微电子器件原理课程设计-----题目：硅PN结太阳能电池：.doc

课程设计名称：微电子器件原理学院：电信学院班级：姓名： 学号：指导教师目录：摘要1关键词11、综述22.硅PN结太阳能电池42.1 PN结（PN junction）概念：42.2 Pn结工作性能：52.3 Pn结特性：52.4 发电原理：62.5 Pn结的光生伏特效应63. 硅的优点74. 太阳能电池P、N型两侧掺杂浓度Na和Nd太阳能电池截面积84.1太阳能电池I-V特性关系，特性曲线95. 如果PN结太阳能电池中电子和空穴寿命分别为 n=10s， p=0.5s，扩散常数分别为Dn=9.3cm2/s，Dp=2.5cm2/s，光生电流为IL=95mA，写出太阳能电池I-V特性关系，并画出特性曲线6. 依据以上自身设计以及相关理论知识确定上述所设计的太阳能电池的最大输出功率是多少7. 总结：118. 个人体会：129. 参考文献13题目：硅PN结太阳能电池：【摘要】本文以单晶硅太阳能电池为主体，由单晶太阳能电池的发展历程出发，太阳电池是将太阳能转变成电能的半导体器件，从应用和研究的角度来考虑，其光电转换效率、输出伏安特性曲线及参数是必须测量的，而这种测量必须在规定的标准太阳光下进行才有参考意义。如果测试光源的特性和太阳光相差很远，则测得的数据不能代表它在太阳光下使用时的真实情况，甚至也无法换算到真实的情况，考虑到太阳光本身随时间、地点而变化，因此必须规定一种标准阳光条件，才能使测量结果既能彼此进行相对比较，又能根据标准阳光下的测试数据估算出实际应用时太阳电池的性能参数。【关键词】单晶硅太阳能电池，陷光太阳能电池，背接触电池，丝网印刷商用电池，埋接触太阳能电池。 Abstract Based on the single crystal silicon solar battery as the main body, by the development course of single crystal silicon solar cells, solar cell is to convert solar energy into electrical energy of the semiconductor device, the application and the research perspective, the photoelectric conversion efficiency, output characteristic curve and parameters to be measured, and this must be measured in terms of the standard sun the light has reference significance. If the test the characteristics of the light source and the light of the sun far, then the measured data can not represent it in the sun when the truth, even cant converted to real situation, taking into account the sun itself with time, place and change, so we must define a standard sunshine conditions, can make the measurement results to each other relatively, but also according to the standard sun test data from the actual application solar cell performance parameters. Key words Monocrystalline silicon solar cells, light trapping solar battery, back contact cell, screen printing commercial batteries, a buried contact solar cell1. 综述太阳能电池是最早的半导体功能器件，也是最清洁的可再生资源。早在19世纪80年代【1】，便出现了第一块薄膜硒电池，然而这些早期的器件和30年代流行的氧化亚铜器件一样，没有足够的发电效率，只能用于大面积的光电探测方面。20世纪50年代单晶硅技术的进展才使得在能量转换领域的应用成为可能。【2】虽然取得了一些进展，但是太阳能电池仍然太贵。50年代末硅太阳能电池在空间飞行器上的应用推动了太阳能电池的发展，形成了小型的产业规模以满足空间飞行器上用电池的需求。【3】由于产品的增加和工艺的改进，近三十年来地面上使用的太阳能电池的成本大幅度下降。随着对一系列薄膜电池的研究，成本得以进一步降低，可以预计，未来将会有更广泛的应用。