光伏理论基础光伏发电理论教程.ppt

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1、本章重点内容提要：本章重点内容提要：一、理解并掌握晶体学基本概念。一、理解并掌握晶体学基本概念。二、掌握晶体的基本特征。二、掌握晶体的基本特征。四、掌握四种晶体类型的特征四、掌握四种晶体类型的特征三、掌握晶列与晶面指数的确定方法。三、掌握晶列与晶面指数的确定方法。五、了解几种重要类型晶体的空间结构模型。五、了解几种重要类型晶体的空间结构模型。石英石英紫水晶紫水晶绿宝石绿宝石雪花雪花观察图片观察图片观察图片观察图片,下列固体与上面的固体在外形上有什么区别下列固体与上面的固体在外形上有什么区别下列固体与上面的固体在外形上有什么区别下列固体与上面的固体在外形上有什么区别?玛瑙玛瑙玛瑙玛瑙（b）萤石）

2、萤石（a）金刚石）金刚石1.1 1.1 固体、晶体和非晶体固体、晶体和非晶体固体固体晶晶 体：体：非晶体：非晶体：长程有序长程有序不具有长程有序，而具有短程有序不具有长程有序，而具有短程有序在微米级范围内，在微米级范围内，构成物质的原子构成物质的原子、分子按一定的规律分子按一定的规律，周期性排列周期性排列晶体宏观特性：晶体宏观特性：1.规则的几何形状（自限性）：规则的几何形状（自限性）：晶体具有自发形成规则的几何外形的特性晶体具有自发形成规则的几何外形的特性2.2.固定的熔点固定的熔点：晶体在完全熔化之前温度不会升高晶体在完全熔化之前温度不会升高,有固定的熔点。有固定的熔点。晶体熔化曲线时间t

3、T温度时间t非晶体熔化曲线T温度图1-6 晶体与非晶体的熔化曲线熔点熔点 标准大气压下，冰的熔点为标准大气压下，冰的熔点为0，石英的熔点是，石英的熔点是1470，硅单晶的熔点是，硅单晶的熔点是1420。3.解理性：解理性：当晶体受到敲打、剪切、当晶体受到敲打、剪切、撞击等外界作用时，可有沿撞击等外界作用时，可有沿某一个或几个具有确定方位某一个或几个具有确定方位的面劈裂开来的性质。劈的面劈裂开来的性质。劈裂裂面称为解理面面称为解理面 图1-8 食盐的解理面宏观：晶体在某几个特定的方向上表现出来的物理化学性质完全相同的特性。或者说，晶体的某些部分，通过一定的操作（如旋转、镜像）后，和原来的晶体位置

4、重合。4.对称性：对称性：5.晶体的各向异性：各向异性：光学性质、力学性质、导热导电性、溶解性等，从光学性质、力学性质、导热导电性、溶解性等，从光学性质、力学性质、导热导电性、溶解性等，从光学性质、力学性质、导热导电性、溶解性等，从晶体的不同方向去测定时，常常是不同的。晶体的不同方向去测定时，常常是不同的。晶体的不同方向去测定时，常常是不同的。晶体的不同方向去测定时，常常是不同的。同样反映了晶体内部粒子排列的有序性同样反映了晶体内部粒子排列的有序性图图1-7 NaCl晶晶体体结结构构（100）面示意图）面示意图6.最小内能：最小内能：同一种物质的几种不同形态（气、液、非晶态、晶态），同一种物质

5、的几种不同形态（气、液、非晶态、晶态），以晶体内能最小。以晶体内能最小。晶体晶体非晶体非晶体自发的晶化自发的晶化非自发的非晶化非自发的非晶化晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化以。晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化以。X射线一种波长很短(约为200.06埃)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。X射线受到原子核外电子的散射而发生的衍射现象。由于晶体中规则的原子排列就会产生规则的衍射图像，晶体是由原子规则排列成组成，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，形成衍射波峰。衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。7.晶体能

