N型半导体： 在纯净的
硅晶体中掺入五价元
自由
电子
素（如磷），使之取
代晶格中硅原子的位
置，就形成了N型半导
施主 原子
体。
2、杂质半导 体
由于杂质原子的最外层有五个价电子，所以除了与其 周围硅原子形成共价键外，还多出一个电子。多出的 电子不受共价键的束缚，成为自由电子。 N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故 称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。
的能级； • 禁带之上则为导带，导带中的能级就是价电子挣脱共
价键束缚而成为自由电子所能占据的能级； • 禁带宽度用Eg表示，其值与半导体的材料及其所处的
温度等因素有关。(ev电子伏特）
T=300K时，硅的Eg=1.1eV；锗的Eg=0.72eV。
能带理论：P4
晶体中大量电子能级分布组成密集的能级带，称为能带。 其中“价带”能级最低，“导带”能级最高。处于导电状态的 能级区域称为导带。导带与价带之间区域称为禁带。
3、PN结
1、本征半导体
本征激发: 半导体在 光照或热辐射激发 下产生自由电子和 空穴对的现象称为 本导体
复合: 自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会 填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。 动态平衡： 在一定的温度下，本征激发所产生的自由 电子与空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等， 故达到动态平衡。
基本原理
基本原理
• 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因 此太阳电池的种类也很多。
• 目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池 要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例， 详细介绍太阳能电池的工作原理。
一、太阳能电池的物理基础
1、本征半导体
物质的导电性能决定于原子结构。
导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原 子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生 定向移动，形成电流。
2、杂质半导体
空穴
P型半导体： 在纯净的硅晶体中掺 入三价元素（如硼）， 使之取代晶格中硅原 子的位置，就形成了P 型半导体。
空位
受主 原子
2、杂质半导 体
由于杂质原子的最外层有三个价电子，所以当它们 与其周围硅原子形成共价键时，就产生了一个“空位” 当硅原子的最外层电子填补此空位时，其共价键中便产 生一个空穴。因而P型半导体中，空穴为多子，自由 电子为少子。
基本原理
• 如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两 边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区， 从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在 P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。
基本原理
• 若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，则 外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件， 把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流， 输出功率。
高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶）， 它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为 自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。
常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素， 它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核 的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧， 因而其导电性介于二者之间。
因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主原子。
3、PN结
PN结：采用不同的掺 杂工艺，将P型半导 体与N型半导体制作 在同一块硅片上，在 它们的交界面就形成 PN结。
空穴 负离子 正离子 自由电子
P区
N区
空间电荷区
P区
ε
N区
3、PN结
扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动， 这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。 当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界 面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N 区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散， 如图示。
1、本征半导体
能带理论： • 单个原子中的电子在绕核运
动时，在各个轨道上的电子 都各自具有特定的能量； • 越靠近核的轨道，电子能量 越低； • 根据能量最小原理电子总是 优先占有最低能级；
能带理论解释本征激发
1、本征半导体
能带理论： • 价电子所占据的能带称为价带； • 价带的上面有一个禁带，禁带中不存在为电子所占据
1、本征半导体
定义：将纯净的半导体经 过一定的工艺过程制成单 晶体， 即为本征半导体。 晶体中的原子在空间形成 排列整齐的点阵，相邻的 原子 形成共价键。
共价键
1、本征半导体
晶体中的共价键具有极强的结合力，因此，在常温 下，仅有极少数的价电子由于热运动（热激发）获得 足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 与此同时，在共价键中留下一个空穴。 原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。 在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的，即 自由电子与空穴数目相等。
• 这些被光激发的电子空穴，或自由碰撞， 或在半导体中复合恢复到平衡状态。
2、杂质半导体
杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少 量杂质元素，便可得到杂质半导体。 按掺入的杂质元素不用，可形成N型半导体和P型半导 体； 控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导 电性能。
2、杂质半导体
光生伏特效应（光伏效应）
• 指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之 间产生电位差的现象。
• 工作原理：当太阳光照射到半导体表面时，半导体内部N区 和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐射获 取到超过禁带Eg的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到 导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态 的电子--空穴对。
太阳能电池工作原理及效率
太阳能电池基本原理
基本原理
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应， 即一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧 增，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏特 性。
基本原理
• 当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射 掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当 然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子 价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就 以产生电子—空穴对的形式转变为电能。