第3章太阳电池的原理及结构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 太阳电池的原理及结构,主要内容：,太阳能电池的原理及结构,硅太阳能电池的结构及制备工艺,薄膜太阳能电池的结构及制备工艺,3.1,太阳能电池的原理及结构,3.1.1,太阳电池原理,光生伏特效应,半导体材料的本征光吸收：光照到半导体材料上,时，价带中的电子吸收的能量大于禁带宽度，那么电子会由价带跃迁到导带，产生电子空穴对，称为本征吸收。,光电导现象,光吸收：光照射到物体上，有一部分会被物体吸收，如果入射光的能量为,I,0,，则在距离物体表面,x,处的光的能量为：,本征吸收条件：,本征吸收限：,p-n,结光生伏特效应,:,P,N,E,F,qV,0,q(V,0,-V),光生电流,正向电流,正向电流,输出电流,电流电压特性,等效电路：,R,上图分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线,开路电压：,短路电流：,入射光子被吸收产生电子,-,空穴对,h,Eg,电子,-,空穴对在复合之前被分开,p-n,结存在内建电场,分开的电子和空穴传输至负载 连接导线,从上面的分析可以看出，任何光伏组件如要成功运作，其必须具有以下三个条件：,3.1.2,表征太阳能电池的参数,I=I,F,-I,L,由光电池的伏安特性曲线，可以得到描述太阳能电池的四个输出参数。,在,p-n,结开路情况下（,R=,），此时,pn,结两端的电压即为开路电压,V,oc,。,这时，,I=0,，即：,I,L,=I,F,。将,I=0,代入光电池的电流电压方程，得开路电压为：,.,开路电压,V,oc,2.,短路电流,I,sc,如将,pn,结短路（,V=0,），因而,I,F,=0,，这时所得的电流为短路电流,I,sc,。显然，短路电流等于光生电流，即：,.,填充因子,FF,在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压,V,op,和最佳工作电流,I,op,。,填充因子定义为：,FF=V,op,I,op,/V,oc,I,sc,=P,max,/V,oc,I,sc,它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在,V,oc,和,I,sc,所组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是,V,oc,，,I,sc,和,FF,乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在,0.70-0.85,范围之内。,.,太阳能电池的光电转化效率,=,（太阳能电池的输出功率,/,入射的太阳光功率）,x100%,=,（,V,op,x I,op,/P,in,x S,）,X100%,=V,oc,I,sc,FF/P,in,S,其中,P,in,是入射光的能量密度，,S,为太阳能电池的面积,.,表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即：,能量,h,大于材料的禁带宽度,E,g,，被材料吸收而激发电子,-,空穴对，最大短路电流值显然仅与材料带隙,E,g,有关，其关系如图所示。,短路电流,I,sc,的考虑：,在,AMO,和,AM1.5,光照射下的最大短路电流值,影响太阳能电池转化效率的因素：,开路电压,V,oc,的考虑：,开路电压,V,oc,的最大值，在理想情况下有下式决定：,式中,I,L,是光生电流，在理想情况即为上图所对应的最大短路电流。,I,0,是二极管反向饱和电流，其满足：,I,0,=Aq(D,n,/L,n,N,A,+D,p,/L,p,N,D,)n,i,2,n,i,2,=N,c,N,v,exp(-Eg/kT),显然，,I,s,随,E,g,增大而减小，,V,oc,随,E,g,增大而增大。