6、使晶体能使X射线产生衍射波峰射线产生衍射波峰 X射线衍射图谱中，衍射波峰的宽度与晶体粒子的大小有关，波峰越宽，晶粒越小8.晶体的均匀性 由于同一个晶体的各个不同部分，质点的分布是一样的，所以晶体的各个部分的物理性质与化学性质也是相同的，这就是晶体的均一性。9.晶面角守恒 由于外界条件的差异，晶体中某组晶面可以相对地变小、甚至消失。所以，晶体中晶面的大小和形状并不是 单一的；但是相应的晶面之间的夹角都是固定不变的。图图1-11 石英晶体的若干外形石英晶体的若干外形固体外观微观结构自范性各向异性熔点晶体非晶体本质区别具有规具有规则的几则的几何外形何外形有有粒子在三粒子在三维空间周维空间周期性有序期

7、性有序排列排列各向各向异性异性固定固定不具有规不具有规则的几何则的几何外形外形没有没有粒子排列粒子排列相对无序相对无序各向各向同性同性不固不固定定微观粒子在三维空间是否呈现微观粒子在三维空间是否呈现周期性有序排列排列晶体的分类1.3常见晶体类型按功能按功能导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体超导体超导体导电差或不好的材料导电差或不好的材料，如琥珀、陶瓷、，如琥珀、陶瓷、玻璃等玻璃等 导电、导热都比较好的金属，如金、导电、导热都比较好的金属，如金、银、铜、铁、铝等银、铜、铁、铝等导电性能介于导体与绝缘体之间的材导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，如料，如Si、Ge、GaAs等，电阻率在等，电阻率在1

8、0-61010欧姆欧姆厘米厘米 在足够低的温度下，其电阻率为零的在足够低的温度下，其电阻率为零的物质，如水银在物质，如水银在4.2K时电阻为时电阻为0。晶体晶体结构结构单晶体单晶体多晶体多晶体1.整个晶体中质点在空间的整个晶体中质点在空间的排列都是长程有序的排列都是长程有序的2.具有各向异性具有各向异性 3.由一个晶核各向均匀生长由一个晶核各向均匀生长而成，其晶体内部的粒子基而成，其晶体内部的粒子基本上按照某种规律周期性排本上按照某种规律周期性排列列 1.很多单晶颗粒杂乱地凝聚很多单晶颗粒杂乱地凝聚而成的而成的2.不具有各向异性不具有各向异性 3.构成多晶成千上万的单晶构成多晶成千上万的单晶晶

9、粒的尺寸大多在厘米级至晶粒的尺寸大多在厘米级至微米级范围内变化微米级范围内变化（完整（完整晶体）晶体）（缺陷晶体）（缺陷晶体）按粒子间按粒子间作用力作用力离子晶体离子晶体分子晶体分子晶体原子晶体原子晶体金属晶体金属晶体周周期期性性排排列列的的是是正正、负负离离子子，如如NaCl晶体。晶体。周周期期性性排排列列的的是是中中性性原原子子，如如金金刚刚石石晶体（晶体（C）。周期性排列的是中性分子，如周期性排列的是中性分子，如CO2。周周期期性性排排列列的的是是金金属属原原子子或或金金属属离离子子图图1-7 NaCl晶晶体体结构结构半导体半导体元素半导体元素半导体硅、锗、硒硅、锗、硒 化合物半导体化合

10、物半导体-族（如砷化镓、磷化镓、族（如砷化镓、磷化镓、磷化铟等）磷化铟等）-族（如硫化镉、硒化镉、族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等）碲化锌、硫化锌等）-族（如硫化铅、硒化铅等）族（如硫化铅、硒化铅等）-族（如碳化硅）化合物族（如碳化硅）化合物 氧化物氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物锰、铬、铁、铜的氧化物)(b)(c)(a)(a)、(b)、(c)为二维晶体结构示意图，它们有何异同为二维晶体结构示意图，它们有何异同?布喇菲空间点阵布喇菲空间点阵 原胞原胞 晶胞晶胞一、一、布喇菲空间点阵布喇菲空间点阵 所有晶体的结构可以用所有晶体的结构可以用布喇菲格子（又称晶格）布喇菲格子（又称晶格）来描述，来

