《太陽能光伏電池》考試復習資料4

1、簡述非晶硅薄膜太陽電池為什么用p-i-n結(jié)構(gòu)？由于非晶硅材料具有獨特的性質(zhì)，所以其太陽電池結(jié)構(gòu)不同于晶體硅中的簡單的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，而是p-i-n結(jié)構(gòu)。這是因為非晶 硅材料屬于短程有序、長程無序的晶體結(jié)構(gòu)，對載流子有很強的散射作用，導致載流子的擴散長度很短，使得光生載流子在 太陽電池中只有漂移運動而無擴散運動。因此，單純的非晶硅p-n結(jié)中，隧道電流往往占主導地位，使其呈電阻特性，而無 整流特性，也就不能制作太陽電池。為此，要在p層與n層之間加入較厚的本征層i，以扼制其隧道電流，所以，為了解決 光生載流子由于擴散限制而很快復合（即隧道電流）的問題，非晶體硅薄膜太陽電池一般被設(shè)計成pin結(jié)構(gòu)，其中p

2、為入射 光層，i為本征吸收層，n為基層地。簡述表面鈍化常用的方法有哪些？表面氧鈍化和氫鈍化，表面鈍化工藝有：摻氯氧化法、磷硅玻璃鈍化法、氮化硅鈍化法、三氧化二鋁鈍化法、半絕緣多晶硅鈍化法、低壓化學氣相 淀積鈍化法、金屬氧化物鈍化法、有機聚合物鈍化法、玻璃鈍化法等數(shù)十種鈍化方法。Pin電池片和nip電池片由于其制膜順序完全相反，各有自己的特點：從大的不同點說起話，順序為pin電池片的透明電極在nip電池片里是背面電極，在接近表面的一側(cè)。在基片上形 成的透明電極是氧化物，在形成微晶電池片時，有被氫原子還原的擔心，pin型電池片的最佳吸收寬度會變窄。nip型在金屬 基片或絕緣基片上形成金屬薄膜，可形

3、成微晶硅，由于不受氫還原的影響，在高溫下也可形成膜，可以擴大最佳吸收寬度。從集成結(jié)構(gòu)的觀點來看，pin用的是與非晶相類似的集成化技術(shù)，有可能形成超級線性集成結(jié)構(gòu)，nip電池片要和非 晶硅電池片一樣形成超級線性結(jié)構(gòu)，在同一基片上疊層時，要用與Cu（In，Ga）Se2太陽能電池同樣的方法集成。簡述CIS和CIGS系太陽能電池的新進展表現(xiàn)在哪些地方。（P119）1）Cd自由緩沖層。關(guān)于不用Cd的緩沖層的開發(fā)研究，目前是相當活躍的。使用CIGS系太陽能電池時，Cd的的絕對量是 非常少的，是住宅應(yīng)用時幾乎不產(chǎn)生問題的用量，但對于環(huán)保的太陽能電池還是應(yīng)該考慮盡量避免使用。2）柔性基片。最近，使用柔性基片的

4、CIGS太陽能電池的開發(fā)正在活躍進行中。這類基片除了用薄膜基片進行連續(xù)生長外， 在宇宙應(yīng)用上也期待有很大的市場。CIGS太陽能電池，在高能量粒子存在的宇宙空間中，為了顯示高度的安定性能，如果 重量輕的柔性基片能制造高效率的太陽能電池，空間應(yīng)用時重要的W/kg比就可以達到極大值。3）S系、Al系等新材料。可作為太陽能電池相應(yīng)禁帶寬度的鈣硫化鐵礦半導體是很多的，除了。u（InGa）Se2系外，人們對 CuInS2也有很高的興趣。在CuInS2系中，目前小面積可達到12%的轉(zhuǎn)換效率。最近，人們更感興趣的材料還有Cu（In-Al） Se2系，由于Al容易被氧化，是很難處理的材料，故只得到了與Ga系接近