,填充因子,FF,的考虑：,在理想情况下，填充因子,FF,仅是开路电压,V,oc,的函数，可用以下经验公式表示：,FF=U,oc,-ln(U,oc,+0.72)/(U,oc,+1),U,oc,=V,oc,(kT/q),1/2,这样，当开路电压,V,oc,的最大值确定后，就可计算得到,FF,的最大值。,综合上述结果，可得到作为带隙,E,g,的函数的最大转换效率，其结果示于右图中。,对于单晶硅太阳能电池，理论上限是,27%,，目前研究得到的最大值为,24%,左右。,GaAs,太阳能电池的转换效率的理论上限为,28.5%,，现在获得的最大值是,24.7%,。如何进一步提高太阳能电池的转换效率是当前的研究课题。,实际太阳电池的等效电路图,R,sh,：并联电阻,R,s,：串联电阻,3.1.3,硅太阳电池制备及结构,晶体硅太阳能电池是典型的,p-n,结型太阳电池，它的研究最早、应用最广，是最基本且最重要的太阳电池。,在实际工艺中，一般利用,200,500,m,厚的,掺硼的,p,型硅材料作为基质材料，通过扩散形成,0.25,m,厚的,n,型掺杂剂，形成,p-n,结，通常选用磷作为,n,型掺杂剂。,p-n,结的制备技术：,磷扩散分为：气态、固态和液态扩散。,气态磷扩散：在扩散系统内，引入含磷气体,P,2,H,2,，通过高温分解，磷原子扩散到硅片中去，反应式为：,P,2,H,2,=2P+H,2,固态磷扩散：利用与硅片相同形状的固态磷源材料,Al(PO,3,),3,，即所谓的磷微晶玻璃片，与硅片紧密相贴，一起放入热处理炉内，在一定温度下，磷源材料表面挥发出磷的化合物，通常是,P,2,O,5,，与硅反应生成磷原子及其它化合物，导致磷源子不断向硅片体内扩散。,Al(PO,3,),3,=AlPO,4,+P,2,O,5,2 P,2,O,5,+5Si=5SiO,2,+4P,固态磷扩散法还可以利用丝网印刷、喷涂、旋涂、化学气相沉积等技术，在硅片表面沉积一层磷的化合物，通常是,P,2,O,5,。,液态磷源扩散可以得到较高的表面浓度，在硅太阳电池工艺中更为常见。通常利用的液态磷源为三氯氧磷，通过保护气体，将磷源携带进入反应系统，在,800,1000,之间分解，生成,P,2,O,5,，沉积在硅片表面形成磷硅玻璃，作为硅片磷扩散的磷源，其反应式为：,5POCl,3,=3PCl,5,+P,2,O,5,2P,2,O,5,+5Si=5SiO,2,+4P,对于晶体硅太阳电池，为使,p-n,结处有尽量多的光线到达，,p-n,结的结深要尽量浅，一般为,250nm,，甚至更浅。磷扩散时，表面会形成磷硅玻璃，影响太阳电池正常工作，需要去除。用稀释的,HF,中侵蚀。,金属电极的制备技术：,现今主要采用丝网印刷技术，将金属浆料（银浆,+,有机溶剂）按照所设计的图形，印刷在硅的表面，然后在适当气氛下，通过高温烧结，使有机溶剂挥发，金属与硅表面形成良好的欧姆接触。,一般而言，金属电极的膜厚为,10,25,m,，金属栅线的宽度为,150,250,m,。,背电场技术：,为防止在衬底的背面附近由于载流子的复合引起效率的减少，在背面实现与衬底同类型的高浓度掺杂的太阳能电池。例如在,p-Si,衬底背面进行铝合金掺杂，在背面形成,p-p+,高低结势垒，即存在背电场。,由于背面的高低结势垒与硅片正面形成的,p-n,结势垒方向一致，能够提高电池的开路电压；另外，高低结势垒对,p,区少子,-,电子有阻挡和反射作用，既减少了背表面之复合作用，又提高了,pn,结对光生少子的收集几率，也能提高电池的短路电流,。,背电场技术是一项极为有效的措施，它对高电阻率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。,减反射技术：,硅对入射太阳光的反射损失高达,30%,以上。为了提高转换效率，就必须减少反射损失。,第一类是采用减反膜技术。,硅太阳能电池常用的单层减反膜有,SiO,2,、,Ta,2,O,5,、,TiO,x,等。双层减反膜可以用,Ta,2,O,5,、,TiO,2,等薄膜。减反膜的制备一般采用物理气相沉积（,PVD),，或化学气相沉积,(CVD),等技术。