晶体硅太阳能电池结构与原理课件

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,3.,结晶硅太阳能电池结构与原理,1,3. 结晶硅太阳能电池结构与原理1,本章介绍典型晶体硅太阳能电池的结构及其原理。通过学习本章，学生应了解以下内容：,晶硅太阳能电池结构及其原理。,晶,硅太阳能电池高效结构设计及其原理。,晶体硅高效率硅太阳能电池的发展。,本章主要内容与学习目标,2,本章介绍典型晶体硅太阳能电池的结构及其原理。通过学习本章，学,硅的基本性质,原子序数,14,，相对原子质量,28.09,，有无定形和晶体两种同素异形体，属于元素周期表上,IVA,族的类金属元素,。,晶体,硅为钢灰色，密度2.4,gcm,3,，熔点1420，沸点2355，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质,。,14,Si,3.1,结晶硅太阳能电池的种类和结构,硅,硅的基本性质14Si3.1 结晶硅太阳能电池的种类和结构硅,硅的基本性质,常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应,高温下，较活泼,3.1,结晶硅太阳能电池的种类和结构,Si+2F,2,=SiF,4,Si+4HF=SiF,4,+2H,2,Si+ 2NaOH + H,2,O = Na,2,SiO,3,+2H,2,硅的基本性质3.1 结晶硅太阳能电池的种类和结构Si+2F,晶硅为间接,带隙结构,温度,T=300 K,，,Eg=1.12 eV,本征载流子浓度：,3.1,结晶硅太阳能电池的种类和结构,轻掺杂 掺杂浓度为,10,17,cm,-3,中度掺杂 掺杂浓度为,10,17,10,19,cm,-3,重掺杂 掺杂浓度大于,10,19,cm,-3,晶硅为间接带隙结构3.1 结晶硅太阳能电池的种类和结构轻掺杂,3.1.1,结晶硅太阳能电池的种类,结晶硅太阳能电池可以分为,单晶硅太阳能电池,和,多晶硅太阳能电池,单晶硅太阳能电池,一般来说一个电池的输出,电压为,0.5V,左右，最大输出功率,与有效面积,有关,，一个效率,为,15%,的电池输出,功率为,1.5W,左右， 为满足需要，,把很多,电池并联或串联在一起,，形成,模组，若想得到更大效率输出，则需要阵列。,6,3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类结晶硅太阳能电池可以分为单,3.1.1,结晶硅太阳能电池的种类,7,单晶硅太阳能电池特点：,完整的结晶，易得到高效率,不容易产生光致衰退,发电特性稳定，约有,20,年的耐久性,硅,原料丰富,承受应力,强,3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类7单晶硅太阳能电池特点：,3.1.1,结晶,硅太阳能电池的,种类,多晶硅太阳能电池,多晶,硅太阳能电池的效率为,13,16%,，是目前市场上最主流的产品,多晶,硅效率较低的原因,晶粒,与晶粒间存在晶界，形成复合中心，减少自由电子数量,晶界的硅原子键合较差，易受紫外线破坏而产生更多的悬挂键，随使用时间增加，悬挂键的数目增加，造成光电效率劣化,8,本身杂质比单晶硅多，且多半聚集在晶粒边界，杂质的存在使得自由电子与空穴不易移动,3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类多晶硅太阳能电池8本身杂质,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,结晶硅电池的结构,是一个具有,PN,结的光电器件。包括硅衬底、,PN,结结构、支构面、防反射层、导电电极与背面电极,9,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构结晶硅电池的结构是一个具有,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,衬底：,衬底的作用是作为太阳能电池的承载。硅太阳能电池是以硅半导体材料为底材衬底。,衬底的选择,：,一般来说,除了价格成本和来源难易外,根据不同用途,可从以下几方面选择,:,1.,导电,类型,P,型硅用,B,作为掺杂元素，制成,n+/p,型太阳能电池；,n,型硅用,P,（或,As),为掺杂元素，制成,p+/n,型太阳能电池；,两类电池性能相当，但,n+/p,型太阳能电池耐辐照性能优于,p+/n,型太阳能电池，更适合空间应用。