5、的16.9%的轉(zhuǎn)化效率。4）聚光電池片。標準狀態(tài)下CIGS電池片的聚光的工作效率為17.9%，當聚光倍率增加，開放電壓也提高，聚光倍率14時 可得到21.5%的轉(zhuǎn)換效率。5）宇宙空間應(yīng)用。目前知道的太陽能電池中，按Si、GaAs、InP的順序，可得到高耐放射性的實驗結(jié)果，但已明確，CIGS 比InP具有更強的受耐性Schock等人用初期效率為10%的CuInS2薄膜太陽能電池，即使用10MeV的質(zhì)子照射（3*10】6p/cm2）， 電氣性能也能維持在初期值的85%以上。6）4端子串聯(lián)的高效化。小面積CIGS系太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為19%，為了實現(xiàn)串聯(lián)太陽能電池，有必要對開發(fā)較遲緩的 寬禁帶寬度

6、的材料的高品質(zhì)化加快進程，根據(jù)這一組合，有望達到將來25%的轉(zhuǎn)化效率。為了實現(xiàn)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，有必要在隧道 結(jié)合部開發(fā)禁帶寬度更廣的P型透明導電膜。什么是LPE法？并對該法作簡單描述。什么是MOCVD法？并對該法作簡單描述。GaAs單晶（外延）薄膜的制備技術(shù)：1）液相外延（LPE）制備GaAs薄膜單晶：GaAs液相外延就是將GaAs溶解在Ga的飽和溶液中，然后覆蓋在襯底表面，隨 著溫度的緩慢降低，析出的GaAs原子沉積在襯底表面，逐漸長成GaAs的單晶層，其厚度可以從幾百納米到幾百微米。2）有機金屬化學氣相生長（沉積）（MOCVD）外延制備GaAs薄膜單晶：制備GaAs薄膜單晶是利用氫氣作為載體，利

7、用三 甲基鎵（TMGa）或三乙基鎵和砷烷（AsH3）為原材料，在反應(yīng)室內(nèi)相互作用分解，然后在襯底上制備出外延薄膜。其化學 反應(yīng)方程式為（CH3）3Ga+AsH3GaAs+3CH4。3）分子束外延（MBE）：論述題1.請從材料、性能及制造結(jié)構(gòu)等方面，闡述單晶硅、多晶硅、非硅硅及微晶硅薄膜太陽能電池的相同點和不同點，并簡單地 介紹一下硅太陽能電池的現(xiàn)狀及發(fā)展前景。（與晶體硅相比，非晶硅薄膜具有下列特征和性質(zhì)）：1）晶體硅的原子是在三維 空間上周期性、有規(guī)律地重復排列，具有原子長程有序的特點；而非晶硅的原子在數(shù)納米甚至更小的范圍內(nèi)呈有限的短程周 期性的重復排列；從長程結(jié)構(gòu)來看，原子排列是無序的。2）

8、晶體硅由連續(xù)的共價鍵組成，而非晶硅雖然也是由共價鍵組成 的，價電子被束縛在共價鍵中，滿足外層8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的要求，而且每個原子都具有4個共價鍵，呈四面體結(jié)構(gòu)。但其共 價鍵顯示連續(xù)的無規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3）單晶硅的物理性質(zhì)是各向異性，即在各個晶相其物理特性有微小差異；而多晶硅、 微晶硅、納米硅的晶相呈多向性，所以，其物理特性是各向同性；非晶硅的結(jié)構(gòu)也決定了其物理性質(zhì)具有各向同性。4）從 能帶結(jié)構(gòu)上看，非晶硅的能帶不僅有導帶、價帶和禁帶，而且有導帶尾帶、價帶尾帶，其缺陷在能帶中引入的缺陷能級也比 晶體硅中顯著，如硅中含有大量的懸掛鍵，會在禁帶中引入深能級，取決于非晶硅結(jié)構(gòu)的無序程度。其電子輸送性質(zhì)也

