1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

1. 引言

能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战，开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。据世界能源委员会和国际应用系统分析研究所预测，全球化石燃料不足使用100年，但是由于燃烧化石燃料排放的CO2等气体随能耗指数增加，己严重破坏了生态平衡。造成了诸如温室效应，酸雨等一系列问题。寻求一种可再生，无污染的清洁能源成为了一项迫切任务。太阳能电池正是在这种形势下发展起来的。 随着地球上汽油，煤，天然气等化石能源的日益减少，作为绿色能源的太阳能电池越来越受到国际社会的关注。

根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：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、塑料太阳能电池，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。

太阳能电池工作原理：

2．常见硅太阳能电池简介

硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种

（1）单晶硅太阳能电池：

单晶硅太阳能电池，是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。

（2）多晶硅薄膜太阳能电池

多晶硅太阳能电池兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转换效率一般为12%左右，稍低于单晶硅太阳电池。

（3）非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池。反应温度低，可在200℃左右的温度下制造，易于大面积化生产，成本较低。

3. 能带理论：

半导体材料的物理性质与电子和空穴的行为有密切的联系，即从其占据空间的范围来讲，半导体的物理性质是建立在能带理论上的。而能带理论又是从原子理论发展起来的。就单个原子来说，原子由原子核和核外电子构成，电子围绕原子核作着特定的运动，电子的每个运动状态，称为量子态，电子的能量是一定的，这种量化的能量称为能级。在形成分子时，原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。晶体是由大量的原子有序堆积而成的。由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成了能带。

靠近原子核的电子受的束缚强能级较低，远离原子核的电子受的束缚较弱，能级较高，电子只能在这些分裂的能级上运动或从一个能级跃迁到另一个能级，当电子从高能级跃迁到低能级的时候，电子要放出能量，当电子得到足够的能量时，电子就从低能级跃迁到高能级。

4.半导体的能带结构：

4.1价带，导带和能隙

价带#8212;被电子占满的能量最高的能带

导带#8212;能量最低的空能带

能隙#8212;价带和导带间的能量间隙

半导体与绝缘体的差别仅在于能隙较小，它们均无不满带。半导体在常温下，价带少量电子可热激发跃迁至导带，使导带底部有少量电子，同时使价带顶部有少量空穴。

载流子#8212;半导体中载流子来自导带底部电子和价带顶部空穴。半导体的导电性质，只涉及这些电子和空穴，即能带极值附件的电子和空穴。

4.2能带理论一个重要推论：

能带极值附近 (带顶和带底) 的电子能谱，可被视为具有有效质量 m* 的自由电子。

进一步简化半导体载流子能量表达式

设，EV(k) 为价带顶部电子能量

EC(k) 为导带底部电子能量

EV(k0V) 为价带带顶极值能量

EC(k0C) 为导带带底极值能量,

如图：

由以上讨论可以看到，半导体能带结构的主要参量是电子，空穴的有效质量和满带与导带之间的能隙Eg=Ec(k0C)-Ev(k0V)

5.杂质半导体：

纯净半导体显著特点是有两类载流子#8212;电子和空穴的数目相等。但是在大多数实际应用中，我们只要求一种载流子起主导作用，另一种载流子可忽略不计。这种半导体可通过用适当杂质元素对其掺杂获得，称之为杂质半导体。杂质对半导体的电学，光学，热学等性质产生重要影响，又是甚至是决定性的。认为掺杂以控制半导体性质的原理和技术是整个半导体技术的重要基础。

杂质这个词在人们通常的概念中是物质中不该含有的东西。然而对半导体来说却不能完全这么看，因为半导体的许多特征取决于所含杂质的种类和数量，半导体器件和集成电路制造的基本过程之一就是控制半导体各部分所含杂质的种类和数量。那么怎么处理无用和有用的杂质呢？所用的办法是先把半导体材料提纯到很高的程度，以除去所有的杂质，然后再在严格控制的条件下，掺入所需要的杂质。一般来说，掺入的杂质有两类：一类第3主族元素的受主杂质，另一类是第5主族元素的施主杂质。它们的作用主要是改变半导体的载流子浓度，使半导体导电能力增强。

