方。一般窗口层起到同电池本体层形成pn结内电场的作用，如果电池本 体层是N型，窗口就是p型，反之亦然。但是，由于窗口层是表面层，表 面复合严重，因此窗口层要尽量避免吸收光产生载流子，因此窗口层普 遍采用禁带宽度大的材料制成，尽量不吸收光。 追问：为什么要尽量不吸收光呢？太阳能电池不是要利用光生电子吗？ 如果不吸收光，要窗口层干什么作用？ 回答：因为窗口层靠近表面，缺陷非常多，如果吸收光产生光生载流子的话 很容易死掉，对电池输出不做贡献，吸收的光都浪费了，降低了电池效 率。所有把光尽可能的让本体材料吸收。
将其转化效率提高到7%，继
D
而迎来了DSSC的新时代。
TiO2染料敏化太阳能电池：DSSC
Dye-sensitized Solar Cell
近年来，TiO2半导体的光催化性能引起人们的重视。 Honda-Fijishima效应： 本田-藤岛（Honda-Fijishima）在1972年发现，水溶液中的 TiO2电极被光照射后，光激发的电子进入半导体电极内部，空 穴到达半导体表面。此空穴与水里的氧离子相互作用，电子则 通过铂电极与氢离子相互作用。 结果是： 在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极的铂电极上会产生氢气。
在接触开始时，金属和半导体的间距大于原子的间距， 在两类材料的表面形成电势差Vms。
接触电势差：
Vms
Vm
V‘s
Ws
Wm q
紧密接触后，电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一 层形成正的空间电荷区。空间电荷区形成电场，其电场 在界面处造成能带弯曲，使得半导体表面和内部存在电 势差，即表面势Vs。接触电势差分降在空间电荷区和金 属与半导体表面之间。但当忽略接触间隙时，电势主要 降在空间电荷区。
2013年春
现在考虑忽略间隙中的电势差时的 极限情形:
第3章 导电物理
3.5 能带理论的应用
2013年春-甄
3.5 能带理论的应用
（1）半导体的表面能级 （2）半导体与半导体的接触 （3）半导体与金属的接触
2013年春
（1） 半导体的表面能级
能带结构是在无限扩展的3维晶体产生的周期场的前提下得 到的。 在材料的表面，势场不再与晶体内部的周期性势场相同， 所以材料表面的电子能级分布就会发生变化。
图3. p型半导体的表面能带结构
p-n结
（2） 半导体与半导体的接触
2013年春
图4. 表示p-n结在结合瞬间的能级状态
2013年春
图5.热平衡状态下的p-n结的能级状态
(a) 扩散电位;(b) 杂质浓度; (c) 载流子浓度；(d) 空间电荷
p-n结整流的原理：反向截止
•空间电荷层：以接触面为界限，n型区域有一个带正电的空 间电荷层，在p型区域有一个带负电的空间电荷层。这个空间 电荷层产生一个内电场。 •正向导通（扩散）顺着扩散电压的方向，即p型区域为正电 位，n型区域为负电位时，载流子容易流动。 •整流原理（漂移）：而逆着扩散电位的方向，即p型区域为 负电位，n型区域为正电位时，载流子不容易流动。这就是pn结整流的原理。
载流子运动定则：
在能带结构图中，电子的能级向上为越来越高，空穴的能级向下 为越来越高。 例如： 在N型半导体中，如果外来的射线将价带的电子激发到导带，同 时在价带留下空穴。
电子，空穴如何运动？（提示：往低能级移动）
2013年春
激发电子就会向半导体内部移动， 而空穴则会向半导体表面移动。
思考：
Wm Ws
即半导体的费米能EFs 高于金属的费米能EFm
Wm
E Fm
Ws
En
E0
EEFsc
金属的传导电子的浓度 很高，1022～1023cm-3 半导体载流子的浓度比 较2低013，年春1010～1019cm-3
金属
Ev n半导体
金属半导体接触前后能带图的变化：
E0
Wm
W
s

Ec
EFm
EFs
因为能带是连续的，禁带宽度不可改变，故形成能带弯曲。
N型半导体表面有一个很薄的P型反转层 •由于电子从内部向表面迁移，在表面会出现负电荷，而接近 表面的内部会因缺少电子而出现带正电荷的空穴。表面电势 •这些空穴的存在，使n型半导体的表面附近出现了一个p型的 反转层。（书中的能带图上看不出）
2013年春
此时，禁带较宽的半导体将吸收波长较短的光线，禁带较窄 的半导体则吸收波长较长的光线，可以利用的太阳光波长范 围更大，从而增加了太阳能利用效率。
哪个材料朝向太阳更好？
一般都将禁带宽度较大的半导体设计在朝向太阳 光一侧，这种半导体又称为电池的窗口材料。
2013年春
思考1：在太阳能电池中窗口层材料是什么？有什么作用？ 答：窗口层的意思同他的中文意思是一样的，指太阳能电池首先接受光的地
2013年春
图6 异质结的光伏特效应原理
（3）半导体与金属的接触
半导体
半导体
金属
金属
What?
