第三章晶体硅太阳能电池的基本原理课件.ppt

confidential第三章第三章 晶体硅太阳能电池的基本原理晶体硅太阳能电池的基本原理3.1 太阳电池的分类太阳电池的分类按基体材料分按基体材料分1.硅太阳电池硅太阳电池单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池微晶硅太阳电池微晶硅太阳电池2.化合物太阳电池化合物太阳电池砷化镓砷化镓太阳能电池太阳能电池碲化镉太阳能电池碲化镉太阳能电池铜铟镓硒太阳能电池铜铟镓硒太阳能电池 confidential3.2 太阳电池的分类工作原理太阳电池的分类工作原理太阳电池基本构造：太阳电池基本构造：半导体的半导体的PN结结导体：铜（导体：铜（106/(cm)）绝缘体绝缘体:石英（石英（SiO2(10-16/(cm)）半导体半导体:10-4104/(cm)半导体半导体元素：硅（元素：硅（SiO2）、锗（）、锗（Ge）、硒（）、硒（Se）等）等化合物：硫化镉（化合物：硫化镉（CdS）、砷化镓（）、砷化镓（GaAs）等）等合金：合金：GaxAl1-xAs(x为为0-1之间的任意数之间的任意数)有机半导体有机半导体3.2.1 半导体半导体 confidential+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅是四价元素，每个原子的硅是四价元素，每个原子的最外层上有最外层上有4个电子。个电子。这这4个电子又被称为个电子又被称为价电子价电子硅晶体中，每个原子有硅晶体中，每个原子有4个个相邻原子，并和每一个相邻相邻原子，并和每一个相邻原子共有原子共有2个价电子，形成个价电子，形成稳定的稳定的8原子壳层。原子壳层。confidential当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，束束缚缚电电子子能能量量升升高高，有有的的电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与导电，称为与导电，称为自由电子自由电子。自自由由电电子子产产生生的的同同时时，在在其其原原来来的的共共价价键键中中就就出出现现一一个个空空位位，称称为为空空穴穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由自由电子电子空穴空穴 confidential confidentialn=3n=2 原子能级原子能级 能带能带N N条能级条能级E E禁带禁带 confidential满带满带：排满电子的能带：排满电子的能带空带空带：未排电子的能带：未排电子的能带未满带未满带：排了电子但未排满的能带：排了电子但未排满的能带禁带禁带：不能排电子的区域：不能排电子的区域11满带不导电满带不导电22未满能带才有导电性未满能带才有导电性导带导带：最高的满带：最高的满带价带价带：最低的空带：最低的空带电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子，电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子，空穴和电子都参与导电成为空穴和电子都参与导电成为载流子载流子 confidential导体导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。定向流动形成电流。绝缘体绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（个较宽的禁带（E Eg g 约约3 36 eV6 eV），共有化电子很难从低能级（满），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。带）跃迁到高能级（空带）上去。半导体半导体：的能带结构：的能带结构,满带与空带之间也是禁带，满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄但是禁带很窄（E Eg g 约约3 eV3 eV以下以下 )。