太阳电池的原理及结构.pptx

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1、会计学1太阳电池的原理及结构太阳电池的原理及结构主要内容：主要内容：n n太阳能电池的原理及结构太阳能电池的原理及结构n n硅太阳能电池的结构及制备工硅太阳能电池的结构及制备工艺艺n n薄膜太阳能电池的结构及制备薄膜太阳能电池的结构及制备工艺工艺第1页/共43页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半导体材料的本征光吸收：光照到半导体材料上时，价带中时，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。导带，产生电子空穴对，称为本

2、征吸收。光电导现象光电导现象光吸收：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射光的能量为I I0 0，则在距离物体表面，则在距离物体表面x x处的光的能量为：处的光的能量为：本征吸收条件：本征吸收条件：本征吸收限：本征吸收限：第2页/共43页p-n结光生伏特效应:第3页/共43页PNEFqV0q(V0-V)光生电流正向电流第4页/共43页正向电流输出电流电流电压特性等效电路：R第5页/共43页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：第6页/共43页入射光子被吸收产生电子-空穴对 h Eg电子-空穴对

3、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：第7页/共43页3.1.2 表征太阳能电池的参数I=IF-IL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。第8页/共43页 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Voc。这时，I=0，即：IL=IF。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Voc2.短路电流Isc 如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流，即：第9页/共43页.填充

4、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Vop和最佳工作电流Iop。填充因子定义为：FF=VopIop/VocIsc=Pmax/VocIsc 它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc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Voc，Isc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。第10页/共43页.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%

5、=（Vop x Iop/Pin x S）X100%=VocIscFF/Pin S 其中Pin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：第11页/共43页 能量h大于材料的禁带宽度Eg，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Eg有关，其关系如图所示。短路电流Isc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：第12页/共43页开路电压Voc的考虑：开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定：式中IL是光生电流，在理想情况即为上图所对应的最大短路电流。I0是二极管反向饱和电流，其满足：I

6、0=Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2 ni2=NcNvexp(-Eg/kT)显然，Is随Eg增大而减小，Voc随Eg增大而增大。第13页/共43页填充因子FF的考虑：在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的函数，可用以下经验公式表示：FF=Uoc-ln(Uoc+0.72)/(Uoc+1)Uoc=Voc(kT/q)1/2 这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计算得到FF的最大值。第14页/共43页综合上述结果，可得到作为带隙Eg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

7、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。第15页/共43页实际太阳电池的等效电路图Rsh：并联电阻Rs：串联电阻第16页/共43页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200500m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。第17页/共43页第18页/共43页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

8、体P2H2，通过高温分解，磷原子扩散到硅片中去，反应式为：P2H2=2P+H2第19页/共43页固态磷扩散：利用与硅片相同形状的固态磷源材料Al(PO3)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P2O5，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(PO3)3=AlPO4+P2O52 P2O5+5Si=5SiO2+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P2O5。第20页/共43页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

9、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8001000之间分解，生成P2O5，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：5POCl3=3PCl5+P2O52P2O5+5Si=5SiO2+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。第21页/共43页金属电极的制备技术：现现今今主主要要采采用用丝丝网网印印刷刷技技术术，将将金金属属浆浆料料（银银浆浆+有有机机溶溶剂剂）按按照照所所设设计计的的图图

10、形形，印印刷刷在在硅硅的的表表面面，然然后后在在适适当当气气氛氛下下，通通过过高高温温烧烧结结，使使有有机机溶溶剂剂挥挥发发，金金属属与与硅硅表表面面形形成成 良良 好好 的的 欧欧 姆姆 接接 触触。一般而言，金属电极的膜厚为一般而言，金属电极的膜厚为10102525m m，金属栅线的宽度，金属栅线的宽度为为150150250 250 m m。第22页/共43页 背电场技术：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。第23页/共43页 由于

11、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。第24页/共43页减反射技术：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。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SiO2、Ta2O5、TiOx等。双层减反膜可以用Ta2O5、

12、TiO2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TaOx和MgF2的双层减反膜，光学反射损失可减少到4%。第25页/共43页 第第二二类类是是在在硅硅片片的的进进光光面面上上，采采用用各各向向异异性性化化学学腐腐蚀蚀，制制得得特特殊殊表表面面结结构构：如如绒绒面面、微微槽槽面面等等。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

13、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。第26页/共43页表面钝化技术：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SiO2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。第27页/共43页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

14、少金属电极的覆盖率。第28页/共43页 在这种电池结构中，为了进一步减少受光面的界面复合和在这种电池结构中，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，并在其上加上极薄光学损失，采用了倒金字塔型减反结构，并在其上加上极薄SiOSiO2 2层，再在其上覆盖双层减反膜以达到最佳减反效果。同时，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，利用窗口进行定域化膜上刻出引入电极的窗口，利用窗口进行定域B B扩散形成背扩散形成背电场，再将电极金

