半导体材料论文篇1

关键词：氧化锌，稀磁半导体，铁磁性

0.引言

当代和未来信息技术都占据着重要的地位，因此随着社会的不断发展,对信息的处理、传输和存储将要求更大的规模和速度。半导体材料在信息处理和传输中有着重要的作用，半导体技术应用了电子的电荷属性；磁性材料在信息存储有着重要的应用，磁性技术利用了电子的自旋属性。但是半导体材料都不具有磁性,磁性材料及其化合物都不具有半导体的性质，因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，即在GaAs、GaN、ZnO等半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁性离子，这种通过掺杂而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，人们称其为稀磁性。在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性离子所形成的一类新型半导体材料，称之为稀磁半导体。

1.发展现状

1.1掺杂具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni等过渡磁性金属离子

在ZnO中掺杂引入磁性离子可以使样品产生磁性，因此人们在ZnO中掺入了具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni等过渡磁性金属离子，结果发现样品的室温铁磁性对制备技术、生长条件等都有很大的依赖关系。侯登录等人[1]采用磁控溅射法在Si基底上制备Fe掺杂的样品，发现铁磁性是其本征性质。。Liu等人用化学气相沉积法制备了Co掺杂的样品，分析发现掺杂Co的ZnO样品铁磁性与Co的不纯相ZnCo2O4无关。Akdogan等人用射频磁控溅射法制备了掺杂不同Co离子浓度的的样品，分析得出氧原子的自旋极化对样品长程铁磁序的形成有重要作用，且Co原子的掺杂引起了ZnO的本征铁磁性。Parra-Palomino等人研究发现样品的铁磁性与ZnO中的缺陷有关。

1.2掺杂具有低温铁磁性的Mn、Cr等过渡磁性金属离子

在ZnO中掺杂引入磁性离子可以使样品产生磁性，因此人们在ZnO中掺入了具有低温铁磁性的Mn、Cr等过渡磁性金属离子，于宙等人[2]用化学方法制备了Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体材料，分析发现该材料的铁磁性是由Mn离子对ZnO中Zn离子的替代作用引起的。Robert等用射频磁控溅射法制备了掺杂Cr的ZnO样品。分析发现H原子占据了O的位置并产生了一个深的施主缺陷从而增强了自由载流子数和铁磁的超交换作用，进而导致了样品的铁磁性。

1.3掺入不具有室温铁磁性的Al、Cu等金属离子

研究发现在ZnO样品中掺入不具有室温铁磁性的Al、Cu等离子样品也可以显示出室温铁磁性。刘惠莲等[3]用柠檬酸盐法合成了一系列掺Cu样品，研究发现铁磁性是其本征性质。Ma等人用脉冲激光沉积法制备了掺杂Al的ZnO样品，发现样品铁磁性与Al原子和Zn之间的电荷传输有关。

1.4多元素掺杂ZnO基稀磁半导体

邱东江等人[4]用电子束反应蒸发法生长了Mn和N共掺杂的薄膜，发现样品的室温铁磁性很可能源于束缚磁极化子的形成。Gu等人用射频磁控溅射法制备了掺杂Mn和N的ZnO样品。分析发现样品为室温铁磁性,这可能与N原子的掺入使空穴的浓度增加有关。Shim等人用标准固态反应法制备了掺杂Fe、Cu的ZnO样品，发现掺杂Fe、Cu的ZnO的铁磁性起源于第二相。且Fe原子进入ZnO并取代Zn原子是产生铁磁性的主要原因。宋海岸等人[5]在Si(100)衬底上制备了Ni掺杂和(Ni、Li)共掺ZnO薄膜样品。研究发现铁磁性的起源可以用电子调制的机制来解释,Ni-ZnO中的施主电子形成了束缚磁极化子,束缚磁极化子能级的交叠形成自旋-自旋杂质能带,通过这些施主电子耦合即Ni2+原子之间的远程交换相互作用导致了铁磁性。

由于掺杂ZnO是一个新兴的研究方向，因此人们对其研究结果不尽相同有的甚至相反，例如对于Fe掺杂的ZnO基稀磁半导体，Parra-Palomino等人发现掺杂Fe的样品的铁磁性可以用载流子交换机制来解释，侯登录等人[1]发现掺杂Fe的样品的铁磁性可以用局域磁偶极子作用机制来解释。又如对于掺杂样品的铁磁性是样品的本征性质还是非本征性质方面人们的观点也不尽相同，Shim等人发现铁磁性是掺杂Ni的ZnO样品的非本征性质。Akdogan等人发现Co原子的掺杂引起了样品的本征铁磁性。对于掺杂所引起的样品磁性方面，Liu等人研究发现掺杂Co的ZnO样品具有铁磁性，而Tortosa等人发现掺杂Co的ZnO样品是顺磁性的。研究发现样品的铁磁性与制备方法、生长的气体环境、气体压强、生长时间、退火温度、退火时间、掺杂剂量、掺杂元素的种类以及相对含量均有很大的关系。

2.结论

目前,对于ZnO基稀磁半导体材料的研究主要集中在两个方面:(1)优化生长参数,获得高质量的薄膜。。(2)选择不同掺杂元素与掺杂量,通过单掺杂或共掺杂,提高薄膜的居里温度,奠定其应用基础。

通过对单掺杂金属的ZnO样品及共掺杂的样品的结构分析、以及电学、磁学、导电性等性质的分析，发现对于相同的掺杂，样品铁磁性的强弱不同，有的结论甚至相反。这与样品的制备技术不同、以及不同的生长环境有关。通过各种制备方法及不同制备工艺得到的ZnO薄膜的性能存在较大的差异,而且可重复率比较低。铁磁性来源和机理分析还需要进一步的系统性研究。。对样品的铁磁性起源理论众多。目前关于稀磁半导体材料铁磁性根源的解释有多种，有载流子交换机制(可以解释具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni、V、Cr、Cu、Al等元素掺杂的情况）。载流子导致的铁磁性与反铁磁性竞争机制（可以解释Mn、Cr、Co等元素掺杂的情况）。局域磁偶极子之间相互作用机制（可以解释V、Ni等元素掺杂的情况）。

在实验和理论的统一方面还存在有许多的矛盾之处,而且每种理论都只得到了部分实验证实.因此对ZnO基稀磁半导体的磁性机理的认识还需进一步的提高。可以在以下几个方面开展进一步的更深入的研究。一是改善样品的制备工艺，许多试验重复率很低说明样品的制备过程中有许多影响因素，有待于对其发现并掌握。二是改变掺杂的金属元素，传统的掺杂只对过渡金属进行了大量研究对于非过渡金属的相关研究很少。而且由单掺杂向共掺杂转变是一条很好的思路。

参考文献

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[5]宋海岸,叶小娟,钟伟等.(Ni、Li)掺杂ZnO薄膜的制备及其性能.纳米材料与界构.2008,45(12):698-702.

