光伏太陽能電池基本知識(shí)

1、光伏太陽能電池基本知識(shí)光伏太陽能電池基本知識(shí)PLXin2014年年5月月31日日 第一節(jié) 太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)背景第二節(jié) 太陽輻射基本知識(shí)第三節(jié) 半導(dǎo)體基本知識(shí)第四節(jié) 太陽電池的特性第五節(jié) 非晶硅薄膜太陽能電池第一節(jié) 太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)背景為什么要研究太陽能電池為什么要研究太陽能電池1、化石燃料終將枯竭，太陽能是地球上大多數(shù)能源的終極來源。2、環(huán)境污染日益嚴(yán)重。 目前人類可利用的新能源包括太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、海洋能等?？稍偕茉春喗榭稍偕茉春喗樘柲馨l(fā)電水力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電地?zé)崮馨l(fā)電潮汐發(fā)電太陽能是最為理想的可再生能源和無污染能源。 太陽能電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，光電池的

2、工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，例如P型面時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢。太陽能電池的原理太陽能電池的原理太陽能電池的種類（按材料的種類區(qū)分）太陽能電池的種類（按材料的種類區(qū)分）n 單晶硅Single crystal siliconn 多晶硅multi crystal siliconn 非晶硅amorphous silicon，a-Sin -族化合物（GaAs（砷化鎵），InP（磷化銦），InGa

3、P（磷化鎵銦）n -族化合物（CdTe（碲化鎘），CuInSe2（銅銦硒）n 其它（如燃料敏化電池）材料特點(diǎn)：均為半導(dǎo)體。材料特點(diǎn)：均為半導(dǎo)體。太陽能電池的種類（按材料的種類區(qū)分）太陽能電池的種類（按材料的種類區(qū)分）各種太陽能電池的效率（實(shí)驗(yàn)室電池）各種太陽能電池的效率（實(shí)驗(yàn)室電池）太陽能電池的發(fā)展趨勢太陽能電池的發(fā)展趨勢 太陽能電池發(fā)展瓶頸：效率、穩(wěn)定性、成本。p 以硅片為載體的光伏電池制造技術(shù)，其理論極限效率為29%，按目前的技術(shù)路線，提升效率的難度已經(jīng)非常大。p 薄膜太陽能電池由于具有大面積沉積、低材料消耗及可在低成本基板上制作，有較大的成本下降潛力的優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展前景非?？春?，成為階段發(fā)

4、展研究的重點(diǎn)。p 第三代太陽能電池不斷出現(xiàn)：染料敏化納米晶太陽能電池成本僅為常規(guī)電池的1/8至1/10。第二節(jié)第二節(jié) 太陽輻射基本知識(shí)太陽輻射基本知識(shí)太陽能的來源太陽能的來源太陽輻射太陽輻射 太陽是一個(gè)熾熱的大氣球。核心區(qū)的氣體被極度壓縮至水密度的158倍。在這里發(fā)生著核聚變，每秒鐘有七億噸的氫被轉(zhuǎn)化成氦。在這個(gè)過程中，每秒約有大概相當(dāng)于38300億億兆焦耳的凈能量被釋放。聚變產(chǎn)生的能量通過對流和輻射過程向外傳送。核心產(chǎn)生的能量需要通過幾百萬年才能到達(dá)表面。 地球上僅接收到這些能量的22億分之一。對流層對流層輻射層輻射層日珥日珥色球?qū)由驅(qū)庸馇驅(qū)庸馇驅(qū)犹柡谔柡谧尤鹤尤?每秒鐘地球接收到的太

5、陽能是人類每年能量需求的好幾倍。我們每天能看到的光只是從太陽發(fā)射然后進(jìn)入地球的能量的一小部分而已。太陽光是電磁波的其中一種形式，而我們看到的可見光也只是我們右邊顯示的電磁波普的一個(gè)小子集。太陽輻射太陽輻射光的特性光的特性太陽輻射太陽輻射光子的能量光子的能量 一般用波長（符號為）或相對應(yīng)的能量（符號為E）來描述一個(gè)光子的特性。 子的能量與波長之間存在反比例關(guān)系，方程如下： E=hc/ 其中h是普朗克常數(shù)，c表示光速。 當(dāng)描述光子、電子等粒子時(shí)，共同使用的能量單位是“電子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。一個(gè)電子伏特的能量相當(dāng)于把一個(gè)電子的電勢提高一伏所需要的功，所以 J10602.1eV11

6、9 能量與波長之間的關(guān)系： E（eV）=1.24/（m） 通過上面的公式，可求出特定波長的光子的能量大小。太陽輻射太陽輻射太陽常數(shù)太陽常數(shù)定義：在日地平均距離處，與太陽光束方向垂直的單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)所接收到的太陽總輻射能。這個(gè)常數(shù)的值及其光譜已經(jīng)被定為標(biāo)準(zhǔn)值，叫作大氣質(zhì)量為零的輻射（AM0）。 太陽常數(shù)：f=1.366KW/m2 （1瓦=1焦耳/秒） 表征的是到達(dá)大氣頂（大氣層上界）的總太陽能量（包含整個(gè)太陽光譜）值。太陽輻射太陽輻射地球表面的太陽輻射地球表面的太陽輻射 當(dāng)入射到地球大氣層的太陽輻射相對穩(wěn)定時(shí)，影響地球表面輻射的主要因素是:o大氣效應(yīng)，包括吸收和散射o當(dāng)?shù)卮髿赓|(zhì)量的不同，

7、如水蒸氣、云層和污染o緯度位置不同o一年中季節(jié)的不同和一天里時(shí)間的不同 上述的效應(yīng)在幾個(gè)方面影響了地球表面對太陽輻射的吸收。包括總的吸收能量和光譜含量的變化，以及光射到地球表面的角度的變化。另外，還有關(guān)鍵的一點(diǎn)就是，在不同的地方其太陽輻射的易變性也會(huì)有很大差別。易變性即受云層和季節(jié)變化等地方因素影響，又受其它例如不同緯度白天的長短不同等因素影響。沙漠地區(qū)由于當(dāng)?shù)卦茖拥却髿猬F(xiàn)象比較穩(wěn)定而擁有較低的易變性。地球表面太陽輻射地球表面太陽輻射大氣影響大氣影響 大氣效應(yīng)在幾個(gè)方面影響著地球表面的太陽輻射。在光伏應(yīng)用領(lǐng)域其主要影響為：o由大氣吸收、散射和反射引起的太陽輻射能量的減少。o由于大氣對某些波長的

8、較為強(qiáng)烈地吸收和散射而導(dǎo)致光譜含量的變化。o分散的或間接的光譜組合被引入到太陽輻射中。o當(dāng)?shù)卮髿鈱拥淖兓鹑肷涔饽芰?、光譜和方向的額外改變。 這些影響如右圖。太陽輻射太陽輻射大氣質(zhì)量大氣質(zhì)量pAM1.5是光伏行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)輻照度（相當(dāng)于太陽光的角度48.20）p在實(shí)際估算大氣質(zhì)量的簡單方法是：測量出高度為H的豎直物體投射陰影長度S。h：物體的高度s：豎直物體投影的陰影長度 大氣質(zhì)量被定義為光穿過大氣的路徑長度，長度最短時(shí)的路徑（即當(dāng)太陽處在頭頂正上方時(shí)）規(guī)定為“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣質(zhì)量”。“大氣質(zhì)量”量化了太陽輻射穿過大氣層時(shí)被空氣和塵埃吸收后的衰減程度。大氣質(zhì)量由下式給出： 式中表示太陽光線與垂直線的

