太阳能电池的基本理论与工艺课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,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,半导体基本概念（一）,*,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,半导体基本概念（一）,*,太阳能电池：基本理论与工艺,刘爱民 博士 教授,锦州阳光能源有限公司,&,大连理工大学,电池效率决定于每一步，,你这一步就是决定因素！,2,工艺学习，讲述要,怎么做？,理论学习，讲述,为什么这么做？,3,太阳能电池：基本理论与工艺,半导体物理的基本概念（,2 lectures,）,太阳能电池理论、结构设计、工艺技术（,2 lectures,）,太阳能电池相关的光电特性分析（,2 lectures,）（以后再讲）,太阳能电池组件物理问题（,2 lectures,）,太阳能电池板质量检测红外热成像系统,4,半导体基本概念（一）,缺陷,载流子寿命,扩散长度，影响扩散长度的因素,载流子的传输（扩散与漂移）,硅的晶体结构,电子与空穴,p,型，,n,型，,导带与价带,载流子,5,1.1,硅的晶体结构,6,Si,原子最外层有四个电子：,3s,2,3p,2,硅原子基态,3s 3p,激发态,Sp3,杂化态,Sp,3,杂化理论,7,3s,3pz,3py,3px,杂化前,杂化后,8,正四面体结构,9,共价键,半导体材料主要靠的是共价键结合。,共价键的特点：,饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键；,方向性：原子只能在特定方向上形成共价键。,10,共价电子对,11,硅晶体：正四面体结构,12,从不同方向看晶体，原子堆积是不同的，所以不同的面具有不同的物理化学性质。化学腐蚀表现出择优腐蚀，用,NaOH+H,2,O,腐蚀，腐蚀后在硅片表面形成很多个（,111,）面组成的金字塔。,13,电池绒面制备,14,硅的晶格常数：,0.54 nm,单位,cm,3,中，硅的原子数：,5x10,22,/cm,3,注： 半导体中不用严格的,MKS,单位制,15,绝对温度与摄氏温度,什么是温度？,温度是反映物体内部分子运动快慢的量。分子运动愈快,物体愈热,即温度愈高,;,分子运动愈慢,物体愈冷,即温度愈低。,绝对温度,=,摄氏温度,+273.15,室温下：,25,，,300K,绝对零度：所有原子分子绝对静止。（事实上不存在）,16,1.2,电子与空穴，导带与价带,禁带宽度,Eg,低温下，价键电子全部在价带。低温时，硅是绝缘体。,17,随着温度的升高，共价键电子被激发，离开共价键位置，成为自由电子，这样就可以导电了。,空穴的迁移，也会产生空穴导电。,禁带宽度,Eg,怎样才能导电？,18,导带中的电子，价带中的空穴,为什么硅可以吸收光？,光激发可以打断共价键，产生自由电子；将价电子激发到导带。,硅的禁带宽度,1.1eV (1100nm),吸收可见红外光。,19,1.4,直接带隙、间接带隙,20,GaAs, Si, Ge,中本征载流子浓度与温度的关系,硅，室温下,1.3x10,10,cm,-3,1.5,本征半导体,21,1.6,掺杂、,n,型和,p,型半导体,III V,22,掺杂原子的电离能,P,导带,价带,共价电子电离能,P,是施主：电子是多数载流子,23,Al,Al,是受主，空穴是多数载流子,24,掺杂半导体中载流子浓度,室温下：,n,型半导体的电子浓度：,n=N,D,，,p,型半导体的空穴浓度：,p=N,A,25,在半导体中,np=n,i,2,Si,：,n,i,=1.3x10,10,cm,-3,如果,n=N,D,=10,17,cm,-3,，那么,p=10,3,cm,-3,电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,这类半导体是,n,型半导体。,P,型半导体以此类推。,26,如果既有施主又有受主：,如果是,N,D,N,A, n,型半导体，,n=N,D,-N,A,如果是,N,A,N,D, p,型半导体，,p=N,A,-N,D,施主和受主杂质同时掺杂，会影响载流子迁移率，从而降低电导率。