有年带有1000W光伏阵列大轨道天文观察站发射。光伏阵列大轨道天文观察站发射。1972年年法法国国人人在在尼尼日日尔尔一一乡乡村村学学校校安安装装一一个个硫硫化化镉镉光光伏系统，用于教育电视供电。伏系统，用于教育电视供电。1973年美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅。年美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅。第10页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史1974年年日日本本推推出出光光伏伏发发电电的的“阳阳光光计计划划”；Tyco实实验验室室生生长长第第一一块块EFG晶晶体体硅硅带带，25mm宽宽，457mm长长(EFG:Edge define
12、d Film Fed-Growth，定定边边喂喂膜膜生生长长)。1977年年世世界界光光伏伏电电池池超超过过500KW；D.E.Carlson和和C.R.Wronski在在W.E.Spear的的1975年年控控制制p-n结结的的工工作作基基础上制成世界上第一个非晶硅础上制成世界上第一个非晶硅(a-Si)太阳能电池。太阳能电池。1979年世界太阳能电池安装总量达到年世界太阳能电池安装总量达到1MW。第11页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史1980年年ARCO太太阳阳能能公公司司是是世世界界上上第第一一个个年年产产量量达达到到1MW光光伏伏电电池池生生产产厂厂家家；三三洋洋电电气气公公司司
13、利利用用非非晶晶硅硅电电池池率率先先制制成成手手持持式式袖袖珍珍计计算算器器，接接着着完完成成了了非非晶晶硅硅组组件件批量生产并进行了户外测试。批量生产并进行了户外测试。1981年名为年名为Solar Challenger的光伏动力飞机飞行成功。的光伏动力飞机飞行成功。1982年世界太阳能电池年产量超过年世界太阳能电池年产量超过9.3MW。1983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21.3MW；名名为为Solar Trek的的1KW光光伏伏动动力力汽汽车车穿穿越越澳澳大大利利亚亚，20天天内内行程达到行程达到4000Km。第12页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史198
14、4年年面面积积为为929c的的商商品品化化非非晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池组组件件问世。问世。1985年年单单晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池售售价价10USD/W；澳澳大大利利亚亚新新南南威威尔尔土土大大学学Martin Green研研制制单单晶晶硅硅的的太太阳阳能能电电池池效效率达到率达到20%。1986年年6月月，ARCO Solar 发发布布G-4000世世界界首首例例商用薄膜电池商用薄膜电池“动力组件动力组件”。1987年年11月月，在在3100Km穿穿越越澳澳大大利利亚亚的的Pentax World Solar Challenge PV-动动力力汽汽车车竞竞赛赛上上，GM Sunray
15、cer获获胜，平均时速约为胜，平均时速约为71km/h。第13页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史1990年世界太阳能电池年产量超过年世界太阳能电池年产量超过46.5MW。1991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55.3MW；瑞瑞士士Gratzel教教授授研研制制的的纳纳米米TiO2染染料料敏敏化化太太阳阳能能电电池池效效率率达达到到7%。1992年世界太阳能电池年产量超过年世界太阳能电池年产量超过57.9MW。1993年世界太阳能电池年产量超过年世界太阳能电池年产量超过60.1MW。1994年世界太阳能电池年产量超过年世界太阳能电池年产量超过69.4MW。1995年
16、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77.7MW；光光伏伏电电池安装总量达到池安装总量达到500MW。第14页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史1996年世界太阳能电池年产量超过年世界太阳能电池年产量超过88.6MW。1997年世界太阳能电池年产量超过年世界太阳能电池年产量超过125.8MW。1998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151.7MW；多多晶晶硅硅太阳能电池产量首次超过单晶硅太阳能电池。太阳能电池产量首次超过单晶硅太阳能电池。1999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201.3MW；美美国国NREL的的M.A.Contrer