15、属覆盖上形成电池。这种结构的太阳能电池电场，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，在达到了单晶硅太阳能电池的最高转换效率，在AM1.5AM1.5的光照下的光照下效率可达效率可达24%24%以上。以上。第29页/共43页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pn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(SiH4)、三氯氢硅(SiH C l3)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 2030m。制备的硅薄膜大多为非晶，需要通过固化结晶、区

16、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。第30页/共43页背面接触CdTeCdSSnO2(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电极第31页/共43页(3)非晶硅薄膜电池背面接触n-a-SiSnO2玻璃p-a-Sii-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：SiH4=Si+2H2制备n-a-Si薄膜，反应同时通入

17、磷烷制备p-a-Si薄膜，反应同时通入硼烷第32页/共43页(4)CIS薄膜电池 CIS(CIGS)-CIS(CIGS)-基基薄薄膜膜太太阳阳能能电电池池指指以以CuInSeCuInSe2 2、CuInSCuInS2 2、Cu(In,Cu(In,Ga)SeGa)Se2 2等等化化合合物物为为吸吸收收层层的的太太阳阳电电池池。其其典典型型结结构构为为如如下下的的多多层层膜膜结结构构：金金属属栅栅/减减反反膜膜/透透明明电电极极/窗窗口口层层/过过渡渡层层/光光吸吸收收层层/背电极背电极/玻璃。玻璃。第33页/共43页CIS(CIGS)-基薄膜太阳能电池所具有的优势：1.CIS和CIGS是一种直接

18、带隙半导体材料，光吸收率高达105数量级，是至今报道过的半导体中光吸收系数最高的。2.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。3.制造成本低其成本是晶体硅太阳能电池的1/2-1/3。4.能量偿还时间在一年之内，远远低于晶体硅太阳能电池。5.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。6.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CuInSe2(CuInGaSe2)吸 收 层，我 们 下 面 介 绍CuInSe2(CuInGaS

19、e2)的制备方法。第34页/共43页 CIS薄膜主要的制备技术包括：真空蒸镀、电沉积、反应溅射、化学浸泡、快速凝固技术、化学气相沉积、分子束外延、喷射热解等。按照初期投资资本的大小又可以将上述技术划分为真空制备技术与非真空制备技术两类，下面我们分别介绍一下。真空技术过 程共蒸技术Co-evaporationSe过量的气氛下，计量比的金属流在加热基底上（400600）热蒸发沉积二态工艺Two-stage process在温度较低（200）基底溅射前驱体在H2Se或H2S气氛下，较高的基底温度（450600），硒化反应CIS薄膜的真空沉积技术薄膜的真空沉积技术Vacuum methods of C

20、IGS thin films第35页/共43页 按按照照蒸蒸发发热热源源数数目目的的多多少少可可分分为为单单源源蒸蒸发发、双双源源蒸蒸发发和三源蒸发。和三源蒸发。单单源源蒸蒸发发就就是是利利用用单单一一热热源源(如如热热丝丝)加加热热CISCIS合合金金，使之蒸发沉积到玻璃基片上，获得使之蒸发沉积到玻璃基片上，获得CISCIS薄膜；薄膜；双双源源蒸蒸发发即即利利用用两两个个热热源源分分别别是是CuCu3 3SeSe2 2和和InIn2 2SeSe3 3蒸蒸发发后沉积在基片上，获得单相薄膜；后沉积在基片上，获得单相薄膜；三三源源蒸蒸发发即即利利用用三三个个热热源源使使CuCu、InIn和和SeS

21、e三三者者分分别别蒸蒸发发后后共共同同沉沉积积到到基基片片上上，采采用用三三源源蒸蒸发发的的关关键键是是要要控控制制三三者者蒸发和沉积的速率，以获得预期的成分。蒸发和沉积的速率，以获得预期的成分。真空蒸发法：真空蒸发法：第36页/共43页 溅射过程可定义为因受到高能粒子的撞击而引起的靶粒子溅射过程可定义为因受到高能粒子的撞击而引起的靶粒子喷射。该技术是物理过程而不是化学过程。因此极适于生喷射。该技术是物理过程而不是化学过程。因此极适于生长熔点和蒸气压都不相同的元素所构成的化合物合金以及长熔点和蒸气压都不相同的元素所构成的化合物合金以及大面积薄膜的沉积。大面积薄膜的沉积。真空溅射法：真空溅射法：