半导体材料论文篇2

论文摘要:充满生机的二十一世纪，以知识经济为主旋律和推动力正引发一场新的工业革命，节省资源、合理利用能源、净化生存环境是这场工业革命的核心，纳米技术在生产方式和工作方式的变革中正发挥重要作用，它对化工行业产生的影响是无法估量的。这里主要介绍纳米材料在化工领域中的几种应用。

纳米材料（又称超细微粒、超细粉末）是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，其结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等，拥有一系列新颖的物理和化学特性，在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。

纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。

一、纳米材料的特殊性质

（一）力学性质

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合frank-reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。

（二）磁学性质

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。

（三）电学性质

由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（simit）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。

（四）热学性质

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。

二、纳米材料在化工行业中的应用

（一）在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。

（二）在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米tio2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米sio2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米sio2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

（三）在精细化工方面的应用

精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米sio2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米al2o3，和sio2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。

纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代，为此，国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

参考文献:

[1]张立德，牟季美，纳米材料和纳米结构，科学出版社，2001.

[2]严东生，冯端，材料新星?纳米材料科学,湖南科学技术出版社，1998年.

半导体材料论文篇3

【关键词】量子化学；电致发光材料；合成

0引言

有机及配合物电致发光（EL）和非线性光学材料在高新技术中的广泛应用，受到人们的关注并得到积极的研究[1-3]。近30年来，随着量子化学计算方法和分子模拟技术、以及计算机技术的飞速发展，对材料科学的发展产生了深刻影响。利用量子化学计算方法方法研究EL材料的电子结构和光谱性质，以全自由度优化几何结构为基础，计算化合物的电子光谱。对研究此类材料的性质及合成有指导性意义计算结果是实验结果基本吻合。本文主要介绍量子化学在EL材料研究中的应用及进展。

1量子化学研究EL材料的方法及原理

就量子化学的几种计算方法来看，从头算法虽然有严谨的理论支持，能得到较好的计算结果，但是当遇到诸如酶、聚合物、蛋白质等大分子体系时，计算很耗时，其计算代价无法承受[4]。为了在计算时间和计算精度上找到一个平衡点。采用量子化学半经验方法AMI进行了理论计算包括构型优化、振动分析电子光谱计算。科学家们以从头算法为基础，忽略一些计算量极大，但是对结果影响极小的积分，或者引用一些来自实验的参数，从而近似求解薛定谔方程，就诞生了半经验算法。如：AM1，PM3，MNDO，CNDO，ZDO等[5，6]。目前，对多类EL材料的研究大部分都是基于量子化学的半经验方法。

2光谱性能的量子化学半经验计算

EL材料的发光颜色与材料的荧光光谱有密切的关系，荧光即是电子由第一激发单重态跃迁回基态所产生的降级辐射。目前对光谱性能的量子化学计算多半基于量子化学半经验方法PM3和AM1，先对化合物的几何构型进行了全参数优化，得到其稳定构型，再进行振动分析，在此基础上利用单激发态组态相互作用方法（CIS）计算它们的电子光谱。

比如苏宇，廖显威[7]等人采用量子化学半经验方法PM3对三种黄酮类化合物的荧光光谱进行了理论研究。对各化合物优化后的构型作了振动分析，均未出现虚频率。在此基础上，采用单激发组态相互作用方法（CIS）计算荧光光谱，所有计算结果与实验值基本吻合。廖显威，李来才[8]采用单激发组态相互作用（CIS）方法，分别计算了4种稠环芳烃的电子光谱，选了801个组态进行计算，所得结果与实验值基本吻合。他们还对几种含氮芳烃化合物有机EL材料，对FL-4、FL-7、FL-10和FL-12的光谱进行研究，计算结果与实验值基本相符合。薛照明，张宣军[9]等用PM3/SCI方法计算了三个分子的电子吸收光谱，测定了三个分子的电子吸收光谱和荧光光谱（DMF溶液）。结果表明理论计算值与实验值相当吻合。高洪泽，石绍庆等利用量子化学半经验AM1及INDO/SCI方法研究了B与8-羟基喹啉的螯合（LiBq4）的电子结构和光谱性质，计算得到基态到各激发态的垂直跃迁能和振子强度，获得电子光谱。分析出由于配体中苯酚环、吡啶环对不同前线轨道的贡献不一样，所以在吡啶环和苯酚环上引入取代基会对光谱发生影响，为分子设计提供理论指导。

3量子化学对EL材料结构的分析

结构与性能的关系一直是量子化学的主要研究领域，它涉及的范围非常广泛，从无机小分子、有机分子到高聚物和生物大分子，从人为设计的理想模型分子到实用的药物分子和材料分子等[10]。通过结构与性能的研究，人们可以逐类地对一些化学现象进行统一的解释，得出一般性的规律，进而预言一新的化学事实，指导设计新的实验。目前国际上关心的课题主要有：重要新型无机分子、有机分子和原子簇化合物的化学键本质的研究；重金属、稀土元素化合物的成键规律；（半）导体材料、磁性材料、光电材料等。

高洪泽，石绍庆[11]等通过量子化学半经验方法研究了蓝色有机薄膜电致发光材料LiBq4电子结构，国外研究人员在这方面已做了不少努力，合成了很多类型的蓝色发光材料并且制备了相关器件[12-15]，但多数都没有获得突出的结果。由于LiBq4体系相对分子质量较大，迄今未见有对其进行理论研究的报道.他们通过计算结果表明，各个喹啉环基本保持各自的面共轭结构。计算得到的稳定几何结构和的主要键长。为探讨其发光机理及B和Li元素在其中所起的作用及M―N键的共价性、离子性对发光的影响，为进一步探索合成与设计具有优良性能的蓝色发光材料提供理论依据和指导。

4振动分析

判断分子是否处于稳定构型的一个重要方法是看它的振动光谱是否出现虚频率[16]。刘芳玲，张红梅[17]等对萘及其卤代化合物在B3LYP/6-31G水平下优化了4种化合物的几何构型，在振动分析中，其振动光谱均未出现虚频率，说明构型优化基本合理性。

5前景与展望

近些年来虽然量子化学在研究和分析EL材料方面，解释了一些实验现象，揭示了不少前期未被理解的机理，甚至预期了一些结构性能关系。但量子化学的应用远不止这些。随着量子化学理论不断发展和应用领域的逐渐拓宽，研究方法的不断创新，今后将对电致发光材料的合成和选择提供更好的理论依据和指导。将量子化学与EL材料的性质分析结合起来，才能更好的选择EL材料的构成，合成性能更好的EL材料。

