2.2 晶體硅的基本物理化學性質^[2]

1.電學性質

硅是典型的半導體材料，其電阻率約在10^-4～10¹⁰Ω·cm范圍內；電導率和導電型號對雜質和外界因素（光、熱等）高度敏感。本征半導體硅不含雜質和缺陷，電阻率很高；當摻入極微量的電活性雜質后，其電導率顯著增加。當純硅中摻入施主雜質（Ⅴ族元素磷、砷、銻等）時，可形成n型硅，呈電子導電；當摻入受主雜質（Ⅲ族元素硼、鋁、鎵等）時，形成p型硅，呈空穴導電。如上所述，空穴由價鍵斷裂形成，價鍵斷裂處失去電子留下帶正電荷的“空位”，即空穴。p型硅與n型硅相接觸的界面形成pn結。pn結是太陽電池的基本結構，也是太陽電池的工作基礎。

2.化學性質

在自然界中，硅主要以氧化物形式存在。在常溫下，晶體硅的化學性質很穩定；但在高溫下，硅幾乎可與所有物質發生化學反應。與太陽電池相關的一些重要化學反應式有：

其中，后兩個反應常用于制造高純硅。

Si不溶于HCl、H₂SO₄、HNO₃、HF及王水。

以HNO₃作為氧化劑，Si可被HF-HNO₃混合液溶解和腐蝕：

Si與NaOH或KOH反應，可以生成能溶于水的硅酸鹽：

3.光學性質

入射到晶體硅上的光，遵守光的反射、折射和吸收定律。晶體硅材料對光的反射、吸收和透射示意圖如圖2-12所示。圖中，I₀為入射光強度，R為硅的入射界面反射率，R′為硅的出射界面反射率，x為光進入硅中的距離，α為硅的光吸收系數，d為硅的厚度，I₂為透射光強度。

硅的折射率見表2-1^[4]。

根據光輻射的吸收定律，硅晶體內距離前表面為χ處的輻射強度I_χ為

式中，α為吸收系數，R為反射率。

單晶硅材料的光吸收系數與光波能量之間的關系如圖2-13所示^[5，6]。

晶體硅對光的吸收包括本征吸收、雜質吸收、激子吸收和晶格振動吸收等，其中最重要的是本征吸收。本征吸收是指因光子激發使電子從價帶躍遷到導帶，這種躍遷發生在極限波長λ₀=1.12μm之內，對應的禁帶寬度E_g=1.1eV；其他各種吸收都在λ₀之外。硅對于波長大于1.15μm的紅外光幾乎是透明的，在1～7μm紅外光范圍內其透射率高達90%～95%。

硅屬于間接帶隙材料，但當其受到能量足夠大的光子激發時，硅中的電子也能發生直接躍遷。由圖2-13可以看出，光吸收系數在吸收限λ₀以下時隨光子能量上升而逐漸上升，在α達到10⁴～10⁸cm^-1范圍內時出現直接躍遷。圖2-14所示為在AM0和AM1.5條件下，硅的厚度與其可利用太陽能量的百分比的關系。由圖可見，晶體硅需要有100μm的厚度，才能吸收絕大部分太陽光能^[7]。

4.力學和熱學性質

在室溫條件下，硅是脆性材料；當溫度高于700℃時，硅具有熱塑性。硅的抗拉應力遠大于其抗剪應力，因此在制造大面積、薄片硅太陽電池時，很容易發生彎曲、碎裂等情況。

硅在熔化時體積縮小，凝固時體積膨脹。熔融硅的表面張力為736mN/m，密度為2.533g/cm³。

5.相圖

在半導體硅及太陽電池的制備中，需要用到硅的相圖。圖2-15（a）所示的是鋁-硅相圖，圖2-15（b）所示的是銀-硅相圖^[3]。

硅的物理化學性質參見附錄F^[3]。