,10,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构衬底：衬底的作用是作为太阳,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,一般是,P,型衬底,。,P,型衬底中的,少数载流子电子,的,扩散系数,与扩散距离比,N,型中的少数载流子空穴要长,，使用,P,型衬底可以得到较佳的光电流,11,2.,电阻率,由原理可知，开路电压随着硅基板电阻率的下降（掺杂浓度的提高）而增加。,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构一般是P型衬底。P型衬底中,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,3,.,晶向,、位错、寿命,一般要求单晶沿（,111,）晶向生长，切割下的硅片表面与（,111,）单晶平行。除了某些特殊情况外，晶向要求不十分严格。制成绒面太阳能电池需要晶向为（,100,）的单晶硅片，在不要求太阳电池有很高转换效率的场合下，位错密度和少子寿命不做严格要求,。,4.,形状,、尺寸、厚度,空间,应用的硅太阳电池都为方形，以减少组合方阵的表面积。随着工艺的进步，向大面积、薄厚度、高效率方向发展，目前标准的电池尺寸是,2x2cm2,或,2x4cm2,等，基板厚度约为,0.2mm.,12,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构3. 晶向、位错、寿命1,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,PN,结结构,N,+,/P,结的作用是形成一个最简单的半导体器件。在光照条件下，电子,/,空穴的形成与移动与该,N,+,/P,结,的特性有极大关系。,N,+,与,P,层的掺杂量是很重要的器件设计参数，因为,N,+,与,P,层的掺杂,量会决定耗尽层的大小及其电场强度,若,N,+,与,P,层的掺杂,量小，则表面再结合速率可以减小，但与电极的接触电阻会变大从而增加串联电阻,若,N,+,与,P,层的掺杂,量大，与电极的接触电阻会变小从而降低串联电阻值，但表面再结合速率会变大,13,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构PN结结构13,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,支构面,支构,面的作用,是通过光的散射与多重反射，提供更长的光路径。因此，光子的吸收数目可以增多，以提供更多的电子,-,空穴对。,14,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构支构面14,支构面通常通过在硅表面以化学侵蚀液形成（,111,）面微小四面体金字塔来构成组织构造。,各向异性,腐蚀就是腐蚀速度随单晶主要的不同晶向而变化，一般来说，晶面间的共价键密度越高，则该晶面族的各晶面连接越牢，也就越难腐蚀，因此在该晶面族的垂直方向上腐蚀速度越慢。反之，越容易腐蚀。由于（,100,）面的共价键密度比（,111,）面低，所以,(100),面腐蚀比,(111),面快,。,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,（,100,）硅片的各向异性腐蚀导致在表面产生许多密布的表面为（,111,）面的四面方锥体。形成绒面的硅表面。,支构面通常通过在硅表面以化学侵蚀液形成（111）面微小四面体,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,可通过不同途径实现表面织构化,：晶体,硅可通过腐蚀晶面的刃面来实现织构,化,如果,晶体硅表面是沿内部原子排列的，则织构化表面类似金字塔,。商业单晶硅,电池常用的手段,。,另一种形式的织构化：倒,金字塔,。,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构可通过不同途径实现表面织构,对于多晶硅来说，不能采用上述两种形式的织构化，因为多晶硅表面不是完整的,晶面。