一、物理电源制造工艺——太阳能光伏电池及其应用
（一）本课程的主要内容 1. 太阳光的基本知识； 2. 半导体基本知识
硅晶体结构、能带、自由电子、空穴、费米能级 3. 载流子浓度与运动
本征半导体、掺杂半导体（P型半导体和N型半导体） 4. PN节
结构、內建电场、伏安特性 5. 硅太阳能电池基本原理
发电原理、开路电压、短路电流、填充因子、转换效率
第1章 太阳能电池和太阳光
1.1 引言
太阳能电池利用半导体材料的电子特性，把光能直接转换为电能。 1.太阳能电池分类
单、多晶硅太阳能电池?单晶硅太阳能电池，性能稳定、转换效率高16%（直拉法制单晶）?多晶硅太阳能电池：原料熔化后浇铸成正方形硅锭，后切割成薄片，再加工成为电池。（硅片由多个不同大小、取向的晶粒构成，转换效率低15%）?硅料-硅锭-切割-硅片--单/多晶硅芯片-太阳能电池板硅太阳能电池 非晶硅太阳能电池微晶硅太阳能电池?高频辉光放电等方法使得硅烷气体分解沉积而成。一般在P层和N层之间加比较厚的一层。非晶硅太阳能电池厚度不到1微米，不够晶体硅的百分之一，所以降低成本。转换效率5%--8%，最高为14,6%，层叠可以21%。?近室温的低温下制备，使用大量氢气稀释的硅烷，可以生成晶粒尺寸10纳米的薄膜，厚度为2-3微米，效率10%。
?主要：砷化镓(能隙为1.4eV，是单结电池中效率最高的电池，价格贵，有毒，极少用)单晶化合物太阳能电池化合物太阳能电池 多晶化合物太阳能电池?主要：碲化镉（发展最早的太阳能电池之一，简单，低成本，转换效率16%。镉环境污染）、铜铟镓硒（基底可以额是玻璃或者不锈钢，在基底沉积薄膜。薄膜电池中效率最高）
1 太阳能电池的原理
当入射辐射作用在PN结区时，本征吸收产生光生电子与空穴在内建电场的作用下做漂移运动，电子被内建电场拉到N区，空穴被拉到P区。结果P区带正电，N区带负电，形成伏特电压。
将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。 2 太阳能电池的结构
P型电极硼扩散层P-N结N型硅片电极
1.2 太阳能电池发展概况
1.3 阳光的物理来源
太阳: 中心发生的核聚变反应所加热的气体球。
热物体发出电磁辐射，其波长或光谱分布由该物体的温度所决定。 黑体所发出的辐射的光谱分布由普朗克辐射定律决定。
每条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。
太阳的核心温度高达2×107K,光球层的温度为6000K。在此温度下与黑体辐射光谱很接近。
1.4 太阳常数
在地球大气层之外，地球—-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射功率基本上为一常数，这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气光学质量为零（AM0）的辐射。
太阳常数 : 1.353kW/m2
AM0的辐射光谱分布不同于理想黑体的光谱分布。
1.5 地球表面的日照强度
阳光穿过地球大气层时至少衰减了30%。 造成衰减的原因：
1.瑞利散射或大气中的分子引起的散射。 2.悬浮微粒和灰尘引起的散射。
3.大气及其组成气体，特别是氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。 决定总入射功率最重要的参数是光线通过大气层的路程。太阳在头顶正上方时，路程最短。实际路程和此最短路程之比称为大气光学质量（AM）。
1.太阳在头顶正上方时，大气光学质量为1，这时的辐射称为大气光学质量1（AM1）的辐射。
2.当太阳和头顶正上方成一个角度θ时，大气光学质量为： AM=1/cos θ 例：当θ=60°时，AM=1/cos60=2
3.在无法知道θ值的情况下，如何估算大气光学质量AM？
s2AM?1?（）h
1.6 直接辐射和漫射辐射 到达地面的太阳光，除了直接由太阳辐射来的分量之外，还包括大气层散射引起的相当可观的间接辐射或漫射辐射分量。 1.直接辐射
太阳高度角增大，直接辐射增强。 大气透明系数增加，直接辐射增强。 海拔高度升高，直接辐射增强。 纬度高，直接辐射增强。 2.散射辐射
太阳辐射在大气中 遇到空气分子或微小的质点时，当这些质点的直径小于组成太阳辐射的电磁波长时，太阳辐射中的一部分能量就以电磁波的形式从该质点向四面八方传播出去。通过散射形式传播的能量称为散射辐射。散射只改变辐射的传播方向，不吸收太阳辐射。波长越短，散射越强。可见光中，紫光和蓝光波长最短，散射最强。 太阳高度角增大，散射辐射增强。 大气透明系数增加，直接辐射减弱。 海拔高度升高，散射辐射增强。 纬度高，直接辐射增强。
天空一半有云，一半无云，散射辐射达到最大值。
当日照特别少的天气，大部分辐射是漫射辐射。
漫射阳光的光谱成分通常不同于直射阳光的光谱成分。一般而言，漫射阳光中含有丰富的较短波长的光或“蓝”波长的光，这使太阳能电池系统接收到光的光谱成分产生了变化。 1.7 太阳的视运动
地球每天绕虚设的地轴自转一周。地球的自转平面相对于地球绕太阳公转的轨道平面有固定的夹角，这个夹角称作黄赤夹角（23°27′）。
视运动：假定地球是静止的，太阳在围绕地球转动。 1.8 日照数据
按接受太阳能辐射量的大小，全国大致可分为五类地区.
第2章 半导体的特性
学习思路
电流？电荷定向运动
固体中的电荷？半导体材料的结构:载流子（准自由电子、空穴） 与半导体导电能力有关的两个主要问题:载流子浓度、载流子的运动 2.1 半导体材料
根据电阻率的不同，固体材料分为： 导 体：电阻率小于10-2Ω·cm 绝缘体：电阻率大于109Ω·cm
半导体：电阻率介于导体和绝缘体之间 2.1.1半导体材料的原子构成 1、晶体结构
(根据原子、分子或分子团在三维空间中排列的有序程度的不同)
单晶体中的原子或分子在三维空间中有序排列，具有几何周期重复性。 单晶体：由大量相同的基本单元在三维空间中堆砌而成。
晶格：把单晶体中的原子或分子抽象成数学上的几何点，这些点的集合被称为晶格。或晶体的原子按一定规律在空间周期性排列形成格点，成为晶格。晶体中的原子或分子位于晶格点上。
晶格热振动：当晶体具有一定温度时，原子或分子会以此为中心做振动，这一现象称为晶格热振动。
五种常见的晶格结构
闪锌矿结构：砷化镓（GaAs）、磷化镓(GaP) 、硫化锌(ZnS) 、硫化镉(CdS) 金刚石结构：由两个面心立方结构沿空间对角线错开四分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。（硅（Si）、锗（Ge））
物理电源复习 - 图文
