太陽能電池原理與應用畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 分立的能級會互相交雜；或變為互相疊合的能帶而禁帶消失；或分裂為另外兩組能帶。這種過程稱為軌道的雜化。許多實際晶體存在軌道雜化現象。 本征半導體和摻雜半導體本征半導體純凈半導體的禁帶一般都比較窄。在絕對溫度零度時，能帶結構如圖 2．5a 所示。滿帶中填滿電子，而導帶中沒有電子。在外電場作用下，如果滿帶仍然是填滿電子的，外電場不能改變滿帶中電子的量子狀態，也就是不能增加電子的能量和動量，因而不能產生電子的定向運動，不會產生電流。如果加強電場，或者利用熱或光的激發，使滿帶中的電子獲得足夠的能量，大于其禁帶寬度 Eg，而躍遷到導帶中去如圖 2．5b。這樣，半導體則可導電。需要說明，不但在導帶中構成了導電的條件，同時在滿帶中也構成了導電條件。在導帶中，由于自由電子的存在而引起的導電性，稱為電子導電性。在滿帶中，導電雖然是由于電子運動而引起的，但是性質與電子導電的情況有所不同。它是“空穴”(空穴只有在基本上填滿了的滿帶中才有意義)的反方向運動導電的，滿帶中的這種導電性，稱為空穴導電性。對于純凈的半導體，在電子導電的同時，必然也有空穴導電。這兩種導電機構所給出的電流都在外電場的方向上。這種半導體具有電子在導帶中和空穴在滿帶中相互并存的導電機構，稱為本征導電，具有本征導電的半南昌航空畢業（論文）設計11導體稱為本征半導體；簡單地說，絕對純凈的且沒有缺陷的半導體稱為本征半導體。如硅、鍺、研等都是這一類的半導體。非常純的硅是本征硅。在本征硅中，導電的電子和空穴都是由于共價鍵破裂而產生的。這時的電子濃度 n 等于空穴濃度 p，這個濃度稱為本征載流子濃度 n1，n 1隨溫度升高而增加，隨禁帶寬度的增加而減小，在室溫時硅的 n1約為 1010/cm3。摻雜半導體 根據需要可以在純凈半導體晶體點陣里，用擴散的方法摻入少量的其他元素的原子。所摻入的原子，對半導體基體而言，叫做雜質。摻有雜質的半導體，稱為摻雜半導體。摻雜半導體一般可以分為兩類：第一類是在四價元素如硅或鍺半導體中摻入少量的五價元素如磷、銻或砷等雜質。四價元素的原子具有四個價電子，而所摻入的雜質原子將在晶體中替代硅或鍺原子的位置，構成與硅或鍺相同的四電子結構，結果雜質原子成為具有凈正電荷＋e 的離子，所多余的一個電子在雜質離子的電場范圍內運動。理論計算證明這種多余的價電子的能級將在禁帶中，而靠近導帶的邊緣。因此，這種能級又稱為局部能級。這種摻雜半導體的能帶與局部能級如圖 2．6a 所示。靠近導帶的短細線表示雜質的多余電子在禁帶中所形成的摻雜局部能級。雜質價電子在局部能級中，并不參與導電。但是，在受到熱激發時，很容易躍遷到導帶中去，所以這些局部能級又叫做施主能級，用 ED表示。半導體施主能級與導帶底 Ec 之間的能量差值 ΔE D，顯然比禁帶寬度 Eg 小得多。根據實驗的結果，ΔE D的量值一般僅為百分之幾的電子伏特。溫度不必很高，施主能級中的電子就可被激發而躍遷到導帶中去。因此，這種半導體中雜質原子的數目雖然并不多，但是在常溫下導帶中的自由電子濃度，卻比同一溫度下純凈半導體導帶中的自由電子濃度要大好幾倍，這就大大地減小了半導體的電阻。這種半導體的導電機構是由雜質中多余電子經激發后躍遷到導帶中去而形成的。這種摻雜半導體通常稱做電子型(n 型)半導體。例如在硅中加入 V 族元素(如磷)以后，見圖 2．7a，在硅的晶格中的一個磷原子的四個電子與周圍四個硅原子的電子形成共價鍵，還剩一個價電子不能被安排在硅晶格正規價鍵結構中，因此游離而使磷原子電離。