9、與晶 體硅有區(qū)別，出現(xiàn)了躍遷導電機制，電子和空穴的遷移率很小。對電子而言，只有1cm2/(Vs)；對空穴而言，約為01cm2/ (V-s)0 5)晶體硅為間接帶隙結(jié)構(gòu)，而非晶硅為準直接帶隙結(jié)構(gòu)，所以，非晶硅的光吸收系數(shù)大。而且，帶隙寬度也不是 晶體硅的1.12e V，氫化非晶硅薄膜的帶隙寬度為1.7e V。并且，非晶硅的帶隙寬度可以通過不同的合金連續(xù)可調(diào)，其變化范 圍為1.42.0eV。6)在一定范圍內(nèi)，取決于制備技術(shù)，通過改變合金組分和摻雜濃度，非晶硅的密度、導電率、能隙等性質(zhì) 可以連續(xù)變化和調(diào)整，易于實現(xiàn)新性能材料的開發(fā)和優(yōu)化。7)非晶硅比晶體硅具有更高的晶格勢能，因此在熱力學上處于 亞穩(wěn)

10、狀態(tài)，在適合的熱處理條件下，非晶硅可以轉(zhuǎn)化為多晶硅、微晶硅和納米硅。實際上，后者的制備常常通過非晶硅的晶 化而來。硅太陽能電池的現(xiàn)狀及發(fā)展前景：有機太陽能的研究現(xiàn)狀：當電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成 為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸時，越來越多的國家開始開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。而太陽能電池便是一個 很好的應(yīng)用。無機：這種無機原料太陽能電池造價昂貴，因而與其他一些能源發(fā)電比起來缺乏競爭力。(縱然如此研究者也不在少數(shù))。 目前有機太陽能的現(xiàn)狀是：研究機構(gòu)紛紛投身研究有機太陽能，企業(yè)也紛紛涉足有機太陽能。近兩年研究機構(gòu)和企業(yè)的動態(tài)和研究現(xiàn)狀：有機太陽能電池的發(fā)展前景

11、：當大多數(shù)新型太陽能電池還處在實驗階段，其能效卻已被不斷夸大的時候，有機材料太陽能電池能夠降低發(fā)電成本的潛能已 經(jīng)被實實在在地發(fā)掘并開始為人們所用，因為這些有機材料的半導體可以被大量生產(chǎn)并靈活運用于各個領(lǐng)域。如今，世界各地的科學家和工程師們都在努力發(fā)展這一技術(shù)以更早達到商業(yè)化的目標。全球太陽能電池產(chǎn)業(yè)1994-2004年10年里增長了 17倍，太陽能電池生產(chǎn)主要分布在日本、歐洲和美國。2006年全球太陽能電池安裝規(guī)模已達1744MW，較2005年成長19%，整個市場產(chǎn)值已正式突破100億美元大關(guān)。2007年全球太陽能電池產(chǎn)量達到3436MW，較2006年增長了 56%。中國對太陽能電池的研究：

12、中國對太陽能電池的研究起步于1958年，20世紀80年代末期，國內(nèi)先后引進了多條太陽能電池 生產(chǎn)線，使中國太陽能電池生產(chǎn)能力由原來的3個小廠的幾百kW 一下子提升到4個廠的4.5MW，這種產(chǎn)能一直持續(xù)到2002 年，產(chǎn)量則只有2MW左右。到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上。事實上，人們已經(jīng)用上太陽能，不過其成本大約是傳統(tǒng)電力的三倍。一一前者的成本是每千瓦1822美分，而傳統(tǒng)電力的價 格僅為每千瓦510美分。這說明，轉(zhuǎn)換率不是最重要的，低成本的獲取能源才是大家的目的

13、。隨著技術(shù)的進步，例如利用“塑 料”太陽能電池來取代比較昂貴的硅太陽能電池，美國能源部認為太陽能成本將在幾年內(nèi)降至常規(guī)電力的水平。由此可以看 出，太陽能電池市場前景廣闊。請從材料、性能以及制造方法上，比較說明Si系太陽能電池和CIS、CIGS系太陽能電池有哪些異同。 請從材料開發(fā)及制造技術(shù)方面分析，如何才能提高CIGS系太陽能電池的效率？ 與硅太陽電池相比，GaAs太陽能電池有下列特點：1) GaAs具有最佳禁帶寬度1.424eV，與太陽光譜匹配良好，具有高的光電轉(zhuǎn)換理論效率，是很好的高效太陽電池材料。2) 由于禁帶寬度相對較大，可在較高溫度下工作。3) GaAs材料對可見光的吸收系數(shù)高，使絕

