《半導體太陽電池數值分析基礎（上冊 ）》是2022年科學出版社出版的圖書，作者是張瑋。
基本介紹
- 中文名：半導體太陽電池數值分析基礎（上冊 ）
- 作者：張瑋
- 出版時間：2022年8月1日
- 出版社：科學出版社
- 頁數：408 頁
- 書號：9787030729231
- 叢書名：半導體科學與技術叢書
- 字數：542000
內容簡介,作者簡介,
內容簡介
《半導體太陽電池數值分析基礎（上冊 ）》涵蓋了實現半導體太陽電池數值分析所需的器件物理模型、數據結構、數值算法和軟體實施等四部分內容，著重於物理模型的來龍去脈、數據結構的面向對象、數值算法的簡潔高效、軟體實施的完整詳盡，最終方便讀者快速開發面向自己工作的數值分析工具。
本書建立在作者20年來從事III-V族多結太陽電池器件物理與製備技術的經驗基礎上，相關內容是十幾年來開發具有自主智慧財產權的多異質結太陽電池數值分析軟體工作的總結與提煉，部分內容作為上海航天技術研究院研究生的專業課講授過。
作者簡介
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 躍遷機率 12
1.2.3 遷移率 14
1.2.4 自發輻射複合 16
1.2.5 缺陷輔助複合 17
1.2.6 俄歇複合 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 視窗層 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複合速率 25
1.3.6 異質結勢壘對界面複合速率的影響 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 典型複合機制的壽命 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 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1:二極體模型 41
1.7.2 根據開路電壓估計材料非輻射複合壽命 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:細緻平衡模型 44
1.7.5 表面複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體 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 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 格線初始化 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 格線自適應 75
2.2.8 後處理 75
2.3 模組化與通用性 76
2.4 國外軟體概述 78
參考文獻 80
第3章 電子態 82
3.0 概述 82
3.1 基本電子態 84
3.1.1 自由原子中的電子態 84
3.1.2 材料原子中的電子態 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 高度局域化的基函式：Wannier函式 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 153
3.6.1 多帶包絡函式:Kane表象 153
3.6.2 多帶包絡函式:Wannier表象 156
3.6.3 雙帶包絡函式方程 159
3.6.4 二維結構的包絡函式 160
3.7 態密度 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 約化分布函式 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 特徵時間 193
4.5 從單粒子方程到巨觀輸運方程 195
4.5.1 歸一化 195
4.5.2 參數化方程 196
4.5.3 穩態分布函式 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 缺陷的電荷統計與複合速率 225
5.0 概述 225
5.1 統計熱力學圖像 226
5.1.1 半導體電荷分布的簡單系綜圖像 226
5.1.2 統計熱力學的相關基礎 227
5.2 穩定缺陷的熱平衡統計模型 229
5.2.1 獨立多態多能級缺陷的統計熱力學模型 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 三能級態雙電子中心 235
5.2.6 CdTe中的多態電荷統計 237
5.3 缺陷化學反應的統計熱力學模型 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 位錯占據的統計力學模型 239
5.4 典型的非晶半導體：非晶矽 241
5.4.1 弱鍵 241
5.4.2 缺陷態密度 242
5.4.3 器件模擬中的懸掛鍵缺陷態密度模型 246
5.5 帶尾態與Gauss態的電荷密度 247
5.6 缺陷複合的動力學模型 250
5.6.1 單態缺陷-SRH複合模型 250
5.6.2 SRH複合速率與俘獲截面、缺陷能級位置的關係 253
5.6.3 多能級多態情形 253
5.6.4 非晶矽三態複合模型 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 占據機率與複合速率的計算 263
5.9.1 電荷占據機率的數值溢出 263
5.9.2 數值穩定的電荷占據機率子程式 264
5.9.3 單能級缺陷的複合速率子程式 267
5.9.4 複合缺陷的點電荷子程式 270
5.9.5 複合缺陷的複合速率子程式 271
5.10 缺陷態連續分布的計算 271
5.10.1 缺陷態連續分布的自適應積分算法 271
5.10.2 帶尾態與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 缺陷複合下的輸運模型 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 量子限制中的複合 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 突變界面的連續條件 287
6.1.4 平面波 288
6.1.5 吸收係數的微觀模型 290
6.1.6 量子限制區域的吸收 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 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 反射與透射係數 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 數值計算細節 313
6.5.3 實際的材料光學參數 315
6.5.4 最佳化算法 316
6.6 軟體實施 320
6.6.1 模組架構 320
6.6.2 數據結構:光學模型 321
6.6.3 數據結構:過程控制 325
6.6.4 數據結構:計算結果 325
6.6.5 數值任務 329
6.6.6 基本計算 329
6.6.7 複合與最佳化計算 331
6.7 典型示例 332
參考文獻 338
第7章 光子自循環 341
7.0 概述 341
7.1 基本模型 342
7.2 自發輻射光譜 343
7.3 空間關聯函式的射線光學法 345
7.4 空間關聯函式的Maxwell方程法 349
7.5 空間關聯函式的量子光學框架 353
參考文獻 354
第8章 表面與界面 357
8.0 概述 357
8.1 異質界面 359
8.1.1 邊界連線條件 359
8.1.2 跨越界面的流 360
8.1.3 界面兩邊的矩框架 363
8.1.4 拋物能帶下的顯式表達 365
8.1.5 半經典界面模型 368
8.1.6 熱載流子界面輸運 369
8.1.7 表面和界面的靜電勢 371
8.2 非理想界面 372
8.2.1 入射到界面上的流 372
8.2.2 界面上的複合 374
8.2.3 異質界面的輸運方程 375
8.3 表面和電極接觸 376
8.3.1 表面 376
8.3.2 金屬半導體接觸 378
8.3.3 電極確定的能帶排列 380
8.4 數據結構 382
8.5 數值實施 384
參考文獻 386
第9章 量子隧穿 388
9.0 概述 388
9.1 導帶/價帶隧穿 390
9.2 能帶/界面隧穿 393
9.3 缺陷到能帶隧穿 394
9.3.1 基本框架 394
9.3.2 熱躍遷輔助機制 397
9.3.3 聲子輔助機制 398
9.3.4 缺陷輔助共振隧穿機制 399
9.4 隧穿機率的計算 400
9.4.1 WKB模型 400
9.4.2 傳輸矩陣方法 403
9.5 隧穿相關的數據結構 405
參考文獻 406