這樣磷在硅中的電離能比硅的禁帶寬度小很多，只有 0．044eV。室溫下硅原子的熱運動動能已足以使它電離，除非在高攙雜情況(濃度＞10 19／cm 3)。硅中的 V 族元素在室溫下全部電離而提供同等數量的導電電子，這種提供電子的雜質稱為施主，在室溫下可以認為電子濃度 n≈N D，N D為施主濃度。南昌航空畢業（論文）設計12第二類摻雜半導體是在硅或鍺的純凈晶體中，摻人少量的三價元素如硼或銦的雜質原子。在硅中加進Ⅲ族元素(如硼)以后，一個硼原子在晶格中與周圍四個硅原子構成共價健時，缺少一個價電子，因而很容易從別處奪來一個價電子自身電離成負離子，如圖 2．7b 所示。那么也就可以認為硼原子帶著一個很易電離的空穴，電離能為，這種雜質局部能級接近于價帶頂 Ev，價帶與雜質局部能級之間的能量差值 ΔE A，根據實驗結果，一般也不到 0．1eV，熱運動動能就可使空穴跳至價帶。在室溫下硅中的Ⅲ族元素原子將全部電離，而向價帶提供了同等數量的空穴。在半導體中，從半導體接受電子的雜質稱為受主。與之相應的能級稱為受主能級．用 EA表示。這種雜質半導體的導電機構基本上決定于價帶中空穴的運動．所以稱為空穴型(p 型)半導體。p 型半導體中空穴濃度較純凈晶體中空穴濃度增加幾倍．所以也大大地減小了半導體的電阻。全部電離時，空穴濃度 p≈N A，N A為受主濃度。實際半導體中．不同的雜質和缺陷都可能在禁帶中產生附加的能級，價帶中的電子先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導帶中去，比電子從價帶直接躍遷到導帶去來得容易。因而雖然有少量雜質存在，卻會顯著地改變導帶中的電子數和價帶中的空穴數，從而顯著地影響半導體的電導率。適當的雜質可使我們得到需要的導電類型，但是，不適當的雜質也可以使半導體成為廢物，因而在摻雜之前必須將半導體提純。南昌航空畢業（論文）設計13第三章　太陽能電池材料與工藝太陽電池是 1954 年由 D．M．查平，C．S．富勒和 G．L．皮爾遜發明的。在此之前，就有銅—氧化銅等光電池，但是，其光電轉換效率還不到 1％。太陽電池發明初期主要作為電源用在太空衛星上。由于地球上礦物能源有限，并日趨枯竭，引起了人們對在地面上應用太陽電池的濃厚興趣。由于光電系統不必將能轉變成熱能再轉變成動能因而不受卡諾循環限制，并且，這種只靠陽光照射直接產生電能的裝置還可利用太陽漫射輻射，本身重量經，無活動元件，使用安全，天熱無氣無放射性，單位質量有相當大的功率輸出，適宜大型或小型發電，轉換效率與電池大小無關等等，所以，盡管目前價格還比較貴，但隨著生產技術和效率的改進，元件的成本將不斷下降，已有越來越多的專家們正在努力嘗試將太陽電池應用于太陽光發電。不少國家都制定了各種研究計劃，近年來也有不少進展，它很可能成為人類未來的主要電力來源。3．1　太陽電池材料籠統地講只要能以較高的光伏轉換效率且可以保持較低的生產成本的材料都可考慮用作太陽電池材料。而在考慮了材料的儲量、工藝性等一系列因素后，目前用于作為太陽電池材料的元素并不多。因此，相應的太陽電池主要有：硅（Si） ，GaAs，Cds／Cu2S，Cds／CdTe，CdS／InP，CdTe/Cu2Te，無機、有機等太陽電池。在太陽能光伏發電應用中，硅太陽電池占了絕大部分，甚至可認為是一統天下。硅太陽電池又進一步分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽電池，所謂單晶硅是指硅電池材料的結構為單—晶體(一塊晶體從頭至尾晶格都按一種排列重復)；而由許多微小單晶顆粒雜亂地排列在一起的稱為多晶硅；非晶硅則其材料內部結構無規則。