第2章 半导体太阳电池原理
2.1 半导体简介
为了说明光伏效应这一概念，我们要从半导体说起。固体材料按照导电性能，可分为绝缘体、导体和半导体。通俗地讲，能够导电的称为导体；不能导电的称为绝缘体；介于导体与绝缘体之间的称为半导体。不同材料的导电性如图2.1所示。
图2.1 不同材料的导电性
半导体材料的种类很多，可分为无机半导体和有机半导体。又可按其化学成分，分为元素半导体和化合物半导体；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体。杂质半导体按其导电类型，又分为N型半导体和P型半导体。此外，根据半导体材料的物理特性，还有磁性半导体、压电半导体、铁电半导体、有机半导体、玻璃半导体、气敏半导体等之分。目前获得广泛应用的半导体材料有锗、硅、硒、砷化镓、磷化镓、硫化镉、锑化铟等，其中锗、硅材料的半导体生产技术最为成熟、应用得最多。
自然界中物质存在的形态有气态、液态和固态。固体材料是由原子组成的，原子是由原子核及其周围的电子构成的，一些电子脱离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由电子。金属之所以容易导电，是因为在金属体内有大量能够自由运动的电子，在电场的作用下，这些电子有规则地沿着电场的相反方向流动，形成电流。自由电子的数量越多，或者它们在电场的作用下有规则流动的平均速度越高，电流就越大，我们把这种运载电量的粒子，称为载流子。在常温下，绝缘体内仅有极少量的自由电子，因此对外不呈现导电性。半导体内有少量的自由电子，在一些特定条件下才能导电。半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。
半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料，其电导率在10-3～10-9S/cm范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。首先，掺入微量杂质可以使半导体的导电能力大大增强。其次，通过控制温度可以控制半导体的性质。当环境温度升高时，半导体的导电能力就会显著增加；当环境温度下降时，半导体的导电能力就会显著下降。这种特性称为半导体的“热敏性”。热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。此外，很多半导体对光十分敏感，当有光照射在这些半导体上时，这些半导体就像导体一样，具有较强的导电能力。
尽管半导体材料种类众多，但是归结起来都有以下相同的基本特征。
① 电阻率特性。电阻率在杂质、光、电、磁等因素的作用下，可以产生大范围的波动，从而使其电学性能可以被调控。
② 导电特性。有两种导电的载流子：一种是电子，为带负电荷的载流子；另一种就是空穴，为带正电荷的载流子。而在普通的金属导体中，导电的载流子仅仅是电子。
③ 负的电阻率温度系数。随温度的升高，其电阻率下降；而金属则恰恰相反，随温度的升高，电阻率也增大。
④ 整流特性。半导体具有单向导电性能。
⑤ 光电特性。能在太阳的光照射下产生光生电荷载流子效应。
正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。
① 元素半导体有锗、硅等。20世纪50年代，锗在半导体中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到20世纪60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种半导体材料。
② 化合物半导体。由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，常用的有砷化镓、磷化铟、锑化铟、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中，砷化镓是制造微波器件和集成电路的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有广泛应用。
③ 无定形半导体材料。是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。
④ 有机半导体材料。已知的有机半导体材料有几十种，其中有一些目前尚未得到应用。
2.1.1 晶体结构
