《清潔能源概論》太陽(yáng)能光伏發(fā)電ppt課件.ppt

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1、太陽(yáng)能電池的基本原理太陽(yáng)能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽(yáng)的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏打效應(yīng)”，因此太陽(yáng)能電池又稱為“光伏電池”。1太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體電子和空穴的輸運(yùn)P-N結(jié)的光伏效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理21.固體的能帶理論能帶理論是解釋金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種理論。能級(jí)（EnegyLevel）：在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個(gè)殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級(jí)分布。一、太陽(yáng)

2、能電池的物理基礎(chǔ)31.固體的能帶理論電子的共有化運(yùn)動(dòng)：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個(gè)原子上，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng)。一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ)41.固體的能帶理論能帶（EnegyBand）：電子的共有化運(yùn)動(dòng)使本來(lái)處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對(duì)應(yīng)的能級(jí)擴(kuò)展為能帶。每一條能帶有許多極其相近的能級(jí)組成。一、太陽(yáng)能電池的物理

3、基礎(chǔ)51.固體的能帶理論禁帶（ForbiddenBand）：能帶允許被電子占據(jù)的稱為允帶，允帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ)61.固體的能帶理論原子殼層中的內(nèi)層允帶總是被電子先占滿，然后再占據(jù)能量更高的外面一層的允帶。被電子占滿的允帶稱為滿帶或者價(jià)帶。每一個(gè)能級(jí)上都沒有電子的能帶稱為空帶。未被電子填滿的能帶或者空帶稱為導(dǎo)帶。一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ)71.固體的能帶理論實(shí)際晶體的能帶和孤立原子能級(jí)間的關(guān)系非常復(fù)雜。有時(shí)，兩個(gè)分立的能級(jí)會(huì)相互交雜，或變?yōu)榛ハ喁B

4、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。硅原子的導(dǎo)帶和價(jià)帶就是軌道雜化而成。一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ)82.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶相鄰或者重疊，禁帶消失。價(jià)帶中的電子在電場(chǎng)作用下可以自由地進(jìn)入導(dǎo)帶，表現(xiàn)為良好的導(dǎo)電能力。一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ)92.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體絕緣體：絕緣體的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的禁帶很寬，Eg達(dá)5～7eV(1eV為1.602×10-19J或96.48kJ·mol-1)，導(dǎo)帶幾乎是空的，若電場(chǎng)既不能使位于價(jià)帶的電子移動(dòng)，也不能使其躍

5、遷到導(dǎo)帶，因此不能導(dǎo)電。一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ)102.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體半導(dǎo)體：半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間禁帶的寬度較小，一般Eg≤3eV。在一定能量（例如外電場(chǎng)）的激發(fā)下，價(jià)帶中的電子總會(huì)被激發(fā)到空帶中，使之成為導(dǎo)帶，而在價(jià)帶中留下空穴。半導(dǎo)體就是利用這種方式傳導(dǎo)電流的。一、太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ)111.本征半導(dǎo)體由同一種原子組成的半導(dǎo)體稱元素半導(dǎo)體，兩種以上原子組成的半導(dǎo)體稱化合物半導(dǎo)體。完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體，是共價(jià)鍵晶體。二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體121.本征半導(dǎo)體二、本征

6、半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體以硅為例，如圖中每個(gè)硅原子最外層有四個(gè)價(jià)電子，這些價(jià)電子的軌道通過適當(dāng)?shù)碾s化，恰好與最近鄰的四個(gè)硅原于形成四面體型共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)共價(jià)鍵中的電子因熱、光、電場(chǎng)等因素的作用獲得足夠的能量時(shí)，能夠克服共價(jià)鍵的束縛從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶而成為自由電子。131.本征半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體這時(shí)在原來(lái)的共價(jià)鍵位置上就留下一個(gè)空位，而周圍近鄰鍵上的電子隨時(shí)可能跳過來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位，因而使空位又轉(zhuǎn)移到了鄰近的鍵上去，這種可移動(dòng)的空位稱為空穴。141.本征半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體半導(dǎo)體就

7、是這樣靠著電子和空穴的移動(dòng)來(lái)導(dǎo)電的，所以電子（電子濃度n）和空穴（空穴濃度p）皆為半導(dǎo)體的載流子。本征載流子濃度隨溫度升高而增加，隨禁帶寬度的增加而減小。152.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體根據(jù)需要在本征半導(dǎo)體中摻入其它雜質(zhì)以后就得到摻雜半導(dǎo)體。162.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體在晶體硅中加進(jìn)Ⅴ族元素磷后，磷原子除了拿出4個(gè)價(jià)電子和周圍最鄰近的4個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵外，還多余一個(gè)價(jià)電子，使磷原子電離成正離子。172.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體只要很小的能量，就可以使多余

8、的價(jià)電子跳到導(dǎo)帶上，因此，其禁帶要比純硅晶體窄得多。摻雜硅中的磷元素全部電離時(shí)可提供同等數(shù)量的導(dǎo)電電子。這種提供電子的雜質(zhì)稱為施主，對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。182.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體在晶體硅中加進(jìn)Ⅲ族元素硼后，硼原子在和周圍最鄰近的4個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，還缺少一個(gè)價(jià)電子，因而很容易從別處奪來(lái)一個(gè)價(jià)電子，自身電離成負(fù)離子。可以認(rèn)為硼原子帶著一個(gè)容易電離的空穴。192.摻雜半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體只要很小的能量，就可以使空穴跳至價(jià)帶上，因此，其禁帶要比純硅晶體也要窄得