17、as等等报报道道铜铜铟铟锡锡（CIS）太太阳阳能能电电池池效效率率达达到到18.8%；非非晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池占占市市场场份份额额12.3%。第15页/共176页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
18、。第16页/共176页太阳电池发展史太阳电池发展史2003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760MW；德德国国Fraunhofer ISE的的LFC（Laser Fired Contact）晶晶体体硅硅太阳能电池效率达到太阳能电池效率达到20%。2004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1200MW；德德国国Fraunhofer ISE多多晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池效效率率达达到到20.3%；非非晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池占占市市场场份份额额4.4%，降降为为1999年年的的1/3，CdTe占占1.1%；而；而CIS占占0.4%。第17页/共176页预
19、计未来世界太阳预计未来世界太阳2010年年通通过过技技术术突突破破，太太阳阳能能电电池池成成本本进进一一步步降降低低，在在世世界界能能源源供供应应中中占占有有一一定定的的份份额额；德德国国可可再再生生能能源源发发电达到电达到12.5%。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，德德国国可再生能源占可再生能源占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所有有的的核电站。核电站。能发电产业的发展能发电产业的发展第18页/共176页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
20、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第19页/共176页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。197
21、1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。1973年年在在天天津津港港的的海海面面航航标标灯灯上上首首次次应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能电电池池，航航标标灯灯上上应应用用14.7W太太阳阳能能电池。电池。第20页/共176页中国太阳能发电发展史中国太阳能发电发展史1979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。19801990年年期期间间我我
22、国国引引进进国国外外太太阳阳能能电电池池关关键键设设备备、成成套套生生产产线线和和技技术术，先先后后建建立立单单晶晶硅硅电电池池生生产产企企业业，如如宁宁波波太太阳阳能能电电源源厂厂、开开封封半半导导体体厂厂、云云南南半半导导体体厂厂、秦秦皇岛华美太阳电池厂等。皇岛华美太阳电池厂等。到到20世世纪纪80年年代代后后期期，我我国国太太阳阳能能电电池池生生产产能能力力达达到到4.5MW/年，初步形成了我国太阳能电池产业。年，初步形成了我国太阳能电池产业。2004年年我我国国太太阳阳能能电电池池产产量量超超过过印印度度，年年产产量量达达到到50MW以上。以上。第21页/共176页中国太阳能发电发展史
23、中国太阳能发电发展史20052006年年期期间间，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伏工业为源头的高科技光伏产业链。光伏工业为源头的高科技光伏产业链。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
24、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。第22页/共176页第二节第二节2.半导体材料与理论半导体材料与理论第23页/共176页能带理论能带理论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 六角密排晶格六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd
