太阳能电池培训手册

 

 

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第一章 太阳电池的工作原理和基本特性 

 

1.1    半导体物理基础 
 

1.1.1   半导体的性质 
 

世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。容易导电

的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电的物体称为绝缘体，常见
的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，主要有锗、
硅、砷化镓、硫化镉等等。众所周知，原子是由原子核及其周围的电子构成的，一些电子脱
离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由电子。金属之所以容易导电，是因为在金属体
内有大量能够自由运动的电子，在电场的作用下，这些电子有规则地沿着电场的相反方向流
动，形成了电流。自由电子的数量越多，或者它们在电场的作用下有规则流动的平均速度越
高，电流就越大。电子流动运载的是电量，我们把这种运载电量的粒子，称为载流子。在常
温下，绝缘体内仅有极少量的自由电子，因此对外不呈现导电性。半导体内有少量的自由电
子，在一些特定条件下才能导电。 

 
半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（OCLS）和

砷化镓（GaAs），还可以是合金，如 Ga

x

AL

1-x

As，其中 x 为 0-1 之间的任意数。许多有机化合

物，如蒽也是半导体。 

 
半导体的电阻率较大（约 10

-5

≤ρ≤10

7

Ω⋅m），而金属的电阻率则很小（约 10

-8

∼10

-6

Ω⋅m），

绝缘体的电阻率则很大（约ρ

≥10

8

Ω⋅m）。半导体的电阻率对温度的反应灵敏，例如锗的温度

从 20

0

C 升高到 30

0

C，电阻率就要降低一半左右。金属的电阻率随温度的变化则较小，例如

铜的温度每升高 100

0

C，ρ增加 40%左右。电阻率受杂质的影响显著。金属中含有少量杂质

时，看不出电阻率有多大的变化，但在半导体里掺入微量的杂质时，却可以引起电阻率很大
的变化，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从 2.14

×10

3

Ω⋅m 减小到 0.004Ω⋅m

左右。金属的电阻率不受光照影响，但是半导体的电阻率在适当的光线照射下可以发生显著
的变化。 

 

1.1.2 半导体物理基础 
 
1.1.2.1 能带结构和导电性 

 
半导体的许多电特性可以用一种简单的模型来解释。硅是四价元素，每个原子的最外

壳层上有 4 个电子，在硅晶体中每个原子有 4 个相邻原子，并和每一个相邻原子共有两个价
电子，形成稳定的 8 电子壳层。 

 
自由空间的电子所能得到的能量值基本上是连续的，但在晶体中的情况就可能截然不

同了，孤立原子中的电子占据非常固定的一组分立的能线，当孤立原子相互靠近，规则整齐
排列的晶体中，由于各原子的核外电子相互作用，本来在孤立原子状态是分离的能级扩展，
根据情况相互重叠，变成如图 2.1 所示的带状。电子许可占据的能带叫允许带，允许带与允
许带间不许可电子存在的范围叫禁带。