半導體太陽電池數值分析基礎（上冊）

目錄
《半導體科學與技術叢書》出版說明
序
前言
第1章 半導體太陽電池的基本圖像 1
1.0 概述 1
1.1 基本圖像 2
1.1.1 太陽光譜 2
1.1.2 半導體光伏材料 4
1.1.3 熱力學圖像 6
1.1.4 能帶圖像 8
1.2 器件物理 10
1.2.1 光吸收 10
1.2.2 躍遷概率 12
1.2.3 遷移率 14
1.2.4 自發(fā)輻射復合 16
1.2.5 缺陷輔助復合 17
1.2.6 俄歇復合 18
1.2.7 碰撞離化效應 19
1.2.8 輸運體系 20
1.3 器件結構 21
1.3.1 表面與界面 21
1.3.2 窗口層 24
1.3.3 濃度梯度背場 24
1.3.4 異質結界面的輸運 24
1.3.5 晶格失配決定的界面復合速率 25
1.3.6 異質結勢壘對界面復合速率的影響 26
1.3.7 金屬半導體接觸 26
1.3.8 減反射膜 28
1.4 光生載流子壽命 28
1.4.1 概念 28
1.4.2 典型復合機制的壽命 30
1.4.3 低遷移率材料的場助效應 31
1.4.4 壽命的測試 31
1.4.5 光子自循環(huán) 33
1.5 pn結的經典分析模型 34
1.6 太陽電池的典型參數 37
1.6.1 量子效率 37
1.6.2 填充因子 38
1.6.3 開路電壓 38
1.7 理想開路電壓 41
1.7.1 理想開路電壓計算1:二極管模型 41
1.7.2 根據開路電壓估計材料非輻射復合壽命 43
1.7.3 高注入材料的開路電壓 43
1.7.4 理想開路電壓計算2:細致平衡模型 44
1.7.5 表面復合速率所決定的極限開路電壓 45
1.8 電路模型 45
1.8.1 基本參數的影響 46
1.8.2 平面不均勻 47
1.9 多結 48
1.9.1 基本特性 48
1.9.2 結數與效率 50
1.9.3 多結太陽電池中的隧穿二極管 52
1.9.4 多結太陽電池中的反向勢壘 55
1.9.5 多結太陽電池中的匹配 56
1.9.6 多結太陽電池中的光子自循環(huán) 58
參考文獻 59
第2章 半導體太陽電池數值分析基本流程 65
2.0 概述 65
2.1 器件數值分析任務 67
2.2 數值分析基本過程 67
2.2.1 模型建立與處理 69
2.2.2 參數讀取 70
2.2.3 前處理 74
2.2.4 網格初始化 74
2.2.5 輸運方程的離散化 75
2.2.6 非線性方程組的求解 75
2.2.7 網格自適應 75
2.2.8 后處理 75
2.3 模塊化與通用性 76
2.4 國外軟件概述 78
參考文獻 80
第3章 電子態(tài) 82
3.0 概述 82
3.1 基本電子態(tài) 84
3.1.1 自由原子中的電子態(tài) 84
3.1.2 材料原子中的電子態(tài) 87
3.1.3 單電子近似 88
3.1.4 晶格振動 89
3.2 晶體對稱性 90
3.2.1 概述 90
3.2.2 旋轉 92
3.2.3 鏡面 95
3.2.4 旋轉加鏡面 96
3.3 對稱性群的基本框架 97
3.3.1 群的基本概念 97
3.3.2 群的線性表示 98
3.3.3 立方體的晶體點群 101
3.3.4 旋轉的單值表示 105
3.3.5 旋轉的雙值表示 108
3.3.6 Euler角度 111
3.3.7 表示直積 112
3.3.8 點群的單值表示 114
3.3.9 Td的單值表示 117
3.3.10 Oh的單值表示 119
3.3.11 點群的雙值表示 121
3.4 空間群及其表示 125
3.4.1 空間群的定義 125
3.4.2 平移群的表示 126
3.4.3 高度局域化的基函數：Wannier函數 130
3.4.4 波矢的對稱性 131
3.4.5 空間群的表示 133
3.4.6 Si和GaAs的空間群表示 134
3.5 對稱性決定的能帶結構 135
3.5.1 微擾修正 135
3.5.2 極值附近的能量色散 136
3.5.3 躍遷矩陣元 139
3.5.4 典型能帶結構 141
3.5.5 立方晶體的雙帶模型 150
3.5.6 能帶的非拋物性 152
3.6 弱外場中的電子態(tài) 153
3.6.1 多帶包絡函數:Kane表象 153
3.6.2 多帶包絡函數:Wannier表象 156
3.6.3 雙帶包絡函數方程 159
3.6.4 二維結構的包絡函數 160
3.7 態(tài)密度 161
3.8 數據結構 164
3.8.1 多能帶情形 165
3.8.2 雙能級電子態(tài)數據結構 167
參考文獻 168
第4章 輸運模型 172
4.0 概述 172
4.1 氣體動力學框架 174
4.1.1 動力學方程 174
4.1.2 約化分布函數 175
4.1.3 二體模型 177
4.1.4 單粒子動力學方程 178
4.1.5 太陽電池中的典型力學量 179
4.2 傳遞能量的介質：電子氣 180
4.2.1 平均場與理想氣體模型 180
4.2.2 電子的Fermi量子氣體模型 181
4.2.3 載流子統(tǒng)計 182
4.2.4 電子氣體的熱力學量 183
4.3 Fermi-Dirac積分 185