25、 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)。第24页/共176页电子共有化电子共有化1、周期性势场、周期性势场(1)(1)孤立原子孤立原子(单价单价)电电子子所所在在处处的的电电势势为为U，电电子子的的电电势势能能为为V。电电势势能能是是一一个旋转对称的势阱。个旋转对称的势阱。r+-e eUVUVr+电子能级电子能级势阱势阱旋转对称旋转对称势垒势垒+第25页
26、/共176页电子共有化电子共有化(2)(2)两个原子的情形两个原子的情形VVr+第26页/共176页电子共有化电子共有化(3)(3)大量原子规则排列的情形大量原子规则排列的情形Vr+aE1E2晶晶体体中中大大量量原原子子(分分子子、离离子子)的的规规则则排排列列成成点点阵阵结结构构，晶体中晶体中形成形成周期性势场周期性势场。第27页/共176页电子共有化电子共有化2、电子共有化、电子共有化(1)(1)对能量对能量E1的电子的电子 v 势能曲线表现为势垒；势能曲线表现为势垒；电子能量电子能量 势垒高度势垒高度电子在晶体中自由运动，不受特定离子的束缚。电子在晶体中自由运动，不受特定离子的束缚。电电
27、子子共共有有化化：由由于于晶晶体体中中原原子子的的周周期期性性排排列列，价价电电子子不不再再为为单单个个原原子子所所有有的的现现象象。共共有有化化的的电电子子可可以以在在不不同同原原子子中中的的相相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。似轨道上转移，可以在整个固体中运动。S 原原子子的的外外层层电电子子(高高能能级级)，势势垒垒穿穿透透概概率率较较大大，属属于于共共有有化化的的电子。电子。S 原子的内层电子与原子的结合较紧，一般不是共有化电子。原子的内层电子与原子的结合较紧，一般不是共有化电子。(3)(3)电子共有化电子共有化 第29页/共176页能带的形成能带的形成 量量子子力力学学证证明明，
28、由由于于晶晶体体中中各各原原子子间间的的相相互互影影响响，原原来来各各原原子子中中能能量量相相近近的的能能级级将将分分裂裂成成一一系系列列和和原原能能级级接接近近的的新新能能级级。这这些些新新能能级级基基本本上上连连成成一一片片，形形成成能能带带(energy band)。两个氢原子靠近结合成分子时，两个氢原子靠近结合成分子时，1S能级分裂为两条。能级分裂为两条。1Sr0r0EHHrH原子结原子结合成分子合成分子第30页/共176页能带的形成能带的形成 当当N个个原原子子靠靠近近形形成成晶晶体体时时，由由于于各各原原子子间间的的相相互互作作用用，对对应应于于原原来来孤孤立立原原子子的的一一个个
29、能能级级，就就分分裂裂成成N条条靠靠得得很很近近的的能能级级。使使原原来来处处于于相相同同能能级级上上的的电电子子，不不再再有相同的能量，而处于有相同的能量，而处于N个很接近的新能级上。个很接近的新能级上。N条条能级能级能带能带能隙，禁带能隙，禁带 E能带宽度：能带宽度：EeV N1023时时，则则能能带带中中两能级间距：两能级间距：10-23eV第31页/共176页能带的一般规律能带的一般规律J 外外层层电电子子共共有有化化程程度度显显著著，能能带带较较宽宽(E较较大大)；内内层层电电子子相相应应的的能带很窄。能带很窄。J 点点阵阵间间距距越越小小，能能带带越宽，越宽，E越大。越大。J 两能
30、带有可能重叠。两能带有可能重叠。Era离子间距离子间距2P2S1S能带重叠示意图能带重叠示意图第32页/共176页能带中的电子排布能带中的电子排布 晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上(1)服从泡里不相容原理服从泡里不相容原理(电子是费米子电子是费米子)(2)服从能量最小原理服从能量最小原理 孤立原子的能级孤立原子的能级Enl，最多能容纳，最多能容纳2(2l+1)个电子。个电子。这这一一能能级级分分裂裂成成由由N条条能能级级组组成成的的能能带带后后，最最多多能能容容纳纳2(2l+1)个电子。个电子。例如：例如：1s、2s能带，最多容纳能带
31、，最多容纳2个电子个电子 2p、3p能带，最多容纳能带，最多容纳6个电子个电子排布原则：排布原则：电子排布时，应从最低的能级排起。电子排布时，应从最低的能级排起。第33页/共176页能带结构能带结构 应应用用单单电电子子近近似似的的结结果果，就就是是晶晶体体里里的的每每一一个个电电子子不不再再是是处处于于一一个个具具有有确确定定数数值值的的能能级级里里，而而是是和和其其它它所所有有原原子子里里具具有有相相同同轨轨道道的的电电子子共共同同处处在在一一个个具具有有一一定定宽宽度度的的能能量量范范围围里里，形形成成所所谓谓能能带带，能能带带之之间间则则是是任任何何电电子都不能稳定存在的能量区域，称为