22、溅射法一般先利用溅射法一般先利用CuCu、In In 或或Cu-InCu-In合金靶材溅射合金靶材溅射Cu/InCu/In、Cu/In/CuCu/In/Cu等元素堆积的多层膜或等元素堆积的多层膜或Cu-InCu-In合金膜；然合金膜；然后多层膜或后多层膜或Cu-InCu-In合金膜在合金膜在H H2 2SeSe或或SeSe蒸气中进行硒化处理，蒸气中进行硒化处理，从而得到从而得到CISCIS薄膜。薄膜。第37页/共43页CIGS非真空沉积技术非真空沉积技术Non-vacuum methods of CIGS thin films非真空技术前驱物沉积硒化处理电沉积Cu、In、Ga、Se的化合物或元

23、素的堆积层在惰性/Se/H2Se/H2S的气氛中，硒化再结晶涂层Cu、In、Ga、Cu-In合金、Se等涂浆高温退火再结晶喷涂热解Cu、In、Ga、Se的化合物粘结剂清除，在H2下还原成金属合金在Se/H2Se/H2S的气氛中硒化反应第38页/共43页 1 1 电沉积：电沉积是一种电化学过程。电沉积已成功用于电沉积：电沉积是一种电化学过程。电沉积已成功用于4 4元化合物元化合物CIGSCIGS膜，在经过后续处理后，小面积电池的转换膜，在经过后续处理后，小面积电池的转换率超过率超过1010。通过添加。通过添加InIn和和GaGa，并在高温真空热处理后，并在高温真空热处理后，转换率达转换率达15.

24、415.4。目前的困难仍然是化学溶液的稳定性，。目前的困难仍然是化学溶液的稳定性，大面积膜的均一性和高沉淀率。大面积膜的均一性和高沉淀率。2 2 涂层：涂层是一种快速的工艺，可用于连续滚动沉积。涂层：涂层是一种快速的工艺，可用于连续滚动沉积。涂浆作为转化介质，可以由按化学计量配比的前驱体物质涂浆作为转化介质，可以由按化学计量配比的前驱体物质（纳米粒子）和液体粘结剂组成。在蒸发、溅射等工艺中前（纳米粒子）和液体粘结剂组成。在蒸发、溅射等工艺中前驱体的许多有用部分都浪费了，而在涂层工艺中材料的利用驱体的许多有用部分都浪费了，而在涂层工艺中材料的利用率很高。对于含有贵重元素如率很高。对于含有贵重元素

25、如InIn和和GaGa的前驱体来说，材料损的前驱体来说，材料损失最小化是梦寐以求的，现在利用这种方法得到的转化效率失最小化是梦寐以求的，现在利用这种方法得到的转化效率也达到也达到10-1310-13。3 3 喷喷涂涂热热解解：利利用用喷喷涂涂技技术术分分散散和和沉沉积积的的前前驱驱体体溶溶液液非非常常适适宜宜均均匀匀大大面面积积涂涂层层，制制备备过过程程包包括括在在受受热热基基片片上上（300-400300-400）前前驱驱体体的的分分解解和和反反应应，这这种种前前驱驱体体通通常常是是金金属属氯氯化化物物或或者者硫硫族族化化合合物物。缺缺点点是是杂杂质质较较多多，转转化化效效率率至今没有达到至

26、今没有达到10%10%。第39页/共43页以上为CIS薄膜的各种制备方法，下面我们简单介绍一下其余各层的制备方法：底底电电极极的的制制备备：首首先先采采用用磁磁控控溅溅射射法法在在衬衬底底上上制制备备底电极底电极MoMo。缓缓冲冲层层的的CdSCdS的的制制备备：作作为为缓缓冲冲层层的的CdSCdS很很薄薄，只只有有50nm50nm左左右右。用用物物理理沉沉积积的的方方法法制制备备如如此此薄薄的的薄薄膜膜，难难以以保保证证其其完完整整和和致致密密性性，而而化化学学水水浴浴沉沉积积法法制制备备可可以以做做到到这这点点。目前国内外制备目前国内外制备CISCIS电池中的电池中的CdSCdS都是采用这种方法。都是采用这种方法。在在缓缓冲冲层层制制备备完完成成后后,溅溅射射法法制制备备高高电电阻阻本本征征ZnOZnO薄薄膜膜；然然后后是是透透明明导导电电层层ZnO:ZnO:AlAl的的溅溅射射法法制制备备；还还要要用用真真空空蒸蒸发发法法制制备备减减反反射射膜膜MgFMgF2 2，最最后后是是上上电电极极Ni/Al Ni/Al 的的引引线线设计。设计。第40页/共43页CIS电池的制备过程：第41页/共43页CIS薄膜太阳能电池组件的原理：第42页/共43页