除了在小型远程供电领域的应用外，太阳能电池在大面积应用领域的竞争力日益增强。例如太阳光电资源在住宅区的应用就具有诱人的前景。特别是在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源短缺并造成环境污染的形势下，可持续发展战略普遍被世界各国接受。光伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，被认为是二十一世纪最重要的新能源。太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 本文将主要介绍晶体硅太阳能电池的发展过程，电池的设计和当前的研究方向等。在我们的日常生活中，经常看到或用到各种各样的物体，它们的性质是各不相同的。有些物体，如钢、银、铝、铁等，具有良好的导电性能，我们称它们为导体。相反，有些物体如玻璃、橡皮和塑料等不易导电，我们称它们为绝缘休(或非导体)。还有一些物体，如锗、硅、砷化稼及大多数的金属氧化物和金属硫化物，它们既不象导体那样容易导屯，也不象绝缘体那样不易导电，而是介于导体和绝缘体之间，我们把它们叫做半导体。绝大多数半导体都是晶体，它们内部的原子都按照一定的规律排列着。因此，人们往往又把半导体材料称为晶体，这也就是晶体管名称的由来(意思是用晶体材料做的管子)。 物体的导电性能常用电阻率来表示。所谓电阻率，就是某种物体单位长度及单位截面积的体积内的电阻值。电阻率越小，越容易导电；反之，电阻率越大，越难导电。现在，假设这两块硅互相接触而形成一个结。连接之后没有对载流子运动有影响的物理障碍。在P型硅中就有大量过剩的空穴，而在N型硅中有大量过剩的电子。一些空穴就从P型硅中扩散到了N型硅中。一样的，也有一些电子从N型硅中扩散到了P型硅中。图1.8B就是扩散后的结果。许多载流子沿着结往两个方向扩散。两边的少数载流子的浓度都上升到超过靠单独掺杂能达到的水平。沿着结由扩散所造成的过剩的少数载流子被称为过剩少数载流子浓度。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的 。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。 在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种，即隧道击穿（也叫齐纳击穿）和雪崩击穿，前者击穿电压小于6V，有负的温度系数，后者击穿电压大于6V，有正的温度系数。 PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能 。PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。在二级管中广泛应用。 PN结的平衡态,是指PN结内的温度均匀、稳定,没有外加电场、外加磁场、光照和辐射等外界因素的作用,宏观上达到稳定的平衡状态.PN结的形成物体的导电性能常用电阻率来表示。所谓电阻率，就是某种物体单位长度及单位截面积的体积内的电阻值。电阻率越小，越容易导电；反之，电阻率越大，越难导电。 导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。但温度变化时，半导体的电阻率变化却很激烈；每升高1，它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。不仅如此，当温度较高时，整体电阻甚至下降到很小，以致变成和导体一样。 在金属或绝缘体中，如果杂质含量不超过干分之一，它的电阻率变化是微不足道的。但半导体中含有杂质时对它的影响却很大。以锗为例，只要含杂质一千万分之一，电阻率就下降到原来的十六分之一。2.硅PN结太阳能电池2.1 PN结（PN junction）概念：采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。工作原理：当能量禁带宽度的光照射到光电二极管上时，即可把半导体满带中的一些电子激发到导带、产生电子-空穴对；然后电子和空穴在势垒区中电场的作用下分别往p-n结两边输运，并形成所谓光生电流（等于势垒区内产生的载流子的漂移电流，再加上势垒区外产生的载流子的扩散电流）。该二极管的有效作用区，应该是p-n结势垒区及其两边的扩散区（一个扩散长度的中性区范围）。2.2 Pn结工作性能：一般的pn结光(电)二极管的特点是结构简单、使用方便；但对光的响应速度较慢（由于p-n结电容的影响），则不能高频使用；而且表面的p+区光吸收作用较强，则光检测灵敏度较低。 为了提高二极管对光的检测灵敏度，可从三个方面来加以改进： a）采用浅p-n结，以减小光照面中性区对光能的吸收； b）图中的p+区采用宽禁带宽度的半导体材料（称为窗口材料），以减小p+区对光能的吸收； c）增宽p-n结的势垒区宽度，以增大有效作用区。例如，制作成pin结的型式，这就是pin光电二极管（pin-PD），它在光的检测灵敏度方面要比一般的PD高得多； d）在pin二极管上加上一个较高的反向电压（接近击穿电压），使得能够产生载流子的倍增效应，这就可以把微软的光信号加以放大，更加提高了灵敏度。