,但可采取照相平版印刷,、用,激光机械雕刻前,表面等,方式实现织构化（,下图,为照相平版印刷,织构化,多晶硅表面）：,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,对于多晶硅来说，不能采用上述两种形式的织构化，因为多晶硅表面,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,18,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构18,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,19,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构19,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,单晶硅太阳能电池在不同入射角与不同防反射材质条件下的光反射率：,20,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构单晶硅太阳能电池在不同入射,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,上电极,上电极的作用,是将移动至表面的电子,/,空穴取出，以形成外部电流，提供给外部负载。由于电极与硅材料接触，为了降低串联电阻，电极与硅材料必须是良好的欧姆接触，既是电压与电流的线性关系。,在上表面，光照面的电极多由数条主要的主栅所组成。设计电极有两个考虑是互相冲突的：,为了让移动至表面的电子,/,空穴容易到达,电极端，以减少电子,/,空穴在表面再复合的,几率，理论上电极面积需较大,为了避免典型金属电极阻挡光的入射并造成,光的反射，电极所占面积应越小越好,21,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构上电极21,电极图形,设计：设计,原则是使电池的输出最大。要兼顾两个方面：使电池的串联电阻尽可能小，电池的光照作用面积尽可能大。,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,电极图形设计：设计原则是使电池的输出最大。要兼顾两个方面：使,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,电极材料的选择,能与 硅形成牢固的接触,;,这种接触应是欧姆接触，接触电阻小；,有优良的导电性；,纯度适当；,化学稳定性好；,容易被钨、钽、钼制成的电阻加热器蒸发；,容易焊接，一般都要求能被锡焊；,价格较低,。,23,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构电极材料的选择23,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,24,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构24,3.1.2,结晶硅太阳能电池的结构,背面电极,背面电极（或称下电极或底电极）的主要功能,是移动至下表面的电子,/,空穴取出，以形成外部电流提供给外部负载。,背面电极的另一个功能,是提供背向表面电场。,由于背面电极多为铝金属，在烧结过程中，铝原子会进入到硅材料中作为掺杂，因此造成硅材料在接面处为重掺杂结构，在,P+,区形成的高势垒将防止方向错误的电子进入到底电极，因此可提高开路电压,Voc,。,背,电场技术是一项极为有效的措施，它对高电阻率（如,10,欧姆厘米）衬底的硅太阳能电池效率的提高更为明显。太阳能电池的转换效率可达,15%-20%,左右,。,25,3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构背面电极25,3.2,晶硅太阳能电池技术的发展,3.2.1,早期的硅太阳能电池,1941,年，首个基于“生长结”的光伏器件被报道，如下图,a,所示。分析认为这种电池效率小于,1%,。,26,1952,年，,Kingsbury,提出了一种更好的控制结形成的方法。