4.3.1 定義 185
4.3.2 數值計算 186
4.3.3 代數有理多項式 187
4.3.4 非拋物能帶積分的計算 187
4.4 載流子之間的散射 188
4.4.1 碰撞概念 188
4.4.2 碰撞機制 189
4.4.3 特征時間 193
4.5 從單粒子方程到宏觀輸運方程 195
4.5.1 歸一化 195
4.5.2 參數化方程 196
4.5.3 穩(wěn)態(tài)分布函數 197
4.5.4 能量輸運模型 198
4.5.5 流密度 200
4.5.6 球能帶與弛豫時間近似 201
4.5.7 流密度的數值實施形式 202
4.5.8 輸運方程 203
4.5.9 擴散漂移模型 207
4.5.10 半經典模型的量子修正 208
4.6 統(tǒng)一的流體力學框架 209
4.7 量子限制的情形 211
4.7.1 量子限制的輸運模型 211
4.7.2 量子限制的離散能級 214
4.8 輸運模型的數據結構 215
4.8.1 單純輸運模型的數據結構 216
4.8.2 輸運模型對能帶數據結構的拓展 218
4.8.3 輸運模型對材料數據結構的拓展 219
參考文獻 220
第5章 缺陷的電荷統(tǒng)計與復合速率 225
5.0 概述 225
5.1 統(tǒng)計熱力學圖像 226
5.1.1 半導體電荷分布的簡單系綜圖像 226
5.1.2 統(tǒng)計熱力學的相關基礎 227
5.2 穩(wěn)定缺陷的熱平衡統(tǒng)計模型 229
5.2.1 獨立多態(tài)多能級缺陷的統(tǒng)計熱力學模型 229
5.2.2 雙能級單電子中心 230
5.2.3 電荷中性方程 233
5.2.4 n型摻雜:GaInP/AlInP-Si 234
5.2.5 三能級態(tài)雙電子中心 235
5.2.6 CdTe中的多態(tài)電荷統(tǒng)計 237
5.3 缺陷化學反應的統(tǒng)計熱力學模型 237
5.3.1 基本公式 238
5.3.2 摻雜離化反應決定的離化率 238
5.3.3 位錯占據的統(tǒng)計力學模型 239
5.4 典型的非晶半導體：非晶硅 241
5.4.1 弱鍵 241
5.4.2 缺陷態(tài)密度 242
5.4.3 器件模擬中的懸掛鍵缺陷態(tài)密度模型 246
5.5 帶尾態(tài)與Gauss態(tài)的電荷密度 247
5.6 缺陷復合的動力學模型 250
5.6.1 單態(tài)缺陷-SRH復合模型 250
5.6.2 SRH復合速率與俘獲截面、缺陷能級位置的關系 253
5.6.3 多能級多態(tài)情形 253
5.6.4 非晶硅三態(tài)復合模型 255
5.7 帶隙收縮 256
5.7.1 稀NIII-V族化合物中的反交叉 256
5.7.2 重摻雜引起的帶隙收縮 257
5.8 缺陷相關的數據結構 257
5.8.1 封裝缺陷的數據結構 257
5.8.2 功能層與子層數據結構 258
5.8.3 材料塊數據結構 262
5.9 占據概率與復合速率的計算 263
5.9.1 電荷占據概率的數值溢出 263
5.9.2 數值穩(wěn)定的電荷占據概率子程序 264
5.9.3 單能級缺陷的復合速率子程序 267
5.9.4 復合缺陷的點電荷子程序 270
5.9.5 復合缺陷的復合速率子程序 271
5.10 缺陷態(tài)連續(xù)分布的計算 271
5.10.1 缺陷態(tài)連續(xù)分布的自適應積分算法 271
5.10.2 帶尾態(tài)與Gauss缺陷的Gauss積分法 273
5.11 缺陷對輸運模型的拓展 275
5.11.1 缺陷復合下的輸運模型 275
5.11.2 無序有機半導體器件的輸運模型 276
5.12 量子限制 277
5.12.1 量子限制中的復合 277
5.12.2 量子限制的數據結構 278
參考文獻 278
第6章 光學產生速率 282
6.0 概述 282
6.1 電磁學基礎 284
6.1.1 復矢量Maxwell方程 285
6.1.2 Maxwell方程的勢形式 286
6.1.3 突變界面的連續(xù)條件 287
6.1.4 平面波 288
6.1.5 吸收系數的微觀模型 290
6.1.6 量子限制區(qū)域的吸收 292
6.2 太陽電池中的薄膜光學框架 292
6.2.1 太陽電池的薄膜光學近似 292
6.2.2 光學產生速率 293
6.2.3 平面波的界面連續(xù) 294
6.2.4 平面波的界面轉移矩陣 297
6.2.5 平面波的傳輸矩陣 298
6.2.6 反射與透射系數 300
6.2.7 多層薄膜的電磁場振幅 302
6.2.8 多層薄膜的光強與產生速率 302
6.2.9 垂直入射下的多層薄膜 303
6.3 厚晶體與混合膜系 305
6.3.1 厚晶體模型 305
6.3.2 薄膜與厚膜混合膜系 306
6.4 不規(guī)則表面 308
6.4.1 隨機粗糙表面 308
6.4.2 隨機粗糙表面的標量散射模型 309
6.4.3 存在隨機粗糙界面的多層膜系 311
6.4.4 圖形表面–光線跟蹤算法 311
6.5 數值計算相關 312
6.5.1 典型計算需求 312
6.5.2 數值計算