2.2 晶体硅的基本物理化学性质^[2]

1.电学性质

硅是典型的半导体材料，其电阻率约在10^-4～10¹⁰Ω·cm范围内；电导率和导电型号对杂质和外界因素（光、热等）高度敏感。本征半导体硅不含杂质和缺陷，电阻率很高；当掺入极微量的电活性杂质后，其电导率显著增加。当纯硅中掺入施主杂质（Ⅴ族元素磷、砷、锑等）时，可形成n型硅，呈电子导电；当掺入受主杂质（Ⅲ族元素硼、铝、镓等）时，形成p型硅，呈空穴导电。如上所述，空穴由价键断裂形成，价键断裂处失去电子留下带正电荷的“空位”，即空穴。p型硅与n型硅相接触的界面形成pn结。pn结是太阳电池的基本结构，也是太阳电池的工作基础。

2.化学性质

在自然界中，硅主要以氧化物形式存在。在常温下，晶体硅的化学性质很稳定；但在高温下，硅几乎可与所有物质发生化学反应。与太阳电池相关的一些重要化学反应式有：

其中，后两个反应常用于制造高纯硅。

Si不溶于HCl、H₂SO₄、HNO₃、HF及王水。

以HNO₃作为氧化剂，Si可被HF-HNO₃混合液溶解和腐蚀：

Si与NaOH或KOH反应，可以生成能溶于水的硅酸盐：

3.光学性质

入射到晶体硅上的光，遵守光的反射、折射和吸收定律。晶体硅材料对光的反射、吸收和透射示意图如图2-12所示。图中，I₀为入射光强度，R为硅的入射界面反射率，R′为硅的出射界面反射率，x为光进入硅中的距离，α为硅的光吸收系数，d为硅的厚度，I₂为透射光强度。

硅的折射率见表2-1^[4]。

根据光辐射的吸收定律，硅晶体内距离前表面为χ处的辐射强度I_χ为

式中，α为吸收系数，R为反射率。

单晶硅材料的光吸收系数与光波能量之间的关系如图2-13所示^[5，6]。

晶体硅对光的吸收包括本征吸收、杂质吸收、激子吸收和晶格振动吸收等，其中最重要的是本征吸收。本征吸收是指因光子激发使电子从价带跃迁到导带，这种跃迁发生在极限波长λ₀=1.12μm之内，对应的禁带宽度E_g=1.1eV；其他各种吸收都在λ₀之外。硅对于波长大于1.15μm的红外光几乎是透明的，在1～7μm红外光范围内其透射率高达90%～95%。

硅属于间接带隙材料，但当其受到能量足够大的光子激发时，硅中的电子也能发生直接跃迁。由图2-13可以看出，光吸收系数在吸收限λ₀以下时随光子能量上升而逐渐上升，在α达到10⁴～10⁸cm^-1范围内时出现直接跃迁。图2-14所示为在AM0和AM1.5条件下，硅的厚度与其可利用太阳能量的百分比的关系。由图可见，晶体硅需要有100μm的厚度，才能吸收绝大部分太阳光能^[7]。

4.力学和热学性质

在室温条件下，硅是脆性材料；当温度高于700℃时，硅具有热塑性。硅的抗拉应力远大于其抗剪应力，因此在制造大面积、薄片硅太阳电池时，很容易发生弯曲、碎裂等情况。

硅在熔化时体积缩小，凝固时体积膨胀。熔融硅的表面张力为736mN/m，密度为2.533g/cm³。

5.相图

在半导体硅及太阳电池的制备中，需要用到硅的相图。图2-15（a）所示的是铝-硅相图，图2-15（b）所示的是银-硅相图^[3]。

硅的物理化学性质参见附录F^[3]。