（图,b,）,1954,年，贝尔实验室采用锂扩散成结，转换效率为,4.5%,。,3.2 晶硅太阳能电池技术的发展3.2.1 早期的硅太阳能电,3.2.2,传统的空间电池,主要特点包括：,用,10,*,cm,的,P,型硅衬底来获得最大的抗辐射能力。,使用,40/,方块电阻，,0.5m,结深的扩散，防止在上电极金属化工程中引起的,pn,结漏电。,27,后期：添加,钯中间层，提高防潮,性；镀,SIO,减,反射；制作铝背场。,3.2.2 传统的空间电池主要特点包括：27后期：添加钯中间,3.2.3,背面场,Cumerow,首次把,Shockley,的扩散理论应用到,光电,能量转换器件之中，论述了少数载流子的反射边界条件并强调了减薄电池的重要性。,28,Wolf,随后论述了内电场对电池电流收集能力的影响，以及可由梯度掺杂产生内电场等概念。,20,世纪,70,年代初，铝背场的优势逐渐被发掘。,铝背场在提高开路电压、短路电流以及转换效率方面都有着积极的作用。,3.2.3 背面场Cumerow首次把Shockley的扩散,3.2.3,背面场,如果太阳电池的厚度超过,100um,，由于背表面的复合作用不明显，因而没有必要利用,BSF,结构，但对于薄膜电池，,BSF,效果就非常明显了,。,29,3.2.3 背面场如果太阳电池的厚度超过100um，由于背表,3.3.4,紫电池,紫外光,太阳能电池是为了防止太阳能电池的表面（受光面）由于载流子的复合而使效率减小的电池,。,30,紫电池采用很浅的扩散结，避免,“死层”的,形成,3.3.4 紫电池紫外光太阳能电池是为了防止太阳能电池的表面,3.3.4,紫电池,紫外光电池的浅结也会带来两个新,问题：,采用浅结会提高表面薄层扩散电阻,R,，必然使电池的串联电阻,Rs,增大，加大功率损失。所以用“密栅”措施进行补救。,应选,择合适的减反膜与浅结密栅结构相配合，才能有效地提高短波光谱响应。例如：用,SiO,2,膜作减反膜，则它对,0.4m,以下波长的光有较大的吸收，而使总的短波光谱响应的提高仍然受到影响。若改用,Ta,2,O,5,膜或用,ZnS/MgF,双层减反膜，都可以得到较好的结果,因而与常规电池相比，紫外光太阳能电池具有浅结、密栅及“死层”薄的特征（如前图,(b),所示），这种电池对短波长的光有特别高的灵敏度,。,31,3.3.4 紫电池紫外光电池的浅结也会带来两个新问题：31,3.3.5,黑体电池,表面制绒，形成类似金字塔结构，降低表面反射率。,光在金字塔表面向下方反射，增加一次光被吸收的机会,光程增大。,更多,的捕获光。,32,3.3.5 黑体电池表面制绒，形成类似金字塔结构，降低表面反,3.3.5,黑体电池,33,3.3.5 黑体电池33,3.3.6,钝化,钝化工艺是制造高效太阳电池的一个非常重要的,步骤。,没有,进行钝化,的太阳电池,，光生载流子运动到一些高复合区域后，如表面和电极接触处，很快就被复合掉，从而严重影响电池的性能,。,采取一些,措施对这些区域进行钝化后可以有效地减弱这些复合，提高电池效率。一般来说，高效太阳电池可采用热氧钝化、原子氢,钝化,，或利用磷、硼、铝表面扩散进行钝化,。,34,3.3.6 钝化钝化工艺是制造高效太阳电池的一个非常重要的步,3.3.6,钝化,钝化技术,-,体内钝化方案,将杂质移动到无害位置（铝背场、发射区）,用氢钝化悬挂键，这些悬挂键位于晶粒边界、位错附近,35,3.3.6 钝化钝化技术-体内钝化方案35,3.3.6,钝化,钝化技术,-,体内钝化,方案,36,3.3.6 钝化钝化技术-体内钝化方案36,3.3.6,钝化,钝化技术,-,表面钝化,表面钝化，对裸露于太阳光照下的单晶硅太阳电池的表面，重要性不言而喻,。,采用,热氧化工艺，可很方便得到所需的表面钝化结果。但,SiO,2,的折射率过低，很难同时满足高效电池有效减反和表面钝化的双重作用的要求,。,以,热氧化方式钝化，氧化层必须很薄（几个,nm),。热氧化,生长的,氧化硅作为,表面钝化,层。,37,3.3.6 钝化钝化技术-表面钝化37,3.3.6,钝化,表面钝化,电极,区域钝化,电极和半导体表面接触区域都是高复合区，如果电极处电子运动完全畅通，则电池性能最优，有三种技术：,在,电极区形成一个重掺杂区域将少子和电极区域隔离开来而达到钝化结果，目前绝大多数高效电池都采用这种设计。,尽可能,缩小电极区来降低电极的影响，目前绝大多数的高效电池采用了这种做法。