太阳能发电技术所涉及的半导体物理基础

如同能量守恒一样，动量守恒也是跃迁（吸收）过程必须满足的条件。 由于光子的动量相对电子的动量可忽略不计，因此对于直接带隙的情况，电子无需改变动量，直接垂直跃迁即可在最小带隙处完成激发；而对于间接带隙的情况，在任何波矢处直接垂直跃迁都需要高于禁带宽度Eg一定水平的光子能量吸收才能实现；间接跃迁可以使满足光子激发从价带到导带的电子跃迁（发生本征吸收）：过程所需要的电子动量变化由晶格振动变化提供，体现为吸收或发射一个声子，其能量很小可忽略不计，其动量弥补处于价带顶的电子跃迁到导带底后动量的差异，满足跃迁过程动量平衡。 　　

属于直接带隙的半导体材料有GaAS，InSb，CdTe和非晶硅等，属于间接带隙的半导体材料有硅、锗等。前者只会发生直接跃迁，而后者则两种跃迁都有可能发生。 直接带隙的材料，其吸收谱范围较窄，在本征吸收限以上，随人射光光子能量提高（波长减小），其吸收系数迅速提高；而间接带隙材料的吸收系数随人射光子能量提高则有更宽的、更缓的提高范围。就太阳能发电应用而言，这意味着直接带隙材料只需较薄就能完成吸收，而间接带隙材料则需要较厚，两者相差往往在百倍以上。 　　

值得指出，对间接带隙材料如晶体硅而言，其载流子复合过程是载流子激发产生过程的逆过程，也存在吸收或发射声子的需求，这将减缓复合过程，对太阳能发电应用而言应是有益的。 　　

最后指出，虽然本征吸收限以外没有本征吸收，但是从实测半导体吸收谱上总 能看到实际上此限之外还有吸收，显示还有其他吸收机制存在。它们包括激子吸 收、自由载流子带内吸收、杂质吸收和晶格振动吸收。对太阳能发电应用而言可以说它们 都无关紧要，这里不进一步介绍。 　　

本篇力求以通俗易懂的方式简要而完整地介绍了太阳能发电技术所涉及的半导体物理基础。相对于一般半导体物理教材，其中省略的内容主要为三类：
①与太阳能发电技术无关的部分；
②数学推导过程；
③固体物理基础知识。
然而对一些重要的、较难于理解的概念和结论，本章甚至还增加了定性的描述和解释来帮助读者理解。对于费米能、声子等重要的基本 概念，有意深究的读者需另行查阅固体物理书籍。为避免枯燥，作者在保证理论逻辑严谨的同时，在写作过程中插人了一些个人观点和评述，在关键知识点上加深读者印象。这些努力的核心目的是为太阳能发电产业和研发新进提供切实帮助和便利，期望做到了一二。

更新时间：2015-6-7 10:25:33
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