光波頻譜轉(zhuǎn)換型的太陽能電池.ppt

1、第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,1,Chapter 3 太陽能電池的材料種類及其物性,3-1太陽能電池的材料種類 3-2太陽能電池的元件種類 3-3太陽能電池的基本物性,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,2,內(nèi)容大綱,本章節(jié)將討論以及探討的內(nèi)容，主要有三大部分： 太陽能電池的材料種類 太陽能電池的元件種類 太陽能電池的基本物性,52,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,3,3-1太陽能電池的材料種類,太陽能電池材料的種類，依其外觀形態(tài)區(qū)分， 塊狀型 (Bulk) 單晶矽半導(dǎo)體 多晶矽半導(dǎo)體 薄膜型 (Thin Film) 矽系列 銅銦硒 (CIS) 系列 染料光敏化系列 有機(jī)半導(dǎo)體

2、系列,52,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,4,矽系列的半導(dǎo)體材料，是目前太陽能光電發(fā)電系統(tǒng)中，應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的材料；而化合物半導(dǎo)體材料，則是以應(yīng)用於太空衛(wèi)星系統(tǒng)以及聚光型太陽能光電發(fā)電系統(tǒng)為主要的領(lǐng)域.,圖3-1 代表性太陽能電池材料的種類以及分類,54,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,5,太陽能電池用多晶矽原材料的主要生產(chǎn)廠商： 德國Socmic公司 挪威REC公司 美國Hemlock Semiconductor公司 日本Tokuyama公司 德國Wacker Chemie公司 日本Mitsubishi Materials公司 美國MEMC Electronic Materi

3、als公司 美國ASiMi公司 (Advanced Silicon Materials LLC) 等。 美國Hemlock公司，是由美國Dow Corning公司、日本Mitsubishi Materials公司、以及日本Shi-Etsu Handotai公司所合資成立的公司。,53,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,6,太陽能電池的元件種類，因其接面形態(tài)的不同： 單接面型 (Single-Junction) 太陽能電池元件 多重接面型 (Multiple-Junction) 太陽能電池元件 太陽能電池的元件種類，因其接面材質(zhì)的不同： 同質(zhì)接面型 (Homo-Junction) 太陽能電池

4、元件 異質(zhì)接面型 (Hetero-Junction) 太陽能電池元件,54,3-2太陽能電池的元件種類,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,7,圖3-2代表性太陽能 電池元件的分類,55,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,8,第四世代太陽能電池的種類，依其元件結(jié)構(gòu)體的設(shè)計(jì)分類： 堆疊型 (Tandem) 光波頻譜轉(zhuǎn)換型 (Spectral Conversion) 中間能帶型 (Intermediate Band) 熱載子型 (Hot Carrier) 此發(fā)展歷程，不外乎是著眼於降低成本以及提升效率等為重要研究項(xiàng)目.,55,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,9,單能隙及單接面型太陽能電

5、池的能量損失，其主要的型態(tài)： 輻射損失 (Radiative Losses) 次能隙損失 (Sub Bandgap Losses) 熱游離損失 (Thermionic Losses),圖3-3代表性太陽能電池元件的能量損失型態(tài),57,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,10,能量釋放方式的種類： 能帶內(nèi)的能量釋放 (Intra-Band Energy Relaxation) 能帶間的能量釋放 (Inter-Band Energy Relaxation),圖3-4代表性太陽能電池元件的能量釋放型態(tài),57,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,11,光波頻譜轉(zhuǎn)換型的太陽能電池 (Spectral

6、 Conversion Cell)是使用光波頻譜方式將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的一種新型太陽能電池元件。 就光波頻譜轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)型態(tài)而言，其主要的種類可分為: 光波頻譜上段轉(zhuǎn)換式 (Spectral Up-Conversion) 光波頻譜下段轉(zhuǎn)換式 (Spectral Down-Conversion) 光波頻譜聚集轉(zhuǎn)換式 (Spectral Concentration),58,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,12,中間能帶型的太陽能電池 (Intermediate Band Cell)是利用元素?fù)诫s技術(shù)，以使價(jià)電帶以及導(dǎo)電帶之間，置入中間能帶，進(jìn)而促使能量小於能隙的光子充份地吸收，以增加了其光電

7、流。 熱載子型的太陽能電池 (Hot Carrier Cell)倘若載子或載體在能帶與能帶的遷移過程之中，能帶間由外部環(huán)境所獲得的能量速率，是遠(yuǎn)大於能帶間所釋放出去的能量速率，則此些載子的平均能量將會(huì)增加，相對(duì)地載子的溫度也提升許多，此時(shí)所衍生的載子即是熱載子。,59,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,13,電子電洞對(duì)再復(fù)合的基本機(jī)制： 光子的發(fā)射 (Light Emission) 聲子的發(fā)射 (Phonon Emission) 歐傑效應(yīng) (Auger Effect),圖3-5代表性太陽能電池元件的電子電洞對(duì)再復(fù)合機(jī)制,59,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,14,3-3-1太陽能電池

8、的材料物性 一般太陽能電池的製作方式，是以摻雜微量的硼原子 (Boron, B)，以形成 p型半導(dǎo)體，並用於作為基板材料；然後，使用高溫?zé)釘U(kuò)散的或低溫離子佈植的方式，將濃度高於硼的磷原子 (Phosphor, P) 摻雜於p型基板之內(nèi)，以形成p-n的接面。 太陽能電池的基本材料是矽 (Silicon, Si)。,62,3-3 太陽能電池的基本物性,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,15,圖3-6代表性鑽石立方晶格結(jié)構(gòu) (a) 以及閃鋅礦立方晶格結(jié)構(gòu) (b) 的示意圖,62,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,16,圖3-7代表性結(jié)晶方向 100、結(jié)晶方向族 、結(jié)晶面 (100)、以及結(jié)晶