,采用,一种电极接触模式，使其本征的电极区复合较小。如下图,MINP,电池,38,3.3.6 钝化表面钝化电极区域钝化38,3.3.6,钝化,表面钝化,电极,区域钝化,电极,区域钝化,39,MINP,电池（金属,-,绝缘体,-np,结），一种类似,MIS,结构的接触模式，这层薄的氧化层位于金属电极下面，可以有效降低其复合,速率。,PESC,（钝化发射极电池）将电池的转换效率又提高了一步，,PESC,的电极是直接在氧化薄层上的细槽中制成,，是,通过缩小电极区面积来增强电极区钝化的效果。,3.3.6 钝化表面钝化电极区域钝化39MINP电池（金,5.7.6,钝化,表面钝化,电极区域钝化,将,表面制绒和,PESC,方法优势相结合，使硅太阳电池的转换效率在非聚光状态下达到了,20%,以上。,40,5.7.6 钝化表面钝化电极区域钝化40,3.3.6,钝化,表面钝化,-,电极区域钝化,使电池性能得到更重要突破的是上下表面及电极区钝化的,电池。,41,采用,CZ,硅,晶片的,PERL,电池,，最高效率可,达,21.7,，若採用,FZ,硅,晶片，,PERL,电池,目前最高的效率可,达,24,。,发射极钝化背面局部扩散,（,PERL,）,太阳电池,3.3.6 钝化表面钝化-电极区域钝化41采用CZ硅晶片的P,3.3.6,钝化,效率,24,% PERL,的主要改善：在更薄的氧化物上使用双层减反膜以提高短路电流密度；利用对上层氧,化和局部,点接触的退火过程以增加开路电压；改善背表面的钝化和降低金属化接触电阻以增加填充因子。,42,3.3.6 钝化效率24% PERL的主要改善：在更薄的氧化,3.3.6,钝化,43,新南威尔士大学,PERL,电池,24.7%,（,25,）,北京太阳能研究所高效电池,19.8%,3.3.6 钝化43新南威尔士大学PERL电池24.7%,3.4,高效太阳能电池,3.4.1,高效率单晶硅太阳能电池,埋栅,电极太阳能电池,特点,是利用激光在金属电极接触位置刻蚀出,20,50um,深的沟槽结构，将金属电极利用电镀方式埋入沟槽之中以减少金属电极的遮蔽效应，从而降低串联电阻，效率可达,21.3%,，其大面积模块效率可达,17.5,18%,44,埋栅电池是为克服丝网印刷电池的缺陷而开发的。该电池最有特色的设计在于金属化是嵌入电池表面的一系列狭窄槽内,3.4 高效太阳能电池3.4.1 高效率单晶硅太阳能电池44,3.4.1,高效率单晶硅太阳能电池,性能分析,埋,栅电池效率高的原因如下：,由于金属栅线导电性更好，与槽内重扩散区的接触电阻更小，所以填充因子更高,表面顶层较高的薄层电阻，加上表面极好的氧化层钝化和由槽内重扩散提供的电极区钝化，使得埋栅电池的电压更高。,电流高，是由于表面遮光面积相对较少,45,3.4.1 高效率单晶硅太阳能电池性能分析45,3.4.1,高效率单晶硅,太阳能电池,钝化发射极背面全扩散太阳能电池（,PERT,）,此,项结构的缺点是多数载流子在边界上会有复合的问题，在经过局部及全部双重扩散后，有明显改善。利用浮区生长法制造的硅晶片制成的硅基太阳能电池效率可达到,24.2%,46,3.4.1 高效率单晶硅太阳能电池钝化发射极背面全扩散太阳能,3.4.1,高效率单晶硅太阳能电池,钝化发射极背部局部扩散太阳能电池（,PERL,）,1990,年，新南威尔士大学的,J.ZHAO,在,PERC,电池结构和工艺的基础上，在电池背面的接触孔处采用了,BBr3,定域扩散制备出,PERL,电池，如图所示。,2001,年，,PERL,电池效率达到,24.7%,，接近理论值，是迄今为止的,最高记录,。,47,3.4.1 高效率单晶硅太阳能电池钝化发射极背部局部扩散太阳,3.4.1,高效率单晶硅太阳能电池,与传统硅基太阳能电池相比，,其特征如下：,该结构采用逆金字塔构造来增加吸收光线，搭配氟化镁与硫化锌双重反射层的涂布来增加光线吸收，可增加,3%,的电流,利用热氧化钝化硅表面边界，以避免移动载流子在边界复合。背部局部扩散的设计形成了后表面电场，反弹少数载流子并增加多数载流子,在接触位置使用硼掺杂以降低接触电阻，但早期的固体掺杂使得载流子的寿命下降，所以使用,BBr3,液态源掺杂，采用局部扩散的设计，避免了多数载流子在边界上的复合。,逆金字塔结构在接近,90,度的光线反射率，远低于其他各种结构。接近,90,度入射光，在支构表面多形成逆金塔结构，但其在硅表面边界的钝化是需要克服的难题。