,27,1.7,费米能级：表示电子空穴浓度的标尺,28,1.7*,允许能态的占有几率,29,费米能级，费米,-,迪拉克统计分布,N(E)=g(E)f(E),对于洁净的半导体材料，费米能级位于禁带中央附近。,30,费米狄拉克分布函数,31,1.7,电导率，电阻率,电导率：,=q,n,n + q,h,p ,为载流子迁移率,n,型半导体：,=q,n,n,，,施主，电子是多数载流子,p,型半导体：,=q,p,p,受主，空穴是多数载流子,电阻率 ,=1/ ,光照后,n=n,0,+ n,，,p=p,0,+p,随光强变化。半导体电导率收光照的影响。,32,电导率随掺杂浓度的变化,33,1.8 III,，,V,族杂质与其他缺陷,杂质：,III-V,族：,P,，,B,C,，,O,，,Fe,，,Al,，,Mn,等,空位,位错，晶界等,34,35,缺陷能级,不同缺陷占据不同能级,36,不同杂质对太阳能电池的影响,37,1.9,载流子传输：扩散与漂移,浓度梯度，引起载流子扩散,38,漂移电流,n,电场，引起载流子漂移,39,爱因斯坦关系：,扩散长度与寿命关系：,40,谢谢,41,2.,半导体基础知识（二）,42,2.1,光，光与半导体的相互作用,光具有波的性质，也具有粒子（光子）的性质。,E=1.24 /,波长与能量的换算,43,硅：,1.12ev,， 波长：,1.1m,E,的单位,eV,（电子伏特）：一个电子在真空中被,1v,电场加速后获得的能量。,44,半导体的光吸收,半导体共价电子被激发为自由电子，正好在紫外、可见光、红外光范围内,E,45,硅吸收光子能量,1.12eV,对应波长,1100nm.,能量小于禁带宽度的光子，不能激发产生过剩载流子。,46,2.2,硅的光吸收,47,E=1.24 /,48,吸收系数,的意义,I,I,e,（,-,x,）,物理意义：光在媒质中传播,距离时能量减弱到原来能量的,e,。一般用吸收系数的,来表征该波长的光在材料中的透入深度。,49,2.3,过剩载流子的产生,激发前，导带电子密度,n,0,，价带空穴密度,p,0,，,激发后：,电子：,n=n,0,+,n,空穴：,p=p,0,+,p,一个光子只激发一个电子空穴对。,光子能量大于禁带宽度的部分就浪费掉了。,如果光子能量小于禁带宽度，不能被吸收，也浪费掉了。太阳能电池需要选择一个合适的禁带宽度的半导体材料。,Ec,Ev,50,2.4,过剩载流子的复合,光激发,1.SRH,复合，,2.,辐射复合，,3.,俄歇复合，,51,2.5,载流子寿命,52,俄歇复合,硅中载流子寿命,53,表面与界面态,54,表面与界面复合,55,有效寿命,56,2.5,器件方程,太阳能电池中载流子传输，产生与复合：,57,2.6 pn,结,58,pn,结,内建电场是太阳能电池发电的核心,59,内建电场,内建电场是太阳能电池发电的核心,:,电场强度,E,，空间电荷区宽度,W,P,区和,n,区，掺杂浓度越高，空间电荷区越窄。,空间电荷区的参数,60,2.7,金属,-,半导体接触：电极制备,功函数,亲和势,功函数,61,62,对电极下,衬底进行重掺杂,例如：,SE,电池,势垒高，而且窄，电子通过隧穿的形式传输,63,势垒低，而且宽，电子通过热激发射的形式传输,64,谢谢,65,3.,太阳能电池基本理论,66,3.1,太阳能电池工作原理,光,67,68,3.2,太阳能电池工作的两个要素：,可以吸收光，,产生电子空穴对,69,2.,具有光伏结构，,可以分开电子和空穴,70,3.3,太阳能电池的输出参数,太阳能电池,I-V,特性,开路电压、短路电流、填充因子、转换效率,71,、开路电压,：在,p-n,结开路情况下（），此时,pn,结两端的电压为开路电压,。即：,、短路电流,：,如将,pn,结短路,(V=0),因而,，这时所得的电流为短路电流,。,72,、填充因子,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,max,和最佳工作电压,V,max,。