confidential confidential在在本征半导体本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体的半导体2 2 掺杂半导体掺杂半导体3.2.3 3.2.3 杂质半导体杂质半导体1 1 本征半导体本征半导体无杂质，无缺陷的半导体无杂质，无缺陷的半导体本证载流子：电子、空穴均参与导电本证载流子：电子、空穴均参与导电本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少 confidential根据掺杂的不同，杂质半导体分为根据掺杂的不同，杂质半导体分为N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体N N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体P P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。confidential confidential掺入少量五价杂质元素磷掺入少量五价杂质元素磷+4+4+4+4+4+4+4+4P P多出一多出一个电子个电子出现了一个出现了一个正离子正离子电电子子是是多多数数载载流流子子，简简称称多子多子;空空穴穴是是少少数数载载流流子子，简简称称少子少子。施主杂质施主杂质半导体整体呈电中性半导体整体呈电中性 confidential confidential3.2.5 PN3.2.5 PN结结半半导导体体中中载载流流子子有有扩扩散散运运动动和和漂漂移移运运动动两两种种运运动动方方式式。载载流子在电场作用下的定向运动称为流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动漂移运动.在在半半导导体体中中，如如果果载载流流子子浓浓度度分分布布不不均均匀匀，因因为为浓浓度度差差，载载流流子子将将会会从从浓浓度度高高的的区区域域向向浓浓度度低低的的区区域域运运动动，这这种种运运动称为动称为扩散运动扩散运动。将将一一块块半半导导体体的的一一侧侧掺掺杂杂成成P P型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成N N型型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层PN结结 confidential 多子扩散运动形成空间电荷区多子扩散运动形成空间电荷区由由于于浓浓度度差差，电电子子和和空空穴穴都都要要从从浓浓度度高高的的区区域域向向扩扩散散的的结结果果，交交界界面面P P区区一一侧侧因因失失去去空空穴穴而而留留下下不不能能移移动动的的负负离离子子，N N区区一一侧侧因因失失去去电电子子而而留留下下不不能能移移动动的的正正离离子子，这这样样在在交交界界面面处处出出现现由由数数量量相相等等的的正正负负离离子子组组成成的的空空间间电电荷荷区区，并并产产生生由由N N区区指指向向P P区区的内电场的内电场E EININ。PNPN结结 confidential confidential3.2.6 3.2.6 光生伏特效应光生伏特效应当当光光照照射射p-np-n结结，只只要要入入射射光光子子能能量量大大于于材材料料禁禁带带宽宽度度，就就会会在在结结区区激激发发电电子子-空空穴穴对对。这这些些非非平平衡衡载载流流子子在在内内建建电电场场的的作作用用下下，空空穴穴顺顺着着电电场场运运动动，电电子子逆逆着着电电场场运运动动，最最后后在在n n区区边边界界积积累累光光生生电电子子，在在p p区区边边界界积积累累光光生生空空穴穴，产产生生一一个个与与内内建建电电场场方方向向相相反反的的光光生生电电场场，即即在在p p区区和和n n区区之之间间产产生生了了光光生生电电压压U UOCOC，这这就就是是p-np-n结结的的光光生生伏伏特特效效应应。只只要要光光照照不不停止，这个光生电压将永远存在。停止，这个光生电压将永远存在。confidential3.2.7 3.2.7 太阳电池的基本工作原理太阳电池的基本工作原理光电转换的物理过程：光电转换的物理过程：（1 1）光子被吸收，使）光子被吸收，使PNPN结的结的P P侧和侧和N N侧两边产生电子侧两边产生电子-空穴对空穴对（2 2）在在离离开开PNPN结结一一个个扩扩散散长长度度以以内内产产生生的的电电子子和和空空穴穴通通过过扩扩散散到到达达空空 间电荷区间电荷区（3 3）电电子子-空空穴穴对对被被电电场场分分离离，P P侧侧的的电电子子从从高高电电位位滑滑落落至至N N侧侧，空空穴穴沿沿着相反的方向移动着相反的方向移动（4 4）若）若PNPN结开路，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压结开路，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压 confidential3.2.8 3.2.8 晶硅太阳电池的结构晶硅太阳电池的结构 confidential confidential由由于于半半导导体体不不是是电电的的良良导导体体，电电子子在在通通过过p pn n结结后后如如果果在在半半导导体体中中流流动动，电电阻阻非非常常大大，损损耗耗也也就就非非常常大大。