硅半导体与非晶硅材料

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硅半导体与非晶硅材料 2.1半导体材料2.2半导体种类2.3光能的转换吸收2.4电子空穴对的产生与复合2.5光生伏打与PN结 2.1半导体材料半导体的共价键结构图1983年，贝克勒发现了某些材料在被曝光时产生电流的现象，也就是所谓的光电伏特效应，是光伏器件或太阳能电池工作的基础。太阳能电池是由半导体材料制造而成的，这种材料在低温下是绝缘体，但在右能量或热量输入时就成为了导体。目前，由于硅材料的技术最为成熟，大多数太阳能电池是用硅材料制造的。人们也正在积极地研究其他可以取代硅的材料。半导体材料的电学特性通常可以采用两种模型来解释，分别是化学键模型和能带模型。 2.1.1化学键模型化学键模型是用将硅原子象结合的共价键来描述硅半导体的运动特性。在低温下，这些共价键是完好的，硅材料显示出绝缘体的特征。但遇到高温的情况时，一些共价键就被破坏，此时有两种过程可以使硅材料导电：1.电子从被破坏掉得共价键中释放出来自由运动；2.电子也能从相邻的共价键中移动到由被破坏的共价键所产生的”空穴”里，而那些相邻的共价键便遭到破坏，如此使得遭破坏的共价键或称空穴得以传播，如同这些空穴具有正电荷一样。空穴运动的概念类似于液体中气泡的运动。气泡的运动尽管实际上是液体的流动，但是也可以简单的理解为气泡的反方向运动。2.1.2能带模型Eg能带模型根据价带的导带间的能量来描述半导体的运动特性。如图（1）所示，电子在共价键中德能量对应于其在价带的能量，电子在导带中是自由运动的。带隙的能量差反映了使电子脱离价带跃迁到导带的最小能量。只有电子进入导带才能产生电流。同时空穴在价带以相反与电子的方向运动，产生电流。这个模型被称作能带模型。 2.1.3掺杂半导体掺杂，将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结。磷（P）、砷（As）（掺入五价元素）——N型硅硼（B）、铝（Al）（掺入三价元素）——P型硅掺杂工艺扩散’离子注入。相对而言，本征半导体中载流子数目极少，导电能力很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增加。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。N型半导体中掺入的杂质为磷或其它五价元素。磷原子在取代原晶体结构中德原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。P型半导体中掺入的杂质为硼或其它三价元素。硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，讲因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。可以通过惨杂其它杂质原子来改变电子与空穴在硅晶格中的数量平衡。掺入比原半导体材料多一个价电子的原子，可以制备N型半导体材料。掺入比原半导体材料少一个价电子的原子，可以制备P型半导体材料，如图所示：N型半导体的共价键结构P型半导体的共价键结构 2.2半导体的种类（1）晶体与非晶体的区别日常所见道德固体分为非晶体和晶体两大类。非晶体物质的内部原子排列没有一定的规律，断裂时断口也是随机的，如塑料盒玻璃等。而称之为晶体的物质，外形呈现天然的有规则的多面体，具有明显的棱角与平面，其内部的原子是按照一定的规律整齐地排列起来，所以破裂时也按照一定的平面断开，如食盐‘水晶等。（2）单晶体与多晶体的区别有的晶体是由许许多多的小晶粒组成。若晶粒之间的排列没有规则，这种晶体称之为多晶体，如金属铜和铁。但也有的晶体本身就是一个完整的大晶粒，这种晶粒称之为单晶体，如水晶和金刚石。(3)单晶硅与多晶硅太阳能电池的区别多晶硅是单质贵的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。单晶硅电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高。多晶硅电池成本低，转换效率较低与直拉单晶硅太阳能电池，材料中辉有各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，材料中含有杂质碳和氧，以及工艺过程汇总玷污的过度族金属。用来制造太阳能电池的硅和其他材料的半导体通常有单晶硅、mc多晶体、pc多晶体、微晶体和无定形晶体。尽管这些晶体种类的名称在不同场合可能用法各异，依照热定的方法，用晶粒的平面大小来定义：微晶体的晶粒小于1um，PC多晶体的晶粒小于1mm，mc多晶体的晶粒大小小于10m。 