第六章-太阳能电池的基本结构-经典太阳电池基础课件.ppt

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1、第六章太阳能电池的基本机构太阳电池按结构分类主要有同质结、异质结和肖特基结三类。最常见也是最基本的是同质结太阳电池。它主要依靠p-n结的光生伏打效应来工作太阳电池的结构太阳电池的结构 如图所示是同质结太阳电池的结构。在p型硅衬底上扩散形成n型层，构成一个p-n结，形成硅太阳电池的基本结构。正面的金属栅欧姆接触，称为正电极。背面的大面积欧姆接触，称为背电极。同时为了增加光吸收，提高太阳电池效率，上表面一般还覆盖有均匀的减反射层。如果用包含hvEg的光子辐射照射到具有平衡p-n结的半导体表面，根据光生伏特效应，入射光在其透入深度范围内激发电子空穴对，在强内电场的作用下，电子和空穴定向运动，在p-n

2、结两端形成光生电压。如果将包含负载的回路与p-n结相连，光生电压可以引起回路内产生电流，从而向负载输出一定的功率。太阳电池的基本器件方程太阳电池的基本器件方程 1理想PN结的伏安特性在小注入、耗尽区内无产生复合电流的情况下，PN结电流密度称为PN结的理想方程。其中Js为饱和电流密度：也可以用双二极管模型分别表示耗尽区、基区/发射区产生复合电流的影响。这时，上式可以用下式表达：其中，J01、J02分别为基区/发射区、耗尽区贡献的饱和电流密度2同质结太阳电池原理同质结太阳电池如图所示（n+/p型）。它是在p型硅衬底上形成一个n+型层，构成一个p-n结。正面的金属栅欧姆接触，称为正电极，背面的大面积

3、欧姆接触，称为背电极。上表面还覆盖有均匀的减反射层。电池的理想伏安特性为其中，IS是二极管饱和电流电池的理想伏安曲线如图所示。图中同时还画出了暗特性曲线，即无光照(IL=0)时的I-V曲线。IV暗特性曲线调节负载电阻到某一值Rm时，曲线上有一点M，满足功率输出Pm最大 M点称为电池的最大功率点。直观上讲，即上图中使I-V曲线的内接矩形面积最大的点定义填充因子FF来表征电池I-V曲线“方形”的程度，这是衡量太阳电池输出特性好坏的重要指标之一于是，Pm可以表示为因此，在一定的光照下，为了有尽量大的功率输出，就要获得尽量大的开在一定的光照下，为了有尽量大的功率输出，就要获得尽量大的开路电压路电压VO

4、C、短路电流、短路电流ISC 和填充因子和填充因子FF 当光照到半导体的表面时，有 R+A+T=1（R为反射率，A为吸收率，T为透过率）对于高效太阳电池而言，反射率越小越好，为了降低反射率，通常需要使用减反膜或绒面等技术。光穿过半导体时会衰减，入射光强为I0,在半导体内X处的光强为Ix，于是有：Ix=I0（1-R）EXP（-ax）a为吸收系数，它 在太阳电池的设计中是非常重要的，它确定了给定波长的光在离表面多远的地方被吸收掉。半导体中的本征吸收是指价带中的电子被激发到导带，在价带产生空穴，同时伴随光子湮灭的过程。半导体的光吸收取决于带隙和能带结构。光与半导体的相互作用光与半导体的相互作用 光照

5、射时会产生电子-空穴对，此时载流子的浓度超过无照射时的浓度，如果去掉照射，光激发产生的载流子会很快被复合掉，载流子的浓度会衰减到平衡时的浓度，这个过程被称为复合过程。因此载流子的寿命很重要。载流子的寿命取决于复合机理，复合机理主要包括以下几种：1直接复合电子在导带和价带之间的直接跃迁而引起的非平衡载流子的复合过程。非平衡载流子的寿命(在小注入 的情况下）：t=1/r(n0+p0)载流子的复合载流子的复合r：复合概率，对于特定的材料是一特定的常数，n0，p0为平衡载流子的浓度。在小注入的情况下t取决于复合概率。一般一般 而言带隙越小，温度越高，直接复合的概而言带隙越小，温度越高，直接复合的概率越