9、夾角，當(dāng)太陽處在頭頂時(shí)，大氣質(zhì)量為1。太陽輻射太陽輻射大氣質(zhì)量大氣質(zhì)量 前節(jié)關(guān)于大氣質(zhì)量的計(jì)算是以假定大氣層是一個(gè)平面層為前提的，但是由于實(shí)際上大氣層是彎曲的，下面的方程則考慮了地球的曲率： 36364.107995.9650572.0cos1AM）（標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜和太陽輻射 太陽能電池的效率對入射光的能量和光譜含量都非常敏感。為了方便不同時(shí)間和不同地點(diǎn)時(shí)太陽能電池的數(shù)據(jù)比較，人們定義了地球大氣層外和地球表面的光譜的標(biāo)準(zhǔn)值。 地球表面的標(biāo)準(zhǔn)光譜稱為AM1.5G（G代表總的輻射，包括直接的和分散的輻射）減少28%能量后的AM0光譜的光譜強(qiáng)度（18%被吸收，10%被散射）。AM1.5G的值近似為97

10、0W/m2。然而，由于整數(shù)計(jì)算比較方便以及入射太陽光存在固有的變化，人們規(guī)范了標(biāo)準(zhǔn)的AM1.5G光譜值為1KW/m2。 地球大氣層外的標(biāo)準(zhǔn)光譜稱為AM0，因?yàn)楣鉀]有穿過任何大氣。這個(gè)光譜通常被用來預(yù)測太空中太陽能電池的表現(xiàn)。太陽輻射太陽輻射太陽輻照數(shù)據(jù)太陽輻照數(shù)據(jù) 重要的太陽輻射數(shù)據(jù)來源是從衛(wèi)星圖像上測得的太陽輻射。這些圖像提供了特定地區(qū)的云層覆蓋水平的信息。云層覆蓋水平的相關(guān)信息可以用來估算當(dāng)?shù)氐娜照斩?。第三?jié)第三節(jié) 半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體基本知識(shí) 半導(dǎo)體，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。 半導(dǎo)體材料可以來自元素周期表中的族元素，或者是族元素與族元素相結(jié)

11、合（叫做 -型半導(dǎo)體 ），還可以是族元素與族元素相結(jié)合（叫做 -型半導(dǎo)體 ）。硅是使用最為廣泛的半導(dǎo)體材料。 半導(dǎo)體可以由單原子構(gòu)成，如Si或Ge，鍵合如GaAs、InP、CdTe，還可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。能帶基本知識(shí)能帶基本知識(shí)價(jià)帶、禁帶、導(dǎo)帶價(jià)帶、禁帶、導(dǎo)帶價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶。導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶。禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能帶。禁帶寬度：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差。是指一個(gè)能帶寬度，單位是電子伏特（eV）。滿帶：允帶(允許電子能量存在的能量范圍)中的能量狀態(tài)（能級）均被電子占據(jù) 要導(dǎo)電就要有自由電子存

12、在。自由電子存在的能帶稱為導(dǎo)帶。被束縛的電子要成為自由電子，就必須要獲得足夠能量從而躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度。 半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體 金屬導(dǎo)帶與滿帶重疊在一起，沒有禁帶，絕緣體的禁帶很寬，半導(dǎo)體的禁帶寬度在導(dǎo)體與絕緣體之間。Eg=1.1eVSi（半導(dǎo)體）EcEvSiO2（絕緣體）Eg=9eVEcEv導(dǎo)體導(dǎo)帶頂EcEg=Ec-Ev半導(dǎo)體重要參數(shù)半導(dǎo)體重要參數(shù) 對于太陽能電池來說，半導(dǎo)體最重要的參數(shù)是：o禁帶寬度o能參與導(dǎo)電的自由載流子的數(shù)目o當(dāng)光射入到半導(dǎo)體材料時(shí)，自由載流子的產(chǎn)生和復(fù)合。 電子一旦進(jìn)入導(dǎo)帶，電子將自由地在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。電子在導(dǎo)帶中的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致另外一種

13、導(dǎo)電過程的發(fā)生，電子從原本的共價(jià)鍵移動(dòng)到導(dǎo)帶必然會(huì)留下一個(gè)空位。 來自周圍原子的電子能移動(dòng)到這個(gè)空位上，然后又留下了另外一個(gè)空位，這種留給電子的不斷運(yùn)動(dòng)的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格間運(yùn)動(dòng)的正電荷。 因此，電子移向?qū)У倪\(yùn)動(dòng)不僅導(dǎo)致了電子本身的移動(dòng)，還產(chǎn)生了空穴在價(jià)帶中的運(yùn)動(dòng)。電子和空穴都能參與導(dǎo)電并都稱為“載流子”。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征激發(fā)本征激發(fā) 完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體（硅為四價(jià)元素）。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理自由電子 價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。溫

14、度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子變愈多。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征載流子濃度本征載流子濃度 把電子從價(jià)帶移向?qū)У臒峒ぐl(fā)使得價(jià)帶和導(dǎo)帶都產(chǎn)生載流子。這些載流子的濃度叫做本征載流子濃度，用符號ni表示。沒有注入能改變載流子濃度的雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料叫做本征材料。 本征載流子濃度就是指本征材料中導(dǎo)帶中的電子數(shù)目或價(jià)帶中的空穴數(shù)目。 載流子的數(shù)目決定于材料的禁帶寬度和材料的溫度。寬禁帶會(huì)使得載流子很難通過熱激發(fā)來穿過它，因此寬禁帶的本征載流子濃度一般比較低。但還可以通過提高溫度讓電子更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)也提高了本征載流子的濃度。 右圖顯示了兩個(gè)溫度下的半導(dǎo)體本征載流子濃度。需要注意的

15、是，兩種情況中，自由電子的數(shù)目與空穴的數(shù)目都是相等的。雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 N型雜質(zhì)半導(dǎo)體 摻入五價(jià)元素（如磷），摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。 在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。 P型雜質(zhì)半導(dǎo)體 摻入三價(jià)元素（如硼），摻雜后空穴大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。 在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在一塊典型的半導(dǎo)體中，多子的濃度可能達(dá)到1017cm-3，少子的濃度則為106cm-3。這是一個(gè)怎樣的數(shù)字概念呢？少子與多子的比

16、例比一個(gè)人與地球總的人口數(shù)目的比還要小。少子既可以通過熱激發(fā)又可以通過光照產(chǎn)生。P型（正）N型（負(fù)）摻雜族元素（如硼）族元素（如磷）價(jià)鍵失去一個(gè)電子（空穴）多出一個(gè)電子多子空穴電子少子電子空穴載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生光的吸收光的吸收 入射到半導(dǎo)體表面的光子要么在表面被反射，要么被半導(dǎo)體材料所吸收，或者兩者都不是，即只是從此材料透射而過。 對于光伏器件來說，反射和透射通常被認(rèn)為損失部分，就像沒有被吸收的光子一樣不產(chǎn)生電。 如果光子被吸收，將在價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)電子并運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶。 決定一個(gè)光子是被吸收還是透射的關(guān)鍵因素是光子的能量?；诠庾拥哪芰颗c半導(dǎo)體禁帶寬度的比較，入射到半導(dǎo)體材料的光子可以分為三種