,填充因子定义为：,73,4,、光电转换效率,光电池的光电转换效率定义为最大输出功率与入射的光照强度之比，即：,74,量子效率,量子效率,光生电流中电子数,吸收某波长的光子数,量子效率,=,75,3.4,太阳光谱与能量,76,3.5,载流子产生数分布,不同波长，吸收系数不同，,吸收长度不同,77,不同波长的太阳光，载流子产生率分布,78,对标准太阳光，硅的载流子产生数,79,3.6,太阳能电池对载流子的收集效率,收集率,80,有效电流电子,=,产生数,x,收集效率,81,量子效率,量子效率,82,3*.1,原子扩散原理,83,84,85,86,87,浓度梯度是原子扩散的驱动力。,88,4.,影响效率的因素，太阳能电池设计,89,4.1,禁带宽度的影响,90,91,92,效率随禁带宽度的变化,Si,93,4.2.,太阳能电池效率,94,制约光电池转换效率的因素,光学损失,电学损失,串并联电阻损失,3%,反射损失,13%,短波损失,43%,透射损失,光生空穴,电子对,在各区的复合,表面复合 （前表面和背表面）,材料复合： 复合中心复合,95,4.3,光学损失,减反射层， 陷光结构，栅线变细变稀,96,4.2.1,减反射,减反射薄膜的,最佳折射率和厚度：,97,减反射,厚度 和折射率：关键参数,98,不同厚度的减反射薄膜，颜色不同,99,4.2.2,单晶硅表面绒化,100,单晶硅表面绒化,101,陷光原理,1.,减少反射,2.,增加光程,102,陷光效果,103,4.2.3,背反射,since the pathlength of the incident light can be enhanced by a factor up to 4n,2,where n is the index of refraction for the semiconductor,(Yablonovitch and Cody, 1982).,This allows an optical path length of approximately 50 times the physical devices thickness and thus is an effective light trapping scheme.,104,高效单晶硅电池结构,105,厚度对太阳能电池效率的影响,GaAs,Si,106,4.4,载流子复合的影响,载流子复合影响短路电流和开路电压,复合可分为五个区域：,前表面,发射区,(n,型区）,空间电荷区,基体（,p,型区）,背面,107,爱因斯坦关系：,扩散长度与寿命关系：,载流子扩散长度与寿命,光生载流子在空间电荷区两侧 一个扩散长度范围内产生，才,可能,被收集。,其被收集的几率受载流子复合几率（载流子寿命的倒数）的限制。,108,为了更有限地收集,p-n,结的光生载流子，硅电池的表面和体复合必须最大限度的降低。,通常，电流收集所要求的两个条件：,光生载流子必须在结的两侧，一个载流子扩散长度范围内。,在局域高复合区（未被钝化的表面或者多晶器件的晶界），载流子必须产生于近结的地方而不是近复合区；在局域较为轻的复合区（钝化的表面），载流子可以产生于近复合区，可以不被复合而扩散到结的区域。,4.3.1,复合对电流的影响,109,蓝光有着高的吸收系数和能在近前表面得到吸收；但是当近前表面是高复合区的话，它不能产生少数载流子。,110,电荷收集,电池的量子效率可以作为评价光生载流子复合效应的手段。,111,基体中载流子寿命对开路电压的影响,112,掺杂浓度对开路电压的影响,113,并联电阻,由并联电阻造成的器件效率严重损失主要是材料和器件制备中的缺陷，而不是器件设计问题。小的并联电阻提供了光生电流的另一个通道，而不再通过负载。这样就降低了电池的开路电流和短路电压,.,在弱光下，并联电阻的影响尤为显著。,114,降低表面与界面复合,115,背场电池,116,背表面复合速率对电池参数的影响,表面复合,117,4.4,串联电阻,118,4.4.1,体电阻,119,4.4.2,薄层电阻,120,发射层电阻,121,4.4.3,接触电阻,122,栅线设计,123,4.4.4,串联电阻的来源与影响,发射区,基区,接触电阻,降低填充因子，特别大的串联电阻还降低短路电流。,124,短路电流依赖于,电池面积,太阳能光强度,光谱分布,光生载流子收集率。