【参考文献】

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半导体材料论文篇4

1渐进均匀化理论及其离散形

均匀化方法是针对周期性分布的复合材料的，首先应假定在宏观上非均匀的复合材料在细观尺度上呈周期性变化，如图1所示。且细观单胞尺度Y相对于宏观结构尺度X是一个很小的量μ，即Y=X/μ(0＜μ＜1)。图中Ω表示宏观区域，结构体受到体积力f，结构体的边界Γt上受到表面力t，Γu为位移被固定的边界。为了方便对均匀化方法进行数值计算，我们将其从张量形式转化成离散形式。宏观有效弹性常数计算式(2)和χkli的求解式(3)经有限元离散后为中:上标e表示单胞的有限元单元;［D］e是单元材料弹性性能矩阵;［B］e是单元的几何矩阵;［χkl］e是相对应单元节点的位移矩阵。

2微结构拓扑优化模型

本文对微结构进行有限元离散后，采用各向同性惩罚(SIMP)材料插值模型，对每个单元设定一个表示单元密度的连续变量x，以x为设计变量，且x∈［0，1］。则单元弹性矩阵与设计变量的关系为对上式参考复合函数微分性质以及周期性函的性质，得到均匀化等效弹性模量的计算公式，具推导过程见文献［9，10］。

3数值算例

微结构的拓扑优化设计区域为一正方形，单胞的三种边界条件如图2所示。实体材料的弹性模量E0=1000，泊松比v=0.3;材料为正交各向异性设计类型选取为平面应变问题，选用正方形四节等参单元。1)过滤半径对优化结构的影响优化目标为maxD11时，即取w=［1，0，0］，网格为20×20，材料体积约束取0.5，取不同的过滤半径进行灵敏度过滤的结果如图3所示。由图3可以看出材料呈水平纤维状，得到的结构水平方向的抗拉性能最优。由迭代收敛曲线及优化结果可以看出，选取过滤半径较小(f=1.4，微观单元边长为1)时，优化结果的棋盘格式有所改善但未完全消除;选取过滤半径f=2.0时，其优化结果最好且收敛速度快;选取过滤半径较大(f=5.0)时，优化构型出现模糊边界，且最优抗拉性能不及f=2.0时得到的最优解。通过引入灵敏度过滤技术棋盘格式得到了抑制，说明本文选用的敏度过滤法可以很好的消除网格依赖缺陷，优化构型。2)网格密度对优化结果的影响优化目标为maxD66，即取w=［0，0，1］，材料体积约束取0.5，网格划分分别取20×20、30×30和40×40得到的优化结果如图4所示。由图4可看出材料沿45°分布，可充分发挥材料的抗剪切能力，即材料获得最大剪切模量。不同的网格密度所得到的优化构型与最大剪切模量基本相等，说明网格疏密对最终拓扑结构的影响不大。网格细化对于得到的最优性能稍微有所提高但影响也不是很大。所以采用20×20的网格就可得到理想的优化结果，且运算时间较短。本文得到的优化构型与文献［11］采用MMA算法计算优化模型所得构型相比，材料分布规律基本相同。)惩罚因子对优化结果的影响优化目标为maxD66，惩罚因子p分别为2、3、4、5和6时，优化迭代曲线如图5所示，分别迭代为44、23、24、22和24步。由图5可知，随着惩罚因子的增加，目标函数收敛加快，但是最优值也随之减小。通过比较分析，惩罚因子为3时，即可加快收敛速度，又能得到较理想的目标函数最优值。本文中目标函数随惩罚因子变化的趋势与文献［13］中最刚微结构优化设计中趋势相似。

4周期性冲孔板设计

冲孔板广泛应用于建筑、机械等领域，如消音设备、制冷设备、音箱、滤清设备等，因而其种类繁多、形状各异。本文将弹性性能作为优化目标对铝合金冲孔板孔型(材料分布)进行设计，使其在不同工况下具有能发挥材料最大潜力的结构。有2A11铝合金(E=0.7×105MPa，ν=0.33)冲孔板孔洞百分比为40%，优化得到冲孔板的双向抗拉性能成一定比例w(w1=max0.5D11+0.5D22，图6a));w2=max0.6D11+0.4D22，图6b)以及最大剪切模量G(图6c))的构型及其优化迭代次数收敛曲线。双向均衡拉伸模量相等时，材料平均分布;当水平方向的比重增加时，材料在水平方向分布量也之增多。通过本文设计的优化模型，在保证材料限定用量的情况下，得到了具有期望力学性能的构件。

半导体材料论文篇5

关键词：半导体，超晶格，集成电路，电子器件

1.半导体材料的概念与特性

当今，以半导体材料为芯片的各种产品普遍进入人们的生活，如电视机，电子计算机，电子表，半导体收音机等都已经成为我们日常所不可缺少的家用电器。半导体材料为什么在今天拥有如此巨大的作用，这需要我们从了解半导体材料的概念和特性开始。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，在某些情形下具有导体的性质。半导体材料广泛的应用源于它们独特的性质。首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质参入对半导体的性质起着决定性的作用，它们可使半导体的特性多样化，使得PN结形成，进而制作出各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质会因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷器等；半导体基片可以实现元器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路。这种种特性使得半导体获得各种各样的用途，在科技的发展和人们的生活中都起到十分重要的作用。

2.半导体材料的发展历程

半导体材料从发现到发展，从使用到创新，也拥有着一段长久的历史。在20世纪初期，就曾出现过点接触矿石检波器。1930年，氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用，使半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成，成为半导体的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生长技术的开发和集成电路的发明，使得微电子技术得到进一步发展。60年代，砷化镓材料制成半导体激光器，固溶体半导体材料在红外线方面的研究发展，半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研究成功，使得半导体器件的设计与制造从杂志工程”发展到能带工程”，将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展，砷化镓和磷化铟等半导体材料得成为焦点，用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件等；近些年，新型半导体材料的研究得到突破，以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出其超强优越性，被称为IT产业新的发动机。

3.各类半导体材料的介绍与应用

半导体材料多种多样，要对其进一步的学习，我们需要从不同的类别来认识和探究。通常半导体材料分为：元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、有机半导体、超晶格半导体材料。不同的半导体材料拥有着独自的特点，在它们适用的领域都起到重要的作用。

3.1元素半导体材料

元素半导体材料是指由单一元素构成的具有半导体性质的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和锗为典型。硅在在地壳中的含量较为丰富，约占25%，仅次于氧气。硅在当前的应用相当广泛，它不仅是半导体集成电路、半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上元件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中于制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他器件如探测器，也具备着许多的优点，广泛的应用于多个领域。