32、子都不能稳定存在的能量区域，称为禁带禁带。能能带带产产生生的的根根本本原原因因还还是是在在于于泡泡利利不不相相容容原原理理。由由于于组组成成晶晶体体的的大大量量原原子子的的相相同同轨轨道道的的电电子子被被共共有有化化后后，只只有有把把同同一一个个能能级级分分裂裂为为相相互互之之间间具具有有微微小小差差异异的的极极其其细细致致的的能能级级，这这些些能能级级数数目目巨巨大大，而而且且堆堆积积在在一一个个一一定定宽宽度度的的能能量量范范围围内内，以以至至于于可可以以看看成成是是在在这这个个能能量量范范围围内，电子的能量状态是连续分布的。内，电子的能量状态是连续分布的。第34页/共176页能带结构能带
33、结构 晶晶体体里里的的价价电电子子从从它它们们在在单单原原子子里里的的能能级级分分裂裂为为价价带带，激激发发态态能能级级则则分分裂裂为为导导带带，一一般般晶晶体体中中每每条条能能带带的的宽宽度度只只与与晶晶体体中中原原子子之之间间的的结结合合状状况况有有关关，与与晶晶体体中中的的原原子子数数目目无无关关，宽宽度度一一般般为为几个电子伏特。几个电子伏特。一一条条确确定定的的能能带带里里的的电电子子数数目目可可以以依依据据晶晶体体里里的的原原子子数数目目估估计计出出来来，一一般般由由N个个原原子子组组成成的的晶晶体体，相相同同量量子子数数l的的一一条条能能带带里里的的最最多多可可以以容容纳纳的电子
34、数目是的电子数目是2(2l+1)N个。个。第35页/共176页电子在能带中的填充电子在能带中的填充&能带中各能级都被电子填满。能带中各能级都被电子填满。&满带中的电子不能起导电作用。满带中的电子不能起导电作用。&晶晶体体加加外外电电场场时时，电电子子只只能能在在带带内内不不同同能能级级间间交交换换，不能改变电子在能带中的总体分布。不能改变电子在能带中的总体分布。&满满带带中中的的电电子子由由原原占占据据的的能能级级向向带带内内任任一一能能级级转转移移时时，必必有有电电子子沿沿相相反反方方向向转转换换，因因此此，不不会会产产生生定定向向电电流，不能起导电作用。流，不能起导电作用。1、满带、满带第
35、36页/共176页电子在能带中的填充电子在能带中的填充2、导带、导带&被电子部分填充的能带。被电子部分填充的能带。&在在外外电电场场作作用用下下，电电子子可可向向带带内内未未被被填填充充的的高高能能级级转移，但无相反的电子转换，因而可形成电流。转移，但无相反的电子转换，因而可形成电流。&价价电电子子能能级级分分裂裂后后形形成成的的能带。能带。&有的晶体的价带是导带；有的晶体的价带是导带；&有有的的晶晶体体的的价价带带也也可可能能是是满带。满带。价带：价带：第37页/共176页能带理论能带理论3、空带、空带&所有能级均未被电子填充的能带。所有能级均未被电子填充的能带。&由原子的激发态能级分裂而成
36、，正常情况下空着；由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下空着；&当当有有激激发发因因素素(热热激激发发、光光激激发发)时时，价价带带中中的的电电子子可可被激发进入空带；被激发进入空带；&在在外外电电场场作作用用下下，这这些些电电子子的的转转移移可可形形成成电电流流。所所以，空带也是导带。以，空带也是导带。第38页/共176页电子在能带中的填充电子在能带中的填充4、禁带、禁带 满带满带 空带空带 禁带禁带E&在在能能带带之之间间的的能能量量间间隙隙区区，电子不电子不能填充。能填充。&禁禁带带的的宽宽度度对对晶晶体体的的导导电电性性有重要的作用。有重要的作用。&若若上上下下能能带带重重叠叠，其其间
37、间禁禁带带就不存在。就不存在。第39页/共176页电子在能带中的填充电子在能带中的填充 1满带（排满电子）满带（排满电子）2未满带（能带中一部分能级排满电子）未满带（能带中一部分能级排满电子）亦称亦称导带导带 3空带（未排电子）空带（未排电子）亦为亦为导带导带 4禁带（不能排电子）禁带（不能排电子）空带空带 价带价带(非满带非满带)禁带禁带Eg导带导带禁带禁带Eg价带价带(满带满带)导带导带E总结：总结：第40页/共176页导体、绝缘体、半导体导体、绝缘体、半导体 太太阳阳电电池池是是以以半半导导体体材材料料为为基基础础的的一一种种具具有有能量转换功能的半导体器件。能量转换功能的半导体器件。按
38、导电性强弱：按导电性强弱：材材 料料导导 体体：电电阻阻率率一一般般在在10-4 cm以以下下，如如金金、银、铜、铝等金属和合金材料。、银、铜、铝等金属和合金材料。绝绝缘缘体体：是是不不易易导导电电的的物物质质，如如橡橡胶胶、玻玻璃璃、陶瓷和塑料等，电阻率一般在陶瓷和塑料等，电阻率一般在109 cm以上。以上。半半导导体体：电电阻阻率率一一般般在在10-4109 cm之之间间，如硅、锗、砷化镓等。如硅、锗、砷化镓等。第41页/共176页导体、绝缘体、半导体导体、绝缘体、半导体它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。导体导体导体导体导体导体半导