17、： 1、EphEg 光子能量大于禁帶寬度并被強(qiáng)烈吸收。 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生光的吸收光的吸收 對光的吸收即產(chǎn)生了多子又產(chǎn)生少子。在很多光伏應(yīng)用中，光生載流子的數(shù)目要比由于摻雜而產(chǎn)生的多子的數(shù)目低幾個(gè)數(shù)量級。 因此，在被光照的半導(dǎo)體內(nèi)部，多子的數(shù)量變化并不明顯。但是對少子的數(shù)量來說情況則完全相反。由光產(chǎn)生的少子的數(shù)目要遠(yuǎn)高于原本無光照時(shí)的光子數(shù)目，也因此在有光照的太陽能電池內(nèi)的少子數(shù)目幾乎等于光產(chǎn)生的少子數(shù)目。載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生吸收系數(shù)吸收系數(shù) 吸收系數(shù)決定著一個(gè)給定波長的光子在被吸收之前能在材料走多遠(yuǎn)的距離。如果某種材料的吸收系數(shù)很低，那么光將很少被吸收，并且如果材料的厚度足夠薄，它

18、就相當(dāng)于透明的。 吸收系數(shù)的大小決定于材料和被吸收的光的波長。這是因?yàn)槟芰康陀诮麕挾鹊墓鉀]有足夠的能量把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶。因此，光線也就沒被吸收了。四種不同半導(dǎo)體材料在溫度為300K時(shí)的吸收系數(shù)，實(shí)驗(yàn)在真空環(huán)境下進(jìn)行。鍺載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生吸收系數(shù)吸收系數(shù) 右圖表明，即使是那些能量比禁帶寬度高的光子，它們的吸收系數(shù)也不是全都相同的，而是與波長有密切的聯(lián)系。 一個(gè)光子被吸收的概率取決于這個(gè)光子能與電子作用（即把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶）的可能性。對于一個(gè)能量大小非常接近于禁帶寬度的光子來說，其吸收的概率是相對較低的，因?yàn)橹挥刑幵趦r(jià)帶邊緣的電子才能與之作用并被吸收。 當(dāng)光子的能量增大時(shí)，能夠

19、與之相互作用并吸收光子的電子數(shù)目也會(huì)增大。然而，對于光伏應(yīng)用來說，比禁帶寬度多出的那部分光子能量是沒有實(shí)際作用 的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶后的電子又很快因?yàn)闊嶙饔没氐綄?dǎo)帶的邊緣。載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生吸收深度吸收深度 吸收系數(shù)與波長的關(guān)系導(dǎo)致了不同波長的光在被完全吸收之前進(jìn)入半導(dǎo)體的深度的不同。 下面將給出另一個(gè)參數(shù)-吸收深度，它與吸收系數(shù)成反比例關(guān)系，即為-1。 吸收深度是一個(gè)非常有用的參數(shù)，它顯示了光在其能量下降到最初強(qiáng)度的大概36%（或者說1/e）的時(shí)候在材料中走的深度。 因?yàn)楦吣芰抗庾拥奈障禂?shù)很大，所以它在距離表面很短的深度就被吸收了（例如硅太陽能電池就在幾微米以內(nèi)），而紅光在這種距離的吸

20、收就很弱。即使是在幾微米之后，也不是所有的紅光都能被硅吸收。光子能量=hv=h*c/h:普朗克常數(shù)c:光速：光波長藍(lán)光紅光藍(lán)光在離表面非常近處就被吸收而大部分的紅光則在器件的深處才被吸收載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生生成率生成率 生成率是指被光線照射的半導(dǎo)體每一點(diǎn)生成電子的數(shù)目。忽略反射不計(jì)，半導(dǎo)體材料吸收的光線的多少?zèng)Q定于吸收系數(shù)（ 單位為cm-1）和半導(dǎo)體的厚度。半導(dǎo)體中每一點(diǎn)中光的強(qiáng)度可以通過以下的方程計(jì)算： I=I0e-x 式中為材料的吸收系數(shù)，單位通常為cm-1，x為光入射到材料的深度，I0為光在材料表面的功率強(qiáng)度。 上述方程可以用來計(jì)算太陽能電池中產(chǎn)生的電子空穴對的數(shù)目。假設(shè)減少的那部分

21、光線能量全部用來產(chǎn)生電子空穴對，那么通過測量透射過電池的光線強(qiáng)度便可以算出半導(dǎo)體材料生成的電子空穴對的數(shù)目。因此，對上面的方程進(jìn)行微分將得到半導(dǎo)體中任何一點(diǎn)的生成率。即 G=N0e-x其中N0=表面的光子通量（光子/單位面積.秒） ,=吸收系數(shù)，x=進(jìn)入材料的距離。 上面的方程顯示，光的強(qiáng)度隨著在材料中深度的增加呈指數(shù)下降，即材料表面的生成率是最高的。 對于光伏應(yīng)用來說，入射光是由一系列不同波長的光組成的，因此不同波長的生成率也是不同的。下圖顯示三種不同波長的光在硅材料中的生成率。載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生生成率生成率 計(jì)算一系列不同波長的光的生成率時(shí)，總的生成率等于每種波長的總和。下圖將展示入

22、射到硅片的光為標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜時(shí)，不同深度的生成率大小。Y軸的范圍大小是成對數(shù)的，顯示著在電池表面的產(chǎn)生了數(shù)量巨大的電子空穴對，而在電池的更深處，生成率幾乎是常數(shù)。復(fù)合理論復(fù)合理論復(fù)合時(shí)間復(fù)合時(shí)間& &擴(kuò)散長度擴(kuò)散長度 所有處在導(dǎo)帶中的電子都是亞穩(wěn)定狀態(tài)的，并最終會(huì)回到價(jià)帶中更低的能量狀態(tài)。它必須移回到一個(gè)空的價(jià)帶能級中，所以，當(dāng)電子回到價(jià)帶的同時(shí)也有效地消除了一個(gè)空穴。這種過程叫做復(fù)合。 在太陽能電池中一個(gè)重要的參數(shù)是復(fù)合發(fā)生的速率，也叫”復(fù)合率”。復(fù)合率決定于額外少子的數(shù)目。 例如，當(dāng)沒有額外少子時(shí)，復(fù)合率將為零?！吧僮訅勖?是指產(chǎn)生電子空穴對之后處在激發(fā)狀態(tài)的載流子在復(fù)合之前能存在的平均時(shí)

23、間。還有一個(gè)相關(guān)的參數(shù)少子擴(kuò)散長度，是指在復(fù)合之前一個(gè)載流子從產(chǎn)生處開始運(yùn)動(dòng)的平均路程。 少數(shù)載流子壽命和擴(kuò)散長度在很大程度上取決于材料的類型和復(fù)合的數(shù)量。對于許多種類的硅太陽能電池來說，復(fù)合率則決定于材料中存在的缺陷數(shù)量，因此，當(dāng)太陽能電池的摻雜量增加時(shí)，復(fù)合的速率也將隨著增加。復(fù)合理論復(fù)合理論表面復(fù)合表面復(fù)合 任何在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面的缺陷和雜質(zhì)都會(huì)促進(jìn)復(fù)合。因?yàn)樘柲茈姵乇砻娲嬖谥鴩?yán)重的晶格分裂，所以電池表面是一個(gè)復(fù)合率非常高的區(qū)域。高復(fù)合率導(dǎo)致表面附近的區(qū)域的少子枯竭。就如擴(kuò)散這一節(jié)所解釋的，某些區(qū)域的低載流子濃度會(huì)引起周圍高濃度區(qū)域的載流子往此處擴(kuò)散。因此，表面復(fù)合率受到擴(kuò)散到表面的載