5.1原理：

当杂质原子替代基质原子而占据某些格点位置后，晶格周期性在这些点被破坏。此时，晶体中的电子除了在允带中的有布洛赫波描述的共有化运动外，杂质所产生的局域场还给电子附加局域化的电子态#8212;束缚态，正是这种束缚态能级的存在，大大改变的纯净半导体的性质。

5.2施主能级与受主能级：

5.2.1 施主能级：

施主能级是束缚电子的杂质局域态相应的能级，它位于导带底边附近。此能级上的电子很容易被激发而跃迁到导带底部而成为导电载流子。施主能级失去电子后成为空能级，不能参与导电，而且电子由施主能级跃迁到导带远比从满带到导带容易的多。因此，主要含施主杂质的半导体，导带上的电子数要大大多于价带上的空穴数。这种以导带电子为主要载流子的半导体称为N型半导体。

5.2.2 受主能级：

受主能级是束缚空穴的杂质局域态相应的能级。它位于价带顶边附近，是一个不带电子的空能级，价带顶部的电子极容易跃迁到受主能级上而在价带上留下空穴。由于受主能级是一个局域态，这种态上的电子不能参与导电，而电子由满带跃迁到受主能级要比跃迁到导带容易的多。因此，主要含受主杂质的半导体，其价带的空穴数要比导带的电子数要多得多。这种以空穴为主要载流子的半导体称为P型半导体。

如图：

6.P-N结的形成：

p-n结是大多数半导体器件的核心，是集成电路的主要组成部分，它可以利用多种工艺制作而成，如合金法，扩散法，离子注入法，薄膜生长法等。

无论是n型半导体，还是p型半导体，当它们独立存在是，都是电中性的，电离杂质的电荷量和载流子的总电荷量是相等的。当两种半导体材料连接在一起时，对n型半导体而言，电子是多数载流子，浓度高；而在p型半导体中电子是少数载流子，浓度低。由于浓度梯度的存在电子势必从高浓度向低浓度扩散，即从n型半导体向p型半导体扩散。在界面附近，n型半导体的电子浓度逐渐降低，而扩散到p型半导体的电子和p型半导体的多数载流子空穴复合而消失。因此，在n型半导体靠近界面附近，由于电子浓度降低，使得电离杂质的高于剩余的电子浓度，出现了正电荷区域。在p型半导体中，由于空穴从p型半导体向n型半导体扩散，在靠近界面附近，电离杂质的负电荷高于剩余的空穴浓度，出现了负电荷区域。此区域称为p-n结的空间电荷区。区域中的电离杂质所携带的电荷称为空间电荷。结构如下图：

空间电荷区中存在着正负电荷区，形成了一个从n型半导体向p型半导体指向的电场称为内建电场。构成p-n结的n型半导体和p型半导体的掺杂浓度越高，p-n结的接触电势差就越大。

7.P-N结的能带结构：

由于载流子的扩散和漂移，导致空间电荷区和内建电场的存在，引起该部位的相关空穴电势或电子时能的改变，最终改变了p-n结处的能带结构。内建电场是从n型半导体指向p型半导体的，因此沿着电场方向，电场是从n型半导体到p型半导体，带正电的空穴势能也逐渐降低，而带负电的电子的势能则逐渐升高。也就是说，空穴在n型半导体势能高，在p型半导体势能低。如果空穴从p型半导体移动到n型半导体，需要克服一个内建电场形成的势垒；电子在p型半导体势能高，在n型半导体势能低，需要从n型半导体移到p型半导体，也需要克服一个内建电场形成的势垒。当n型半导体和p型半导体组成p-n结时，由于空间电荷区形成的电场，在p-n结处能带发生弯曲。此时导带底能级，价带顶能级，本征费米能级和缺陷能级都发生了相应幅度的弯曲。由于在平衡时，n型半导体和p型半导体的费米能级是相同的，所以，平衡时的空间电荷区两端的电势差V就等于原来的n型半导体和p型半导体的费米能级之差。