6、大，率越大，t还与多数载流子的浓度成反比。vt载流子的热运动的平均速度，Nt为复合中心浓度。以上说明载流子的寿命与复合中心的载流子的寿命与复合中心的种类有关，截面越大，说明越短，其寿命种类有关，截面越大，说明越短，其寿命与复合中心的浓度成反比，与载流子的热与复合中心的浓度成反比，与载流子的热运动的平均速度成反比。运动的平均速度成反比。载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子并使之激发到较高的能级上去，当他重新跃迁到较低的能级时，多余的能量以声子的形式释放。载流子的寿命随着掺杂浓度的增加而迅速减小。俄歇复合俄歇复合载流子的寿命在很大程度上受到半导体表面状态的影

7、响，表面有促进复合的作用。表面的悬表面的悬挂建，杂质及特有的缺陷等在禁挂建，杂质及特有的缺陷等在禁带形成复合中心能级。带形成复合中心能级。就复合机制而言，表面复合仍是间接复合。表面复合表面复合短路电流太阳电池的短路电流等于其光生电流。开路电压当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势太阳电池的电学特性太阳电池的电学特性制约光电池转换效率的因素制约光电池转换效率的因素1 1禁带宽度禁带宽度 VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，JSC随Eg的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的Eg处出现太阳电池效率的峰值。2 2温度温度随温度的增加，效率下降。ISC对温度T很敏感，温度还对VOC起主

8、要作用。转换效率转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R时，得到的最大能量转换效率，其定义为，电池的最大功率输出与入射功率之比。填充因子FF最大输出功率与极限功率（VocIsc）之比3 3复合寿命复合寿命 希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做ISC大。在间接带隙半导体材料如Si中，离结100mm处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于1ms。在直接带隙材料，如GaAs中，只要10ns的复合寿命就已足够长了。长寿命也会减小暗电流并增大VOC。达到长寿命的关键是在材料制备和电池达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。的生产过程中，要避免形成复合中心。在

9、加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。5 5掺杂浓度掺杂浓度对VOC有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然Nd和Na出现在Voc定义的对数项中，它们的数量级也是很容易改变的。掺杂浓度愈高，Voc愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方程中的Nd和Na都应以（Nd）eff和（Na）eff代替。6 6表面复合速率表面复合速率低的表面复合速率有助于提高ISC，并由于I0的减小而使VOC改善。前表面的复合速率测量起来很困难，经常被假设为无穷大。一种称为背表面场（BSF）电池设计为，在沉积金属接触

10、之前，电池的背面先扩散一层P附加层。8 8金属栅和光反射金属栅和光反射在前表面上的金属栅线不能透过阳光。为了使ISC最大，金属栅占有的面积应最小。为了使RS小，一般是使金属栅做成又密又细的形状。因为有太阳光反射的存在，不是全部光线都能进入Si中。裸Si表面的反射率约为40%。使用减反射膜可降低反射率。对于垂直地投射到电池上的单波长的光，用一种厚为1/4波长、折射率等于（n为Si的折射率）的涂层能使反射率降为零。对太阳光，采用多层涂层多层涂层能得到更好的效果。染料太阳能电池染料太阳能电池v染料敏化太阳电池是近几年研究非常热门，并在逐步走向实用化的一种太阳能技术。v染料敏化太阳电池”全称为“染料敏

11、化纳米薄膜太阳电池”，是模拟自然界中的光合作模拟自然界中的光合作用原理用原理，采用吸附染料的纳米多孔二氧化钛半导体膜作为光阳极，并选用适当的氧化还原电解质，用镀铂的导电玻璃作为光阴极，这样一个简单的染料敏化太阳电池就做好了。只要太阳光一照到电池上，它就会源源不断的开始发电了。染料敏化太阳电池的结构染料敏化太阳电池的结构染料敏化纳米薄膜太阳电池电池主要由以下几部分组成：透明导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、染料光敏化剂、电解质和反电极 染料敏化太阳电池的优点染料敏化太阳电池的优点从实用性角度来讲：从染料敏化纳米薄膜太阳电池的结构可以看出，电池是由两块透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构成，而整个