,减反膜的厚度，为,1/4,波长时，两束反射光“光程差”就为,1/2,波长，发生反射的两束反射光抵消。,在,照射光的能量不变的前提下，增透膜减少反射光的光强（能量）根据能量守恒，透射光的能量必然增加。例如用,TaO,x,和,MgF,2,的双层减反膜，光学反射损失可减少到,4%,。,第二类是在硅片的进光面上，采用各向异性化学腐蚀，制得特殊表面结构：如绒面、微槽面等。,下图是绒面结构和,V,型槽结构的示意图。,绒面或,V,型槽结构是用化学腐蚀方法在电池表面上得到许多有极小（,1-2,微米）的金字塔状或,V,型的凹凸层，在这种微结构表面上，入射光受表面第一次反射后，又得到第二次入射进硅衬底的机会，提高了光能利用率。,表面钝化技术：,通常的电池光电流收集电极金属与半导体直接结合，这样，在半导体表面复合几率增大。在结构中引入了,2-3,纳米厚的极薄,SiO,2,层，使得在,n+,表面的光生电子,-,空穴对的复合减少。同时，由于氧化膜很薄，电流可以通过隧穿效应流过，所以对短路电流的影响很小。,为了避免隧穿效应的影响，在钝化层中利用光刻技术刻出一个个接触微窗（小于接触电极面积），使金属与,n+-Si,直接接触以提高光电流的收集效率。同时也可减少金属电极的覆盖率。,在这种电池结构中，为了进一步减少受光面的界面复合和光学损失，采用了倒金字塔型减反结构，并在其上加上极薄,SiO,2,层，再在其上覆盖双层减反膜以达到最佳减反效果。同时，在里电极上也加入极薄氧化层进行钝化以减弱背面复合，在钝化膜上刻出引入电极的窗口，利用窗口进行定域,B,扩散形成背电场，再将电极金属覆盖上形成电池。这种结构的太阳能电池达到了单晶硅太阳能电池的最高转换效率，在,AM1.5,的光照下效率可达,24%,以上。,3.1.4,薄膜太阳电池制备及结构,(1),多晶硅薄膜电池,与硅电池结构类似,衬底,p,n,减反层,一般采用化学沉积法。将衬底加热至,1000,左右，利用硅烷,(SiH,4,),、三氯氢硅,(SiHCl,3,),等气体的分解，生成硅原子，沉积在衬底表面。反应时，同时通入硼烷，形成,p,型硅薄膜，厚度为,20,30,m,。制备的硅薄膜大多为非晶，需要通过固化结晶、区熔结晶等技术使其再结晶。然后，与晶体硅一样，利用磷扩散技术，在,p,型多晶硅薄膜表面形成,n,型硅层。,背面接触,CdTe,CdS,SnO,2,(2)CdTe,薄膜电池,反向制备各层,玻璃,衬底,透明导电层，,CVD,，溅射，蒸发，溶胶,-,凝胶,N,型，,CBD,，电沉积，蒸发，,PVD,等,P,型，,CVD,，蒸发，溅射，电沉积等。,蒸镀沉积,Au/Cu,电极,(3),非晶硅薄膜电池,背面接触,n-a-Si,SnO,2,玻璃,p-a-Si,i-a-Si,采用低温等离子气相沉积法,(PECVD),，基本原理就是利用硅烷在低温等离子的作用下分解产生非晶硅，反应式：,SiH,4,=Si+2H,2,制备,n-a-Si,薄膜，反应同时通入磷烷,制备,p-a-Si,薄膜，反应同时通入硼烷,(4)CIS,薄膜电池,CIS(CIGS)-,基薄膜太阳能电池指以,CuInSe,2,、,CuInS,2,、,Cu(In,Ga)Se,2,等化合物为吸收层的太阳电池。其典型结构为如下的多层膜结构：金属栅,/,减反膜,/,透明电极,/,窗口层,/,过渡层,/,光吸收层,/,背电极,/,玻璃。,CIS(CIGS)-,基薄膜太阳能电池所具有的优势：,CIS,和,CIGS,是一种直接带隙半导体材料，光吸收率高达,10,5,数量级，是至今报道过的半导体中光吸收系数最高的。,最适合太阳电池薄膜化，电池厚度可做到,1-2,微米，降低了昂贵的材料消耗。,制造成本低其成本是晶体硅太阳能电池的,1/2-1/3,。,能量偿还时间在一年之内，远远低于晶体硅太阳能电池。,电池性能稳定，西门子公司制备的,CIS,电池组件在美国国家可再生能源实验室,(NREL),室外测试设备上，经受,7,年的考验仍然显示着原有的性能。,转换效率高，实验室记录为,21.5%,。,CIS(CIGS)-,基薄膜太阳能电池中最重要、最关键的是,