固态物质可根据它们的质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点、加热时在某一温度范围内逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。这种对称、有规则的排列，叫作晶体的点阵或晶体格子，简称晶格。最小的晶格，称为晶包。晶包的各向长度称为晶格常数；将晶格周期地重复排列起来，就构成为晶体。晶体分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。在多晶体中，每个小晶体中的原子排列顺序的位向是不同的。非晶体没有上述特征，组成它们的质点的排列是无规则的，而是“短程有序、长程无序”的排列，所以又称为无定形态。一般的硅棒是单晶体，粗制的冶金硅和利用蒸发或气相沉积制成的硅薄膜为多晶硅，也可以认为是无定形硅。
图2.2所示为硅的原子结构。图2.3所示为晶体硅的晶胞结构。它可以看作是两个面心立方晶胞沿对角线方向上位移1/4互相套构而成。这种结构被称为金刚石式结构。硅（Si）、锗（Ge）等重要半导体均为金刚石式结构。1个硅原子和4个相邻的硅原子由共价键连接，这4个硅原子恰好在正四面体的4个顶角上，而四面体的中心是另一硅原子。硅原子可以作许多间距相同而互相平行的平面，称为晶面。垂直于晶面的法线方向，称为晶向。具有同一晶向的所有晶面都相似，称为晶面族。一块晶体可以划分出许多晶面族。为区分硅的不同晶面和晶向，可设想利用3个互相垂直的坐标轴，将每一个晶面在空间的位置用其余这3个坐标轴相截的关系来表示。通常用各轴上截距的倒数即晶面指数来表示。如图2.4所示，其中（111）面指的晶面与坐标系的“X、Y、Z”3个轴的截距的倒数为1个周期；（110）面指的是晶面与坐标系X、Y轴的截距的倒数为1个周期，Z轴为0表示它平行于Z轴；（100）面为只截取X轴而平行于Y轴和Z轴的任何平面。常见晶体硅的主要晶面，即为这3个晶面。
图2.2 硅的原子结构
图2.3 晶体硅的晶胞结构
图2.4 晶体硅的主要晶面示意图
晶体具有各向异性的特征，即在不同的晶面某些物理性质和化学性质会有很大差别。
2.1.2 能带
从能带的角度解释，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间的原因在于半导体能带的带隙。自由空间的电子所能得到的能量值基本上是连续的，但在半导体中，因为量子效应，孤立原子中的电子占据非常固定的一组分立的能线，当孤立原子相互靠近时，规则整齐排列的晶体中，由于各原子的核外电子相互作用，本来孤立的、分离的原子相互重叠，变成带状，称为能带。
具体来讲，原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核运动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。一个能级也表示电子的一种运动状态。
电子在壳层中的分布，应满足如下两个基本原理：①泡利不相容原理，即原子中不可能有两个或两个以上的电子处于量子数都相当的同一运动状态中；②能量最小原理，即原子中每个电子都有优先占据能量最低的空能级的趋势。
一种元素的化学性质和物理性质是由其原子结构决定的，其中外层电子的数目起着最为重要的作用。原子和原子的结合，主要靠外层的相互交合以及价电子运动的变化。电子在原子核周围运动时，每一层轨道上的电子都有确定的能量，最里层的轨道相应于最低的能量，第二层轨道具有较大的能量，越是外层的电子受原子核的束缚越弱，从而能量越大。电子不存在具有两层轨道中间的能量状态。为形象起见，可用一系列高低不同的水平线来表示电子在两层轨道中运动所能取得的能量值。这些横线就是标志电子能量高低的电子能级。
在一个孤立的原子中，电子只能在各个允许的不同轨道上运动，不同轨道的电子能量不同。在晶体中，原子之间的距离很近，相邻原子的电子轨道相互重叠、相互影响，每个原子的电场相互叠加。这样，与轨道相对应的能级，就不是单一的电子能级，而是分裂为能量非常接近但又大小不同的许多电子能级。这些由许多条能量相差很小的电子能级所组成的区域，看上去像一条带子，因而称为能带。每层轨道都有一个对应的能带，如图2.5所示。外层的电子由于受相邻原子的影响较大，它所对应的能带较宽；内层的电子则由于受到相邻原子的影响较小，其所对应的能带则较窄。电子在每个能带中的分布，一般是先填满较低的能级，然后逐步填充能量较高的能级，并且每条能级只允许填充两个具有相同能量的电子，如图2.6所示。
图2.5 电子轨道对应的能带
图2.6 电子在能带上的分布
内层电子能级所对应的能带，都是被电子填满的。最外层价电子能级所对应的能带，有的被电子填满，有的未被填满，这主要取决于晶体的种类。例如，铜、银等金属晶体的价电子能带有一半的能级是空的，而硅、锗等半导体晶体的价电子能带则全部被电子填满。
在0K（热力学温度）时电子在能带中所占据的最高充填能级称为费米能级。能带中电子按能量从低到高的顺序依次占据能级。与最外层价电子能级对应的能带称为价带。价带上方是未被电子占据的空能带。价电子到达该空带后将能参与导电，该空能带又称为导带。能带被价带占据的方式决定了介质的导电性能。导体中存在部分被电子占据、能参与导电的导带，导带中的电子在本带内跃迁所需的能量非常小，使得电子的动量发生连续改变，因而形成宏观定向移动；绝缘体中只存在满带和空带，电子的跃迁只能在不同能带之间进行，这就需要很大的能量，一般不易发生；半导体中的能带虽然也是满带，但是满带和空带之间的能隙非常小或有交叠，在外界的作用下（如光照、升温等）很容易形成一个导带，但它的导电能力远不及导体。