24、流子的速率的限制?！氨砻鎻?fù)合率”的單位為cm/sec，被用來描述表面的復(fù)合。在沒有發(fā)生復(fù)合的表面，往表面運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目也為零，因此表面復(fù)合率也為零。當(dāng)表面復(fù)合非常快時(shí),運(yùn)動(dòng)指向表面的載流子讀速度受到最大復(fù)合速率的限制，而對大多數(shù)半導(dǎo)體來說最大速度為1107cm/sec。 半導(dǎo)體表面的缺陷是由于晶格排列在表面處的中斷造成的，即在表面處產(chǎn)生掛鍵。減少掛鍵的數(shù)目可以通過在半導(dǎo)體表面處生長一層薄膜以連接這些掛鍵，這種方法也叫做表面鈍化。半導(dǎo)體表面的掛鍵引起了此處的高復(fù)合率載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散擴(kuò)散 如果半導(dǎo)體中一個(gè)區(qū)域的載流子濃度要比另一個(gè)區(qū)域的高，那么，由于不停的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，將引起載流子的勢運(yùn)

25、動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，在兩個(gè)不同濃度的區(qū)域之間將會(huì)出現(xiàn)載流子梯度。載流子將從高濃度區(qū)域流向低濃度區(qū)域。這種載流子的流動(dòng)叫做“擴(kuò)散”，是由于載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的。在器件的所有區(qū)域中，載流子往某一方向的運(yùn)動(dòng)的概率是相同的。在高濃度區(qū)域，數(shù)量龐大的載流子不停地往各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，包括往低濃度方向。然而，在低濃度區(qū)域只存在少量的載流子，這意味著往高濃度運(yùn)動(dòng)的載流子也是很少的。這種不平衡導(dǎo)致了從高濃度區(qū)域往低濃度區(qū)域的勢運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散現(xiàn)象的主要效應(yīng)之一是使載流子的濃度達(dá)到平衡，就像在沒有外界力量作用半導(dǎo)體時(shí)，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合也會(huì)使得半導(dǎo)體達(dá)到平衡。載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng) 在半導(dǎo)體外加一個(gè)電

26、場可以使做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的帶電載流子往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。在沒有外加電場時(shí)，載流子在隨機(jī)方向以一定的速度移動(dòng)一段距離。然而，在加了電場之后，其方向與載流子的隨機(jī)方向疊加。那么，如果此載流子是空穴，其在電場方向?qū)⒆黾铀龠\(yùn)動(dòng)，電子則反之。在特定方向的加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了載流子的勢運(yùn)動(dòng)，載流子的方向是其原來方向與電場方向的向量疊加。由外加電場所引起的載流子運(yùn)動(dòng)叫“漂移運(yùn)動(dòng)”。PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成空間電荷區(qū)又稱勢壘區(qū)、耗盡層 載流子擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡載流子濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)內(nèi)建電場促使少子漂移內(nèi)建電場阻礙多子擴(kuò)散內(nèi)建電場空間電荷區(qū)形成 PN結(jié)是n型半導(dǎo)體材料和p型半導(dǎo)體材料的結(jié)合形成的

27、，如下圖所示。因?yàn)閚型半導(dǎo)體區(qū)域的電子濃度很高，而p型區(qū)域的空穴濃度很高，所以電子從n型區(qū)擴(kuò)散到p型區(qū)，同理，空穴也從p型區(qū)擴(kuò)散到n型區(qū)。如果電子和空穴都是不帶電的，擴(kuò)散過程將持續(xù)到兩個(gè)區(qū)域的電子和空穴的濃度都分別相等，就像兩種氣體相互往對方區(qū)域擴(kuò)散一樣。然而，對于pn結(jié)來說，當(dāng)電子和空穴運(yùn)動(dòng)到pn結(jié)的另一邊時(shí)，也在雜質(zhì)原子區(qū)域留下了與之相反的電荷，這種電荷被固定在晶格當(dāng)中不能移動(dòng)。在n型區(qū)，被留下的便是帶正電的原子核，相反，在p型區(qū)，留下的是帶負(fù)電的原子核。于是，一個(gè)從n型區(qū)的正離子區(qū)域指向p型區(qū)的負(fù)離子區(qū)域的電場E就建立起來了。這個(gè)電場區(qū)域叫做“耗盡區(qū)”，因?yàn)榇穗妶瞿苎杆侔炎杂奢d流子移走，

28、因此，這個(gè)區(qū)域的自由載流子是被耗盡的。由于耗盡區(qū)的電場的存在，載流子之間的產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散以及漂移將會(huì)達(dá)到平衡。 第四節(jié) 太陽能電池的特性理想太陽能電池理想太陽能電池太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池的結(jié)構(gòu) 太陽能電池是一種能直接把太陽光轉(zhuǎn)化為電的電子器件。入射到電池的太陽光通過同時(shí)產(chǎn)生電流和電壓的形式來產(chǎn)生電能。這個(gè)過程的發(fā)生需要兩個(gè)條件，首先，被吸收的光要能在材料中把一個(gè)電子激發(fā)到高能級，第二，處于高能級的電子能從電池中移動(dòng)到外部電路。在外部電路的電子消耗了能量然后回到電池中。許多不同的材料和工藝都基本上能滿足太陽能轉(zhuǎn)化的需求，但實(shí)際上，幾乎所有的光伏電池轉(zhuǎn)化過程都是使用組成PN結(jié)形式的半導(dǎo)體材料

29、來完成的。太陽能電池運(yùn)行的基本步驟： 光生載流子的產(chǎn)生 光生載流子聚集成電流 穿過電池的高電壓的產(chǎn)生 能量在電路和外接電阻中消耗UNSW新南威爾士大學(xué)減反射膜前端接觸電極發(fā)射區(qū)基區(qū)背接觸電極電子空穴對v=理想太陽能電池理想太陽能電池光生電流光生電流 在太陽能電池中產(chǎn)生的電流叫做“光生電流”，它的產(chǎn)生包括了兩個(gè)主要的過程。第一個(gè)過程是吸收入射光電子并產(chǎn)生電子空穴對。電子空穴對只能由能量大于太陽能電池的禁帶寬度的光子產(chǎn)生。然而，電子（在p型材料中）和空穴（在N型材料中）是處在亞穩(wěn)定狀態(tài)的，在復(fù)合之前其平均生存時(shí)間等于少數(shù)載流子的壽命。如果載流子被復(fù)合了，光生電子空穴對將消失，也沒有電流和電能產(chǎn)生。