14、大部分的可見光在材料表面2um 以內(nèi)就被吸收，電池可采用薄層結(jié)構(gòu)，相對節(jié)約材料。4)高能粒子輻射產(chǎn)生的缺陷對GaAs中的光生電子-空穴復合的影響 較小，因此電池的抗輻射能力較強。5)較高的電子遷移率使得在相同的摻雜濃度下，材料的電阻率比Si的電阻率小，因此 由電池電阻引起的功率損耗較小。6) p-n結(jié)自建電場較高，因此光照下太陽電池的開路電壓較高。所以GaAs的單結(jié)和多結(jié) 太陽電池具有光譜響應(yīng)特性好、空間應(yīng)用壽命長、可靠性高的優(yōu)勢，盡管成本高，但在空間電源方面有較大的應(yīng)用。從m-v族半導體太陽能電池的材料成本、性能等，請闡述薄膜太陽電池和聚光型太陽電池的目前發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向。 (P126

15、-138)m-V族化合物電池片不僅因效率高的特長而引人注目，而且有低價格、重量輕的特點，因此可進行薄膜化設(shè)計。在Si基片 上的GaAs單結(jié)電池片上，達到了 AM0效率18.3%，AM1.5的效率為20.2%。聚光型太陽電池：用凸透鏡和反射鏡的太陽光聚光技術(shù)，能夠提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，且可使太陽能電池材料的使用量 下降，因此，具有節(jié)省資源、低成本化的特點。m-V族太陽能電池的新進展：多結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池的高效率化研究正在不斷取得進展。在Ge基片上的InGaP/GaAs 2結(jié)電 池及InGaP/GaAs/Ge 3結(jié)電池已作為空間太陽能電池得到了規(guī)?；a(chǎn)。作為下一代超高效率太陽能電池，可以考慮3

16、、4 結(jié)結(jié)構(gòu)的帶聚光方式的太陽能電池。作為3結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池，最理想的是禁帶寬度為1.93eV/1.42eV/1.05eV材料的組合。 如果考慮InGaP/InGaAs/Ge結(jié)構(gòu)是現(xiàn)實的；作為4結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池，2 eV/1.42 eV/1.05 eV/0.7 eV組合有望得到高效率， 可以考慮(Al) InGaP/GaAs/leV/Ge 等結(jié)構(gòu)。根據(jù)由NREL制造的3、4結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的數(shù)學解析，3結(jié)電池的理論轉(zhuǎn)換效率AM1.5、500倍聚光為46.5%； AM0、無聚光為38.5%。4結(jié)電池的理論轉(zhuǎn)換效率AM1.5直達光、500倍聚光為52.5%； AM0、無聚光為40.5

17、%。為了進一步實現(xiàn)高效率化，對于生長條件、過程條件、材料物性以及裝置結(jié)構(gòu)的詳細解析是很重要的。Ge基片上的34結(jié) 電池的實現(xiàn)，有希望在Si異質(zhì)延伸生長上創(chuàng)造出突破性的技術(shù)。用于聚光型太陽能電池的聚光型光伏發(fā)電系統(tǒng)，有望低成本化，第一代晶體硅太陽能電池、第二代增加的薄膜太陽能電池， 作為第三代的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，聚光型太陽能電池是最令人期待的。從色素增感型太陽電池的性能、成本及新型色素增感的開發(fā)，請闡述色素增感型太陽電池目前的發(fā)展現(xiàn)狀及未來的發(fā)展前景。P151153Craetzel教授等人使用N3色素的TiO2太陽電池得到了 10%的轉(zhuǎn)換效率及使用黑色染料色素TiO2太陽電池得到了 10.4%的轉(zhuǎn) 換效率。在N719色素和黑色染料色素TiO2太陽電池上，裝有減反射膜封閉后得到的電池，其轉(zhuǎn)換效率達到了 9.6%10.3%。色素增感型太陽電池的新進展：1.新型高性能增感色素的開發(fā)有：吠喃托林Ru色素和捷克特納Ru色素，以及高性能的有 機色素（苯并呋喃系色素、多烯烴系色素）2.新型氧化物半導體薄膜光電極:作為光電極一般多使用TiO2,此外