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認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：王**（實(shí)名認(rèn)證）

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IP屬地：天津 上傳時(shí)間：2022-01-24 格式：DOC 頁(yè)數(shù)：6 大?。?07.50KB 積分：15 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、1 / 28薄膜電池特性及其電路拓?fù)浞治鲇捎趥鹘y(tǒng)能源面臨著環(huán)境污染、能源枯竭等一系列問(wèn)題， 90 年代以來(lái)，在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推 動(dòng)下，可再生能源技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段?？稍偕茉粗饕酗L(fēng)能、地?zé)崮堋⑺?、潮汐能?太陽(yáng)能等，太陽(yáng)能以其資源豐富、利用方便、潔凈無(wú)污染越來(lái)越受到人們的重視。太陽(yáng)能利用的重要途徑之一是研制太陽(yáng)能電池。一、薄膜電池特性1、太陽(yáng)能電池發(fā)展背景與分類1954 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)實(shí)用的太陽(yáng)能電池，并于 1958 年應(yīng)用到美國(guó)的先 鋒 1 號(hào)人造衛(wèi)星上。由于材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不斷改進(jìn)，現(xiàn)在太陽(yáng)能電池的價(jià)格不到20 世紀(jì) 70 年代的 1%。預(yù)期 10

2、年內(nèi)太陽(yáng)能電池能源在美國(guó)、 日本和歐洲的發(fā)電成本將可與火力發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)。 目前，太陽(yáng)能電池的年均增長(zhǎng)率為35%，是能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最快的行業(yè)。按照材料區(qū)分，太陽(yáng)電池有晶硅電池、非晶硅薄膜電池、銅銦硒（CIS）電池、碲化鎘（CdTe）電池、 砷化稼電池等； 其中以晶硅電池為主導(dǎo)。 由于硅是地球上儲(chǔ)量第二大元素， 作為半導(dǎo)體材料， 人們對(duì)它研究得最多、技術(shù)最成熟，而且晶硅性能穩(wěn)定、無(wú)毒，因此成為太陽(yáng)電池研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn) 和應(yīng)用中的主體材料。 單晶硅太陽(yáng)能電池 。人們首先使用高純硅制造太陽(yáng)電池，即單晶硅太陽(yáng)電池。由于材料昂貴，這種太陽(yáng)電池成本過(guò) 高，初期多用于空間技術(shù)作為特殊電源，供人造衛(wèi)星使用。七十年代

3、開(kāi)始，把硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)向地面 應(yīng)用。目前單晶硅太陽(yáng)能電池仍是轉(zhuǎn)換效率最高的太陽(yáng)電池。 多晶硅太陽(yáng)能電池隨著電池制備和封裝工藝的不斷改進(jìn)， 在硅太陽(yáng)電池總成本中， 硅材料所占比重已由原先的 1/3 上升到1/2 。因此，生產(chǎn)廠家迫切希望在不降低光電轉(zhuǎn)換效率的前提下，找到替代單晶硅的材料。 目前，比較適用的材料就是多晶硅。多晶硅制備工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備易做，操作方便，耗能較少，輔助 材料消耗也不多，尤其是可以制備任意形狀的多晶硅錠，便于大量生產(chǎn)大面積的硅片。同時(shí)，多晶 硅太陽(yáng)電池的電性能和機(jī)械性能都與單晶硅太陽(yáng)電池基本相似，而生產(chǎn)成本卻低于單晶硅太陽(yáng)電 池。多晶硅與單晶硅材料的差別主要是多晶硅內(nèi)存在許多晶

4、粒間界。這給多晶硅太陽(yáng)能電池帶來(lái)以 下三方面影響：1、晶粒間界處存在勢(shì)壘，阻斷載流子的通過(guò)。2、晶粒間界作為一種晶體缺陷，起著有效復(fù)合中心作用。3、在形成 pn 結(jié)的工藝過(guò)程中，摻雜的原子會(huì)沿著晶粒間界向下?lián)駜?yōu)擴(kuò)散，形成導(dǎo)電分流路徑， 增大漏電流。x Si 薄膜與薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜電池。 非晶硅太陽(yáng)電池是最理解的一種廉價(jià)電池，它的最大特點(diǎn)就是薄，不同 于單晶硅與多晶硅電池需要以硅片為襯底，而是在玻璃或不銹鋼等材料的表面鍍上一層薄薄的硅膜，其厚度只有單晶硅的1/300 ;因此，可以大量節(jié)省硅材料，加之可連續(xù)化大面積生產(chǎn)，能2 / 28耗也低，成本自然也低。多晶硅薄膜電池。 由于非晶硅其自身