半导体的能量最高的几个能带分别是导带和价带。电子就处于导带中，一般是在导带底附近，导带底就相当于电子的势能；空穴就处于价带中，一般是在价带顶附近，价带顶就相当于空穴的势能。价带和导带之间不存在能级的能量范围叫作禁带。禁带的能量宽度便称为带隙，如图2.7所示。
图2.7 能带和带隙
由于带隙反映了固体原子中最外层被束缚电子变为自由电子所需的能量，因此带隙决定了固体的导电特性。那么半导体的带隙和绝缘体、金属的带隙又有什么区别呢？绝缘体的带隙宽，电子几乎不能从价带跃迁到导带，故具有很高的电阻率，即几乎不导电；金属的带隙为零，价带电子全为自由电子，因此导电性能很强；而对于半导体而言，其带隙较窄，当温度升高，或者受光照，或者经过掺杂后，半导体价带中的电子很容易就能够从价带跃迁到导带，此时半导体的载流子数量大量增加，其导电性能也就大大增加。
图2.8所示为金属、半导体和绝缘体的能带图。如图2.8（b）所示，价电子要从价带越过禁带跳跃到导带去参加导电运动，必须从外界获得一个至少等于Eg的附加能量。Eg的大小就是导带底部与价带顶部之间的能量差，称为禁带宽度或者带隙，其单位为电子伏特（eV）。例如，硅的禁带宽度在室温下为1.119eV的能量。若外界给予价带里的电子1.119eV的能量，则电子就有可能越过禁带跳跃到导带里，晶体就会导电。
图2.8 金属、半导体和绝缘体的能带图
金属与半导体的区别在于它在一切条件下都有良好的导电性，其导带和价带重叠在一起，不存在禁带，即使接近0K，电子在外电场的作用下，照样可以参加导电运动。而半导体存在十分之几电子伏特到4eV的禁带宽度。在0K时电子充满价带，导带是空的，此时像绝缘体一样不能导电。当温度高于0K时，晶体内部产生热运动，使价带中少量电子获得足够能量，跳跃到导带，这个过程称为激发，这时半导体就具有一定的导电能力。激发到导带的电子数目是由温度和晶体的禁带宽度决定的。温度越高，激发到导带的电子数目越多，导电性越好；温度相同，禁带宽度越小的晶体，激发到导带的电子数目就多，导电性越好。而半导体与绝缘体的区别，则在于禁带宽度不同。绝缘体的禁带宽度比较大，一般为5～10eV，在室温时激发到导带上的电子数目非常少，因而其电导率很小；半导体的禁带宽度比绝缘体小，所以在室温时有相当数量的电子会跳跃到导带上去。
2.1.3 电子空穴对
纯净半导体称为本征半导体。我们以硅原子的简化原子模型来说明。在温度为T=0K和没有外界激发时，每一个电子均被共价键所束缚。在室温条件下，或者从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），部分价电子就会获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这称为本征激发。理论和实验表明：在常温（300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能（1.1eV）的能量便可激发成为自由电子，自由电子在外加电场的作用下移动。自由电子移动后在原来共价键中留下的空位称为空穴。
当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。
为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。
在空穴和自由电子不断地产生的同时，原有的空穴和自由电子也会不断地复合，形成一种平衡。所以半导体中导电物质就是自由电子和空穴。在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构，如图2.9所示。
图2.9 本征硅共价键结构图
在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现，因此将它们称作为“电子-空穴对”。当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子-空穴对”，这一相反过程称为复合。在一定温度条件下，产生的“电子-空穴对”和复合的“电子-空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡 ，达到动态平衡时，“电子-空穴对”维持一定的数目。与金属导体中只有自由电子不同，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。
如果对半导体施加外界作用（比如光），破坏了热平衡条件，使半导体处于与热平衡状态相偏离的状态，则称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子比平衡状态时多出来的那一部分载流子称为非平衡载流子。