,125,4.5,串联电阻和并联电阻的分辨,126,4.6,影响量子效率的因素,127,4.7,电池结构与效率,128,对于一个单结太阳能电池，假如表面反射、载流子收集、以及串并联电阻，都得到优化，他的理论最高效率：,25%,129,4.7.1,材料选择,(,一般是硅,),原料丰富,工艺成熟,禁带宽度略低，,间接禁带半导体，光吸收系数小，但通过陷光结构可以克服。,目前还没有找到其他材料能够代替硅。,130,4.7.2,电池厚度,(100-500,微米,),具有陷光和良好表面反射层的电池，其厚度,100,微米，就可以了。,目前市场上，电池厚度,200,500,微米之间，目的是生产中容易操作。,131,4.7.3,电阻率,(1,欧姆厘米,),高的掺杂浓度，可以产生高的开路电压，并降低电池串联电阻。,但是过高的掺杂浓度会降低载流子扩散长度，反过来影响载流子收集。,132,4.7.4,扩散层,(n-type),扩散层：负极,基底：正极,133,4.7.5,扩散层厚度,(1,微米,),大量的太阳光是在扩散层被吸收的，这一层比较薄，使得更多的光生载流子在一个扩散长度范围内产生，从而被,pn,结收集。,134,4.7.6,扩散层掺杂浓度,扩散层的掺杂浓度要在一个适当的程度。,掺杂浓度偏高，有利于降低电阻损耗，传输光生载流子。但是会增大扩散层中光生载流子的复合，影响载流子收集。,135,4.7.7,栅线,收集电流。,136,4.7.8,背面电极,.,背面电极和前面相比，不那么重要。但是随着电池效率的升高和电池厚度变薄，降低背面复合也是非常必要的。,137,4.8,效率测试,138,139,4.9,电池效率受温度的影响,140,4.10,光强的影响,141,4.11,晶体硅电池制备,142,太阳电池产业链,硅砂（,SiO,2,）,冶金级硅（,3N,）,太阳级硅（,6N,）,硅棒,硅锭,切方,破锭,切片,制备电池,封装,143,太阳能电池的研究工作简介,144,太阳能电池的研究工作,实验制备太阳能电池，,包括寻找新技术，新手段。提高电池效率，降低太阳能电池成本。技术的突破，给产业的发展，往往是跨越式的。,表征分析，,太阳能电池研究过程中，遇到的技术和科学问题，必须进行测试和理论分析。,理论分析也是太阳能电池研究不可或缺的部分。,145,新技术的突破,实验研究：,提高效率,+1%,进一步降低成本,-1%,，,-10%,，,-50%,薄膜、薄、多晶硅、颗粒带硅等等。,146,表征分析,串联电阻、并联电阻原因分析,复合在什么位置？多大？什么原因引起的复合？,缺陷分布？什么缺陷？,等等。,凡是实验和生产提出的问题，都是我们研究的对象。,147,148,149,变波长，,变光强,变温度,瞬态信号分析,150,151,太阳能电池：基本理论与工艺,半导体物理的基本概念,太阳能电池理论、结构设计、工艺技术,太阳能电池相关的光电特性分析,太阳能电池组件物理问题,152,谢谢,153,7.,太阳能电池组件,154,组件的材料,155,156,组件的设计,157,158,159,160,161,162,163,164,165,166,167,168,169,170,171,172,173,174,175,176,世界最高纪录的,PERL,电池,效率为24.7%,PERL (passivated emitter, rear locally-diffused) cell structure. P,型衬底全硼背场到金子塔双肩反射层背面氧化层钝化发射结重掺,赵建华,177,全硼背场,N,型衬底,PERT (passivated emitter, rear totally-diffused),太阳电池,效率为22.7%,N,型衬底全硼背场到金子塔双肩反射层背面氧化层钝化发射结重掺,赵建华,178,效率21.6%,LFC PERC,电池适于产业化,效率：21.6%,LFC (laser fired contact),背面全部,SiO,2,钝化,激光烧结接触点,德国,Fraunhofer ISE,179,180,181,厚度的影响,182,183,184,185,186,187,188,189,2.5,方块电阻,190,191,192,半导体基本概念（二）,减反射薄膜原理与制备技术，化学气相沉积的原理，陷光效率的原理与实现。,太阳光谱与能量，光的吸收，电池结构设计应考虑的几个因素，电极制备，电极设计，电流收集理论，,193,194,AM(0), AM(1.5),195,196,197,