5、的性能不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率低等缺陷，人們?cè)诓粩鄧L試 利用多晶硅代替非晶硅制作薄膜電池的可能性。多晶硅薄膜電池既具有晶硅電池的高效、穩(wěn)定、 無(wú)毒和資源豐富的優(yōu)勢(shì)，又具有薄膜電池工藝簡(jiǎn)單、節(jié)省材料、大幅度降低成本的優(yōu)點(diǎn)，因此 多晶硅薄膜電池的研究開(kāi)發(fā)成為近幾年的熱點(diǎn)。有機(jī)半導(dǎo)體薄膜電池。為了進(jìn)一步降低成本,人們對(duì)一些新材料進(jìn)行了研究，較為成熟的主要有CuinSe2、CdTe 薄膜。2、太陽(yáng)能電池的工藝結(jié)構(gòu)及其特性 單晶硅與多晶硅太陽(yáng)能電池單晶硅與多晶硅電池板是國(guó)際上研究最早的太陽(yáng)能電池板，也是目前效率最高、性能最穩(wěn)定的 太陽(yáng)能電池板；然而受硅材料本身價(jià)格的限制，電池板的成本下降空間已越來(lái)越小，給它未來(lái)

6、的大 力發(fā)展帶來(lái)了巨大的障礙。 Fig.1 是它的基本工藝結(jié)構(gòu)圖。Fig.1單晶硅電池的工藝結(jié)構(gòu)這類太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、工作性能穩(wěn)定，不受其對(duì)地電位的極性及其漏電流大 小的影響，在太陽(yáng)能逆變器拓?fù)浞矫鏇](méi)有任何限制，這里不做詳細(xì)介紹。Back-co ntact 太陽(yáng)能電池板為了提高轉(zhuǎn)換效率及美學(xué)效果，在單晶硅、多晶硅電池板的基礎(chǔ)上，各大太陽(yáng)能電池廠家對(duì)電 池板的工藝結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步優(yōu)化，其中以Sun Power 生產(chǎn)的 A-300 太陽(yáng)能電池板最為突出。 Sun Power的 A-300 采用了先進(jìn)的 back-contact 工藝結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換效率比普通的電池板高達(dá)50%，而且其外形美觀

7、，適合各種場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。A-300 電池板的基本外形如 Fig.2 所示，正負(fù)極的電氣接口都在電池板背面；具體工藝結(jié)構(gòu)如 Fig.3 所示。3 / 28Fig.2 Back-co ntact電池板基本外形圖F負(fù)鹹Antirefleddw coatingS02 passhatton3n+FSF-n-type baw-rw diffusion $102passivation metalfinger(n)-Fig.3 Back-co ntact電池板工藝結(jié)構(gòu)圖在測(cè)試過(guò)程中，Back-contact 電池板（高效率太陽(yáng)能電池板）的“表面極化”現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象 會(huì)使A-300 太陽(yáng)能電池板表面堆積靜態(tài)

8、電荷，但堆積電荷的過(guò)程是非破壞性和可逆的。在使用中， 如果電池阿辦的電位極性配置不合理，可能會(huì)降低電池板的轉(zhuǎn)換效率，但對(duì)電池板的壽命不造成影 響。Sun Power A-300 太陽(yáng)能電池板提高效率的方法之一就是加了一層專門用于阻止載流子損失的覆料，這一層就像一個(gè)關(guān)斷了的晶體管，能阻止電流流通。如果在電池正面加上足夠大的正電壓，“晶體管”等效于開(kāi)通狀態(tài)，載流子就會(huì)在電池正表面復(fù)合，使電池輸出電流變小。類似于晶體管，表 面極化現(xiàn)象是完全可逆的，只要“晶體管”關(guān)斷，電池的輸出電流仍可以達(dá)到先前的水平。表面極化發(fā)生機(jī)理：1.當(dāng)電池組對(duì)地呈正電壓時(shí)，“表面極化”現(xiàn)象發(fā)生。這是因?yàn)楫?dāng)電池組對(duì)地呈正的高電

9、壓時(shí)，漏電流會(huì)由電池流向大地，電池表面會(huì)堆積負(fù)電荷，從而開(kāi)通表面等效“晶體管”。帶正電荷的載 流子就會(huì)在表面與負(fù)電荷復(fù)合，從而減少電池組的輸出電流，如fig.4 所示。By localingall of IJhcelectricaltorturemm hole inSi02p* diffusionmetal f酈pilch4 / 28Figme 1: Cross-wichcii of ail A-500 solar cell embedded in n module with siu-fftce pclanZAficn.4) Neglive surface chaise atliacl! po

10、sitively charged EVA light-genratnci hol8 10 surfa匚巴wh年r& Ihy recombinewith eleeirons in n-type silicon instead of being collected at lh& positive junclionFig.4Fig.4 有表面極化現(xiàn)象的 A-300A-300 太陽(yáng)能電池組中單元截面圖2.當(dāng)電池組對(duì)地呈負(fù)電壓時(shí)，“表面極化”現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。當(dāng)電池組對(duì)地呈負(fù)電壓時(shí)，漏電流 由地流向電池表面，從而表面堆積的是正電荷，在正電荷作用下，表面等效晶體管處斷開(kāi)狀態(tài)，不 會(huì)影響電池組工