这种光电二极管就是所谓雪崩光电二极管（APD）。现在远距离光通信中广泛使用的光接收器件也就是APD。2.3 Pn结特性：单向导电：把P型区接电池负极，而N型区接正极，这时我们会发现：把电压增高到几十伏，电流的指示只有几个或几十个微安，此时PN结的电阻很大，反向电流很快就达到饱和不再增加了。这说明电流只能沿着一个方向流过PN结，这个现象就叫做单向导电。N结的电容效：PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB ，二是扩散电容CD 。PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。1、雪崩击穿阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子空穴对，新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急 剧增加，象雪崩一样。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。2、齐纳击穿当PN结两边掺杂浓度很高时，阻挡层很薄，不易产生碰撞电离，但当加不大的反向电压时，阻挡层中的电场很强，足以把中性原子中的价电子直接从共价键中拉出来，产生新的自由电子空穴对，这个过程 称为场致激发。 一般击穿电压在6V以下是齐纳击穿，在6V以上是雪崩击穿。2.4 发电原理：太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。 当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。根据以下要求设计一硅PN结太阳能电池：由于pn结是许多半导体器件如结构的晶体管、集成电路等的心脏，了解和掌握pn结的性质就具有重要的实际意义！2.5 Pn结的光生伏特效应设入射光垂直pn结面。如结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。能量大浴禁带宽度的光子，有本征吸收在结的两面产生电子空穴对。再逛激发下多数载流子浓度一般改变很小而少数载流子浓度改变却很大，因此，我们应主要研究光生少数载流子的运动。由于pn结势垒区内存在较强的内建场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过pn结进入区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是pn结两端形成了光生电动势，这就是pn结的光生伏特效应。由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在pn结内部形成自n区向p区的光生电流，由于光照在pn结两端产生光生电动势，相当于在pn结两端加正向电压V，使势垒降低到qVd-qV，产生正向电流。在pn结开路情况下光生电流和正向电流相等时，pn结两端建立起稳定的电势差（p区相对于n区为正），这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路pn结起了电源的作用。这就是光电池（也称光电二极管）的基本原理。光生伏特效应最重要的应用之一，是太阳辐射能直接转变为电能。太阳能电池是一种典型的光电池，一般有一个大面积硅pn结组成。目前也有用其他材料，如GaAs等制成光电池。太阳能电池可作为长期电源，现已在人造卫星和宇宙飞船中广泛使用。半导体光生伏特效应也广泛用于辐射探测器。包括光辐射及其他辐射。其突出优点是不需外接电源，直接通过辐射或高粒子激发产生非平衡载流子，通过光生电压来探测辐射或粒子的强度。3. 硅的优点硅是太阳能电池应用中的一种理想材料，硅无毒，是地壳中储量第二大的元素。大量使用时，环境污染和资源耗尽的威胁小。由于硅广泛应用于微电子工业，已经有了完备的技术基础。鉴于以上优点，目前绝大多数商业化的太阳能电池理所当然是用硅制作的，硅主要分为单晶硅、大晶粒硅（大晶粒的多晶硅）和非晶硅三种形式。为保证非晶硅有一定的电学特性，在硅中加入了10%的氢，形成硅氢合金。于是材料的特性与单一的单晶硅有了很大的区别。【4】太阳电池内部串联电阻的测量1） 本方法在太阳模拟器或其它模拟阳光下测量太阳电池内部串联电阻，所用的装置和测量伏安特性的装置相同。但要求测试平面上的辐照度大致能在600 w/m2到1200 w/m2范围内调节。2） 用二种不同的辐照度，分别测量二条伏安特曲线，画在同一座标上，如图4.2。二种辐照度大致取为900 w/m2和1100 w/m2，不需知道正确的数值。辐照度改变时要求温度变化不超过2C。3） 图中，在二条曲线的最大功率点附近各选择一点P和Q，使满足ISC1IPISC2IQ4） 按下式算出RS15） 保持温度不变，把辐照度调节到700 w/m2左右，再描绘一条伏安特曲线3。5.被测太阳电池的内部串联电阻。