光伏知识科普四：载流子（一）

载流子的产生

光子产生电荷载流子是光伏发电的基础。光子入射到半导体表面时，会产生三种情况：光子从顶表面反射、透过材料、被材料吸收产生载流子。对光伏器件来说，光子的反射和透过通常被认为是损耗机制，因为未被吸收的光子不会产生功率。因此，只有当光子具有足够的能量时，电子才会从价带被激发到导带中。根据光子能量Eph与半导体带隙Eg数值比较可分为三组：

（1）Eph < Eg：光子与半导体的相互作用很弱，看起来像直接透过半导体。

（2）Eph = Eg：光子刚好具有足够的能量来产生电子-空穴对。光子被半导体材料吸收后，使价带中的电子刚好可以被激发到导带，从而导带中增加一个电子，价带中由于电子的跃迁产生一个可视为带正电荷的空穴；即光生载流子、电子-空穴对的生成。

（3）Eph > Eg：光子被强烈吸收。价带中的电子被大于带隙的光子能量激发到导带，由于电子快速热化回到导带边缘，多余的能量以热或声子的形式释放。

不同半导体材料具有不同的吸收系数。通常，具有更高吸收系数的材料更容易吸收光子。光子吸收后会产生多数载流子和少数载流子。

载流子传输

导带中的电子和价带中的空穴皆可称为自由载流子。在半导体材料中，载流子以一定的速度（由载流子的温度和质量决定）在半导体晶格中以随机方向自由移动，载流子将一直朝这个方向运动直到它们与另一个半导体晶格原子碰撞后改变方向。

（1）载流子扩散

当光入射到光伏材料上时，在其表面附近会产生载流子。但由于吸收强度和电池厚度等因素的影响，半导体材料的体相内将存在载流子浓度梯度。因此，载流子将通过随机运动从高载流子浓度区域净运动到低浓度区域，载流子逐渐扩散到整个电池，直至浓度均匀。所以说，载流子的净运动是从高浓度区向低浓度区扩散。

扩散的一个主要影响是，随着时间的推移，它使器件中由产生和复合等因素引起的载流子浓度不均匀逐渐均匀化，而无需对器件施加外力。

（2）载流子漂移：

如前面所述，在没有电场的情况下，载流子以恒定速度在随机方向上移动一定距离。然而，在该随机方向上存在叠加电场以及热速度时，载流子沿净方向移动，电子沿与电场相反的方向移动，空穴沿电场的方向移动。载流子的方向由其方向和电场之间的矢量相加而获得。由于电场的存在而导致载流子移动的传输称为“漂移传输”。漂移传输是一种不仅发生在半导体材料中，而且还发生在金属中的传输类型。