30、 第二個(gè)過程是，pn結(jié)通過對這些光生載流子的收集，即把電子和空穴分散到不同的區(qū)域，阻止了它們的復(fù)合。pn結(jié)是通過其內(nèi)建電場的作用把載流子分開的。如果光生少數(shù)載流子到達(dá)pn結(jié)，將會(huì)被內(nèi)建電場移到另一個(gè)區(qū)，然后它便成了多子載流子。如果用一根導(dǎo)線把發(fā)射區(qū)跟基區(qū)連接在一起（使電池短路），光生載流子將流到外部電路。理想太陽能電池理想太陽能電池收集概率收集概率 “收集概率”描述了光照射到電池的某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的載流子被pn結(jié)收集并參與到電流流動(dòng)的概率，它的大小取決于光生載流子需要運(yùn)動(dòng)的距離和電池的表面特性。在耗散區(qū)的所有光生載流子的收集概率都是相同的，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域的電子空穴對會(huì)被電場迅速地分開。在原來電場的

31、區(qū)域，其收集概率將下降。當(dāng)載流子在與電場的距離大于擴(kuò)散長度的區(qū)域產(chǎn)生時(shí)，那么它的收集概率是相當(dāng)?shù)偷摹Ｏ嗨频?，如果載流子是在靠近電池表面這樣的高復(fù)合區(qū)的區(qū)域產(chǎn)生，那么它將會(huì)被復(fù)合。上圖描述了表面鈍化和擴(kuò)散長度對收集概率的影響。前表面后表面低擴(kuò)散長度太陽能電池在電池中的距離表面鈍化差的太陽能電池表面鈍化好的太陽能電池具有高的表面復(fù)合，在表面上的收集概率低在PN結(jié)中產(chǎn)生的載流子收集概率收集概率理想太陽能電池理想太陽能電池收集概率收集概率 收集概率與載流子的生成率決定了電池的光生電流的大小。光生電流大小等于電池各處的載流子生成速率乘于那一處的收集概率。UNSW新南威爾士大學(xué)收集概率生成率在電池中的距離

32、理想太陽能電池理想太陽能電池收集概率收集概率 在1.5光譜下硅的生成速率。注意，電池表面的生成率是最高的，因此電池對表面特性是很敏感的。 表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比較下圖的藍(lán)光、紅光和紅外光，藍(lán)光在硅表面的零點(diǎn)幾微米處幾乎被全部吸收。因此，如果頂端表面的收集概率非常低的話，入射光中將沒有藍(lán)光對光生電池做出貢獻(xiàn)。波長0.45m的藍(lán)光擁有高吸收率，為105cm-1，也因此它在非?？拷敹吮砻嫣幈晃?。波長0.8m的紅光的吸收率103cm-1，因此其吸收長度更深一些。1.1m紅外光的吸收率為103cm-1，但是它幾乎不被吸收因?yàn)樗哪芰拷咏诠璨牧系慕麕挾?。理想太陽能電池理想太陽能?/p>

33、池量子效率量子效率 所謂“量子效率”，即太陽能電池所收集的載流子的數(shù)量與入射光子的數(shù)量的比例。量子效率即可以與波長相對應(yīng)又可以與光子能量相對應(yīng)。如果某個(gè)特定波長的所有光子都被吸收，并且其所產(chǎn)生的少數(shù)載流子都能被收集，則這個(gè)特定波長的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁帶寬度的光子的量子效率為零。下圖將描述理想太陽能電池的量子效率曲線。總量子效率的減小是由反射效應(yīng)和過短的擴(kuò)散長度引起的。理想量子效率曲線能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，所以長波長的量子效率為零。量子效率前端表面復(fù)合導(dǎo)致藍(lán)光響應(yīng)的減小。紅光響應(yīng)的降低是由于背表面反射、對長波光的吸收的減少和短擴(kuò)散長度 右圖為硅太陽能電池的量子效

34、率。通常，波長小于350nm的光子的量子效率不予測量，因?yàn)樵?.5大氣質(zhì)量光譜中，這些短波的光所包含能量很小。 盡管理想的量子效率曲線是矩形的（如上頁圖），但是實(shí)際上幾乎所有的太陽能電池的都會(huì)因?yàn)閺?fù)合效應(yīng)而減小。影響收集效率的因素同樣影響著量子效率。例如，頂端表面鈍化會(huì)影響靠近表面的載流子的生成，而又因?yàn)樗{(lán)光是在非?？拷砻嫣幈晃盏?，所以頂端表面的高復(fù)合效應(yīng)會(huì)強(qiáng)烈地影響藍(lán)光部分量子效率。相似的，綠光能在電池體內(nèi)的大部分被吸收，但是電池內(nèi)過低的擴(kuò)散長度將影響收集概率并減小光譜中綠光部分的量子效率。 硅太陽能電池中，“外部”量子效率包括光的損失，如透射和反射。然而，測量經(jīng)反射和透射損失后剩下的光

35、的量子效率還是非常有用的。”內(nèi)部“量子效率指的是那些沒有被反射和透射且能夠產(chǎn)生可收集的載流子的光的量子效率。理想太陽能電池理想太陽能電池量子效率量子效率理想太陽能電池理想太陽能電池光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) ”光譜響應(yīng)“在概念上類似于量子效率。量子效率描述的是電池產(chǎn)生的光生電子數(shù)量與入射到電池的光子數(shù)量的比，而光譜響應(yīng)指的是太陽能電池產(chǎn)生的電流大小與入射能量的比例。下圖將描述一光譜響應(yīng)曲線 理想的光譜響應(yīng)在長波長段受到限制，因?yàn)榘雽?dǎo)體不能吸收能量低于禁帶寬度的光子。這種限制在量子效率曲線中同樣起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲線，光譜響應(yīng)曲線在隨著波長減小而下降。因?yàn)檫@些短波長的光子的能量很高，導(dǎo)致光

36、子與能量的比例下降。光子的能量中，所有超出禁帶寬度的部分都不能被電池利用，而是只能加熱電池。在太陽能電池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的無法吸收，導(dǎo)致了顯著的能量損失。理想的光譜響應(yīng)理想的光譜響應(yīng)能量低于禁帶寬度能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，的光不能被吸收，所以在長波長段的所以在長波長段的光譜響應(yīng)為零。光譜響應(yīng)為零。光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)硅太陽能電池的響應(yīng)曲線。理想太陽能電池理想太陽能電池光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 被收集的光生載流子并不是靠其本身來產(chǎn)生電能的。為了產(chǎn)生電能，必須同時(shí)產(chǎn)生電壓和電流。在太陽能電池中，電壓是由所謂的”光生伏打效應(yīng)”過程產(chǎn)生的。光生伏特效應(yīng)1、用能量等于或大于

37、禁帶寬度的光子照射p-n結(jié)；2、p、n區(qū)都產(chǎn)生電子-空穴對，產(chǎn)生非平衡載流子；3、非平衡載流子破壞原來的熱平衡；4、非平衡載流子在內(nèi)建電場作用下，n區(qū)空穴向p區(qū)擴(kuò)散，p區(qū)電子向n區(qū)擴(kuò)散；5、若p-n結(jié)開路，在結(jié)的兩邊積累電子-空穴對，產(chǎn)生開路電壓。n負(fù)載電阻RL=0，過剩載流子都可以穿過結(jié)，會(huì)產(chǎn)生最大可能的光電流，及短路電流ISC，而電動(dòng)勢為零。n負(fù)載電阻RL= ，則被PN結(jié)分開的過剩載流子會(huì)積累在PN結(jié)附近，并以最大補(bǔ)償勢壘，于是產(chǎn)生最大可能的光生電壓，及開路電壓VOC，其電流為零。n負(fù)載電阻RL，則過剩載流子部分用于降低PN結(jié)勢壘用于建立工作電壓Vm，部分用來產(chǎn)生工作電流Im。N區(qū)負(fù)電極導(dǎo)