39、体半导体绝缘体绝缘体 Eg Eg Eg第42页/共176页导体的能带结构导体的能带结构1、能带结构、能带结构 空带空带E某些一价金属，某些一价金属，如如:Li 导带导带 某某些些二二价价金金属属，如如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba 满带满带 空带空带E 导带导带 空带空带 如如:Na,K,Cu,Al,AgE第43页/共176页导体的能带结构导体的能带结构(1)没有满带没有满带有几种情形：有几种情形：导带和空带不重叠导带和空带不重叠(如如Li，)导带和空带重叠导带和空带重叠(如如Na，K，Cu，Al，Ag)(2)有有满满带带，但但满满带带和和空空带带(或或导导带带)重重叠叠(如如某某些些二价元素
40、二价元素Be，Ca，Mg，Zn，Ba)第44页/共176页导体的能带结构导体的能带结构 在在外外电电场场的的作作用用下下，电电子子容容易易从从低低能能级级跃跃迁迁到到高高能能级，形成集体的定向流动级，形成集体的定向流动(电流电流)，显出很强的导电能力。，显出很强的导电能力。2、导电机制、导电机制从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。迁到高能级上去。E第45页/共176页绝缘体的能带结构绝缘体的能带结构禁禁带带较较宽宽(相相对对于于半半导导体体)，禁带宽度，禁带宽度 Eg=36 eV 一一般般的的热热激激发发、光光激激发发
41、或或外外加加电电场场不不太太强强时时，满满带带中中的的电子很难能越过禁带而被激发到空带上去。电子很难能越过禁带而被激发到空带上去。当当外外电电场场非非常常强强时时，电电子子有有可可能能越越过过禁禁带带跃跃迁迁到到上上面面的的空带中去形成电流，这时绝缘体就被击穿而变成导体了。空带中去形成电流，这时绝缘体就被击穿而变成导体了。E 空带空带 空带空带 满带满带禁禁带带Eg=36eV 在在外外电电场场的的作作用用下下，共共有有化化电电子子很很难难接接受受外外电电场场的的能能量量，所所以以形形不成电流。不成电流。第46页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构1、本征半导体、本征半导体本本征征半半导
42、导体体(Intrinsic Semiconductor)是是指指纯纯净净的的半半导导体体，导电性能介于导体与绝缘体之间。导电性能介于导体与绝缘体之间。(1)能带结构能带结构E 空带空带 满带满带Eg=0.12eV禁带禁带本征本征(纯净纯净)半导体半导体和和绝绝缘缘体体相相似似，只只是是半半导导体体的的禁禁带带宽宽度度很很小小(Eg=0.12eV)加加热热、光光照照、加加电电场场都都能能把把电电子子从从满满带带激激发发到到空空带带中中去去，同同时时 在在 满满 带带 中中 形形 成成“空空 穴穴”(hole)。第47页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构(2)导电机制导电机制1.电子导电
43、电子导电半导体的载流子是电子半导体的载流子是电子2.空穴导电空穴导电半导体的载流子是空穴半导体的载流子是空穴满带上的一个电子跃迁到空带后满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。满带中出现一个空位。在在电电场场作作用用下下，电电子子和和空空穴穴均均可可导导电电，它它们们称称作作本本征征载载流子流子；它们的导电形成半导体的它们的导电形成半导体的本征导电性本征导电性。第48页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构例：半导体例：半导体 CdS满满 带带空空 带带h Eg=2.42eV这这相相当当于于产产生生了了一一个个带带正正电电的的粒粒子子(称称为为“空空穴穴”),把把电电子子抵抵消
44、了。消了。电子和空穴总是成对出现的电子和空穴总是成对出现的第49页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构空带空带满带满带空空穴穴下下面面能能级级上上的的电电子子可可以以跃跃迁迁到到空空穴穴上上来来，这这相相当当于于空空穴穴向向下下跃迁。跃迁。满带上带正电的满带上带正电的空穴向下跃迁也空穴向下跃迁也是形成电流，这是形成电流，这称为称为空穴导电空穴导电。Eg在外电场作用下在外电场作用下,第50页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构半导体中有两种载流子半导体中有两种载流子:自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴第51页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构v v在外
