太陽(yáng)電池原理與結(jié)構(gòu)

1、關(guān)于太陽(yáng)電池的原理及結(jié)構(gòu)第1頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三3.1 太陽(yáng)能電池的原理及結(jié)構(gòu)3.1.1 太陽(yáng)電池原理光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體材料的本征光吸收：光照到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收的能量大于禁帶寬度，那么電子會(huì)由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，稱為本征吸收。光電導(dǎo)現(xiàn)象光吸收：光照射到物體上，有一部分會(huì)被物體吸收，如果入射光的能量為I0，則在距離物體表面x處的光的能量為：本征吸收條件：本征吸收限：第2頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三p-n結(jié)光生伏特效應(yīng):第3頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三PNEFqV0q(V0

2、-V)光生電流正向電流第4頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三正向電流輸出電流電流電壓特性等效電路：R第5頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三上圖分別是無(wú)光照和有光照時(shí)的光電池的伏安特性曲線開路電壓：短路電流：第6頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三入射光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì) h Eg電子-空穴對(duì)在復(fù)合之前被分開 p-n結(jié)存在內(nèi)建電場(chǎng)分開的電子和空穴傳輸至負(fù)載 連接導(dǎo)線 從上面的分析可以看出，任何光伏組件如要成功運(yùn)作，其必須具有以下三個(gè)條件：第7頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三3.1.2 表征太陽(yáng)能

3、電池的參數(shù)I = IF-IL由光電池的伏安特性曲線，可以得到描述太陽(yáng)能電池的四個(gè)輸出參數(shù)。第8頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三 在p-n結(jié)開路情況下（R=），此時(shí)pn結(jié)兩端的電壓即為開路電壓Voc。 這時(shí)，I=0，即：IL=IF。將I=0代入光電池的電流電壓方程，得開路電壓為：.開路電壓Voc2.短路電流Isc 如將pn結(jié)短路（V=0），因而IF=0，這時(shí)所得的電流為短路電流Isc。顯然，短路電流等于光生電流，即：第9頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三.填充因子FF 在光電池的伏安特性曲線任一工作點(diǎn)上的輸出功率等于該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的矩形面積，其中只有

4、一點(diǎn)是輸出最大功率，稱為最佳工作點(diǎn)，該點(diǎn)的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓Vop和最佳工作電流Iop。填充因子定義為： FF =VopIop/VocIsc= Pmax/VocIsc 它表示了最大輸出功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的矩形面積在Voc和Isc所組成的矩形面積中所占的百分比。特性好的太陽(yáng)能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽(yáng)能電池，也就是Voc，Isc和FF乘積較大的電池。對(duì)于有合適效率的電池，該值應(yīng)在0.70-0.85范圍之內(nèi)。第10頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三.太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率=（太陽(yáng)能電池的輸出功率/入射的太陽(yáng)光功率）x100% = （Vop x Iop/Pin

5、x S）X100% = VocIscFF/Pin S 其中Pin是入射光的能量密度，S為太陽(yáng)能電池的面積.表示入射的太陽(yáng)光能量有多少能轉(zhuǎn)換為有效的電能。即：第11頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三 能量h大于材料的禁帶寬度Eg，被材料吸收而激發(fā)電子-空穴對(duì)，最大短路電流值顯然僅與材料帶隙Eg有關(guān)，其關(guān)系如圖所示。短路電流Isc的考慮：在AMO和AM1.5光照射下的最大短路電流值影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的因素：第12頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三開路電壓Voc的考慮： 開路電壓Voc的最大值，在理想情況下有下式?jīng)Q定：式中IL是光生電流，在理想情況

6、即為上圖所對(duì)應(yīng)的最大短路電流。I0是二極管反向飽和電流，其滿足： I0=Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2 ni2= NcNvexp(-Eg/kT) 顯然， Is隨Eg增大而減小， Voc隨Eg增大而增大。第13頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三填充因子FF的考慮： 在理想情況下，填充因子FF僅是開路電壓Voc的函數(shù)，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示： FF =Uoc-ln(Uoc+0.72)/(Uoc+1) Uoc = Voc(kT/q)1/2 這樣，當(dāng)開路電壓Voc的最大值確定后，就可計(jì)算得到FF的最大值。第14頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期

7、三綜合上述結(jié)果，可得到作為帶隙Eg的函數(shù)的最大轉(zhuǎn)換效率，其結(jié)果示于右圖中。 對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池，理論上限是27%，目前研究得到的最大值為24%左右。GaAs 太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率的理論上限為28.5%，現(xiàn)在獲得的最大值是24.7%。如何進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前的研究課題。第15頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三實(shí)際太陽(yáng)電池的等效電路圖Rsh：并聯(lián)電阻Rs：串聯(lián)電阻第16頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三3.1.3 硅太陽(yáng)電池制備及結(jié)構(gòu) 晶體硅太陽(yáng)能電池是典型的p-n結(jié)型太陽(yáng)電池，它的研究最早、應(yīng)用最廣，是最基本且最重要的太陽(yáng)電池。