38、線P區(qū)負(fù)電極導(dǎo)線陽光理想太陽能電池理想太陽能電池光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)短路電流短路電流 短路電流是指當(dāng)穿過電池的電壓為零時(shí)流過電池的電流（或者說電池被短路時(shí)的電流）。通常記作ISC。太陽能電池的伏安曲線短路電流ISC是電池流出的最大電流，此時(shí)穿過電池的電壓為零。電池產(chǎn)生的電能 短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生的收集。對于電阻阻抗最小的理想太陽能電池來說，短路電流就等于光生電流。因此短路電流是電池能輸出的最大電流。太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)短路電流短路電流 短路電流的大小取決于以下幾個(gè)因素：l太陽能電池的表面積。l光子的數(shù)量（即入射光的強(qiáng)度）。電池輸出的短路電

39、流ISC的大小直接取決于光照強(qiáng)度。l入射光的光譜。測量太陽能電池是通常使用標(biāo)準(zhǔn)的1.5大氣質(zhì)量光譜。電池的光學(xué)特性（吸收和反射）l電池的收集概率，主要取決于電池表面鈍化和基區(qū)的少數(shù)載流子壽命。 在比較材料相同的兩塊太陽能電池時(shí)，最重要的參數(shù)是擴(kuò)散長度和表面鈍化。太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)開路電壓開路電壓 開路電壓VOC是太陽能電池能輸出的最大電壓，此時(shí)輸出電流為零。太陽能電池功率太陽能電池IV曲線太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)填充因子填充因子 短路電流和開路電壓分別是太陽能電池能輸出的最大電流和最大電壓。然而，當(dāng)電池輸出狀態(tài)在這兩點(diǎn)時(shí)，電池的輸出功率都為零?！疤畛湟蜃樱ǔＪ褂盟暮唽?/p>

40、”FF“，是由開路電壓VOC和短路電流ISC共同決定的參數(shù)，它決定了太陽能電池的輸出效率。填充因子被定義為電池的最大輸出功率與開路VOC和ISC的乘積的比值。從圖形上看，F(xiàn)F就是能夠占據(jù)IV曲線區(qū)域最大的面積。如下圖所示。 輸出電流（紅線）和功率的（藍(lán)線）圖表。同時(shí)標(biāo)明了電場的短路電流（ISC）點(diǎn)、開路電壓（Voc）點(diǎn)以及最大功率點(diǎn)（Vmp，Imp）。太陽能電池的參數(shù)太陽能電池的參數(shù)效率效率 發(fā)電效率是人們在比較兩塊電池好壞時(shí)最常使用參數(shù)。效率的定義為電池輸出的電能與射入電池的光能的比例。除了反映太陽能電池的性能之外，效率還決定于入射光的光譜和光強(qiáng)以及電池本身的溫度。所以在比較兩塊電池的性能時(shí)

41、，必須嚴(yán)格控制其所處的環(huán)境。測量陸地太陽能電池的條件是光照AM1.5和溫度25C。而空間太陽能電池的光照則為AM0 下面式子為計(jì)算發(fā)電效率的方程：下面式子為計(jì)算發(fā)電效率的方程： Pmax=VocIscFF =Pmax/Pin=VocIscFF /Pin電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)寄生電阻效應(yīng)寄生電阻效應(yīng)電池最常見的寄生電阻為串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻。從下面的電池模擬等效電路便可看出串聯(lián)和并聯(lián)電阻。 引起串聯(lián)電阻的因素有三種：第一，穿過電池發(fā)射區(qū)和基區(qū)的電流流動(dòng)；第二，金屬電極與硅之間的接觸電阻；第三便是頂部和背部的金屬電阻。 引起并聯(lián)電阻的因素通常是制造缺陷（PN結(jié)附近的雜質(zhì)）。寄生電阻對電池的最主要影響便是減

42、小填充因子。Rs為零為零中等中等Rs較大較大Rs電壓電壓電電流流V=IRs串聯(lián)電阻對太陽電池填充因子的影響電壓電壓電電流流較小較小Rsh中等中等RshRsh無窮大無窮大I=V/Rsh并聯(lián)電阻對太陽電池填充因子的影響u溫度的影響包括：短路電流隨溫度上升而增加，因?yàn)閹赌芰肯陆盗耍嗟墓庾泳哂凶銐虻哪芰縼懋a(chǎn)生電子空穴對，但是，這是一個(gè)比較微弱的影響。u對硅電池來說，溫度的上升主要致使開路電壓和填充因子下降，因而導(dǎo)致了輸出功率下降。u對硅電池而言，溫度對最大輸出功率的影響：其他效應(yīng)其他效應(yīng)溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)57 短路電流ISC提高幅度很小溫度較高的電池開路電壓Voc下降幅度大其他效應(yīng)其他效應(yīng)光強(qiáng)效應(yīng)

43、光強(qiáng)效應(yīng) 改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度將改變所有太陽能電池的參數(shù)，包括短路電流、開路電壓、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率以及并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻對電池的影響。通常用多少個(gè)太陽來形容光強(qiáng)，比如一個(gè)太陽就相當(dāng)于AM1.5大氣質(zhì)量下的標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，即1KW/m2。如果太陽能電池在功率為10KW/m2的光照下工作，也可以說是在10個(gè)太陽下工作。UNSW新南威爾士大學(xué)短路電流ISC隨著聚光呈線性上升FF可能會(huì)因串聯(lián)電阻的上升而下降開路電壓隨光強(qiáng)呈對數(shù)上升第五節(jié) 非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池簡介簡介薄膜太陽電池：厚度在微米量級的材料制備的電池。特點(diǎn)：材料對太陽光的吸收系數(shù)高，可以在很薄的厚度下吸收部

44、分太陽能量。分類：1、硅基薄膜太陽電池，包括：非晶硅薄膜太陽電池和微晶硅薄膜太陽電池等；2、銅銦鎵錫系列薄膜電池（CIGS）；3、碲化鎘系列薄膜電池（CdTe）；4、納米燃料敏化薄膜太陽電池；5、第三代新型太陽電池，等離子體共振，有機(jī)薄膜太陽電池。類別實(shí)驗(yàn)室最高效率商業(yè)化電池效率主要障礙材料豐度基本制備技術(shù)硅基薄膜15.3%6.5%衰減特性硅材料在地球上位居第二位PECVDCIGS19.5%11%制造工藝難以控制In、Ga屬于稀缺材料磁控濺射后硒化共蒸發(fā)工藝CdTe16%7-11%有毒性材料Te較少近空間升華三種可產(chǎn)業(yè)化的薄膜電池的特性列表硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池應(yīng)用應(yīng)用室內(nèi)消費(fèi)電子產(chǎn)