,48,3.4.1 高效率单晶硅太阳能电池与传统硅基太阳能电池相比，,3.4.1,高效率单晶硅太阳能电池,20,世纪,90,年代后，新南威尔士大学持续对钝化反射极背部局部扩散太阳能电池进行了一下的研究和改良,氢原子,钝化，以避免移动载流子在硅表面边界复合，采用铝与二氧化硅中的氢原子，进行,370,度的热退火处理,改变线宽以提供低的遮光比例，也减少了接触所造成的复合情形，并且提供高的开路电压,使用,PBr3,进行射极端的扩散，提升开路电压,使用,PBr3,进行射极端的扩散，以减少侧面电阻,49,3.4.1 高效率单晶硅太阳能电池20世纪90年代后，新南威,5.8.1,高效率单晶硅太阳能电池,PERL,电池的光学特征,倒,金字塔结构使大多数入射光在达到金字塔的一个壁面时，多数光在第一个入射点即能进入电池内部。部分的反射光又能再次向下反射，确保其至少有两次机会进入电池中。一些靠近金字塔底部的入射光则有三次进入电池的机会。金字塔覆盖着一层厚度适宜的氧化层作为减反膜,光进入电池后，在朝着电池背面行进的过程中大部分能被吸收，残存的未被吸收的长波段的入射光在达到背面时会被反射回来，这是由于背面氧化层搜行蒸镀了一层铝之后，能形成一个有效的反射系统，这个系统的反射效果取决于光的入射角度和氧化膜的厚度,电池体内的入射光从背面被再一次反射回上表面。部分光在碰到表面,50,5.8.1 高效率单晶硅太阳能电池PERL电池的光学特征50,3.4.1,高效率单晶硅太阳能电池,金字塔反方向的斜面时，又被重新反射回电池中，而大部分光从电池逃逸。光在碰到金字塔的其他面时的反射全部为内反射。这也致使反射到上表面的一半的光被再反射回电池背电极,倒,金字塔和背面反射的相互结合形成了有效的陷光结构。可增加吸收光在电池里传播的长度。测得的有效光程增长,40,倍以上，陷光结构能明显地改善电池的红外响应,其他的光学损失是由于电池顶端金属栅线的反射或吸收所致。尽可能地缩小栅线的宽度可以使光学损失降到最少，理想的情况下是得到尽可能大的高宽比,51,3.4.1 高效率单晶硅太阳能电池金字塔反方向的斜面时，又被,3.4.1,高效率单晶硅太阳能电池,PERL,电池的复合特性,体,复合,PERL,电池表面的扩散情况不均匀，可将电池分为电极区与无电极的表面区。尽可能选择高质量的材料以降低体内的复合，材料的质量通常可用少子寿命的大小来判断。一般而言，衬底掺杂浓度越低，少子寿命越高。复合速率的变化量受掺杂补偿的影响，即掺杂浓度越高，确定电压下少数载流子浓度越低。复合速率由掺杂浓度和载流子寿命所决定。,表面复合,通过生长一层高质量的热氧化层可以将表面非接触区域的复合速率降到最低。,52,3.4.1 高效率单晶硅太阳能电池PERL电池的复合特性52,3.4.1,高效率单晶硅太阳能电池,电极处内的复合,在电池表面和电极金属接触的区域存在很高的复合。,为了降低这种复合，,一是尽可能地降低电极接触面积，,二是在金属接触区域进行重掺杂，这样可以有效抑制这些接触区域的少数载流子的浓度，从而降低表面复合率,53,3.4.1 高效率单晶硅太阳能电池电极处内的复合53,3.4.2,具有本征薄膜的异质结太阳能电池,54,制造过程,上图为日本三洋电机开发出的非晶硅,/,单晶硅异质结太阳能电池，其具有单晶硅的稳定性与高效率，更具备了全程以低温制作的优点,3.4.2 具有本征薄膜的异质结太阳能电池54制造过程上图为,3.4.2,具有本征薄膜的异质结太阳能电池,制备流程和结构的特点,与传统制备流程，以,PECVD,制备取代高温掺杂之类来制作,PN,结,利用表面有金字塔构造的柴式结晶法，以等离子体辅助化学气相沉积在正面制作一层,i,层与重掺杂,P,层以形成,PiN,结,在背面生长一层,i,层与重掺杂,N,+,层，形成后表面电场的效果,其中，,i,层可以填补非晶硅与多晶硅接面处发生的缺陷，增加转换效率。