太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化率

太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化率第一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二第1章緒論人類過去過依賴的化石燃料的儲(chǔ)藏量正急劇減少，而且，由于大量利用石油、天然氣和煤炭等化石燃料，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，和全球變暖。太陽(yáng)能作為一種無污染的可再生能源具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＬ?yáng)能電池是利用太陽(yáng)能的重要途徑。然而，當(dāng)前太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率依然很低，本文就是針對(duì)提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率相關(guān)方法進(jìn)行研究與論述。第二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二論文主要內(nèi)容

太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)理論提高晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的方法提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的新發(fā)展結(jié)論第三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二第2章太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)理論2.1太陽(yáng)能電池的發(fā)電原理

太陽(yáng)電池發(fā)電的原理是基于光伏效應(yīng)：當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射到太陽(yáng)電池上的時(shí)候，電池吸收光能，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在電池內(nèi)建電場(chǎng)的作用下光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓，這就是光生伏特效應(yīng)。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，于是負(fù)載中就有電流，從而獲得輸出功率，這樣太陽(yáng)能就轉(zhuǎn)化成了電能。第四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二下圖為太陽(yáng)能電池的原理圖：第五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.2太陽(yáng)電池性能參數(shù)1.短路電流ISCISC=Iph（光生電流）太陽(yáng)電池的光電流密度Jph由光子流密度F(λ)和光譜響應(yīng)SR(λ)決定：2.開路電壓理論上最大的開路電壓應(yīng)當(dāng)由P-N結(jié)的內(nèi)建勢(shì)壘電壓所決定。內(nèi)建勢(shì)壘電壓與半導(dǎo)體的禁（2-1）第六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二帶寬度Eg、導(dǎo)帶能級(jí)Ec、價(jià)帶能級(jí)Ev及費(fèi)米能級(jí)Ef之間的關(guān)系為:

3.填充因子下圖是太陽(yáng)電池的伏安特性曲線。不同的電壓和電流對(duì)應(yīng)不同的輸出功率。太陽(yáng)電池有一個(gè)最大的輸出功率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電壓和電流分別是Vm和Im

。填充因子用“FF”表示：（2-2）（2-3）第七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二

圖2—1太陽(yáng)電池的光照伏安特性曲線其中ISC·VOC是太陽(yáng)電池的極限輸出功率。4.轉(zhuǎn)換效率

太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率η的通常定義是：太陽(yáng)電池的最大輸出功率（Vm·Im）與入射到太陽(yáng)電池的光總功率之比。即:第八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2-4）Pin是太陽(yáng)光輸入功率，其值為：式中：At—太陽(yáng)電池總的光照面積；F(λ）—波長(zhǎng)的單位頻帶寬度內(nèi)每秒投射到單位面積上的光子數(shù)，即光子流密度；hc/λ—光子攜帶的能量；h—普朗克常量；c—光速。（2-5）第九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二假設(shè)能量大于禁帶寬度的光子100%地吸收，產(chǎn)生的載流子100%地被收集，而且忽略接觸電阻的影響，接觸電極掩蔽面積的光的反射，那么太陽(yáng)電池理想的轉(zhuǎn)換效率是：式中nph（Eg）為能量大于的光子流的密度。

（2-6）第十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二第3章提高晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的方法3.1影響晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素目前的研究成果表明，影響晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來自兩個(gè)方面：(1)光學(xué)損失。主要包括電池前表面反射損失、接觸柵極的陰影損失以及長(zhǎng)波段的非吸收損失。(2)電學(xué)損失。它包括半導(dǎo)體表面及體內(nèi)的光生載流子復(fù)合、半導(dǎo)體和金屬柵線的體電阻以及金屬-半導(dǎo)體接觸(歐姆接觸)電阻損失。第十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2提高晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率下面用目前正在研究和提高的幾種太陽(yáng)能電池為例，來介紹提高晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率方法和技術(shù)。3.2.1背接觸電池1.IBC電池（PCC電池）

IBC(正負(fù)極交叉背接觸）電池，其特點(diǎn)是正面無柵狀電極，正負(fù)極交叉排列在背面，量子效率可達(dá)19%～20%。這種把正面金屬柵線去掉的電池結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)減少正面遮光損失；(2)可能大大降低組件裝配成本；(3)從建造結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來看提供了視覺增值。第十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖2-2普通太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖2-3IBC太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)第十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.金屬環(huán)繞穿通（MWT）電池