3.2化合物半导体材料

通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构的半导体性质。化合物半导体材料种类繁多，按元素在元素周期表族来分类，分为三五族（如砷化镓、磷化铟等），二六族（如硒化锌），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池、光电器件、超高速器件、微波等领域占据重要的位置，且不同种类具有不同的性质，也得到不同的应用。。

3.3固溶体半导体材料

固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶体半导体或者合金半导体。随着每种成分在固溶体中所占百分比（X值）在一定范围内连续地改变，固溶体半导体材料的各种性质（尤其是禁带宽度）将会连续地改变，但这种变化不会引起原来半导体材料的晶格发生变化.利用固溶体半导体这种特性可以得到多种性能的材料。

3.4非晶半导体材料

非晶半导体材料是具有半导体特性的非晶体组成的材料，如α-硅、α-锗、α-砷化镓、α-硫化砷、α-硒等。。这类材料，原子排列短程有序，长程无序，又称无定形半导体，部分称作玻璃半导体。非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸发或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器、太阳能电池薄膜晶体管等非晶半导体器件。

3.5有机半导体材料

有机半导体是导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在10-10～100S·cm的负一次方范围内的有机物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物等.其中聚丙烯腈等有机高分子半导体又称塑料半导体。有机半导体可分为有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。相比于硅电子产品，有机半导体芯片等产品的生产能力较差，但是拥有加工处理更方便、结实耐用、成本低廉的独特优点。目前，有机半导体材料及器件已广泛应用于手机，笔记本电脑，数码相机，有机太阳能电池等方面。

3.6超晶格微结构半导体材料

超晶格微结构半导体材料是指按所需特性设计的能带结构，用分子束外延或金属有机化学气相沉积等超薄层生产技术制造出来的具有各种特异性能的超薄膜多层结构材料。由于载流子在超晶格微结构半导体中的特殊运动，使得其出现许多新的物理特性并以此开发了新一代半导体技术。。当前，对超晶格微结构半导体材料的研究和应用依然在研究之中，它的发展将不断推动许多领域的提高和进步。

4.半导体材料的发展方向

随着信息技术的快速发展和各种电子器件、产品等要求不断的提高，半导体材料在未来的发展中依然起着重要的作用。在经过以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料发展历程后，第三代半导体材料的成为了当前的研究热点。我们应当在兼顾第一代和第二代半导体发展的同时，加速发展第三代半导体材料。目前的半导体材料整体朝着高完整性、高均匀性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向迈进。随着微电子时代向光电子时代逐渐过渡，我们需要进一步提高半导体技术和产业的研究，开创出半导体材料的新领域。相信不久的将来，通过各种半导体材料的不断探究和应用，我们的科技、产品、生活等方面定能得到巨大的提高和发展！

参考文献

[1]沈能珏,孙同年,余声明,张臣.现代电子材料技术.信息装备的基石[M].北京：国防工业出版社,2002.

[2]靳晓宇.半导体材料的应用与发展研究[J].大众商务,2009,(102).

[3]彭杰.浅析几种半导体材料的应用与发展[J].硅谷,2008,(10).

[4]半导体技术天地.2ic.cn/html/bbs.html.

半导体材料论文篇6

论文关键词：高效太阳能电池,机理,工艺结构

1.前言

地球能源与环境问题日益突出，人类充分、高效、绿色地使用太阳能迫在眉睫。高效绿色太阳能电池的开发，是人类大量且充分地使用太阳能的关键环节。近年来新型太阳能电池不断出现，硅基太阳能电池效率与工艺也有所提高，但有关太阳能电池的普遍机制，以及使用什么样的材料与结构，才是人类比较理想的长期大量使用太阳能的工艺路径，等等核心问题，都没有真正取得共识与解决。本文以作者长期的实践探索积累为基础，对太阳能电池的本质逻辑，以及适应于人类长期持久的、循环经济的、无毒无害的、太阳能电池工艺路线和提高电池光电转换效率的方法等核心问题，作相对简明的理论回答（表述）。

2.太阳能电池的普遍机理

2.1环境保护约束条件下的电池材料与光电转换效率的选择

广义上讲，太阳能是地球万物能量的源泉。经过千百万年进化，大自然广泛利用太阳能的方法，如光合作用、大气环流的热蒸发效应等，是真正绿色自然循环的方式，值得人类借鉴。太阳光强度如用太阳常数描述约为1367W/M2，单位面积能量密度相对于现代人类的能耗需求来讲比较小，要广泛的、方便的使用太阳能，就必须大面积的、甚至像树枝树叶一样立体化的建造太阳能光电池叶片或电池薄膜。这里有两个关键环节问题需要把握与解决：

一是生产太阳电池所需材料问题，即必须使用无毒、无害、在大自然环境中大量存在并参与生态自循环的低成本材料作为制作可以广泛推广使用的、大市场的太阳能电池的原材料，否则，会出现新的材料短缺与新的更严重的环境污染问题，从这个意义讲，硅基太阳能薄片或薄膜电池，是极好的选择：硅是地球第二大丰度物质，是土地的主要组成部分，大量的太阳能硅基电池，不论是使用中还是报废，都没有给大自然生态环境增添新的成份，可以成为绿色的循环。绿色植物主要组成成份为有机碳水化合物，作为太阳能电池原材料当然更为绿色自然，但因寿命与效率限制，绿色有机物太阳能电池，不会成为主流太阳能电站的首选电池材料，但可以是多元化的太阳能电池产品中的非常环保的、低成本的、方便使用的重要组成成员。

二是太阳能电池的光电转换效率问题，要广泛地推广使用太阳能发电，使用太阳能电池的经济性、适用性，必须均为地球上大部分地区的普通公民与企业所接受，这实际上是绿色太阳能电池的光电转换效率问题，也就是普通居民与企业使用效果好坏问题。当前最好的硅基单晶电池产品的实际光电转换效率不超过19%—20%，绝大多数使用产品的车间光电转换效率在16%—19%（薄膜电池产品效率低得多），实际使用中单位平方米功率仅100—150W/M2，天气稍有阴雨发电功率即近为零。这样低的太阳能电池使用价值，决定了其不可能为广大社会民众所接受，也不可能有辉煌、美好的未来。炎热夏季即使是阴雨天，空气温度也在30—40oC，可利用的太阳能是巨大的，如果能将现有绿色太阳能硅基电池的效率大幅提升20%—30%以上，并将其光电转换吸收谱线宽度拓展至近中红外区域，地球人类自觉、积极推广使用太阳能的时代就会来临，太阳能电池产业也将真正进入黄金时代。