9、面族 100 的示意圖,62,一個(gè)物質(zhì)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，可以使用米勒指數(shù) (Miller Indices) 來表示其結(jié)晶方向、結(jié)晶面、以及結(jié)晶面族等.,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,17,圖3-8代表性晶圓片的 111 n型矽半導(dǎo)體、100 n型矽半導(dǎo)體、111 p型矽半導(dǎo)體、以及 100 p型矽半導(dǎo)體等示意圖,63,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,18,表3-1不同種類太陽能電池，其基本物性的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、以及發(fā)展方向,65,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,19,66,表3-1不同種類太陽能電池，其基本物性的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、以及發(fā)展方向,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,20,太

10、陽能電池元件的基本特性： 輸出特性 (Output Characteristics) 光譜感度特性 (Spectral Characteristics) 照度特性 (Illumination Characteristics) 溫度特性 (Temperature Characteristics) 非相配特性 (Miss Match Characteristics) 二極體特性 (Diode Characteristics),3-3-2太陽能電池的基本特性,64,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,21,一、輸出特性 (Output Characteristics),圖3-9太陽電池元件的電流

11、(i) - 電壓 (v) 特性關(guān)係圖,67,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,22,68,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,23,68,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,24,圖3-10太陽能電池元件的等效電路示意圖,69,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,25,在最佳化動(dòng)作點(diǎn)(Just Fit Point)上，其所對(duì)應(yīng)的電壓狀態(tài)稱之為開路電壓，而所對(duì)應(yīng)的電流狀態(tài)稱之為短路電流，其所表示的式子，如下所列的。 入射光所對(duì)應(yīng)的單位面積單位時(shí)間的光子數(shù) 外部收集效率 入射光波長,70,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,26,圖3-11 太陽能電池元件的電壓、電流、以及電功率的曲線

12、關(guān)係示意圖,70,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,27,二、光譜感度特性,圖3-12太陽能電池元件的光譜感度特性,71,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,28,空氣透過量 (Air Mass, AM)，是大氣中的吸收、反射、散射等效應(yīng)，對(duì)於入射光光譜影響的一項(xiàng)重要指標(biāo)?？諝馔高^量 (AM) 的基本定義，是量測時(shí)的大氣壓 (b) 與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 (bo) (101.3 KPa) 的比值，再乘以太陽天頂角 (z) 的餘弦值。 在世界各國以及各地，空氣透過量大小，將因太陽的移動(dòng)以及經(jīng)緯度的不同，而有所不相同的。,71,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,29,三、照度特性 在照度特性方面，

13、太陽光的照度大小，將影響太陽能電池元件的電流 - 電壓特性,圖3-13太陽能電池元件的照度特性,72,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,30,四、溫度特性 在溫度特性方面，半導(dǎo)體元件的能隙大小，將因材料、元件、以及製程等因素，而有所差異性的，如圖3-14所示,圖3-14太陽能電池元件的溫度特性,73,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,31,五、非相配特性或不整合率特性 由太陽能電池胞或太陽能電池模組，將因製造過程之中，所可能產(chǎn)生的因素，而影響此些元件特性的不均勻性。在太陽能電池胞的陣列配置組合時(shí)，將會(huì)有非相配性的不整合率特性產(chǎn)生。無論是串聯(lián)式或並聯(lián)式的太陽能電池胞或太陽能電池模組，在均

14、勻的入射光照射、同一照度大小、或同一溫度等條件之下，進(jìn)行量測太陽能電池元件及其模組的輸出特性，則將各個(gè)單元所量測的結(jié)果合計(jì)地以總合比率表示之。,73,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,32,六、二極體特性 太陽能電池胞是由兩種不同屬性的半導(dǎo)體所構(gòu)成的二極體元件，而此一二極體元件特性即是太陽能電池的二極體特性，如圖3-15所示,圖3-15太陽能電池元件 的二極體特,74,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,33,在太陽能電池胞及其模組的輸出量測方面，其輸出量測輸出量測是一種可變負(fù)載方式的，而其主要的量測方式： X-Y記錄器方式 (X-Y Record Measurement) 電容負(fù)載方式

15、 (Capacitance Loading Measurement) 偏電壓電源方式 (Bias Voltage Source Measurement) 電子負(fù)載方式 (Electronic Loading Measurement),76,3-3-3 太陽能電池的特性量測,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,34,一、X-Y記錄器方式 在X-Y記錄器方式量測上，有電阻負(fù)載兩端子型的 (a) 以及電源負(fù)載四端子型的 (b) 等兩種，如圖3-16所示 X-Y記錄器量測方式 (X-Y Record Measurement)，是測量太陽電池元件輸出特性的最簡單的方法。在圖3-16(a) 所示,76,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,35,圖3-16X-Y記錄器量測方式的基本原理示意圖,76,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,36,二、電容負(fù)載量測方式(Capacitance Loading Measurement)，是在可變負(fù)載的內(nèi)部置入電容，而在進(jìn)行充放電之際，量測到所需的電流電壓的數(shù)據(jù).,圖3-17電容負(fù)載量測方式的基本原理示意圖,77,第三章太陽能電池的材料種類及其物性P,37,三、偏電壓電源