能带结构发生变化
2013年春
新的物理效应和应用
典型的金属与半导体接触有两类： 一类是整流接触，即制成肖特基势垒二极管， 另一类是非整流接触，即欧姆接触 半导体与金属的接触状态与这两种材料的功函数有关。 材料的功函数，是指材料的费密能级与真空能级之间的差值。
Honda-Fijishima效应给了人们一种利用太阳能将水分解成 氢气和氧气的可能性。
电解水最少需1.23eV的电压，所以半导体禁带至少要 1.23eV以上，实际需要2eV以上。
二氧化钛的禁带有3eV，满足此条件，SnO2也满足此条件。
局限：由于TiO2半导体的禁带宽度比较大，如果制成太阳 能电池，则只有波长很短的紫外线能够将TiO2的价带电子 激发到导带上去，因此对太阳能的利用效率很低。
解决方法：可以在TiO2 表面吸附染料，这些染料能够吸收 大部分太阳光线，染料中激发出来的电子又注入到TiO2 的 导带上。同时将TiO2制成纳米晶体，以增加吸附染料的面 积。这样制得 “纳米TiO2染料敏化太阳能电池”。
和其他太阳能电池不同，在染料敏化太阳能电池中，光的捕获和 光生载流子的传输是由敏化剂和TiO2半导体分别完成的。
E0
E0为真空中电子的能量， 又称为真空能级。
Wm
(EF)m
金属铯Cs的功函数最低1.93eV，Pt最高为5.36eV
2013年春
2、半导体的功函数 Ws
E0与费米能级之差称为半导体 的功函数。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ即：Ws E0 (EF )s
E0
χ Ws
Ec
En
(EF)s
Ev
用Χ表示从Ec到E0的能量间隔：
E0 Ec
2013年春
2013年春
图6 金属与n型半导体的整流接触 (a) 接触前;(b) 接触后
n型半导体与金属接触的情况1： 假设ФM>ФS
1）反向：如果加上偏压，使金属与负极连接，半导体与正极连 接，电子在此偏压的作用下从金属流向半导体，要越过一个很大 的势垒。故此时为反向偏压，电流很小。
2）正向：如果使金属与正极连接，半导体与负极连接，电子在 此偏压下从半导体流向金属，要越过的势垒较小，此时为正向偏 压，电流较大。
2013年春
补充：
备注： 1）阻挡层：高电阻区，理解为肖特基接触 2）反阻挡层：高电导区，理解为欧姆接触
2013年春
金属和半导体的功函数 Wm 、Ws
1、金属的功函数 Wm
表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内 部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。
即：Wm E0 (EF )m
p-n结不仅能将光子能量转变成电荷能量，更重要的是能够在 空间位置上将正负电荷分离开来。
如果在p-n结的外部接上回路，这些被分离的正负电荷就可以 通过回路相互结合，这就是太阳能电池。
2013年春
异质结太阳能电池：工作原理
异质结：可以将两个禁带宽度不同的半导体材料组成p-n结， 这种由不同材料组成的p-n结又称异质结。
故常用亲和能表征半导体
Ws Eo (EF )s Eg Ep
式中： Ep (EF )s Ev
2013年春
半导体
金属 能带结构发生变化
3、金属/半导体接触
半导体 金属
What?
新的物理效应 和应用
2013年春
金属与半导体的接触及接触电势差
1. 阻挡层接触
（1） 设想有一块金属和一块n型半导体，并假定 金属的功函数大于半导体的功函数，即：
此时金属的费密能级较高，电子从金属流向半导体，使金属表 面带正电。半导体表面因积累电子而带负电，半导体内部电子 增多而费密能级上升。当半导体和金属的费密能级相等时，电 子停止流动，达到平衡状态。
半导体表面能带向下弯曲，金属与半导体界面没有势垒。无论 所加的偏压极性如何，电子都可以自由通过界面，此时的半导 体与金属的接触状态称为欧姆接触 。
2013年春
图1 晶体表面的能带结构
N型半导体表面能级？
•判断一个系统是否处于平衡状态的根据是看其费密能级是否相等。 •两个分立的材料，费密面可以不一样。 •但如果这两个材料连成一个系统，就会在这两个材料之间发生电 荷的移动，最终使费密能级相等。
图2. n型半导体的表面能级
为了达到平衡，位于表面附近的电子就会移到表面去，占 据表面电子能级，最后表面的费米能级与内部相等。
接触前
Ev
接触前，半导体的费米能 级高于金属（相对于真空 能级），所以半导体导带 的电子有向金属流动的可 能
2013年春
E0
接触后
qm
在半E导F 体内，电 场从右到左，越 靠左，电子动能 xd 越小，势能越高
qVD Ec EF
Ev
接触后，金属和半导体的费
米能级应该在同一水平，半导体 的导带电子必然要流向金属，而 达到统一的费米能