因此，非晶硅也常稱為無定形硅。在當前太陽電池的實際應用中，單晶硅電池是最成熟、工業化程度最高、應用面最廣和產量最大的太陽電池。因此，對單晶硅太陽電池的材料制作及生產工藝作一介紹以期達到觸類旁通的效果。圖 3．l 是硅太陽電池生產全過程。南昌航空畢業（論文）設計14（a）硅片工序（b）電池制造工序圖 3．1 硅太陽電池生產全過程 材料提純硅是地球外殼第二豐富的元素，其含量占地球的 27％。提煉硅的原始材料是SiO2，也是砂子的主要成分。然而，在目前工業提煉工藝中，采用的是 SiO2的結晶態即石英巖(優質石英砂)，也稱硅砂。我國的山東、江蘇、湖北、云南、內蒙、海南等地都有分布，其工藝流程如下：南昌航空畢業（論文）設計15用電弧妒冶煉出冶金硅，其反應式世界上每年生產上百萬噸冶金硅，主要用于煉鋼和煉鋁工業．所以冶金硅亦稱工業硅。其純度通常為 95％一 99％。 (2)半導體級硅 用于太陽電池或其他半導體器件的硅，其純度級比冶金級更高。提純硅的方法采用西門子工藝。冶金級硅被轉變為揮發性的化合物，接著采用分餾方法將其冷凝并提純。然后從這種精練產品中提取超純硅。其過程：用 HCl 把細碎的冶金級硅顆粒變成流體，用銅催化劑加速反應進行：釋放出的氣體通過冷凝器，所得到的液體經過多級分溜得到半導體級SiHCl3(三氯氫硅)，這是硅酮工業的原材料。為了提取半導體級硅，可加熱混合氣體，使半導體級的 SiHCl3被 H2還原。在此過程中，硅以細晶粒的多晶硅形式沉積到電加熱的硅棒上，其反應式：用上述方法可以獲得較高純度的多晶硅，它是當前制備電路級硅的主要方法。此過程不僅需要消耗大量的能量，而且產生率較低，約為 37％。這就是生產半導體級硅比生產冶金級硅所需耗能量增加很多的主要原因。在這個轉化過程中，成本增加則更大。因此，更有效地提純冶金級硅一直是改進工藝的主要目標。高純多晶硅需要進行摻雜才能得到所需導電類型和電阻率的硅材料，選擇摻雜劑要考慮以下幾點：1)雜質導電類型；2)固溶度；3)分布性；4)與晶格匹配度；5)電離度。為了防止摻雜劑在摻過程中大量升華損失，往往事先將摻雜劑做成含量穩定的母合金再行熔化。 拉單晶對于太陽電池制造或半導體電子工業，硅不僅要很純，而且應是晶體結構中南昌航空畢業（論文）設計16基本上沒有缺陷的單晶硅形式。幾十年來制造高純單晶硅的方法幾乎沒有理大突破。工業生產普遍使用的只有兩種方法：直拉工藝(Cz 法，Czochralski process 切克勞斯基法)和區熔工藝。 (1)直拉法　將多晶硅在石英坩堝中加熱熔化，用一小塊稱作籽晶的單晶體(結晶源)硅與熔融硅接觸．然后一面旋轉一面從熔體中拉出，使液體硅沿籽晶這個結晶中心和結晶方向生長出完整的單晶體。經改進的工藝方法用圖 3．2 示意。它可使結晶大口徑化，并能連續拉出數條單晶錠。圖 3．2　利用熔融液輸送法連續拉單晶 (2)區熔法 利用分凝現象，在沒有坩堝盛裝的情況下，高頻感應加熱多晶硅棒的局部產生一個熔區，并使這個熔區定向移動，由此提純、摻雜，并獲得單晶硅。區熔法特點是能提高純度，減少含氧量及晶體缺陷。 切片用直拉法或區熔法制成的單晶硅錠要切成薄片。主要切片方法有；a．外圓切割；b．內圓切割；c．多線切割；d．激光切割等。因為硅的硬度為 7，所以除激光切割外，其它切割工具都要有金剛砂刀口或作為切割添加劑。 精度較高的為內圓切割。激光切割一般用于解高純硅。單晶或多晶