8、在實(shí)際工藝中，一般利用200500m厚的摻硼的p型硅材料作為基質(zhì)材料，通過擴(kuò)散形成0.25 m厚的n型摻雜劑，形成p-n結(jié)，通常選用磷作為n型摻雜劑。第17頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三第18頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三p-n結(jié)的制備技術(shù)：磷擴(kuò)散分為：氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)擴(kuò)散。氣態(tài)磷擴(kuò)散：在擴(kuò)散系統(tǒng)內(nèi)，引入含磷氣體P2H2 ，通過高溫分解，磷原子擴(kuò)散到硅片中去，反應(yīng)式為：P2H2 = 2P + H2第19頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三固態(tài)磷擴(kuò)散：利用與硅片相同形狀的固態(tài)磷源材料Al(PO3)3，即所謂的磷微晶玻璃

9、片，與硅片緊密相貼，一起放入熱處理爐內(nèi)，在一定溫度下，磷源材料表面揮發(fā)出磷的化合物，通常是P2O5，與硅反應(yīng)生成磷原子及其它化合物，導(dǎo)致磷源子不斷向硅片體內(nèi)擴(kuò)散。Al(PO3)3 = AlPO4 + P2O52 P2O5+5Si = 5SiO2 + 4P固態(tài)磷擴(kuò)散法還可以利用絲網(wǎng)印刷、噴涂、旋涂、化學(xué)氣相沉積等技術(shù)，在硅片表面沉積一層磷的化合物，通常是P2O5。第20頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三液態(tài)磷源擴(kuò)散可以得到較高的表面濃度，在硅太陽(yáng)電池工藝中更為常見。通常利用的液態(tài)磷源為三氯氧磷，通過保護(hù)氣體，將磷源攜帶進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)，在8001000之間分解，生成P2O5，

10、沉積在硅片表面形成磷硅玻璃，作為硅片磷擴(kuò)散的磷源，其反應(yīng)式為：5POCl3 = 3PCl5 + P2O52P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P對(duì)于晶體硅太陽(yáng)電池，為使p-n結(jié)處有盡量多的光線到達(dá)，p-n結(jié)的結(jié)深要盡量淺，一般為250nm，甚至更淺。磷擴(kuò)散時(shí)，表面會(huì)形成磷硅玻璃，影響太陽(yáng)電池正常工作，需要去除。用稀釋的HF中侵蝕。第21頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三金屬電極的制備技術(shù)：現(xiàn)今主要采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將金屬漿料（銀漿+有機(jī)溶劑）按照所設(shè)計(jì)的圖形，印刷在硅的表面，然后在適當(dāng)氣氛下，通過高溫?zé)Y(jié)，使有機(jī)溶劑揮發(fā)，金屬與硅表面形成良好的歐姆接觸。一般而言

11、，金屬電極的膜厚為1025m，金屬柵線的寬度為150250 m。第22頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三 背電場(chǎng)技術(shù)： 為防止在襯底的背面附近由于載流子的復(fù)合引起效率的減少，在背面實(shí)現(xiàn)與襯底同類型的高濃度摻雜的太陽(yáng)能電池。例如在p-Si襯底背面進(jìn)行鋁合金摻雜，在背面形成p-p+高低結(jié)勢(shì)壘，即存在背電場(chǎng)。第23頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三 由于背面的高低結(jié)勢(shì)壘與硅片正面形成的p-n結(jié)勢(shì)壘方向一致，能夠提高電池的開路電壓；另外，高低結(jié)勢(shì)壘對(duì)p區(qū)少子-電子有阻擋和反射作用，既減少了背表面之復(fù)合作用，又提高了pn結(jié)對(duì)光生少子的收集幾率，也能提高電池

12、的短路電流。 背電場(chǎng)技術(shù)是一項(xiàng)極為有效的措施，它對(duì)高電阻率襯底的硅太陽(yáng)能電池效率的提高更為明顯。太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15%-20%左右。第24頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三減反射技術(shù)： 硅對(duì)入射太陽(yáng)光的反射損失高達(dá)30%以上。為了提高轉(zhuǎn)換效率，就必須減少反射損失。 第一類是采用減反膜技術(shù)。硅太陽(yáng)能電池常用的單層減反膜有SiO2 、Ta2O5 、TiOx等。雙層減反膜可以用Ta2O5、TiO2等薄膜。減反膜的制備一般采用物理氣相沉積（PVD)，或化學(xué)氣相沉積(CVD)等技術(shù)。 減反膜的厚度，為1/4波長(zhǎng)時(shí)，兩束反射光“光程差”就為1/2波長(zhǎng)，發(fā)生反射的兩束反射光抵