,相较,于传统单晶硅太阳能电池，其具有的优点如下：,无需高温炉管制备，可降低生产耗能并缩短制备时间,借助非晶硅材料的高带隙特性，可有效增加短波长光的利用,与传统单晶硅太阳能电池相比，其具有较高的转换效率,55,3.4.2 具有本征薄膜的异质结太阳能电池制备流程和结构的特,3.4.2,具有本征薄膜的异质结太阳能电池,56,效率改善趋势,第一,阶段,-PN,结基本结构,第二,阶段,-,非晶硅本征层的引入,第三,阶段,-,双面非晶硅本征层的引入,第四,阶段,-,背面透明导电层的引入,3.4.2 具有本征薄膜的异质结太阳能电池56效率改善趋势,3.4.2,具有本征薄膜的异质结太阳能电池,关键技术,效率从,12.3%,提高至,23%,，关键在于采取了以下措施：,改善制备条件，从而降低单晶硅电池形成非晶硅薄膜时的损伤，以减少载流子的再复合，开路电压,Voc,可从原来的,0.725V,提高到,0.729V,抑制非晶硅薄膜和透明导电膜各自的光吸收，减少了光吸收损失，短路电流密度,Jsc,从原来的,39.2mA/cm,2,提高到,39.5mA/cm,2,降低电极材料的电阻，以减少电阻损耗，填充因子从原来的,0.791,提高到了,0.80,57,3.4.2 具有本征薄膜的异质结太阳能电池关键技术57,3.4.3,球状硅基太阳能电池,58,球状硅基太阳能电池的特点是：,球状硅基太阳能电池使用的硅材料量大约为硅晶圆材料的,1/5,新式的球状硅基太阳能电池加上反射镜，硅材料使用量可进一步降低到,1/10,Ritsumeikan University,模拟指出，在无防反射层条件下，附有四倍聚光反射镜的球状硅基太阳能电池经理论计算：开路电压,Voc=709mV,，短路电流密度,Jsc=40.9mA/cm,2,，填充因子,FF,达到,82.7%,，效率约为,12.4%,3.4.3 球状硅基太阳能电池58球状硅基太阳能电池的特点是,3.4.3,球状硅基太阳能电池,球状硅基太阳能电池典型制作流程与步骤：,P,型硅球的制作,PN,结的制作,PN,结的分离,电极的制作,缺陷的钝化保护,防,反射层的制作,反射镜的制作,59,3.4.3 球状硅基太阳能电池球状硅基太阳能电池典型制作流程,3.4.3,球状硅基太阳能电池,制备上存在的问题,即使镀上防反射层，目前实际所制造的球状硅基太阳能电池的效率为,10.4%,，与理论计算所得的,12.4%,相比仍有一段改善空间，这主要是由于制备上的问题引起的，简单说明如下：,硅,球的结晶与品质：冷却的技术较难控制硅球的结晶特性，此外形成的硅球为多晶特性，晶界与缺陷的控制与钝化需进一步改善,更,完美的球状硅的制作，在硅球制作时，熔融硅跌落的距离、加压压力与接触的衬底的性质差异等，造成硅球并非完美的球体,更基准的硅球定位组装：硅球需放置在反射镜的正中央方能得到理想的聚光效果，反之将造成聚光的偏差，导致光电流的降低,60,3.4.3 球状硅基太阳能电池制备上存在的问题60,3.4.4,六边形晶圆封装模块,61,右,图所示为可降低切损的六边形晶圆封装模块，这是,2008,年,9,月在西班牙举办的第,23,届太阳能电池展览会上，日本三洋公司提出的新单晶封装模块。该模块的特点是电池排列方式类似蜂巢状的配置，而非以往常见的矩阵，其具有以下优点：,较高的封装密度：六边形晶圆封装模块几乎填满整个模块面积，因此更能减少应用太阳能电池时所需要的面积,较少的切损：目前多数硅基太阳能电池的硅晶片都是切成四边后使用，虽然可以填满整个模块，但切边造成的损失比例仍较高。而六边形晶圆需要切下的晶圆面积大幅降低,更,高的效率：由于可以使用圆形单晶圆，因此该模块技术适用于利用单晶片具有本征薄膜的异质结太阳能电池，效率将高于一般标准模块,3.4.4 六边形晶圆封装模块61右图所示为可降低切损的六边,3.5,太阳能电池效率,分析,高效的太阳能电池要求有高的短路电流、开路电压与填充影子。,3.6.1,材料带隙宽度,在,对光生电流,I,sc,的分析中发现，对效率有贡献的是那些被电池吸收能产生电子,-,空穴对的光子。,带隙,宽度,E,g,是入射光谱进入电池的下限，与太阳光谱利用率有密切的关系。,小的带隙宽度可以拓宽电池对太阳光谱的吸收，但,E,g,的减小使本征载流子浓度,n,i,指数地增加，其结果是大大提高反向饱和电流，使开路电压降低。因此，小的,E,g,引起输出电压的减少。,虽然宽的带隙有利于,V,oc,的提高，但过高的带隙宽度使材料的吸收光谱变窄，降低了载流子的激发，减少光电流。,因此带隙宽度太窄或太宽都会引起效率的下降，必存在优化的,E,g,值。,62,3.5 太阳能电池效率分析高效的太阳能电池要求有高的短路电流,3.5.1,材料带隙,宽度,为了对能隙宽度如何影响电池效率有定性的认识，用最简单的假设简化计算。设：,电池表面无光反射，认为短路电流与入射电流相等,I,sc,=I,inc,，,V,oc,=1/qE,g,及,FF=1,等。