但但如如果果在在上上层层全全部部涂涂上上金金属属，阳阳光光就就不不能能通通过过，电电流流就就不不能能产产生生，因因此此一一般般用用金金属属网网格格覆覆盖盖p pn n结（如图结（如图栅状电极栅状电极），以增加入射光的面积。），以增加入射光的面积。另另外外硅硅表表面面非非常常光光亮亮，会会反反射射掉掉大大量量的的太太阳阳光光，不不能能被被电电池池利利用用。为为此此，科科学学家家们们给给它它涂涂上上了了一一层层反反射射系系数数非非常常小小的的保保护护膜膜，将将反反射射损损失失减减小小到到5 5甚甚至至更更小小。一一个个电电池池所所能能提提供供的的电电流流和和电电压压毕毕竟竟有有限限，于于是是人人们们又又将将很很多多电电池池（通通常常是是3636个个）并并联联或或串串联联起起来来使使用用，形形成太阳能光电板。成太阳能光电板。confidential confidential3.3.2 3.3.2 太阳电池等效电路太阳电池等效电路R Rsese表示来自电极接触、基体材料等欧姆损耗的串联电阻表示来自电极接触、基体材料等欧姆损耗的串联电阻R Rshsh表示来自泄漏电流的旁路电阻表示来自泄漏电流的旁路电阻R RL L表示负载电阻表示负载电阻I ID D表示二极管电流表示二极管电流I IL L表示光生电流表示光生电流晶体硅太阳电池的等效电路晶体硅太阳电池的等效电路 confidential根据等效电路根据等效电路将将p p-n n结二极管电流方程结二极管电流方程代入上式的输出电流代入上式的输出电流式式中中q q为为电电子子电电量量，k k为为波波尔尔兹兹曼曼常常数数，T T为为绝绝对对温温度度，n n为二极管质量因子。为二极管质量因子。理想情况下，理想情况下，R Rshsh,R Rsese0 0 confidential3.3.3 3.3.3 太阳电池的主要技术参数太阳电池的主要技术参数伏安特性曲线（伏安特性曲线（I-VI-V曲线）曲线）当当负负载载R RL L从从0 0 变变化化到到无无穷穷大大时时，输输出出电电压压V V 则则从从0 0 变变到到V VOCOC，同时输出电流便从同时输出电流便从I ISCSC变到变到0 0，由此得到电池的输出特性曲线，由此得到电池的输出特性曲线太阳能电池的伏安曲线太阳能电池的伏安曲线电池产生电池产生的电能的电能MvmIm0 confidential confidential短短路路电电流流是是指指当当穿穿过过电电池池的的电电压压为为零零时时流流过过电电池池的的电电流流（或或者者说电池被短路时的电流）。通常记作说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。短短路路电电流流源源于于光光生生载载流流子子的的产产生生和和收收集集。对对于于电电阻阻阻阻抗抗最最小小的的理理想想太太阳阳能能电电池池来来说说，短短路路电电流流就就等等于于光光生生电电流流。因因此此短短路路电电流是电池能输出的最大电流。流是电池能输出的最大电流。在在AM1.5AM1.5大大气气质质量量光光谱谱下下的的硅硅太太阳阳能能电电池池，其其可可能能的的最最大大电电流流为为4646mAmA/cmcm2 2。实实验验室室测测得得的的数数据据已已经经达达到到4242mAmA/cmcm2 2，而而商商业业用太阳能电池的短路电流在用太阳能电池的短路电流在2828到到3535mAmA/cmcm2 2之间。之间。confidential开开路路电电压压VOC是是太太阳阳能能电电池池能能输输出出的的最最大大电电压压，此此时时输输出出电电流流为为零零。开开路路电电压压的的大大小小相相当当于于光光生生电电流流在在电电池池两两边边加加的的正正向向偏偏压。开路电压如下图伏安曲线所示。压。开路电压如下图伏安曲线所示。开路电压是太阳能电池的开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零最大电压，即净电流为零时的电压。时的电压。confidential confidential填填充充因因子子被被定定义义为为电电池池的的最最大大输输出出功功率率与与开开路路VOC和和ISC的的乘乘积积的的比值。比值。短短路路电电流流和和开开路路电电压压分分别别是是太太阳阳能能电电池池能能输输出出的的最最大大电电流流和和最最大大电电压压。