11、描述，这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元基元，基元在空间周期性重复排列就形成，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构晶体结构。一个一个理想的晶体是由是由完全相同的的结构单元在空间在空间周期性重重复排列而成的。复排列而成的。(b)(c)(a)晶格晶格+基元基元=晶体结构晶体结构1.1基元、结点（格点）和晶格 在晶体中适当选取在晶体中适当选取某些原子某些原子作为一个作为一个基本结构单元，这个，这个基本结构单元称为基本结构单元称为基元基元，基元是晶体结构中，基元是晶体结构中最小的重复单元，的重复单元，基元在空间周期性重复排

12、列就形成晶体结构基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。(1)(1)基元基元 特点：特点：任何两个基元中相应原子周围的情况是相同的，任何两个基元中相应原子周围的情况是相同的，而每一个基元中不同原子周围情况则不相同。而每一个基元中不同原子周围情况则不相同。(b)(c)(a)(2)(2)格点格点：结构相同的点称为格点，是晶体结构中任一等价格点：结构相同的点称为格点，是晶体结构中任一等价位置。它可以是：位置。它可以是：a.a.原子或分子的中心原子或分子的中心(本身本身)，b.b.也可以是相同原子群的中心，也可以是相同原子群的中心，c.c.也可以代表数种原子组成晶体中的结构单元的重心。也可以代表数种原

13、子组成晶体中的结构单元的重心。(3)(3)晶格晶格 晶体的内部结构可以概括晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空间为是由一些相同的结点在空间有规则地做有规则地做周期性无限分布，分布，通过这些点做三组不共面的平通过这些点做三组不共面的平行直线族，形成一些网格，称行直线族，形成一些网格，称为为晶格晶格(或者说这些点在空间周或者说这些点在空间周期性排列形成的骨架称为期性排列形成的骨架称为晶格晶格,又称为布喇菲格子又称为布喇菲格子)。晶格是晶体结构周期性的晶格是晶体结构周期性的数学数学抽象抽象，它忽略了晶体结构的，它忽略了晶体结构的具体内具体内容容，保留了晶体结构的周期性。，保留了晶体结构的周

14、期性。晶格和点阵晶格和点阵 若格点上的基元只包含一个原子，那么晶格为若格点上的基元只包含一个原子，那么晶格为简单晶格简单晶格。若格点上的基元包含两个或两个以上的原子（或离子），若格点上的基元包含两个或两个以上的原子（或离子），那么晶格为那么晶格为复式晶格复式晶格。简单晶格中简单晶格中所有原子在化学、物理和几何环境上都是所有原子在化学、物理和几何环境上都是完全等同的。完全等同的。简单晶格必须由同种原子组成；反之，由同种原子组简单晶格必须由同种原子组成；反之，由同种原子组成的晶格却不一定是简单晶格。如成的晶格却不一定是简单晶格。如金刚石金刚石和和hcphcp晶格都是晶格都是复式晶格。复式晶格。1.