2.2.1单晶硅（sc-Si）晶硅的规则的晶体结构，它的每个原子都理解地排列在预先注定的位置，因此，单晶硅的理论和技术才能被迅速地应用于晶体材料，表现出可预测和均匀的行为特性。但由于单晶硅材料的制造过程必须极其细致而缓慢，是最为昂贵的一种硅材料，因此价格更为低廉的多晶与非晶材料正在快速广泛地被用来制造太阳能电池，尽管质量上稍逊与单晶。2.2.1多晶硅(mc-Si)mc-Si多晶硅的制造工艺没有单晶那么严格，因此比较便宜。晶格的存在阻碍了载流子迁移，而且在禁带中产生了额外的能级，造成了有效的电子空穴复合点和PN结短路，因此降低了电池的性能。晶粒尺寸的数量级必须要求在几个毫米大小，以防止严重的晶界层复合损失。这也使得单独的晶粒从电池的正面延伸到背面，减小载流在迁移的阻力，而且电池上每个单位面积的晶界长度通常会减小。这类mc-Si多晶硅材料已经广泛应用于商用电池的制造。2.2.3非晶硅（a-Si）从理论上讲，非晶硅的制造成本甚至比多晶硅更加低廉，这种材料在原子结构上没有场距离的有序排列，导致在材料的某些区域含油未饱和或摇摆键。这些又导致了在禁带中地额外能级，因而无法对纯的半导体进 行惨杂，或者在太阳能电池的构造中获得较好的电池。研究表明，氢原子核非晶硅成键的程度达到5%~10%时，摇摆键被饱和，从而改善了材料的质量。这个氢钝化的过程同时也能上带隙的光子。作为太阳能电池所要求的材料厚度，因此也就变得更薄。在此类硅氢合金材料中，少数载流子的扩散长度远远小于1um，于是耗尽层为电池中获取自由载流中地主要区域。为此，人们采用各种设计方案来解决这些问题，包括尽可能地增大耗尽区的尺寸。图(b)是a-Si:H太阳能电池的大至设计图。太阳能电池产生中使用的非晶硅和其他的”薄膜“技术可以用来制造许多小型的消费品，如计算器和手表等。大体说，薄膜技术提供了一种非常低廉的电池制造方法，尽量目前利用此类技术制造的电池的效率和寿命均低与晶体材料。研究显示薄膜和其他潜在的低成本太阳能电池材料的技术，可能在未来几十年内主导太阳能电池市场。大尺寸耗尽层PN未掺杂（本征层） 2.3光能的转换吸收当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小的能量（Eph）的光子与半导体间的相互作用极弱，于是顺利地穿透半导体，就好像半导体是透明的一样。然而，能量比带隙能量大的光子（Eph＞Eg）会与形成共价键的电子相作用，用它们自身所具有的能量去破坏共价键，形成可以自由流动的电子-空穴对，如图C所示：图C光照时电子-空穴对的产生，光子能量Eph=hf，Eph＞Egf是光的频率，H是普朗克常量光子的能量越高，被转换吸收的位置就越接近半导体表面。较低能量的光子则在距半导体表面较深处被转换吸收，如图D所示： 2.4电子空穴对的产生与复合当光源被关掉时，系统势必会回到一个平衡状态，。而因为光照而产生的电子空穴对势必消失，在没有外面能量来源的情况下，电子和空穴会无规则运动到它们相遇并复合，任何在表面或者内部的缺陷、杂质都会促进复合的产生。材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生到复合的平均存在时间，对于硅，典型的载流子寿命约1us。类似的，载流子扩散长度就是载流子从产生到复合所能移动的平均距离。对于硅而言，扩散长度一般100~300um。这两个参量是太阳能电池应用所需材料的质量和适宜性。但是，如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电池，通常需要通过增加一个整流PN结来实现。2.5光生伏打与pn结PN结是由P型半导体材料和N型半导体材料连接而成，如图E所示： 当连接在一起时，由于在PN中不同区域的载流子分布在浓度梯度，P型半导体材料中过剩的空穴通过扩散作用流动至N型半导体材料。同理，N型半导体中过剩的电子通过扩散作用流动至P型半导体材料。电子或空穴离开杂质原子后，该固定在晶格内德杂质原子被电离，因此在结区周围建立起一个电场，以阻止电子和空穴得上述扩散流动。该电场所在区域就是所谓的耗尽区，取决于材料的特性，会形成一个内电场Ein而存在内建电压（Uin）。如果在PN结上施加一个如图F所示的电压，电场Ein会被减弱。一旦电场Ein不够大而无法阻止电子和空穴得流动，就会产生电流。内建电压减小Uin—U，而且电流随着所加电压以指数增加。这个现象可以用理解二级管法则描述：I=Io［exp（qU/kT）-1］其中，I为电流;Io为饱和暗电流；U是所施电压；q是电子的电荷；k是波耳兹曼常数；T是绝对温度。注意的是：a：Io随着T的增大而增大；b：Io随材料品质的提升而减小；c：在300k时，热电压kt/q=25.85mV对于实际的二极管而言，变为I=Io［exp（qU/nkT）-1］ 谢谢