然然而而，当当电电池池输输出出状状态态在在这这两两点点时时，电电池池的的输输出出功功率率都都为为零零。“填填充充因因子子”，通通常常使使用用它它的的简简写写“FF”，是是由由开开路路电电压压VOC和和短短路路电电流流ISC共共同同决决定定的的参参数数，它它决决定定了了太太阳阳能能电电池池的的输输出出效效率率。从从图图形形上上看看，FF就就是是能能够够占占据据IV曲曲线线区区域域最最大大的的面面积积。如下图所示。如下图所示。confidential confidential太太阳阳能能电电池池的的转转换换：太太阳阳电电池池接接受受的的最最大大功功率率与与入入射射到到该该电电池池上的全部辐射功率的百分比。上的全部辐射功率的百分比。U Um m、I Im m分别为最大功率点的电压分别为最大功率点的电压A At t为包括栅线面积在内的太阳电池总面积为包括栅线面积在内的太阳电池总面积P Pinin为单位面积入射光的功率。为单位面积入射光的功率。confidential在在太太阳阳能能电电池池中中，受受温温度度影影响响最最大大的的参参数数是是开开路路电电压压。温温度度的的改改变对伏安曲线的影响如下图所示。变对伏安曲线的影响如下图所示。短短路路电电流流ISC提提高高幅幅度度很很小小温温度度较较高高的的电池电池开路电压开路电压Voc下降幅度大下降幅度大 confidential太阳辐照度对太阳能电池的伏安特性的影响太阳辐照度对太阳能电池的伏安特性的影响短路电流短路电流I ISCSC随着随着聚光呈线性上升聚光呈线性上升开路电压随光强呈对数上升开路电压随光强呈对数上升 confidential3.3.4 3.3.4 影响太阳电池转换效率的因素影响太阳电池转换效率的因素 1.1.禁带宽度禁带宽度V VOCOC随随E Eg g的的增增大大而而增增大大，但但另另一一方方面面，I ISCSC随随E Eg g的的增增大大而而减减小小。结结果果是可期望在某一个确定的是可期望在某一个确定的E Eg g随处出现太阳电池效率的峰值。随处出现太阳电池效率的峰值。随随温温度度的的增增加加，效效率率下下降降。I ISCSC对对温温度度T T不不很很敏敏感感，温温度度主主要要对对V VOCOC起作用。起作用。对对于于SiSi，温温度度每每增增加加1 10 0C C，V VOCOC下下降降室室温温值值的的0.4%0.4%，也也因因而而降降低低约约同同样样的的百百分分数数。例例如如，一一个个硅硅电电池池在在20200 0C C时时的的效效率率为为20%20%，当当温温度度升升到到1201200 0C C时时，效效率率仅仅为为1212。又又如如GaAsGaAs电电池池，温温度度每每升升高高1 10 0C C，V VOCOC降降低低1.7mv 1.7mv 或降低或降低0.2%0.2%。2.2.温度温度 confidential希希望望载载流流子子的的复复合合寿寿命命越越长长越越好好，这这主主要要是是因因为为这这样样做做I ISCSC大大。少少子子长长寿寿命命也也会会减减小小暗暗电电流流并并增增大大V VOCOC。在在间间接接带带隙隙半半导导体体材材料料如如SiSi中中，离离结结100m100m处处也也产产生生相相当当多多的的载载流流子子，所所以以希希望望它它们们的的寿寿命命能能大大于于1s1s。在在直直接接带带隙隙材材料料，如如GaAsGaAs或或GuGu2 2S S中中，只只要要10ns10ns的复合寿命就已足够长了。的复合寿命就已足够长了。达达到到长长寿寿命命的的关关键键是是在在材材料料制制备备和和电电池池的的生生产产过过程程中中，要要避避免免形形成成复复合合中中心心。在在加加工工过过程程中中，适适当当而而且且经经常常进进行行工工艺艺处处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。将将太太阳阳光光聚聚焦焦于于太太阳阳电电池池，可可使使一一个个小小小小的的太太阳阳电电池池产产生生出出大大量量的的电电能能。设设想想光光强强被被浓浓缩缩了了X X倍倍，单单位位电电池池面面积积的的输输入入功功率率和和J JSCSC都都将将增增加加X X倍倍，同同时时V VOCOC也也随随着着增增加加(kT/q)lnX(kT/q)lnX倍倍。因因而而输输出出功功率的增加将大大超过率的增加将大大超过X X倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了。倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了。3.3.复合寿命复合寿命4.4.光强光强 confidential5.5.