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1、,半导体与太阳能,学科教学(物理):许花,太阳能电池由半导体材料加工制造而成,就是说,这种材料在低温下相当于一个绝缘体,但当有能量和热量时它会成为一个有用的导体。自从这种技术成熟以后,大多数太阳能电池的生产都以硅为原料,尽管如此,从长远的观点来看,经过研究其它材料可能会取代硅。,1/49,半导体,什么是半导体?,2/49,固体材料分成:超导体、导体、半导体、绝缘体,3/49,4/49,原子的能级,电子的能级是量子化的,H,5/49,电子的共有化运动,6/49,原子能级分裂为能带,7/49,原子能级分裂为能带,8/49,原子能级 能带,(1)越靠近内壳层的电子,共有化运动弱,能带窄。 (2)各分
2、裂能级间能量相差小,看作准连续 (3)有些能带被电子占满(满带),有些被部分占满(半满带),未被电子占据的是空带。,9/49,半导体的导带,价带和禁带宽度,价带:0K 条件下被电子填充的能量最高的能带 导带: 0K 条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带:导带底与价带顶之间能带 禁带宽度:导带底与价带顶之间的能量差,费米能级(EF):在低温下(0K),晶体的某一能级以下的所有可能态都被两个电子占据,该能级称为费米能级。,10/49,11/49,半导体、绝缘体和导体,12/49,1. 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体,称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共
3、价健,共价键中的两个电子,称为价电子。,电子和空穴,13/49,价电子,价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后,即可挣脱原子核的束缚,成为自由电子(带负电),同时共价键中留下一个空位,称为空穴(带正电)。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,温度愈高,晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填补,而在该原子中出现一个空穴,其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。,14/49,当半导体两端加上外电压时,在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流,(1) 本征半导体中载流子数目极少,
4、 其导电性能很差; (2) 温度愈高, 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以,温度对半导体器件性能影响很大。,注意:,自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,半导体中载流子便维持一定的数目。,15/49,2. 杂质半导体(N型半导体),掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。,掺杂后自由电子数目大量增加,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式,称
5、为电子半导体或N型半导体。,16/49,2. 杂质半导体(P型半导体),掺杂后空穴数目大量增加,空穴导电成为这种半导体的主要导电方式,称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的,对外不显电性。,17/49,杂质半导体的示意表示法:,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,18/49,N型半导体与P型半导体的比较,19/49,(a)本征半导体,(b)N型半导体,(c)P型半导体,20/49,扩
6、散运动及扩散电流 扩散运动:载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。 扩散电流:载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,载流子运动方式及其电流,扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比,浓度差 扩散运动 扩散电流,扩散力,21/49,漂移运动和漂移电流 漂移运动:载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移运动。 漂移电流:载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,载流子运动方式及其电流,漂移电流大小与电场强度成正比,电位差 漂移运动 漂移电流,电场力,22/49,PN 结的形成,在同一片半导体基片上,分别制造P 型半导体和N 型半导体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了PN 结。,PN结
7、及半导体二极管,23/49,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。,内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。,一、多子扩散,24/49,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。,二、少子漂移,25/49,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,26/49,1.空间电荷区中没有载流子。,2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区 中的电子(都是多子)向对方运动(扩散运动)。,3.P 区中的电子和 N区中的空穴(都是少子),数量有限,因此由它们形成的电流很小。,注意:,27/49,太阳能
8、电池的结构,28/49,太阳能电池的发电原理,为什么硅可以吸收光? 光激发可以打断共价键,产生自由电子;将价电子激发到导带。 硅的禁带宽度1.1eV (1100nm。,29/49,太阳能电池的发电原理,光生伏特效应 (以硅太阳电池为例): 如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收,则具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发,以致产生电子-空穴对。 界面层附近的电子和空穴在复合之前,由于空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区同时空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离,将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。,
9、30/49,制约光电池转换效率的因素,光学损失 电学损失 串并联电阻损失3%,反射损失13% 短波损失43% 透射损失,光生空穴电子对 在各区的复合,表面复合 (前表面和背表面) 材料复合: 复合中心复合,对于一个单结太阳能电池,假如表面反射、载流子收集、以及串并联电阻,都得到优化,他的理论最高效率:25%,31/49,传统化石能源,不可再生、环境污染、能源枯竭,可再生能源:风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等,资源丰富、利用方便、洁净无污染,中华人民共和国 国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,石油,煤,天然气,其他,世界的能源结构,能源结构调整,每年排放的二氧
10、化碳达210万吨 化石能源开采高峰20202030年,太阳能的重要性,32/49,太阳能电池的发展,1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池,效率为4%,于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。 太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要,每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。 由于材料、结构、工艺等方面的不断改进,现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前,年均增长率35%,是能源技术领域发展最快的行业。,
11、新能源材料 21世纪太阳能新技术,33/49,太阳能电池的种类,无机太阳能电池 半导体硅 (单晶、多晶、非晶、复合型等) 化合物半导体(GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等) 有机太阳能电池 有机半导体(酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等) 光化学太阳能电池(纳米TiO2等),按照所用材料的不同:,34/49,太阳能电池的应用,上世纪60年代,科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电,上世纪末,在人类不断自我反省的过程中,对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切,不仅在空间应用,在众多领域中也大显身手。如:太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵(饮
12、水或灌溉)、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。,35/49,用户太阳能电源 1.小型电源10-100W不等,用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电,如照明、电视、收录机等 太阳能电源 太阳能逆变器,36/49,2. 3-5KW家庭屋顶并网发电系统;,37/49,3.光伏水泵:解决无电地区的深水井饮用、灌溉,38/49,交通领域 如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高
13、速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。,39/49,通讯/通信领域 太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。,40/49,石油、海洋、气象领域 石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等 风云三号气象卫星的太阳能电池,41/49,海洋气象监测标,42/49,家庭灯具电源 如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。,43/49,44/49,光伏电站 10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。,45/49,46/49,太阳能屋,太阳能路灯,太阳能游艇,返回,太阳能电池和设施农业大棚结合,返回,47/49,太阳能用于卫星,世界上第一架载人太阳能飞机,48/49,太阳能通信基地,太阳能充电站,49/49,能源有限,节约能源从小事做起!,创新引领未来,知识改变世界。,谢谢!,
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