2.2太阳能电池普遍原理

2.2.1光照下的物体组成原子的电子的集体跃迁

微观世界由光电主宰，电磁作用处于支配地位，光与电场磁场是宏观与微观联系的基础路径。电子能级跃迁发射或吸收光子，一个电子吸收一个光子，即进入更高能级状态，是一种激发态，当然处于激发态的电子也可能再吸收一个光子，进入更高的激发态，这要满足泡利不相容原理与电子量子跃迁选择定则。

广义上讲，大量电子同时吸收大量光子，产生(宏观可测的)有序移动态势，即形成空间电位梯度，这种光生电势差，即光电池（积累电能）；宏观物质（包括气体）被光照，只有在某些特定的条件下，才能产生(宏观可测的)有序移动态势，绝大部分光照能量被材料物体的原子电子吸收产生宏观无序热运动（或称热激发”）；实际上宏观物质的微观结构原子离子电子，吸收光子光能，产生的宏观物理状态，是宏观有序移动态势与无序热运动之和（叠加），大量微观粒子（较）纯集体有序运动，是一种宏观量子效应。假设一个宏观物体被光照射，入射光功率为W（J/s），物体对外辐射的光热功率为Q（J/s），物体由此产生的内能变化E（J/s），E包含宏观有序移动态势Φ（J/s）（即积累势能，对电荷粒子来讲即为电能）与宏观无序热运动能R（J/s），则在不考虑其它宏观条件下，有：

E=W—Q（1）

E=Φ+R（2）

Φ=W—Q—R（3）

η=Φ/W(4)

β=Φ/E(5)

其中，η、β分别为物体（光电池）吸收光能变为有序能（电能）的转换效率、物体吸收光能的宏观量子效应大小（或称相对强弱）。物体在外界作用下的表现出纯宏观量子效应时β等于1（即100%）。

以上论述并没有对光电池的材料结构组成等作具体限制，不只是适用于固体、液体形态的光电池，是普适的关系。

2.2.2下面讨论物体微观电子在外界功（光）作用下能实现宏观自发有序运动的条件

普通太阳光照下，由于气体物质分子原子中吸收光子激发跃迁的电子密度低、脱离原子束缚的空间自由电子”极少，以下吸收太阳能物体只考虑固体、液体等凝聚态情形。

凝聚态物质，微观分子原子离子等单元结构有一定清晰度的空间边界，但电子或单元整体的电磁作用边界已经不清晰，或者说，结构单元之间的电磁相互作用已经很强，不同原子的外层电子已经存在不同程度的相互关联度，结构单元之间Å或10Å级的空间距离，已经可能实现一个原子的电子的逃逸与在原子之间接力移动，这是原子间电子产生协同有序状态的前提。

吸光物体在稳定的光功率W（J/s）照射下达到平衡状态时，物理状态量随时间变化的宏观量子统计平均值为零，宏观物理状态量的时空关系可以简单地化为微观粒子的空间量子结构的统计平均关系。大量电子吸收光子产生激发跃迁处在统计平衡状态，假设单位时间处在高能级（激发态）的平均电子数为Ne，吸收的光子的平均能量为Δε=ħω

—

，（其中，ħ为普朗克常数，ω

—

为光子平均角频率。），E为均衡状态下相对于无光照时的内能变化，则E=NeΔε=Neħω

—

=ħΣω（6）

跃迁到激发态的电子，因为物体微观结构单元（原子）的电磁边界重叠，相互之间形成比较强的电磁作用，如果存在一个稳定的作用力场（或），则全体激发态电子即会形成集体有序运动来对冲内部空间内的作用力场，（因此也可以称这些激发态电子为光生载流子），直至这些电子形成的内部电场完全对冲作用力场。作用力场可以是外加作用场，也可以是物体内部结构内生场，同时也可以是光照与物体结构共同作用而产生宏观有序作用。假设电子电荷为e库仑，光生载流子（电子）的平均有序做功移动路径为d，单位时间处在激发态的平均电子数为Ne，则有序移动态势能Φ（电能）为：

Φ=Ne∫d·d=Ne∫de·d=eNeV(7)

其中，V为电子受作用进行有序运动后形成平均空间电位势，（即开路电压）。

一般来讲，光生载流子的在稳定作用力场作用下形成的电能Φ，是可以通过外接电路可逆地释放出来的（除去部分热功），这就是光电池放电过程，太阳光持续照射，光电池可以持续发电做功。利用(5)、（6）、（7）等式，可得：

V=Φ/eNe=ħω

—

Φ/eE=ħω

—

β/e(8)

如果E=Φ，则有V=ħω

—

/e。也就是说，如果物体内部吸收光能所引起的电子量子跃迁产生的高位激发内能变化E（J/s），全部转化为宏观有序移动态势能Φ（电能），而没有宏观无序热运动能R损失，被吸收光能全部转换为电能，呈现100%的宏观量子效应，以500nm波长绿（近青）光计算，完全出现宏观量子效应的开路电压V可达2.5伏特。但要提高电池光能变为有序能（电能）的转换效率η，不仅要尽可能的实现宏观量子效应的最大化，而且要尽可能的减少反射透射（包括热辐射）的照射光能损失。对于完全理想化的宏观量子超精细结构光电池，其光电转换效率η是没有止境的。

以上论述与结论同样是普遍适用的。

如果作用力场是外加作用场如偏压（电场），光能的实际利用价值无几。以下重点分析物体内部结构内生场，及光照与物体结构共同作用而产生宏观有序作用场的情形。

2.2.2.1物体内部结构内生载流子作用场

任何导电材料如果内部微观结构，某些物理性能，如密度、电导率、折射率等，存在宏观有序的梯度分布，或者不同性能材料无隔离接触，均会在内部或者接触界面附近，产生

有序电场与电位势，良导体材料由于内部存在自由电子，这种电位梯度则存在于表面或接触面。图一、图二、图三分别是同一导电材料（包括半导体）存在某些物理性能在某一方向的梯度分布、至少一种是导电材料的两种不同物质材料无间隔接触界面、属于图二的特殊情形的半导体PN结表面接触结构。

以上情形可以是固液接触面，接触面可以是多样化的空间结构。两种金属固体接触面，产生内场的实际效果是自由电子可以自由”从M1到M2或从M2到M1，类似单一金属内部电场为零的等电位形态，用近似的费米面解释即被费米面抹平（相等），但是界面两边不同的自由电子束缚能（逸出功或自由电子公共能级）µ1、µ2，使电子从M1到M2或从M2到M1，呈现逆内生电场移动吸能或顺内生电场移动放能的过程。假设µ=µ1—µ2，µ实为两种金属接触界面附近的电位差V，电子吸能或放能为℮V。一般情况下，由于大量的金属表面附近的自由电子对光子的吸收与反射，造成金属不透光性，MM接触面的有序势不可能导致光能转为电能。但是特殊情况下，这是一个非常具有使用价值的表面有序作用势，这在下面内容中再论述。