45、品 由于非晶硅太陽能電池在室內(nèi)弱光下也能發(fā)電，已被廣泛用于太陽能鐘，太陽能手表，太陽能顯示牌等不直接接受光照等場合下。硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池應(yīng)用應(yīng)用太陽能照明光源（室外庭院燈、路燈、廣告牌等） 由于非晶硅太陽能電池的技術(shù)優(yōu)勢，同樣功率的非晶硅太陽能燈具，其照明時(shí)間要比晶體硅太陽能路燈的照明時(shí)間長20%，而其成本每瓦要低約10元人民幣。硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池應(yīng)用應(yīng)用與建筑配合建造太陽能房 非晶硅太陽能電池可以制成半透明的，如作為建筑的一部分，白天既能發(fā)電又能使部分光線通過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，為室內(nèi)提供十分柔和的照明（紫外線被濾掉）能擋風(fēng)雨，又能發(fā)電。邊遠(yuǎn)山區(qū)并網(wǎng)發(fā)電硅基薄膜太陽電池

46、硅基薄膜太陽電池特點(diǎn)特點(diǎn) 盡管單晶硅和多晶硅太陽能電池經(jīng)過多年的努力已取得很大進(jìn)展，特別是轉(zhuǎn)換效率已超過20%，這些高效率太陽能電池在空間技術(shù)中發(fā)揮了巨大的作用。但在地面應(yīng)用方面，由于價(jià)格問題的影響，長久以來一直受到限制。 太陽能電力如果要與傳統(tǒng)電力進(jìn)行競爭，其價(jià)格必須要不斷地降低，而這對單晶硅太陽能電池而言是很難的，只有薄膜電池，特別是非晶硅太陽能電池最有希望。從其誕生到現(xiàn)在，全世界以電力換算太陽能電池的總生產(chǎn)量的月1/3是非晶硅系太陽能電池，在民用方面其幾乎占據(jù)了全部份額。 三種硅基太陽電池性能比較種類優(yōu)勢劣勢單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率最高，技術(shù)最為成熟硅消耗量大，成本高，工藝復(fù)雜多晶硅太陽

47、能電池轉(zhuǎn)化效率較高多晶硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜非晶硅薄膜太陽能電池成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率不高，光致衰退效率太陽能發(fā)電宗旨：降低成本和提高效率u原材料豐富，無毒、無污染u節(jié)省材料（硅烷，晶體硅1/100消耗）u制造溫度低（200，能量回收期短）u材料器件同步完成，便于大面積連續(xù)生產(chǎn)u應(yīng)用范圍廣（柔性、半透明、BIPV）硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池特點(diǎn)特點(diǎn) 硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) u低成本 1）硅材料用料少，可充分吸收光，單晶要200m厚，非晶1m厚（非晶硅光吸收系數(shù)大），不需要切片，材料浪費(fèi)少。 2）主要原材料是生產(chǎn)高純多晶硅過程中使用的硅烷，這種氣體，化學(xué)工業(yè)可大量供應(yīng)，且十

48、分便宜，制造1W非晶硅太陽能電池的原材料成本約RMB3.5-4。u弱光響應(yīng)好（充電效率高） 非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)。特別是在0.3-0.75m的可見光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個(gè)數(shù)量級。因而它比單晶硅對太陽輻射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜就能吸收90%有用的太陽能。這是非晶硅材料最重要的特點(diǎn)。u基板種類多 由于非晶硅沒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題。因而它幾乎可以沉積在任何襯底（柔性不銹鋼、聚乙烯、高分子薄板、陶瓷）上，包括廉價(jià)的玻璃襯底。u適合大面積自動(dòng)化生產(chǎn) 目前，世界上最大的非晶硅太陽電池是KAI 1200

49、 PECVD設(shè)備生產(chǎn)的1100mm1250mm單結(jié)晶非晶硅太陽電池，其穩(wěn)定輸出功率接近80W/片。 商品晶體硅太陽電池還是以156mm156mm和125mm125mm為主。u開路電壓高 非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨制備條件的不同約在1.5-2eV的范圍內(nèi)變化，這樣制成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高。 硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池存在問題存在問題 u成本問題 非晶硅太陽電池投資額是晶體硅太陽能電池的5倍左右，因此項(xiàng)目投資有一定的資金壁壘。而且，成本回收周期較長。u穩(wěn)定性問題 非晶硅太陽能電池的光致衰減，所謂的S-W效應(yīng)，是影響其大規(guī)模生產(chǎn)的重要因素

50、。 非晶硅太陽電池的不穩(wěn)定性集中反映在其能量轉(zhuǎn)換效率隨輻照時(shí)間的延長而變化，直到數(shù)百或數(shù)千小時(shí)后才能穩(wěn)定。 目前，柔性基體非晶硅太陽能電池穩(wěn)定效率已超過10%，已具備作為空間能源的基本條件。硅基硅基薄膜太陽電池薄膜太陽電池S-WS-W效應(yīng)效應(yīng)uS-W效應(yīng)：1977年，D.L.Staebler和C.R.Wronski發(fā)現(xiàn)非晶硅樣品在經(jīng)過長時(shí)間光照后，其光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)都顯著減小，將樣品放在150下退火30分鐘，再冷卻到室溫，樣品又恢復(fù)原來狀態(tài)。這一現(xiàn)象被稱為Staebler-Wronski效應(yīng)，簡稱S-W效應(yīng)。研究表明在光照后非晶硅中缺陷密度明顯增加。 S-W效應(yīng)的機(jī)制還是一個(gè)有待進(jìn)一步研究解決的

51、問題，人們提出了各種模型進(jìn)行解釋。1）有的認(rèn)為由于S-W效應(yīng)，非晶硅太陽能電池在光照后，非晶硅膜中的缺陷態(tài)密度增加，導(dǎo)致電池內(nèi)的光生電子和空穴復(fù)合幾率增加，電池的轉(zhuǎn)換效率下降，降低了光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)。2）非晶硅制造過程中Si-Si弱鍵的作用。3）有的認(rèn)為是光照產(chǎn)生了亞穩(wěn)態(tài)缺陷。還有的認(rèn)為是光照引起了非晶硅結(jié)構(gòu)以及材料中的雜質(zhì)、氫引起的等等。解決方案：可以將電池中i層的厚度減薄，同時(shí)為了避免厚度減薄帶來的對入射光吸收的減弱，可以用多個(gè)電池串聯(lián)的方式，形成多級太陽能電池組以保證足夠的光吸收。硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體 與晶態(tài)半導(dǎo)體材料相比，非晶態(tài)半導(dǎo)體材料的原子在空間排

52、列上失去了長程有序性，但其原子也不是完全雜亂無章的分布的。 由于受到化學(xué)鍵，特別是共價(jià)鍵的束縛，在幾個(gè)原子的微小范圍內(nèi)，可以看到與晶體非常相似的結(jié)構(gòu)特征。 所以，一般將非晶態(tài) 材料的結(jié)構(gòu)描述為：長程無序，短程有序“。用來描述非晶硅的結(jié)構(gòu)模型很多，右面給出了其中的一種。可以看出，在任一原子周圍，仍有四個(gè)原子與其鍵合，只是鍵角和鍵長發(fā)生了變化，因此在較大范圍內(nèi)，非晶硅就不存在原子的周性排列。 在非晶硅材料中，還包含大量的懸掛鍵、空位等缺陷，因而其有很高的缺陷密度，它們提供了電子和空穴的復(fù)合場所，所以，一般來說，非晶硅是不適于做電子器件的。 1975年，研究人員通過輝光放電技術(shù)分解硅烷，得到的非晶硅

