光伏科普｜异质结太阳能电池——PN结

“ 通过改变半导体中的电子和空穴，形成新型材料，这种有效的技术称为掺杂。使用这种技术来增加半导体的导电性，减少电学损失，形成理想的 pn结，将太阳能电池中的电子和空穴载流子分开，已产生电压和有用的功。

异质结太阳能电池分类

异质结太阳能电池根据 掺杂 的不同可分为两类: n型和p型。

半导体掺杂

掺杂 是一种用于改变半导体中电子和空穴数量的技术。当IV族半导体材料掺杂V族原子时，掺杂产生 N型材料。N型材料通过增加可用电子的数量来增加半导体的导电性当IV族半导体材料掺杂III族原子时，就会产生 P型材料。P型材料通过增加存在的孔的数量来增加导电性。

元素周期表中的一部分

可以通过将硅晶格与其他原子“掺杂”来改变硅晶格中电子和空穴的平衡

硅（Si）由单个原子组成，这些原子以规则的周期性结构键合在一起，形成一种排列，其中每个原子被8个电子包围。单个原子由一个原子核组成，该原子核由质子（带正电的粒子）和中子（无电荷的粒子）的核心组成，这些核心被电子包围。电子和质子的数量相等，使得原子总体上是电中性的。半导体中每个原子周围的电子是共价键的一部分。共价键 由两个原子“共享”一对电子组成。每个原子与周围的4个原子形成4个共价键。因此，在每个原子及其周围的4个原子之间，有8个电子被共享。

硅晶格中共价键的示意图

n型半导体材料

比硅多一个价电子的原子用于生产 n型半导体材料。这些n型材料是 元素周期表中的V族元素，因此它们的原子具有5个价电子，可以与硅原子具有的4个价电子形成 共价键。因为每个原子（硅和n型）只需要4个价电子就可以在硅原子周围形成共价键，所以当两个原子键自由参与传导时，存在额外的价电子（因为n型材料有5个价电子）。因此，更多的电子被添加到导带中，从而增加了存在的电子数量。

n型半导体材料的硅晶格示意图

最流行的掺杂使用 n型c-Si晶圆。它们掺杂了磷，这为它们提供了一个额外的电子来给它们负电荷。

p型半导体材料

比硅少一个价电子的原子用于生产 p型半导体材料。这些p型材料是 元素周期表中的III族元素。因此，p型材料只有3个与硅原子相互作用的价电子。最终结果是 空穴，因为没有足够的电子存在来形成原子周围的4个共价键。在p型材料中，夹在键中的电子数量较高，从而有效地增加了空穴的数量。

p型半导体材料的硅晶格示意图

PN结

n型材料与p型材料的结合导致n型材料中的多余电子向p型一侧扩散，以及p型材料中的多余空穴向n型一侧扩散。

电子向p型方向运动时，正离子核暴露在n型方向，空穴向n型方向运动时，负离子核暴露在p型方向，在交界处形成一个电子场，形成 耗尽区。

电压是由结处形成的电子场产生的。

pn结 由n型半导体材料和p型半导体材料连接而成。由于n型区域具有高电子浓度，p型具有高空穴浓度，因此电子从n型侧扩散到p型侧。类似地，孔通过扩散从p型侧流向n型侧。

如果电子和空穴没有带电，这种扩散过程将持续到两侧电子和空穴的浓度相同，就像两种气体相互接触时发生的那样。

然而，在pn结中，当电子和空穴移动到结的另一侧时，它们在掺杂原子位点上留下暴露的电荷，这些电荷固定在晶格中并且无法移动。在n型侧，暴露了正离子磁芯。在p型侧，负离子芯暴露在外。

在n型材料的正离子芯和p型材料的负离子芯之间形成电场E。这个区域被称为“耗尽区域”，因为电场迅速扫除自由载流子，因此该区域的自由载流子耗尽。由于E，在结处形成“内置”势Vbi 。

耗尽区域（E）示意图

根据 pn结的掺杂分布的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。pn结二极管是最简单的半导体器件之一，它具有仅在一个方向上使电流通过自身的电气特性。二极管不仅是所有电子设备的基础部分，如LED和激光器，还是 太阳能电池 的基础，如光电二极管和双极结晶体管（BJT）。

1940年，pn结的发现不仅对太阳能产业的提供了长久的基础支持，还让人类进一步关注化学元素内部细微反应。