11、作。事實(shí)上，在這種狀態(tài)下電池組的性能還會(huì)略有提高。女口Fig.5 所示。11 Current leaks from routMl ItircDgH glass to ceil surface前Mcell is at negatwe voit&ge to grottid2i Current leakage leaves positivectiarge on ARC smTace Ahict itis li枷ths insulalor of a MOS trainsrstorzGltai3) EVA acts like the galeorf a MOS trensisiori匚乂丸匚龍H

12、iJ!土丈JLJLx扎匸七t + + rEVA.+ + * i- + +1 +N-tvps Silicon41 I O5ilivt surfuce churge raptli- |Xji(ively cluiLsd,HiL-gonatalod hdlQ frorii tha surlaca. 5 they atfi ave權(quán)ual忖collected竝the positive junttiooFig.5Fig.5 無(wú)表面極化現(xiàn)象的 A-300A-300 太陽(yáng)能電池組中單元截面圖從上述分析可以得出，載流子在電池邊緣的復(fù)合是效率損失的主要原因。薄膜電池A.非晶硅薄膜電池非晶硅電池之所以受到人們關(guān)注

13、和重視，是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：1非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)。特別是在030.75卩m 的可見(jiàn)光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，它比單晶硅對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收效率要高40 倍左右，用很薄的非晶硅膜（約 1 卩 m 厚）就能吸收 90%有用的太陽(yáng)能。這是非晶硅材料最重要的特點(diǎn)，也是它成為低價(jià)格太陽(yáng)2) Current leakage leaves negative charge onARC surface which acts like the insulator of aMOS transistorGlass3) EVA acts like the gateof a MOS tra

14、nsistor1FEVAMN-type SiliconI) Current leaks from cell through glass to frame and sarth groundwhen cell is al high (+) voltage lo ground5 / 28能電池的最主要因素。2非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨制備條件的不同約在1.5-2.0eV 的范圍內(nèi)變化，這樣制成的非晶硅太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓高。3制備非晶硅的工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，淀積溫度低，時(shí)間短，適于大批生產(chǎn)。4由于非晶硅沒(méi)有晶體所要求的周期性原子排列，可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與 襯底間的晶格失配問(wèn)題。因而它

15、幾乎可以淀積在任何襯底上，包括廉價(jià)的玻璃襯底，并且易于實(shí)現(xiàn) 大面積化。5制備非晶硅太陽(yáng)能電池能耗少，約100 千瓦小時(shí)，能耗的回收年數(shù)比單晶硅電池短得多。由于電池本身是薄膜型的，太陽(yáng)的光可以穿透，所以還可做成疊層式的電池，以提高電池的電 壓。通常單晶硅太陽(yáng)電池每個(gè)單體只有0.5 伏左右的電壓，必須幾個(gè)單體串聯(lián)起來(lái)，才能獲得一定的電壓。非晶太陽(yáng)硅電池一個(gè)就能做到幾伏電壓，使用比較方便。非晶硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)最常采用的是p-i-n 結(jié)構(gòu)，而不是單晶硅太陽(yáng)能電池的 p-n 結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)椋?輕摻雜的非晶硅的費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)較小， 如果用兩邊都是輕摻雜的或一邊是輕摻雜的另一邊用重 摻雜的材料，則能帶彎曲較

16、小，電池的開(kāi)路電壓受到限制；如果直接用重?fù)诫s的p+和 n+材料形成p+-n+結(jié)，那么，由于重?fù)诫s非晶硅材料中缺陷態(tài)密度較高，少子壽命低，電池的性能會(huì)很差。因此,通常在兩個(gè)重?fù)诫s層當(dāng)中淀積一層未摻雜的非晶硅層作為有源集電區(qū)。非晶硅太陽(yáng)能電池內(nèi)光生載流子主要產(chǎn)生于未摻雜的i 層，與晶體硅太陽(yáng)能電池中載流子主要由于擴(kuò)散而移動(dòng)不同，在非晶硅太陽(yáng)能電池中，光生載流子主要依靠太陽(yáng)能電池內(nèi)電場(chǎng)作用做漂移運(yùn) 動(dòng)。在非晶硅太陽(yáng)能電池中，頂層的重?fù)诫s層的厚度很薄幾乎是半透明的，可以使入射光最大限度 地進(jìn)入未摻雜層并產(chǎn)生自由的光生電子和空穴。而較高的內(nèi)建電場(chǎng)也基本上從這里展開(kāi)，使光生載 流子產(chǎn)生后立即被掃向 n+側(cè)和 p+側(cè)。Fig.6 是非