掺杂浓度及剖面分布掺杂浓度及剖面分布 对对V VOCOC有有明明显显的的影影响响的的另另一一因因素素是是掺掺杂杂浓浓度度。虽虽然然N Nd d和和N Na a出出现现在在V Vococ定定义义的的对对数数项项中中，它它们们的的数数量量级级也也是是很很容容易易改改变变的的。掺掺杂杂浓浓度度愈愈高高，V Vococ愈愈高高。一一种种称称为为重重掺掺杂杂效效应应的的现现象象近近年年来来已已引引起起较较多多的的关关注注，在在高高掺掺杂杂浓浓度度下下，由由于于能能带带结结构构变变形形及及电电子子统统计计规规律律的的变变化化，所所有有方方程程中中的的N Nd d和和N Na a都都应应以以（N Nd d）effeff和和（N Na a）effeff代代替替。如如图图2.182.18。既既然然（N Nd d）effeff和和（N Na a）effeff显显现现出出峰峰值值，那那么么用用很很高高的的N Nd d和和N Na a不不会会再再有有好好处处，特特别是在高掺杂浓度下寿命还会减小。别是在高掺杂浓度下寿命还会减小。高高掺掺杂杂效效应应。随随掺掺杂杂浓浓度度增增加加有有效效掺掺杂杂浓浓度度饱饱和和，甚至会下降甚至会下降 confidential目目前前，在在SiSi太太阳阳电电池池中中，掺掺杂杂浓浓度度大大约约为为10101616cmcm-3-3，在在直直接接带带隙隙材材料料制制做做的的太太阳阳电电池池中中约约为为10101717 cmcm-3-3，为为了了减减小小串串联联电电阻阻，前前扩扩散散区区的的掺掺杂杂浓浓度度经经常常高高于于10101919 cmcm-3-3，因因此此重重掺掺杂杂效效应应在在扩扩散散区是较为重要的。区是较为重要的。当当N Nd d和和N Na a或或（N Nd d）effeff和和（N Na a）effeff不不均均匀匀且且朝朝着着结结的的方方向向降降低低时时，就就会会建建立立起起一一个个电电场场，其其方方向向能能有有助助于于光光生生载载流流子子的的收收集集，因因而而也也改改善善了了I ISCSC。这这种种不不均均匀匀掺掺杂杂的的剖剖面面分分布布，在在电电池池基基区区中中通通常是做不到的；而在扩散区中是很自然的。常是做不到的；而在扩散区中是很自然的。confidential6.6.表面复合速率表面复合速率 低低的的表表面面复复合合速速率率有有助助于于提提高高I ISCSC，并并由由于于I I0 0的的减减小小而而使使V VOCOC改改善善。前前表表面面的的复复合合速速率率测测量量起起来来很很困困难难，经经常常被被假假设设为为无无穷穷大大。一一种种称称为为背背表表面面场场（BSFBSF）电电池池设设计计为为，在在沉沉积积金金属属接接触触之之前前，电电池池的的背背面面先先扩散一层扩散一层P P附加层。附加层。背背表表面面场场电电池池。在在P/P+P/P+结结处处的的电电场场妨妨碍碍电电子子朝朝背背表表面流动面流动 confidential7.7.串联电阻串联电阻 在在任任何何一一个个实实际际的的太太阳阳电电池池中中，都都存存在在着着串串联联电电阻阻，其其来来源源可可以以是是引引线线、金金属属接接触触栅栅或或电电池池体体电电阻阻。不不过过通通常常情情况况下下，串串联联电电阻阻主主要要来来自自薄薄扩扩散散层层。PN PN 结结收收集集的的电电流流必必须须经经过过表表面面薄薄层层再再流流入入最最靠靠近近的的金金属属导导线线，这这就就是是一一条条存存在在电电阻阻的的路路线线，显显然然通通过过金金属属线线的的密密布布可可以以使使串串联联电电阻阻减减小小。串串联联电电阻阻R RS S 的的影影响响是是改改变变I IV V 曲曲线的位置。线的位置。8.8.金属栅和光反射金属栅和光反射 在在前前表表面面上上的的金金属属栅栅线线不不能能透透过过阳阳光光。为为了了使使I ISCSC最最大大，金金属属栅栅占占有有的的面面积积应应最最小小。为为了了使使R RS S小小，一一般般是是使使金金属属栅栅做做成成又又密密又又细细的的形形状状。因因为为有有太太阳阳光光反反射射的的存存在在，不不是是全全部部光光线线都都能能进进入入Si Si 中中。裸裸Si Si 表表面面的的反反射射率率约约为为40%40%。使使用用减减反反射射膜膜可可降降低低反反射射率率。对对于于垂垂直直地地投投射射到到电电池池上上的的单单波波长长的的光光，用用一一种种厚厚为为1/4 1/4 波波长长、折折射射率率等等于于n n 1/21/2（n n 为为Si Si 的的折折射射率率）的的涂涂层层能能使使反反射射率率降降为为零零。对对太太阳阳光光，采采用用多层涂层能得到更好的效果。多层涂层能得到更好的效果。