13、消 。 在照射光的能量不變的前提下， 增透膜減少反射光的光強(qiáng)（能量） 根據(jù)能量守恒，透射光的能量必然增加。例如用TaOx和MgF2的雙層減反膜，光學(xué)反射損失可減少到4%。第25頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三 第二類是在硅片的進(jìn)光面上，采用各向異性化學(xué)腐蝕，制得特殊表面結(jié)構(gòu)：如絨面、微槽面等。下圖是絨面結(jié)構(gòu)和V型槽結(jié)構(gòu)的示意圖。 絨面或V型槽結(jié)構(gòu)是用化學(xué)腐蝕方法在電池表面上得到許多有極?。?-2微米）的金字塔狀或V型的凹凸層，在這種微結(jié)構(gòu)表面上，入射光受表面第一次反射后，又得到第二次入射進(jìn)硅襯底的機(jī)會(huì)，提高了光能利用率。第26頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20

14、點(diǎn)11分，星期三表面鈍化技術(shù)： 通常的電池光電流收集電極金屬與半導(dǎo)體直接結(jié)合，這樣，在半導(dǎo)體表面復(fù)合幾率增大。在結(jié)構(gòu)中引入了2-3納米厚的極薄SiO2層，使得在n+表面的光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合減少。同時(shí)，由于氧化膜很薄，電流可以通過隧穿效應(yīng)流過，所以對(duì)短路電流的影響很小。第27頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三為了避免隧穿效應(yīng)的影響，在鈍化層中利用光刻技術(shù)刻出一個(gè)個(gè)接觸微窗（小于接觸電極面積），使金屬與n+-Si直接接觸以提高光電流的收集效率。同時(shí)也可減少金屬電極的覆蓋率。第28頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三 在這種電池結(jié)構(gòu)中，為了進(jìn)一步減少

15、受光面的界面復(fù)合和光學(xué)損失，采用了倒金字塔型減反結(jié)構(gòu)，并在其上加上極薄SiO2層，再在其上覆蓋雙層減反膜以達(dá)到最佳減反效果。同時(shí)，在里電極上也加入極薄氧化層進(jìn)行鈍化以減弱背面復(fù)合，在鈍化膜上刻出引入電極的窗口，利用窗口進(jìn)行定域B擴(kuò)散形成背電場(chǎng)，再將電極金屬覆蓋上形成電池。這種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池達(dá)到了單晶硅太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)換效率，在AM1.5的光照下效率可達(dá)24%以上。第29頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三3.1.4 薄膜太陽(yáng)電池制備及結(jié)構(gòu)(1) 多晶硅薄膜電池與硅電池結(jié)構(gòu)類似襯底pn減反層一般采用化學(xué)沉積法。將襯底加熱至1000左右，利用硅烷(SiH4)、三氯氫硅(S

16、iHCl3)等氣體的分解，生成硅原子，沉積在襯底表面。反應(yīng)時(shí)，同時(shí)通入硼烷，形成p型硅薄膜，厚度為2030m。制備的硅薄膜大多為非晶，需要通過固化結(jié)晶、區(qū)熔結(jié)晶等技術(shù)使其再結(jié)晶。然后，與晶體硅一樣，利用磷擴(kuò)散技術(shù)，在p型多晶硅薄膜表面形成n型硅層。第30頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三背面接觸CdTeCdSSnO2(2) CdTe薄膜電池 反向制備各層玻璃襯底透明導(dǎo)電層，CVD，濺射，蒸發(fā)，溶膠-凝膠N型，CBD，電沉積，蒸發(fā)，PVD等P型，CVD，蒸發(fā)，濺射，電沉積等。蒸鍍沉積Au/Cu電極第31頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三(3) 非晶

17、硅薄膜電池背面接觸n-a-SiSnO2玻璃p-a-Sii-a-Si采用低溫等離子氣相沉積法(PECVD)，基本原理就是利用硅烷在低溫等離子的作用下分解產(chǎn)生非晶硅，反應(yīng)式：SiH4 = Si + 2H2制備n-a-Si薄膜，反應(yīng)同時(shí)通入磷烷制備p-a-Si薄膜，反應(yīng)同時(shí)通入硼烷第32頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三(4) CIS薄膜電池 CIS(CIGS)-基薄膜太陽(yáng)能電池指以CuInSe2、CuInS2、Cu(In, Ga)Se2等化合物為吸收層的太陽(yáng)電池。其典型結(jié)構(gòu)為如下的多層膜結(jié)構(gòu)：金屬柵/減反膜/透明電極/窗口層/過渡層/光吸收層/背電極/玻璃。 第33頁(yè)，共4