53、薄膜中含有一定量的氫，使得許多懸掛鍵被氫化，大大降低了材料的缺陷態(tài)密度，并且成功地實(shí)現(xiàn)了對非晶硅材料的P型和N型摻雜。硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)薄膜硅太陽能電池的基本結(jié)構(gòu) 非晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)最常用的是p-i-n結(jié)構(gòu)，而不是單晶硅太陽能電池的p-n結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)椋?）輕摻雜的非晶硅的費(fèi)米能級移動(dòng)較小，如果用兩邊都是輕摻雜的或一邊是輕摻雜、另一邊是重?fù)诫s的材料，則能帶彎曲較小，電池的開路電壓受到限制；2）如果直接用重?fù)诫s的p+和n+材料形成p+-n+，那么，由于重?fù)诫s的非晶硅材料中缺陷密度較高，少子壽命低，電池的性能會(huì)很差。

54、因此，通常在兩個(gè)重?fù)诫s層當(dāng)中沉積一層未摻雜的非晶硅層作為有源集電區(qū)。硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池 單結(jié)非晶硅同質(zhì)結(jié)電池單結(jié)非晶硅同質(zhì)結(jié)電池 非晶硅太陽能電池內(nèi)部光生載流子主要產(chǎn)生于未摻雜的i層， 與晶態(tài)太陽能電池中載流子主要由于擴(kuò)散而移動(dòng)不同，在非晶硅 太陽能電池中，光生載流子主要依靠太陽能電池內(nèi)電場作用做漂 移運(yùn)動(dòng)。 在非晶硅太陽能電池中，頂層的重?fù)诫s層厚度很薄，幾乎是 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)建電場也基本上從這里展開，使光生載流子產(chǎn)生后立即被掃向n+側(cè)和p+側(cè)。 由于未摻雜的非晶硅實(shí)際上是

55、弱n型材料，因此，在沉積有源集電區(qū)時(shí)適當(dāng)加入限量硼，使其成為費(fèi)米能級居中的i型，有助于提高太陽能電池的性能。 在實(shí)際制備過程中，常常將沉積次序安排為p-i-n，以利用沉積p層時(shí)的硼對有源集電區(qū)進(jìn)行自然摻雜。這一沉積順序，決定了透明導(dǎo)電襯底電池總是p+層迎光，而不透明襯底電池總是n+迎光。硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池 單結(jié)非晶硅同質(zhì)結(jié)電池單結(jié)非晶硅同質(zhì)結(jié)電池 在單結(jié)非晶硅太陽能電池中，利用微晶硅來做摻雜層的電池結(jié)構(gòu)也是較為常用的一種。 微晶硅有較高的摻雜效率，在同樣的摻雜水平下，其費(fèi)米能級遠(yuǎn)離帶隙中央的程度比非晶硅高，另一方面，微晶硅的帶隙不會(huì)因?yàn)閾诫s而有明顯的降低，因此用微晶硅做太陽能電池

56、的接觸層，即可減小串聯(lián)電阻，也可增加開路電壓，是理想的n+或p+材料。 非晶硅太陽能電池內(nèi)光生載流子的生產(chǎn)主要在i層，入射光在到達(dá)i層之前，一部分被摻雜層所吸收。因?yàn)閷τ诜蔷Ч璨牧希瑩诫s將會(huì)使材料帶隙降低，造成對太陽光譜中的短波部分的吸收系數(shù)變大。 研究表明，即使摻雜層厚度僅有10nm，仍會(huì)將入射光的20%左右吸收掉。從而削弱了電池對短波長光的響應(yīng)，限制了短路電流的大小。 為了減少入射方向摻雜層對光的吸收以使到達(dá)i層的光 增加的目的，人們提出了單結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池結(jié) 構(gòu)。 所謂單結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，是指在迎光面采取寬帶隙的非晶碳化硅膜來代替帶隙較窄的非晶硅做窗口的結(jié)構(gòu)。利用寬帶隙的

57、非晶碳化硅膜可以明顯改善太陽能電池的短波區(qū)域的收集效率。硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池 單結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié)電池單結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié)電池 利用寬帶隙材料做成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，不僅是通過窗口作用提高短路電流，還可以通過內(nèi)建電勢的升高提高開路電壓。因?yàn)樵趐層中加碳，帶隙變寬，p、i兩層中的費(fèi)米能級的相對位置被相應(yīng)拉開，因而對升高內(nèi)建電勢也有好處。 在非晶硅太陽能電池的發(fā)展過程中，轉(zhuǎn)換效率的一次幅度較大的提高就是用p型的非晶碳化硅膜代替p型非晶硅的結(jié)果。 當(dāng)非晶碳化硅膜中碳的成分比在20-30%時(shí)，就能滿足這一要求。硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池 單結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié)電池單結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié)電池 硅基薄膜太陽電池硅基

58、薄膜太陽電池 非晶硅疊層電池非晶硅疊層電池 對于單結(jié)太陽能電池，即便是用晶體材料制備的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般在AM1.5的光照條件下也只有25%左右。 因?yàn)樘柟庾V的能量分布較寬，而任何一種半導(dǎo)體只能吸收其中能量比自己帶隙值高的光子，其余的光子不是穿過電池被背面的吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，就是將能量傳遞給電池材料本身的原子，使材料發(fā)熱。 這些能量都不能通過產(chǎn)生光子載流子變成電能。不僅如此，這些光子產(chǎn)生的熱效應(yīng)還會(huì)升高電池工作溫度而使電池性能下降。 為了最大程度有效利用更寬廣波長范圍內(nèi)的太陽光能量。人們把太陽光譜分成幾個(gè)區(qū)域，用能隙分別與這些區(qū)域最好匹配的材料做成電池，使整個(gè)電池的光譜響應(yīng)接近太陽光光

59、譜，具有這樣結(jié)構(gòu)的太陽能電池稱為疊層電池。 從迎光面開始，材料的帶隙依次下降，即最外面的材料帶隙寬，有利于吸收短波長的光，而透過的長波長的光則被里面帶隙較窄的材料吸收，這樣就可以最大限度地吸收太陽光能量。 同時(shí)，由于各個(gè)子電池是串聯(lián)在一起的，總的開路電壓比單個(gè)電池高很多，因而有可能大幅度提高轉(zhuǎn)換效率。E=h=hc/輻射電磁波的頻率輻射電磁波的波長h普朗克常量c真空中光速硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池 非晶硅疊層電池非晶硅疊層電池 硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池 疊層太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)疊層太陽能電池的優(yōu)點(diǎn) 疊層太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)：具有很寬的光譜效應(yīng) 疊層電池設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題：疊層電池的轉(zhuǎn)換效率主

60、要受光生電流的限制，因此，疊層電池設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題是合理選擇各子電池i層的能隙寬度和厚度，以獲得最佳電流匹配，使轉(zhuǎn)換效率最大。同時(shí)也要控制各個(gè)摻雜層的厚度，以減少其對入射光子的吸收，也減少光生載流子在這些缺陷密度高的薄層中的復(fù)合損失。硅基薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池 集成型太陽能電池集成型太陽能電池 集成型非晶硅太陽能電池是有若干分立電池組合而成。不過它與太陽能電池組合板并不完全相同，其分立電池并非完全獨(dú)立，而是共用一塊襯底。實(shí)際上，它們原來是一個(gè)整體，是用光刻技術(shù)將他們組合而成的大面積太陽能電池。 下圖是以美國Chronar公司技術(shù)為代表的內(nèi)聯(lián)式單結(jié)非晶硅電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：硅基薄膜太陽