下面讨论一下以上结构形式的内生有序势与光电池效率等的数学关系。

同质物体存在内生电势梯度的情形。假设物体微观结构在空间上存在载流子密度、或光电性能等物质标量（M(r)表示）的梯度分布M(r)，（为空间微分），这种光电性能的有序性梯度分布，肯定产生一种均衡扩散作用力。比如载流子浓度有序性梯度分布，即是玻尔茨曼扩散方程关系中的扩散力。

假设物体微观结构空间的电位势为U(r)，则电场强度为：=—U。拥有这种梯度特性的半导体材料，虽说内部存在有一定宏观方向性的电位势梯度，常态下如果内部并没有可以在微观结构单元之间移动的电荷存在，并不能产生持续的电流；但在阳光持续照射作用下，半导体材料组成原子的低浅能级电子吸收自然光光子跃迁激发到原子间共有的高能级区域（电磁作用重叠区域，能带理论中的空导带），在作用下大量原子激发电子形成宏观有序移动势，如短路则形成积累电势能Φ。假设接入外导线的位置在r1、r2点，U（r2）＞U(r1)，稳定光照下的电导率为σ(r)，则作为光电池的开路电压、闭路电流ISC分别为：VOC≤（U（r2）—U(r1)），ISC=∫Sσ(r)·d（9）

两种不同材料（或同质材料不同性能的两块材料）无隔离接触面附近存在内生有序电位势的情形。典型的为半导体PN结结构或金属—绝缘体—半导体MIS器件结构。接触表面附近的形成定向电场区PN结，或形成超薄的一个准二维面高势垒。光生载流子由PN结电场作用形成定向流动趋势，或由量子动力扩散作用形成界面两边光生载流子动态差异电势积累，即产生电能积累，引导线形成闭路则产生放电电流，持续光照即形成持续光电流输出。

如果将同质物体存在内生电势梯度的情形，近似为许多同质但不同密度”或性能大小”的材料薄片”的叠加组合而成，薄片之间的分界面相当于分割不同材料的界面，则同质物体存在内生电势梯度的情形”，实为两种不同材料性能无隔离接触面附近存在内生有序电位势的情形”的一种特例。这样，就统一了物体内部结构内生载流子作用场（势）的形式。PN结内生电位势差V及光电池的开路电压VOC、闭路电流ISC，基本上符合玻尔兹曼扩散方程，可以近似导出。这里用更简单的逻辑给出近似关系。

只考虑最简单的同质半导体P、N型掺杂形成的PN结情形。PN结形成的内生电场两端电位势差V，即为开路电压VOC，其与P、N型载流子密度np、ne及对应的扩散长度成正比。假设半导体本征原子电子平均吸收光子能量为Δε=hν（即为能带理论中的能隙Eg），产生激发跃迁，PN结电场区宽度为d，PN结区内电场可近似为平板结构，V=d*E=d*σ/ε0ε,其中E、σ、ε0ε分别为PN结区电场平均强度、等价单位面积电荷密度、半导体材料的介电常数。

开路时内生电场对光生载流子做功即为积累电能（单位面积电势能）：

Φ=σV=d*σσ/ε0ε（10）

单位面积光照功率W（J/s），单位面积PN结半导体内能变化E（J/s）近似为N个电子吸收光子的所增加的高位激发能，即：

E=∑hν=NEg+R(11)

(11)式中R为产生跃迁激发的N个电子吸收光能所贡献的无序热运动能（J/s），Eg为平均跃迁能级宽度(即价带与导带间的能隙宽度)。利用公式（4）、(5)则

η=Φ/W=σV/W=d*σσ/ε0εW(12)

β=Φ/E=σV/（NEg+R）=d*σσ/ε0ε（NEg+R）(13)

如果吸收光能产生量子跃强的电子所贡献的无序热运动能R忽略不计，则（13）变为：

β=Φ/E=σV/NEg=d*σσ/ε0εNEg(14)

凝聚态物体原子中电子吸收光子跃迁，总是有热能产生的，量子效率总是小于100%的；除非是理想晶格结构、又是单色光，才有可能光能全部变为量子能级内能，（又可以以激光的形式释放出来）。

2.2.2.2光照与物体结构共同作用而产生的载流子有序作用场

①两种不同材料性能无隔离接触面，如果形成超薄（0.5—2nm左右）准二维面高势垒，如果光子能量、势垒、两种材料电子吸光跃迁能级及能级差匹配，如图四示意，存在界面附近一种材料（如M1）的结构单元电子吸收一个光子（hν）直接越过势垒量子跃迁到另一种材料（如M2）的更高能级（导带），形成界面附近的有序量子效应，产生积累有序势能（电能）的效果，这种由超薄稳定薄膜（一般为绝缘带体）形成的准二维面高势垒（M1-I-M2结构），可以称为量子电子泵”，在光照作用下，起到泵抽电子”、光致发电的作用。光电池电压V=E22—E12。这也适用于光照面为半导体（M1）、背光面为金属（M2）的MIS情形。

PN结是一种空间结构更宽的量子电子泵”。

②超薄金属薄膜（或薄片）、半导体或其它导电薄膜准二维结构，在光线垂直照射下，薄膜两边形成电位势，用导线接通回路即产生光电流，如图五所示。

以金属薄膜为例，光子动量=h，垂直于薄膜平面，能量Δε=hν=pc，对于微纳米级薄膜结构，反射光极弱，光子动量与能量，几乎被薄膜电子与晶格吸收或透射，一个电子吸收一个动量=h光子，则获得沿光线方向的动量=h，产生沿背光面方向移动的有序势，大量电子同时吸收同方向光子得到沿光线方向动量即产生宏观有序电位势能。准二维超薄薄膜受平行光垂直照射，是人工通过器件几何结构实现宏观量子效应的经典方法。下面用简单的方法，分析光电流电压与薄膜材料及光功率的关系。

ΔW为单位时间单位面积内光照能（J/sm2），对应于ΔW/c动量流（薄膜表面光压）(N/m2)，当系统达到稳定均衡时，可以进行统计平均运算。假设导电薄膜（片）的载流子（这里只考虑电子）密度为ne，薄膜厚度为d，则单位面积光压（或动量流）ΔW/c相对与每个电子受力F为ΔW/cned，即F=ΔW/cned(15)

连续均匀光照下，薄膜中自由电子相当于受到一个沿光线方向均匀电场强度E的作用，E=F/e=ΔW/cnede(16)