15、2 简单晶格和复式晶格简单晶格简单晶格复式晶格复式晶格晶格的周期性 晶格可以看作一个平行六面体在三维空间重复堆砌而成，因此所有晶格的共同特点是具有周期性。平行六面平行六面体体重复堆砌重复堆砌通常用通常用原胞、晶胞和基矢原胞、晶胞和基矢来描述晶格的周期性。来描述晶格的周期性。在晶格中取在晶格中取一个格点为顶点，以三个不共面的方向上的周期为边长形成的平行六面体作为重复单元，这个平行六面体沿作为重复单元，这个平行六面体沿三个不同的方向进行周期性平移，就可以充满整个晶格，形成三个不同的方向进行周期性平移，就可以充满整个晶格，形成晶体，这个平行六面体即为晶体，这个平行六面体即为原胞原胞，代表原胞三个边的

16、矢量称为，代表原胞三个边的矢量称为原胞的基本平移矢量，简称，简称基矢基矢。二二 原胞原胞 特点：特点：格点格点只在平行六面体的顶角上，只在平行六面体的顶角上，面上和内部均无格点，平均每个平均每个固体物理学原胞包含1个格点。是。是最小的重复单元，最小的重复单元，它反它反映了晶体结构的周期性。映了晶体结构的周期性。构造：取一格点为顶点，由此点向构造：取一格点为顶点，由此点向近邻的三个格点作三个不共的三个格点作三个不共面的矢量，以此三个矢量为边作平行六面体即为面的矢量，以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理学原胞固体物理学原胞。(1)(1)固体物理学原胞固体物理学原胞(简称简称原胞原胞)2.1 原

17、胞的分类基矢：固体物理学原胞基矢通常用基矢：固体物理学原胞基矢通常用 表示。表示。体积为：体积为：原胞的选择不是唯一的！原则上只要是最小周期性单元都可以，也就是说仅在平行六面体的八个顶角上存在阵点，但原胞的体积都相等，且原胞仅反映晶格的周期性，不能反映晶体的对称性。为了反映晶体的对称性，需要引入晶胞的概念。下列图片中哪一些是原胞？是是不是不是不是不是(2)(2)晶胞晶胞、惯用晶胞或布喇菲原胞、惯用晶胞或布喇菲原胞 构造：使三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向，构造：使三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向，它具有明显的它具有明显的对称性对称性和周期性。和周期性。基矢：晶胞的基矢一般用

18、基矢：晶胞的基矢一般用 表示。表示。特点：结晶学原胞不仅在平行六面体顶角上有格点，面上特点：结晶学原胞不仅在平行六面体顶角上有格点，面上及内部亦可有格点。其体积是固体物理学原胞体积的整数倍。及内部亦可有格点。其体积是固体物理学原胞体积的整数倍。体积为：体积为：(3)(3)维格纳维格纳-塞茨原胞塞茨原胞 构造：以一个格点为原点，作原点与其它格点连接的中垂面构造：以一个格点为原点，作原点与其它格点连接的中垂面(或中垂线或中垂线)，由这些中垂面，由这些中垂面(或中垂线或中垂线)所围成的最小体积所围成的最小体积(或面积或面积)即为即为W-S原胞。原胞。特点：它是晶体体积的特点：它是晶体体积的最小重复单

19、元最小重复单元，每个原胞只包含每个原胞只包含1个格点。其体积与固体个格点。其体积与固体物理学原胞体积相同。物理学原胞体积相同。维格纳维格纳-塞茨单胞塞茨单胞引入引入Wigner-SeitzWigner-Seitz原胞的原因原胞的原因优点：（1）Wigner-Seitz原胞本身保持了布拉伐格子的 对称性；（2）该取法今后要用到。缺点：（1）Wigner-Seitz原胞的体积等计算不方便；（2）平移对称性反而不直观。(1)(1)一维原子链一维原子链aab2.2 2.2 几种晶格的实例几种晶格的实例一维单原子链一维单原子链一维双原子链一维双原子链(2)(2)二维二维(a)(b)固体物理学原胞固体物理学原胞维格纳维格纳-塞茨单胞塞茨单胞(3)(3)三维三维立方晶系立方晶系晶胞（即布喇菲原胞）的体积晶胞（即布喇菲原胞）的体积:设设晶格常量晶格常量(晶胞棱边的长度)为为a,取取 为坐标轴的单位矢量为坐标轴的单位矢量,即立方体边长为即立方体边长为a,