45、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+-第52页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构在外电场作用下，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+-第53页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构 解解 上例中，半导体上例中，半导体 CdS激发电子激发电子,光波的波长最大多长？光波的波长最大多长？第54页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构为为什什么么金金属属导导体体的的电电阻阻随随温温度度的的升升高高而而增增大大，但但半半导导体体的的电电阻随温度升高而降低？阻随温度升高而降低？思考题：思考题：答案见下一页答案见下一页第5
46、5页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构 电电阻阻率率的的大大小小取取决决于于电电子子浓浓度度和和电电子子迁迁移移率率。当当温温度度升升高高时时,金金属属导导体体自自由由电电子子浓浓度度不不变变,但但电电子子热热运运动动增增加加,从而定向运动的迁移率变小从而定向运动的迁移率变小,电阻率增大。电阻率增大。电阻率和温度的关系电阻率和温度的关系 对对于于半半导导体体,迁迁移移率率随随温温度度变变化化小小。载载流流子子浓浓度度随随温度增高而增大温度增高而增大,因此使电阻率变小。因此使电阻率变小。利利用用半半导导体体材材料料对对温温度度反反应应较较敏敏感感的的特特性性制制成成的的电电阻器阻器,称
47、为热敏电阻。热敏电阻有广泛的应用价值。称为热敏电阻。热敏电阻有广泛的应用价值。第56页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构2、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。第57页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构(1)N型半导体型半导体 四四价价的的本本征征半半导导体
48、体 Si、Ge等等，掺掺入入少少量量五五价价的的杂杂质质元元素素(如如P、As等等)形成形成电子型半导体电子型半导体，也称，也称n型半导体型半导体。Si14 1s22s22p63s23p2Ge32 1s22s22p63s23p63d104s24p2SiGe第58页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构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。第59页/共176页半导体
49、的能带结构半导体的能带结构多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表型硅表示示SiPSiSi第60页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构空空 带带满满 带带施主能级施主能级DEDDEg由由量量子子力力学学，杂杂质质的的多多余余电电子子的的能能级级在在禁禁带带中中，且且紧紧靠空带靠空带(或导带，下同或导带，下同)。图中能量差。图中能量差 ED10-2eV ED Eg (禁带宽度禁带宽度)第61页/共176页半导体的能带结构半导体的能带结构施施主主(donor)能能级级：这这种种杂杂质质能能级级因因靠靠近近空空带带，杂杂质质价价电电子子极极易易向向空空带带跃跃迁迁。因因向向空空带带
50、供供应应自自由由电电子子，所所以以这这种种杂质能级称施主能级。杂质能级称施主能级。因因搀搀杂杂(即即使使很很少少)，会会使使空空带带中中自自由由电电子子的的浓浓度度比比同同温温下下纯纯净净半半导导体体空空带带中中的的自自由由电电子子的的浓浓度度大大很很多多倍倍，从而大大增强了半导体的导电性能。从而大大增强了半导体的导电性能。导导电电机机制制：杂杂质质中中多多余余电电子子经经激激发发后后跃跃迁迁到到空空带带(或或导导带带)而形成的。而形成的。电子电子 多数载流子多数载流子(多子多子)空穴空穴 少数载流子少数载流子(少子少子)在在n型半导体中，型半导体中，第62页/共176页半导体的能带结构半导体