2.1.4 P-N结
在本征半导体材料中掺入Ⅴ族杂质元素（磷、砷等），杂质提供电子，则使得其中的电子浓度大于空穴浓度，就形成N型半导体（图2.10）材料，杂质称为“施主”。此时电子浓度大于空穴浓度，为多数载流子；而空穴的浓度较低，为少数载流子。同样，在半导体材料中掺入Ⅲ族杂质元素（硼等），则使得其中的空穴浓度大于电子浓度，晶体硅成为P型半导体（图2.11）。比如以硅为例，在高纯硅中掺入一点点硼、铝、镓等杂质就是P型半导体；掺入一点点磷、砷、锑等杂质就是N型半导体。在N型半导体中，把非平衡电子称为非平衡多数载流子，非平衡空穴称为非平衡少数载流子。对P型半导体则相反。在半导体器件中，非平衡少数载流子往往起着重要的作用。
图2.10 N型半导体
图2.11 P型半导体
无论是N型半导体材料，还是P型半导体材料，当它们独立存在时，都是电中性的，电离杂质的电荷量和载流子的总电荷数是相等的。当两种半导体材料连接在一起时，对N型半导体材料而言，电子是多数载流子，浓度高；而在P型半导体中，电子是少数载流子，浓度低。由于浓度梯度的存在，势必会发生电子的扩散，即电子由高浓度的N型半导体材料向浓度低的P型半导体材料扩散，在N型半导体和P型半导体界面形成P-N结。在P-N结界面附近，N型半导体中的电子浓度逐渐降低，而扩散到P型半导体中的电子和其中的多数载流子空穴复合而消失，因此，在N型半导体靠近界面附近，由于多数载流子电子浓度的降低，电离杂质的正电荷数要高于剩余的电子浓度，出现了正电荷区域。同样，在P型半导体中，由于空穴从P型半导体向N型半导体扩散，在靠近界面附近，电离杂质的负电荷数要高于剩余的空穴浓度，出现了负电荷区域。此区域就称为P-N结的空间电荷区，正、负电荷区，形成了一个从N型半导体指向P型半导体的电场，称为内建电场，又称势垒电场。由于此处的电阻特别高，也称阻挡层。此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。所谓扩散，是指在外加电场的影响下，一个随机运动的自由电子在与电场相反的方向上有一个加速运动，它的速度随时间不断地增加。除了漂移运动以外，半导体中的载流子也可以由于扩散而流动。像气体分子那样的任何粒子过分集中时，若不受到限制，它们就会自己散开。此现象的基本原因是这些粒子的无规则的热速度。随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，因为内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少
子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的P-N结（图2.12）。P-N结很薄，结中电子和空穴都很少，但在靠近N型一边有带正电荷的离子，靠近P型一边有带负电荷的离子。由于空间电荷区内缺少载流子，所以又称P-N结为耗尽层区。
图2.12 半导体P-N 结的形成原理
当具有P-N结的半导体受到光照时，其中电子和空穴的数目增多，在结的局部电场作用下，P区的电子移到N区，N区的空穴移到P区，这样在结的两端就有电荷积累，形成电势差。
2.1.5 P-N结的能带结构
由于载流子的扩散和漂移，半导体中出现空间电荷区和内建电场，引起该部分的电势U和相关空穴势能（eV）或电子势能（-eV）随位置的改变，最终改变了P-N结处的能带结构（图2.13）。内建电场是从N型半导体指向P型半导体的，因此，沿着电场的方向，电势从N型半导体到P型半导体逐渐变低，带正电的空穴的势能也逐渐降低，而带负电的电子的势能则逐渐升高。也就是说，空穴在N型半导体中的势能高，在P型半导体中的势能低。如果空穴从N型半导体移动到P型半导体，需要克服一个内建电场形成的“势垒”；相反地，对电子而言，在N型半导体中的势能低，在P型半导体中的势能高，如果从N型半导体移动到P型半导体，则需要克服一个“势垒”。
图2.13 热平衡下P-N结模型及能带图
当N型半导体和P型半导体材料组成P-N结时，由于空间电荷区导致的电场，在P-N结处能带发生扭曲，此时导带底能级、价带顶能级、本征费米能级和缺陷能级都发生了相同幅度的弯曲。但是，在平衡时，N型半导体和P型半导体的费米能级是相同的。因此，在平衡P-N结的空间电荷区两端的电势差U就等于原来N型半导体和P型半导体的费米能级之差。由以上可知，P-N结的N型半导体、P型半导体的掺杂浓度越高，两者的费米能级相差越大，禁带越宽，P-N结的接触电势差U就越大。
2.1.6 P-N结能带与接触电势差
在热平衡条件下，结区有统一的费米能级EF，在远离结区的部位，与结形成前状态相同。