则光照下电子有序移动形成薄膜两边的电位势差V（即开路电压）为：

V=Ed=ΔW/nece（17）

V的这个统计近似，与薄膜厚度d无关，可以理解为光子对载流子的冲压有作用尺度（深度）限制。分别取ΔW～1000W/m2、e为1.6*10-19库仑、c为3*108m/s，则V～2*1013/ne伏特，对厚膜来讲（厚度500—1000纳米以上）尤其是金属材料膜片，太阳光光照引起的光电压很小。

但在30nm＞d＞0.1nm超精细薄膜区间，直线光照的量子效应凸显，(15)（16）（17）等近似式不再适用，一维平行光子P与准二维晶格结构中的电子e的时空作用点（交集）更为明确，海森堡测不准原理表明电子在平行与光子Î方向上有更大的动量，V可以达到伏特数级。超薄薄膜的电子吸光有序移动，可以表现出量子跃迁的效应，即一个电子可以吸收能量为hv=V的光子，实现从薄膜前面到背光面的直接量子跃迁”（能级差由光辐射作用产生）。对半导体材料，薄膜在100—500nm厚度尺度，V也可以达到伏特数级。这是由可见光量子能级所决定的。这也是半导体体晶格结构中，超薄的分割二维界面（薄层），起到量子泵”作用机理的另一种论述，实际上也是下文中所述的薄膜电池叠层超高效耦合连接的微观机理论述。

同样，可以估算闭路电路ISC。设垂直穿过薄膜单位面积的电流密度为JSC，单位面积光照动量（光压）ΔW/c，全部转化为自由电子沿光线方向的有序动量，则JSC为：

JSC=enep/me=ene/me*ΔWdnr/c2ned=eΔWnr/c2me(18)

ΔW～1000W/m2、e为1.6*10-19库仑、c为3*108m/s、电子质量me为9.1*10-31kg、nr为导电材料的折射率，则JSC约为1.95*10-3nr安培，简单近似公式是合理的。由于这种结构金属材料光热效应明显，光电流与定向热扩散同效。

2.2.2.3超级晶格超级跃迁结构

大量电子吸收光子产生宏观有序移动，是宏观量子效应表现。从能量转换效率来讲，宏观有序量子效应与宏观无序热效应，是两种完全不同的物质能量状态。一般来讲，宏观有序量子效应，是可逆过程，只有物质宏观有序势，才可以变为有用能。对光电池来讲，电池材料吸光电子的宏观量子效应程度，决定电池的光照发电效率。这正是前面公式（1）、（4）、（5）等所含的主要意义之一。

不同均匀晶格材料原子电子的能级差异很大，两种材料（半导体或金属等）之间均匀无间隙界面（可以是准二维或准一维结构），实际上形成一个能级或电位差异V的宏观有序结构，即可能形成低电位材料界面附近电子同时吸收能量hν≥V光子，产生集体宏观定向跃迁的情形，即2.2.2.2节①所论述的、图四所示意的情形。如果这种宏观量子界面在纳米尺度上连续存在，如图五、图六所示，即为本节所论述的超晶格结构。

图五所示的，为（准）二维界面超晶格结构，由不同薄膜材料以均匀晶格结构、层层无间隙叠加而成。每种材料薄层厚度在0.1nm—100nm（有些材料单层薄膜可以更厚一些，更多材料不宜太厚）之间，保持均匀晶格结构；薄层之间界面清晰平顺。图五所示的，包含更多的有序结构内容，如材料每层厚度沿所示光线方向梯度增加，材料可以是两种材料A和B的ABABAB连续叠加结构，也可以是一种材料由超薄稳定隔离膜(厚度0.1—2nm)I准二维膜隔离的AIAIAIA连续叠加超晶格结构。当然也可以是三种以上合适晶格材料的均匀叠加结构。这种时空结构，形成一个可能促使原子电子连续有序跃迁的超级量子电子泵。

图六所示的，一个宽禁带半导体均匀晶格材料内部镶嵌另一种准一维半导体导电材料（直径d小于500nm甚至小于100nm，100nm≥d≥1nm）的超晶格结构。当然也可以是一种相对窄禁带半导体均匀晶格材料内部镶嵌另一种准一维良导体（如活性金属）纳米线超晶格结构。准一维纳米线材料在体形半导体材料内无间隙密实镶嵌，并保持自身准一维均匀晶格结构，准一维纳米线可以是平滑弯曲的，纳米线间距离是d的10—100倍以上。染料敏化太阳能电池与钙钛矿结构太阳能电池的核心结构实际上是这种结构，这里（包括后面的论述）事实上给出了染料敏化太阳能电池与钙钛矿结构太阳能电池的本质机理或理论基础。

无论是准二维平面附近还是准一维纳米线附近的晶格原子电子，均对（垂直）入射光子产生强烈吸收作用，这是四维时空作用矢量同向有序选择作用的必然结果，是产生宏观量子效应的时空结构。低电位电子吸收能量hν≥V光子，从一种材料时空边界，量子化”跃迁到另一种高电位材料时空边界。

对图五所示的超晶格结构形态，在持续光照情况下，如果界面两边的电位差Vij小于可见光光子能量hν（1.55—4.12eV），则各界面之间存在电子协同接力吸收光子跃迁的可能，相当于一个电子从正面连续不断移动跃迁到背面产生光电流，形成完全有序的宏观量子效应，使超晶格薄膜结构入射光面与背面的电位势产生最大电位势差Vmax=ΣVij≤hνmax/e≈4.1V。只要有足够的光生载流子密度，则这种超晶格甚至有可能使所有光子能量全部变为电子宏观有序能，光电转换热能损失很小，作为光电池其转换效率可以非常大。

对于图六所示的超晶格结构形态，体半导体与纳米线（所有纳米线可以像图六所示互相连接作为电源的一个电极）形成确定的电位势差V，大量电子参与有序跃迁移动，也可以形成很大的宏观量子效应电流，光电转换效率也很高。如果纳米线密度够大，合适的V日光（垂直）照射，可能使纳米线镶嵌的超晶格结构光电流密度达到100mA甚至更高。低位电子吸收能量hν≥V的光子，产生空间有序跃迁移动，形成体半导体与纳米线并联结构的统一电位势差V。