12、电池是透明的，且带一定颜色，所以可可以以通通过过适适当当选选择择染染料料和和电电解解质质的的颜颜色色及及TiOTiO2 2膜膜的的厚厚度度来来控控制制整整个个电电池池的的透透光光率率，这样可以把电池用作窗户玻璃，即透光又可当电池用。透光又可当电池用。染料敏化太阳电池的工作原理染料敏化太阳电池的工作原理v当太阳光照射到电池表面时，吸附在二氧化钛光电极表面的染料分子受到激发由基态S跃迁到激发态S*,然后将一个电子注入到二氧化钛导带内，此时染料分子自身转变为氧化态S+.v注入到二氧化钛层的电子富集到导电基底，并通过外电路流向对电极,形成电流.v处于氧化态的染料分子氧化溶液中的电子给体，自身恢复为还原

13、态，使染料分子得到再生。被氧化的电子给体扩散至对电极,在电极表面被还原,从而完成一个光电化学反应循环。染料敏化太阳电池的工作原染料敏化太阳电池的工作原理理3 染料的发展现状和制备染料的发展现状和制备TiO2 薄膜属于宽禁带半导体，只能吸收薄膜属于宽禁带半导体，只能吸收387 nm以下的光以下的光，不能吸收太阳光中占大部分的可见光，捕获太阳光的能力非常差因此，为提高TiO2薄膜的吸光能力，并将体系的光谱响应延伸到可见区，制备与宽带隙半导体制备与宽带隙半导体和价带能量匹配且激发态能级高于半导体导和价带能量匹配且激发态能级高于半导体导带能级的有机染成为解决问题的关键带能级的有机染成为解决问题的关键染

14、料目前大致分为3类：有钌吡啶有机金属配合物、酞菁和菁类系列染料和天然染料经过实验证明，用钌吡啶有机金属配合物敏化TiO2电极的效果最佳人们通过研究钌吡啶配合物敏化太阳能电池中各个环节的动力学速率常数发现，要获得较高的光电转换效率，首先使合成出的染料具有合成出的染料具有稳定的氧化态和激发态，这样不但会使电稳定的氧化态和激发态，这样不但会使电池具有较高的逆转能力，还会使染料中的池具有较高的逆转能力，还会使染料中的电子注入效率提高电子注入效率提高.从而使染料中的电子更容易注入到TiO2薄膜的导带中去其次，染料分子应含有大大 键、键、高度共轭、并且有强的给电子基高度共轭、并且有强的给电子基只有这样染料

15、分子的能级轨道才能与纳晶TiO2薄膜表面的O-离子形成大的共轭体系，使电子从染料转移到TiO2薄膜更容易，电池的量子产率更高再次，染料在可见光区有较强的吸收，尽可再次，染料在可见光区有较强的吸收，尽可能宽的吸收带，从而吸收更多的太阳光，捕能宽的吸收带，从而吸收更多的太阳光，捕获更多的能量，提高光电转换效率获更多的能量，提高光电转换效率除了以上三点外，还要求染料能够快速吸附到TiO2的孔道中，且不易脱附.v为了克服液体电解质的不足，人们开始致力于固体电解质固体电解质的研究上在染料敏化太阳能电池中，电解液的作用是将电子传输给激发态染料，空穴传输到对电极，从而完成一个光路循环由于电解液是透明的液体，

16、不会阻碍染料对光的吸收，而且能完全覆盖附有染料的多孔TiO2膜，充分利用了纳米膜的高比表面，有利于电荷的传输为了使固体电解质也具有液体电解质的性质，从而完全取代液体电解质，固体电解质应具备的条件固体电解质应具备的条件是：透明或在可见光区吸收率低固体电解质与染料层良好接触，且不破坏染料分子的完整性虽然染料敏化太阳能电池与硅太阳能电池相比具有独特的优越性，但是它距实用阶段还有很大距离如何进一步提高电池的光电转化效率、开发高效的固态电解质以及寻找更好的光敏感染料都是染料敏化纳米晶太阳能电池研究领域里有待解决的问题v在半导体中吸收光子而产生电子空穴对的是染料层。v这里，电子很容易到达TiO2中的导带底