18、2頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三CIS(CIGS)-基薄膜太陽(yáng)能電池所具有的優(yōu)勢(shì)：CIS和CIGS是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，光吸收率高達(dá)105數(shù)量級(jí)，是至今報(bào)道過的半導(dǎo)體中光吸收系數(shù)最高的。最適合太陽(yáng)電池薄膜化，電池厚度可做到1-2微米，降低了昂貴的材料消耗。制造成本低其成本是晶體硅太陽(yáng)能電池的1/2-1/3。能量?jī)斶€時(shí)間在一年之內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于晶體硅太陽(yáng)能電池。電池性能穩(wěn)定，西門子公司制備的CIS電池組件在美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)室外測(cè)試設(shè)備上，經(jīng)受7年的考驗(yàn)仍然顯示著原有的性能。轉(zhuǎn)換效率高，實(shí)驗(yàn)室記錄為21.5%。 CIS(CIGS)-基薄膜太陽(yáng)能電池中最重要、最

19、關(guān)鍵的是CuInSe2(CuInGaSe2)吸收層，我們下面介紹CuInSe2(CuInGaSe2)的制備方法。第34頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三 CIS薄膜主要的制備技術(shù)包括：真空蒸鍍、電沉積、反應(yīng)濺射、化學(xué)浸泡、快速凝固技術(shù)、化學(xué)氣相沉積、分子束外延、噴射熱解等。按照初期投資資本的大小又可以將上述技術(shù)劃分為真空制備技術(shù)與非真空制備技術(shù)兩類，下面我們分別介紹一下。真空技術(shù)過 程共蒸技術(shù)Co-evaporationSe過量的氣氛下，計(jì)量比的金屬流在加熱基底上（400600）熱蒸發(fā)沉積二態(tài)工藝Two-stage process在溫度較低（200）基底濺射前驅(qū)體在H2

20、Se或H2S氣氛下，較高的基底溫度（450600），硒化反應(yīng)CIS薄膜的真空沉積技術(shù)Vacuum methods of CIGS thin films第35頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三 按照蒸發(fā)熱源數(shù)目的多少可分為單源蒸發(fā)、雙源蒸發(fā)和三源蒸發(fā)。 單源蒸發(fā)就是利用單一熱源(如熱絲)加熱CIS合金，使之蒸發(fā)沉積到玻璃基片上，獲得CIS薄膜； 雙源蒸發(fā)即利用兩個(gè)熱源分別是Cu3Se2和In2Se3蒸發(fā)后沉積在基片上，獲得單相薄膜； 三源蒸發(fā)即利用三個(gè)熱源使Cu、In和Se三者分別蒸發(fā)后共同沉積到基片上，采用三源蒸發(fā)的關(guān)鍵是要控制三者蒸發(fā)和沉積的速率，以獲得預(yù)期的成分。

21、真空蒸發(fā)法：第36頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三 濺射過程可定義為因受到高能粒子的撞擊而引起的靶粒子噴射。該技術(shù)是物理過程而不是化學(xué)過程。因此極適于生長(zhǎng)熔點(diǎn)和蒸氣壓都不相同的元素所構(gòu)成的化合物合金以及大面積薄膜的沉積。 真空濺射法： 濺射法一般先利用Cu、In 或Cu-In合金靶材濺射Cu/In、Cu/In /Cu等元素堆積的多層膜或Cu-In合金膜；然后多層膜或Cu-In合金膜在H2Se或Se蒸氣中進(jìn)行硒化處理，從而得到CIS薄膜。第37頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三CIGS非真空沉積技術(shù)Non-vacuum methods of CIGS thin films非真空技術(shù)前驅(qū)物沉積硒化處理電沉積Cu、In、Ga、Se的化合物或元素的堆積層在惰性/Se/H2Se/H2S的氣氛中，硒化再結(jié)晶涂層Cu、In、Ga、 Cu-In合金、Se等涂漿高溫退火再結(jié)晶噴涂熱解Cu、In、Ga、Se的化合物粘結(jié)劑清除，在H2下還原成金屬合金在Se/H2Se/H2S的氣氛中硒化反應(yīng)第38頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)11分，星期三 1 電沉積：電沉積是一種電化學(xué)過程。電沉積已成功用于4元化合物CIGS膜，在經(jīng)過后續(xù)處理后，小面積電池的轉(zhuǎn)換率超過10。通過添加In和Ga，并在