2.2.3能带结构机理描述

本小节就传统的能带理论对光电池的理论机理解释，与本文的光电池理论机理的关系等，进行简单地论述。

能量理论是薛定谔方程在固体晶体应用中，解集的一种描述，是波矢空间（时空对应的倒易空间）方程解的几何描述分析。能级是波矢的函数（偶次方关系），晶格结构的空间周期性，造成电子能级的密集叠加成间断的连续能带结构。能带之间的间隔为禁带或带隙，电子按泡利不相容原理与费米统计法则由低位向高位排列分布，满带为价带，最高能级的价带以上的不满带或空带为导带。材料晶格结构中，存在不满导带的，为金属材料，所有能带为满带或空带的，为半导体或绝缘体。费米面是T=0时被电子填充（占满）能带与无电子占据能带间的界面，对金属自由电子来讲费米能级EF是T=0是电子占据的最高能级。

费米统计分布公式：f(E)=1/(e(E－EF)/kT+1)(19)

其中，f(E)为E能级被一个电子占据的几率。当E=EF时，f(E)=1/2。

导电中的电子能量E是可以连续变化的，对应位移空间即是可以在晶格之间自由运动的”，价带中的低能电子吸收光子能量跃过禁带宽度Eg达到导带成为光生载流子。光生载流子的有序移动（即产生电位势，成为光电池发电）需要有类似PN结的内生电场存在。

对于图五和图六所示的连续叠层或内镶纳米线超晶格结构，从能带理论近似的角度来讲，位移空间一维或二维的有序分割，相对于波矢空间导带、禁带、价带宽度的有序变窄及波态加密，原宽禁带（或导带）中间产生新的能级（或窄禁带），电子吸收光子产生空间有序跃迁的几率大增，因此这类超晶格成为高量子效应的高光电转换效率的光电池（结构）。这种能带理论近似解释，完全与本文前述的光电池理论机理一致、相符。

2.2.4光电池材料吸收光谱的均衡匹配

阳光是全谱线光线的集合，其中红外光能几乎占到总光辐照能的50%。而不同材料与结构的吸收光谱不同，要达到对太阳光能的充分吸收，并产生更多的宏观有序的量子效应，叠层材料的匹配是关键。

晶体硅的禁带宽度Eg约为1.12eV，非晶硅厚膜Eg约1.6—1.8eV（3nmEg约2.0eV，2nmEg约2.5eV），微晶Eg约介于二者之间。其它常用材料，如Ge的Eg约0.67eV，GaAs的Eg约1.43eV，SiC的Eg约2.2—2.4eV，PbS的Eg约0.34—0.37eV，ZnO的Eg约3.2eV，TiO2的Eg约3.0eV，PbSe的Eg约0.27eV，CdTe的Eg约1.45eV，SiO2约6-8eV，Al2O3约8eV，ITO约为3.75-4.0eV，SnO2（透明导体）约（3.57-3.93）eV，MgF2约11eV等等。

对同质材料来讲，晶格结构确定时，纳米尺度是改变Eg的有效手段。2.2.2.3节中的超晶格结构，正是吸收光谱全谱线系列匹配的最优形式，只有这种超晶格结构，才可能产生电子全谱线吸收光子进行超级量子跃迁的宏观有序量子效应。

3.提高光电转换效率的关键工艺技术

3.1时空结构

材料的结构决定材料的性质，诱导材料产生高效宏观量子效应的空间有序结构，可以称之为材料的时空结构”。准一的纳米线、准二维的纳米薄膜，与来自其它维空间”（垂直于纳米线、或垂直于纳米薄膜平面的）光子，组成超有序时空结构，这是常态下产生宏观量子效应的基本条件。（本文前面对此有过简单论述。）

分别以p、e、s代表光子、电子、晶格声子的波矢，准二维平面纳米薄膜结构和准一维纳米线晶格结构的声子波矢与平行光呈垂直关系，即s⊥p，平行光与声子的作用完全被抑制，光反射也几乎为零，最大限度的增加了电子吸收光子产生p方向有序运动的机会。这正是准二维平面纳米薄膜结构和准一维纳米线晶格结构光电效应超强的原因。

本文图五、图六中所示的超级晶格结构，尤其是图五所示的纳米薄膜叠层厚度（几何）梯度增加变化结构，意味着即使在光子p方向上，也构造了能量梯度的空间协调关系，波矢在光子p方向的传播，形成在不同厚度薄膜内的波长或能级呈梯度分布的时空结构，这进一步增强了这种材料结构的时空有序性及强关联性，电子吸收光子产生的宏观量子效应更强。图六所示的纳米线结构，如果纳米线本身的直径d呈光子p方向的（几何）梯度分布，也会产生同样的时空效果。

在垂直于光子p的方向，连续梯度分布均匀平面薄膜或纳米线，假设电子波矢e为

e=e∥+e⊥，则薄膜或纳米线上电子吸收光子e∥由0变为e∥=p（20）

大量电子全吸收光子产生同一p方向的宏观有序能态，光子能量的热能损耗很少或无。也就是说，理想的超级晶格结构，可能达到100%的光电转换效率。

3.2诱导更多光子电子有序运动结构机理与光子电子泵

诱导光子、电子产生有序运动与作用，减少反射或无规热运动损失，是提高光电效率的前提条件。准二维平面纳米薄膜结构和准一维纳米线晶格结构，是诱导光子、电子产生有序运动与作用的基本时空结构。在此结构基础上，进一步加强时空结构的有序性，会产生更强大的宏观量子效应，进一步增大电子吸收光子产生有序电位势的效率。

以如图五的纳米薄膜有序结构为基础，再增加不同薄膜层的折射率nr递增、带隙Eg递减、（甚至再匹配电导率б递增）等材料性能空间有序排列结构，将更进一步地增加光子电子前行”与电子吸收光子的几率，甚至可以达到诱导绝大部分光子电子有序运动、电子吸收绝大部分光子产生宏观有序电能的效果。

纳米薄膜厚度几何梯度递增与折射率梯度递增，是诱导光子前行减少表面反射损失的有效工艺手段，厚度匹配起全光谱耦合与增透作用，折射率几何梯度递增起到吸聚光作用（垂直光透射率最大），前端薄膜超精细叠层结构（超晶格层）又对后端薄膜界面的反射起到折返减反的作用（有全反射效应），这是典型的诱导光子透过的泵抽结构。下表为部分材料的折射率。

常用材料的折射率nr

序号

材料

折射率

备注

1

空气

1.0003

2

水

1.333

3

MgF2

1.38

4

玻璃

1.45-1.7

5

聚乙烯

1.51

6

金刚石

1.76-1.77

7

Al2O3

1.76

8

NSi

1.80-2.5

9

SiO2

0.59-0.67μm薄膜

1.6-1.7

2.086-2.127

薄膜厚度改变nr

10

ITO

1.68-1.80(薄膜2.05)

微米级厚膜

11

ZnO

2.004

12

钻石

2.417

13

TiO2

2.55-2.76

14

SiC

2.64-2.67

15

Si

3.41-3.44

16

Si3N4