17、，但是因为是宽带隙半导体，所以空穴到达价带存在很大的困难。v多孔TiO2结构提供了染料和粒子的充分接触，实现了光子的完全吸收。6.4pn结v晶体硅太阳能电池：n层受光面高度掺杂，吸收体的掺杂浓度为1015-1016/cm3，p层也高度掺杂。v在无光照的情况下，电子在pn结中处于电化学平衡状态。即为v利用v按照v所以v电子和空穴的电导率不同，所以电子的电化学势能的梯度为零，即在pn结中的电子处于化学平衡。v因为在p型n型半导体相接触的过程中，电子和空穴的化学能驱动电子和空穴的扩散而建立了内建电场。v该内建电场为v此时，电势能的梯度被化学能的梯度补偿，所以电子和空穴不再受到驱动力。v在pn结上电势

18、的分布v在半导体内部电势的分布遵循泊松方程对该方程求解可以得到v这样得到，n区电荷总和和p区电荷总和，而且因为电中性原理，二区的电荷之和等于零。v从而得到空间电荷层的总厚度为v利用电场的边界条件v可以得到空间电荷层的总厚度为v在晶体硅中，电荷层的总厚度为v而结电势差为v为了避免俄歇复合，也为了化学能向电能的转化完全，需要进行合适的掺杂浓度。使得在暗区的电势差与光照时每个电子空穴对的化学势相匹配。伏安特性vPn结的1光电流考虑到光的反射、材料吸收、载流子产生率后，太阳电池的光生电流密度表为其中为单位时间投射到单位面积太阳电池上的光子数。为表面反射率为材料吸收系数Q为量子产额，即每一能量大于Eg的

19、光子产生电子空穴对的几率。W为电池厚度在距电池表面x处光生载流子的产生率上式为理想情况下的光电流密度，亦即光电流的最大可能值为求得有复合、扩散、漂移等各因素影响后的光生电流表达式，我们先作以下假定：1.太阳电池各区满足小注入条件；2.耗尽区宽度扩散长度L；3.结平面无限大，不考虑边缘效应；4.基区少子扩散长度L电池厚度W；5.各区均匀掺杂，PN结为突变结。在一维情况下，描述太阳电池工作状态的基本方程为电流密度方程：连续性方程：下面分别考虑各区的情况：n区P区其中H为P区厚度耗尽区由于耗尽区存在较强的漂移电场，且宽度w很小，可以认为耗尽区中产生的光生载流子均可被电场分离，所以太阳电池光生电流即上

20、述三区光电流密度之和。将积分，即得到总的光生电流密度：PN结短路时，短路电流n区、p区及耗尽区光电流表达式可以看出，Jsc与光生载流子产生率GL（x）、各区及表面复合有关，可以表示成因此，提高Jsc的途径在于提高光生载流子产生率GL、增加各区少子寿命和减少表面复合。光照使PN结两端出现光电压。光电压与内建电场方向相反，降低了势垒高度，并使耗尽区变薄。光电压使太阳电池中出现由P区向N区的结电流ID。在开路状态时，ID与光生电流方向相反，大小相等，即开路时，即：一般JLJ0，故可取由于反向饱和电流密度其中当=1时，有因而，一般增加的途径有减少复合以减小反向饱和电流，增加各区掺杂浓度以提高VD等等图

21、为PN结太阳电池的等效电路图。Rs、Rsh分别为太阳电池中的串、并联电阻，RL为负载。3输出功率ILIDVIRL流经负载RL的电流I为负载输出电功率为当负载调节至某一值Rm时，对应得到负载输出最大：分别称最佳工作电流和最佳工作电压Rm称最佳负载，相应工作点为最佳工作点最大输出功率与（VOCISC）之比称为填充因子，用FF表示。对于开路电压VOC和短路电流ISC一定的特性曲线来说，填充因子越接近于1，电池效率越高，伏安特性线弯曲越大。因此FF也称曲线因子，表示式为4填充因子FF是用以衡量太阳电池输出特性好坏的重要指之一。在一定光强下，FF愈大，曲线愈方，输出功率越高。5太阳电池的效率太阳电池的效