构成p-n结的n型半导体，p型半导体的掺杂浓度越高，禁带越宽，p-n结的接触电势差V就越大。结构如下图：

8.P-N结的制备方法：

A.合金法：合金法是指在一种半导体晶体上放置金属或半导体元素，通过加热等工艺形成p-n结。

B.扩散法：扩散法是指在n型或p型半导体材料中，利用扩散工艺掺入相反型号的杂质，在局部区域形成与基体材料相反型号的半导体，从而形成p-n结。

C.离子注入法：离子注入法是将n型或p型掺杂剂的离子束在静电场中加速，注入p型或n型半导体表面区域，在表面形成与基体型号相反地半导体。从而形成p-n结。

D.薄膜生长法：薄膜生长法是在n型或p型材料表面，通过气相，液相等外延技术，生长一层具有相反导电类型的半导体薄膜，在两者的界面处形成p-n结。

9.杂质能级：

为了控制半导体材料的电学性能，在高纯的本征半导体中加入不同类型的和一定含量的杂质，形成特定电阻率范围的n型和p型半导体，以适应制作不同的半导体器件的需要。实际情况中，除了有控制地在硅中掺入第3主族或第5主族的元素外，在硅材料的生产中，不可避免的会引入不需要的杂质。这些杂质由于其性质不同，会在禁带中形成不同的杂质能级。第3主族和第5主族的元素形成的能级分别靠近带顶的导带底，称为浅能级，那些位于禁带中心附近的杂质能级称为深能级。浅能级对半导体材料的导电性能可直接作出贡献，而深能级对半导体材料的载流子没有贡献，但它们对半导体材料的少子寿命有影响。因为它们可作为电子和空穴复合中心。有的深能级杂质可以再禁带中形成多个杂质能级。深能级杂质在半导体材料中是有害杂质，金属杂质特别是过渡金属元素杂质，基本上都属于深能级杂质。

10.前景展望：

目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。

目前市场上销售的光伏电池主要是单晶硅为原料生产的。由于单晶硅电池生产能耗大，一些专家认为现有单晶硅电池生产能耗大于其生命周期内捕获的太阳能，是没有价值的。最乐观的估计是需要10年左右时间，使用单晶硅电池所获得的太阳能才能大于其生产所消耗的能量。而单晶硅是石英砂经还原，融化后拉单晶得到的。生产过程能耗大，产生的有毒有害物质多，环境污染严重。

市场上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在15%上下，也就是说，这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能，其余的85%都浪费成无用的热能。所以严格地说，现今太阳电池，也是某种型式的”浪费能源”。当然理论上，只要能有效的抑制太阳电池内载子和声子的能量交换，换言之，有效的抑制载子能带内或能带间的能量释放，就能有效的避免太阳电池内无用的热能的产生，大幅地提高太阳电池的效率，甚至达到超高效率的运作。

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

Simwindoes是用于计算半导体能带，激光器谐振腔反射、DBR，功能强大的计算机软件

ID Poission是一个程序可以计算半导体结构的能带图

Band Engineering同样是一个计算半导体结构能带图并给出重要信息的软件，通过输入材料，掺杂和添加能带图，屏幕的底部会显示出重要信息。

由于不同晶体类型的材料用于太阳能电池制作时，需要对其进行p型或n型的掺杂，而这些掺杂会改变半导体材料的能带结构，而能带结构的改变会影响太阳能电池的器件电学性能和器件稳定性。

通过以上三种计算机软件对不同晶体类型，不同掺杂浓度半导体材料的能带结构的参数进行模拟计算，通过对模拟计算所得出的数据结果进行分析讨论，得出合理的太阳能电池所需要的半导体材料的材料参数。

最后于现有的成果进行比较，并且大胆地进行分析和假设，探索解决太阳能电池转化效率低的问题。