理论计算给出了如下图所示的电池转换效率随带隙宽度的变化。结果表明,E,g,在,0.8,1.6eV,范围有较高的效率输出，,48%,的最大效率发生在,E,g,=1.1eV,处。,63,硅带隙,1.12eV,3.5.1 材料带隙宽度为了对能隙宽度如何影响电池效率有定性,3.5.2,少数载流子寿命,64,少子，即少数载流子。少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的,1/e,所经历的时间。对太阳能电池来说，少子寿命越短，电池效率越低。,3.5.2 少数载流子寿命64少子，即少数载流子。少子寿命,3.5.2,少数载流子寿命,65,3.5.2 少数载流子寿命65,3.5.2,少数载流子寿命,非平衡载流子,复合,是,决定少子寿命的关键因素,。,在诸多,复合机制中，通过深缺陷能级的复合是主要复合过程。体材料的深能级往往是制备过程中引进的,。,下,图给出了晶体硅中金属杂质浓度对电池相对效率影响的分析,，,66,电池效率对于如,Ta,、,Mo,、,Nb,、,W,、,Ti,、及,V,等金属是极为灵敏的,。含量,只要达,10,-5,ppm,，电池效率就有明显下降。,相对而言，对有些金属，电池效率的灵敏程度较为减小，如,P,、,Cu,、,Ni,、,Al,等,3.5.2 少数载流子寿命非平衡载流子复合是决定少子寿命的关,3.5.2,少数载流子寿命,图,b,显示的是电阻率较低的晶体硅，与图,a,相比，表明金属杂质浓度对电池的影响也与材料基质的纯度有关。对纯度较低的硅材料，金属杂质的影响更为灵敏。,67,3.5.2 少数载流子寿命67,3.5.3,表面复合的影响,68,3.5.3 表面复合的影响68,3.5.3,表面复合的影响,下,图给出了对,V,oc,，,I,sc,及,FF,的影响，可看到,V,oc,和,I,sc,随,S,BSF,的增加是单调下降的。,69,3.5.3 表面复合的影响下图给出了对Voc，Isc及FF的,3.5.3,表面复合的影响,前,表面复合：前表面有一部分是与金属栅线电极接触，前表面复合由两部分组成：栅线之间的表面复合与金属栅线与电池表面接触之间的复合。栅线之间的表面复合速度相对较低，金属与电池表面是欧姆接触，其表面复合速度极高,。,用前表面有效表面复合速度,SF,，,eff,表示它们的综合结果。,70,3.5.3 表面复合的影响前表面复合：前表面有一部分是与金属,3.5.3,表面复合的影响,电池的前表面或背表面复合对电池性能的影响也可用量子效率谱来说明，下图计算了不同背表面和前表面复合对量子效率谱,。,背,表面复合主要影响电池的长波响应，而前表面复合主要影响电池的短波响应。,71,3.5.3 表面复合的影响电池的前表面或背表面复合对电池性能,3.6,太阳能电池,效率损失,分析,下图表示了电池受光照后，光生载流子的产生、能量变化及其输运过程。,72,电池吸收一个能量大于,Eg,的入射光子产生电子,-,空穴对，电子和空穴分别激发到导带与价带的高能态。在激发后的瞬间，电子和空穴在激发态的能量位置取决于入射光子的能量。,处于高能态的光生载流子很快与晶格相互作用，将能量交给声子而回落到导带底与价带顶，如图所示的过程,2,，这过程也称热化过程，热化过程使高能光子的能量损失了一部分。,3.6 太阳能电池效率损失分析下图表示了电池受光照后，光生载,3.6,太阳能电池,效率损失分析,过程,3,是光生载流子的电荷分离和输运,，,光,生载流子输运过程（势垒区或扩散区）中将有复合损失（,4,），,最后,电压的输出又有一压降（,5,），它来源与电极材料的功函数的差异。,73,3.6 太阳能电池效率损失分析过程3是光生载流子的电荷分离和,3.6,太阳能电池,效率损失分析,下图定性地说明影响单节,C-Si,电池的各种因素。太阳电池效率受材料、器件结构及制备工艺的影响。包括电池的光损失、材料的有限迁移率、复合损失、串联电阻和旁路电阻损失等。对于一定的材料，电池结构与工艺改进对提高效率是重要的。,74,3.6 太阳能电池效率损失分析下图定性地说明影响单节C-Si,作业,分别画出常规晶硅太阳能电池与高效晶硅太阳能电池结构示意图,，,说明电池的工作机理；,比较,二者,的结构区别,并阐述高效硅太阳能电池中高效率获得的原因。（选择,2,种及以上高效硅太阳能电池）,75,作业分别画出常规晶硅太阳能电池与高效晶硅太阳能电池结构示意图,