22、率是有理论上限的。对于硅太阳电池，其禁带宽度为1.12eV。在太阳光谱中，能量小于1.12eV的光子占有约23%的能量。其次，一个被吸收的光子一般只能产生一个电子空穴对，因而光子能量超过Eg的部分将被浪费掉。对硅电池而言，在其可吸收的光谱内，大约有43%的能量因此而损失。仅此两项损失，一个硅电池能利用的光能只有(1-23%)(1-43%)=44%左右。同时，由于电池表面的反射、光生电子空穴对的复合、串并联电阻的影响等，也会损失部分能量。实际电池的效率会大大小于理论极限效率。一般的电池效率上限最高接近30%。要提高太阳电池的效率，必须提高开路电压、短路电流和填充因子这三个基本参量。但这三者之间相

23、互联系，必须综合考虑。这里少数载流子寿命，扩散长度，表面复合速度等参数对太阳电池的性能影响很大。v我们从以下几个方面讨论影响太阳电池效率的因素：基片材料和结构；暗v电流；高掺杂效应；串并联电阻。a基片材料和结构不同的材料有不同的禁带宽度，所以对阳光的光吸收必然不同。对于最常用的硅太阳电对于最常用的硅太阳电池，其纯度、电阻率、位错密度等都对效率有池，其纯度、电阻率、位错密度等都对效率有影响。影响。裸露的硅表面对光的反射相当大，在电池主要利用的波长范围内，硅的反射系数均在30%以上。电池正面电极即使设计为栅线结构，仍占用了5%-10%的电池表面。而且，进入电池的光线一部分还有可能从电池背面穿出去，

24、造成光损失。改善的途径有选择质量优良的基片材料，优化正面电极设计，制备绒面硅表面，选择优质的减反射膜等。2暗电流从前面太阳电池伏安特性的讨论中，可以看到暗电流明显地消耗光电流，降低开路电压。所以，减小暗电流是提高太阳电池效率的重要减小暗电流是提高太阳电池效率的重要方面。方面。对于均匀掺杂的p-n结硅太阳电池，有其中，第一项为注入电流，可以看到，掺杂浓度NA、ND越大，少子寿命越长，扩散长度越长，暗电流中注入电流成分越少。后一项为复合电流，它与耗尽区宽度W成正比，与耗尽区中载流子平均寿命成反比。v所以，要减少暗电流中的复合电流分量，就要减少耗尽区宽度，减少耗尽区中的复合中心，提高载流子的寿命。c

25、高掺杂效应硅中掺杂浓度高于1018cm3时，称为高掺杂。高掺杂会引起禁带收缩、杂质不能全部电离和少子高掺杂会引起禁带收缩、杂质不能全部电离和少子寿命下降等高掺杂效应寿命下降等高掺杂效应。禁带收缩减少了开路电压，使本征载流子浓度增加，从而增加了反向饱和电流。杂质不能全部电离，使有效掺杂浓度下降，从而使开路电压下降。而少子寿命对太阳电池效率非常敏感。各区中由光激发产生的过剩少数载流子必须在通过扩散和漂移越过p-n结之前不被复合，才能对输出电流有贡献。v因此，扩散层和基区中的少子寿命都希望足够长。少子寿命长，不仅可以增加光电流，还会减少复合电流，增加开路电压，从而对效率有双重影响。一般要求少子寿命必

26、须保证少子的扩散长度大于各区厚度。d串并联电阻串联电阻主要来源于半导体材料的体电阻、电极和半导体之间的接触电阻以及电极电阻。并联电阻主要来源于p-n结漏电，其中包括电池边缘漏电以及结区存在缺陷和杂质引起的内部漏电。用RS和Rsh分别表示串联电阻和并联电阻，电池的等效电路如图ILIVRLRshRS串联电阻对开路电压无明显影响，但填充因子和短路电流会随串联电阻的增加而减小；而并联电阻对短路电流无明显影响，但随着并联电阻的减小，开路电压和填充因子都会减小。v原因在于，当测量短路电流时，串联电阻充当了电路负载，测到的是负载为RS的电路电流，所以会随RS的增大而减小；而测量开路电压时，实际上是在测量以并联电阻Rsh为负载的电路的端电压，所以会随Rsh的减小而减小。当存在外电路负载RL时，因为串并联电阻也会消耗电池的功率，所以负载功率自然要减少，填充因子也因此而下降。因此，提高电池效率，需要选择合适的基片材料、优化电池设计、提高工艺水平。需要尽量减少光损失，降低复合，减小暗电流和高掺杂效应，并减小串联电阻，增大并联电阻等。