根据p-n结整流方程，在正向偏压下，通过结的正向电流为IF=Isexp(qV/kT)-1其中：V是光生电压，Is是反向饱和电流。如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应该是：I = IF-IL = Isexp(qV/kT)-1-IL在p-n结开路情况下（R=），此时pn结两端的电压即为开路电压Voch =（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100%= （Vop x Iop/Pin x S）X100%载流子浓度半导体处于热平衡状态时，多数载流子和少数载流子的浓度各自达到平衡值。因某种原因，少数载流子一旦超过平衡值，就将发生与多数载流子的复合，企图恢复到原来的平衡的状态。设电子浓度为n，空穴浓度为p，则空穴浓度随时间的变化率由电子-空穴对的产生和复合之差给出下式： (2.1)电子空穴对的产生几率g是由价带中成为激发对象的电子数和导带中可允许占据的能级数决定。然而，空穴少于导带的允许能级时，不依赖于载流子数而成为定值。复合率正比于载流子浓度n与p的乘积，比例系数r表示复合几率。平衡状态时dp/dt=0,由此可导出 = 常数 (2.2)它意味着多数载流子浓度和少数载流子浓度的乘积为确定值。这个关系式也适用于本征半导体，可得到 (2.3)根据量子理论和量子统计理论可以得到4. 太阳能电池P型和N型两侧掺杂浓度Na和Nd以及太阳能电池截面积A；泊松方程：它描述了电场散度与空间电荷密度r之间的关系，在一维情况下，其形式为： (2.25)式中e是介电常数。r为电荷密度。在半导体中，r值为 (2.26)式中，p和n是空穴和电子的浓度，ND+和NA-分别是已电离的施主和受主的浓度。在正常情况下，大部分施主和受主都被电离，因此 (2.27)式中ND和NA为施主和受主杂质的总浓度。长为dx、横截面积为A的单元体积，可以说这个体积中电子的净增加几率等于它们进入的速率减去它们出去的速率，加上该体积中它们的产生率，减去它们的复合率，写成方程为：进入速率出去速率 (2.29)产生率复合率 (2.30)式中G是由于外部作用（如光照）所一引起的净产生率，U是净复合率。在稳态情况下，净增加率必须为0，这样就有 (2.31)同样，对于空穴有4.1太阳能电池I-V特性关系，特性曲线；pn结的电流-电压特性5.如果PN结太阳能电池中电子和空穴寿命分别为 n=10s， p=0.5s，扩散常数分别为Dn=9.3cm2/s，Dp=2.5cm2/s，光生电流为IL=95mA，写出太阳能电池I-V特性关系，并画出特性曲线；6.依据以上自身设计以及相关理论知识确定上述所设计的太阳能电池的最大输出功率是多少由于Im=Io*Vm/Vt*e（Vm/Vt） Pm=Im*Vm*Vm=Vm*Vm*Io/Vt*(Il/Io+1)/(Vm/Vt+1)则有Pm=Vm*Vm*（Il+Io）/(Vm+Vt) 由于Vmp=Voc 所以Pm=0.095 Voc7. 总结：利用硅PN结太阳能电池应用和研究的角度来考虑，其光电转换效率、输出伏安特性曲线及参数与预期得想差不多，而这种测量必须在规定的标准太阳光下进行才有参考意义。如果测试光源的特性和太阳光相差很远，则测得的数据不能代表它在太阳光下使用时的真实情况，甚至也无法换算到真实的情况，考虑到太阳光本身随时间、地点而变化，因此必须规定一种标准阳光条件，才能使测量结果既能彼此进行相对比较，又能根据标准阳光下的测试数据估算出实际应用时太阳电池的性能参数。8. 个人体会：通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了微电子器件原理有关方面的知识，而在实验的过程中我们也遇到了许多问题。无论是在资料的探究，还是在仿真过程中的问题。都令我们止步不前过。但是当我们完成一件作品时，那种欣喜让我们体会到一切的付出都是值得的，都是有价值的。 过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！ 我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。 起此课程设计学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我不断的反问自己。也许有人不喜欢野外的工作（转载自第一范文网，请保留此标记。），也许有人认为测绘的工作环境不好，但我认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我决定沿着自己的测绘路，执着的走下去。 9. 参考文献1. 半导体器件物理.刘树林等编著，电子工业出版社，2005年2. 半导体器件基础.爱德华S杨著，人民教育出版社，1981年3. 半导体器件物理.孟庆巨等编著，科学出版社，2010年4. 半导体器件物理学习与考研指导.孟庆巨等编著，科学出版社，2010年5 . 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