当N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。当N型与P型半导体两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一端向费米能级低的一端流动，空穴流动的方向相反。在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差：
qUD=EFN-EFP
得
UD=（EFN-EFP）/q
式中，q为电子电量；UD为接触电势差或内建电势。
对于在耗尽区以外的状态：
UD=（KT/q）ln（NAND/
）
式中，NA、ND、ni分别为受主、施主、本征载流子浓度；K为玻尔兹曼常数；T为温度。
可见UD与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，UD越大。禁带宽的材料，ni较小，故UD也大。
2.1.7 光照下的P-N结
当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子，但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因为P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的“电子-空穴对”（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结（图2.14）。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即“电子空穴对”被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光生电流相反。
图2.14 光激发半导体形成“电子-空穴对”示意图
实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度，所以可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光生电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的“电子-空穴对”，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。
为了理解上述过程，我们简单介绍一下载流子寿命、迁移率和扩散长度等概念。
载流子寿命是指非平衡载流子在复合前的平均生存时间。在热平衡情况下，电子和空穴的产生率等于复合率，两者的浓度维持平衡。在外界条件作用下（例如光照），将产生附加的非平衡载流子，即“电子-空穴对”；外界条件撤销后，由于复合率大于产生率，非平衡载流子将逐渐复合消失掉，恢复到热平衡态。非平衡载流子浓度随时间的衰减规律一般服从指数关系。在半导体器件中非平衡少数载流子寿命简称少子寿命。
复合过程大致可分为两种：电子在导带和价带之间直接跃迁，引起一对电子-空穴的消失，称为直接复合；“电子-空穴对”也可能通过禁带中的能级（复合中心）进行复合，称为间接复合。每种半导体的少子寿命并不是取固定值，它将随化学成分和晶体结构的不同而大幅度变化。迁移率是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得越慢，迁移率越小。同一种半导体材料中，载流子类型不同，迁移率不同，一般是电子的迁移率高于空穴。在恒定电场的作用下，载流子的平均漂移速度只能取一定的数值，这意味着半导体中的载流子并不是不受任何阻力，不断被加速的。事实上，载流子在其热运动的过程中，不断地与晶格、杂质、缺陷等发生碰撞，无规则地改变其运动方向，即发生了散射。无机晶体不是理想晶体，而有机半导体本质上是非晶态，所以存在着晶格散射、电离杂质散射等现象。
由于少数载流子存在一定的寿命，即少子寿命。因此，少数载流子在扩散的过程中，必将一边扩散一边复合，待走过一段距离后少数载流子也就消失了，走过的这一段也就是所谓扩散长度。
半导体对光的吸收主要由半导体材料的禁带宽度所决定。对一定禁带宽度的半导体，频率小的低能量光子，半导体对它的吸光程度小，大部分光都能穿透；随着频率变高，吸收光的能力急剧增强。实际上，半导体的光吸收由各种因素决定，这里仅考虑到在太阳电池上用到的电子能带间的跃迁。一般禁带宽度越宽，对某个波长的吸收系数就越小。除此以外，光的吸收还依赖于导带、价带的态密度。光为价带电子提供能量，直接使它跃迁到导带，在跃迁过程中，能量和动量守恒，没有声子参与的情况，即不伴随有动量变化的跃迁称为直接跃迁。反之，伴随声子的跃迁称为间接跃迁。所以，制造太阳电池时，用直接跃迁型材料，即使厚度很薄，也能充分地吸收太阳光，而用间接跃迁型材料，没有一定的厚度，就不能保证光的充分吸收。但是，作为太阳电池必要的厚度，并不是仅仅由吸收系数来决定的，还与少数载流子的寿命有关系，当半导体掺杂时，吸收系数将向高能量一侧发生偏移。