MWT技術(shù)，即通過激光鉆孔將電池正面收集的能量穿過電池再轉(zhuǎn)移至電池背面。在金屬環(huán)繞穿通（MWT）器件中，較薄的金屬接觸“手指”被移到背面。通過激光鉆微型通孔，將上表面與下表面接觸連接起來。一般MWT每塊硅片需要鉆約200個(gè)通孔。圖2-4MWT電池結(jié)構(gòu)第十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.發(fā)射極環(huán)繞穿通（EWT）電池與MWT電池不同的是，在發(fā)射極環(huán)繞穿通（EWT）器件中，傳遞功率的柵線也被轉(zhuǎn)移至背面，使得上表面完全沒有金屬。與MWT電池類似，EWT電池也是通過在電池上鉆微型通孔來連接上、下表面。相比較于MWT的每塊硅片約200個(gè)通孔，EWT要求每塊硅片上大約有2萬個(gè)這種通孔。與IBC電池相似，EWT電池由于正面沒有柵線和電極，使模組裝配更為簡(jiǎn)便，同時(shí)由于避免了遮光損失且實(shí)現(xiàn)了雙面收集載流子，使光生電流有了大幅度的提高。第十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖2-5EWT電池圖2-6激光鉆孔圖2-7EWT電池結(jié)構(gòu)第十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2.2PERL電池

PERL（PassivatedEmitter，RearLocally-Diffused）電池是鈍化發(fā)射極、背面定域擴(kuò)散太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。PERL電池具有高效率的原因在于：(1)雙面鈍化。(2)淡磷、濃磷分區(qū)擴(kuò)散。(3)背面進(jìn)行定域、小面積的硼擴(kuò)散。⑷電池正面采用“倒金字塔”結(jié)構(gòu)。第十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖2-8PERL電池的結(jié)構(gòu)第十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2.3HIT電池該電池以n型晶體硅材料為基底材料，并在兩側(cè)沉淀本征層i和p及n型非晶硅薄膜，形成n型硅和非晶硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（HIT）太陽(yáng)能電池。非晶硅材料的帶寬在1.7eV左右，遠(yuǎn)大于晶體硅1.1eV的帶寬，因此此種HIT電池結(jié)構(gòu)對(duì)于電池表面有很好的鈍化作用。由于非晶硅幾乎沒有橫向?qū)щ娦阅?，因此必須在硅表面淀積一層大面積的透明導(dǎo)電膜（TCO）以有效收集電池的電流。

第十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖2-9HIT電池結(jié)構(gòu)第二十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2.4激光刻槽埋柵電池激光刻槽埋柵電池極技術(shù)即利用激光技術(shù)在硅表面上刻槽，然后填入金屬，以起到前表面電接觸柵極的作用。與傳統(tǒng)工藝的前表面鍍敷金屬層相比，激光刻槽埋柵電池所具有的優(yōu)點(diǎn)是：柵電極遮光率小、電流密度高，埋柵電極深入到硅襯底內(nèi)部可增加對(duì)基區(qū)光生電子的收集，濃磷擴(kuò)散降低了濃磷區(qū)電阻功耗和柵指電極與襯底的接觸電阻功耗，提高了電池的開路電壓等。第二十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖2-10激光刻槽埋柵電池結(jié)構(gòu)第二十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2.5OECO電池1.標(biāo)準(zhǔn)OECO電池OECO(Obliquelyevaporatedcontact)電池結(jié)構(gòu)基于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）接觸，利用表面溝槽形貌的遮掩在極薄的氧化隧道層上傾斜蒸鍍低成本的Al作為電極.OECO電池具有高效性的原因包括：(1)幾乎是無遮擋的表面。(2)優(yōu)異的MIS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

OECO電池同時(shí)也是一種很低成本的電池，這是因?yàn)椋?1)采用特殊的磨具可以使開槽工藝成本大為降低；(2)使用便宜的金屬Al代替昂貴的Ag做前表面電極；(3)制作前表面第二十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二電極無需掩膜并且蒸鍍金屬幾乎無損失；(4)無需光刻和其他高溫工藝；(5)利用傾斜方式可以一次性蒸鍍大批量電池；(6)適合于大面積和薄的硅片制作電池。

圖2-11OECO電池結(jié)構(gòu)第二十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.背接觸雙面BACKOECO電池

BACKOECO電池，即將所有的電極設(shè)計(jì)在電池的背光面上，與標(biāo)準(zhǔn)OECO電池的不同的是，BACKOECO電池正表面采用PECVD整面鍍制SiN膜，實(shí)現(xiàn)了較好的鈍化效果；而金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）接觸線以波浪形分布在背表面，波脊的一側(cè)是n型接觸線，另一側(cè)是p型接觸線。這樣的設(shè)計(jì)使電池兼具有OECO和背接觸電池的優(yōu)點(diǎn)，而其非常突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該電池可以十分有效地利用在背面之間來回反射的光，故能顯著提高輸出功率。第二十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖2-12BACKOECO電池結(jié)構(gòu)第二十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.3最大功率點(diǎn)跟蹤最大功率跟蹤(maximupowerpoint-tracking,MPPT)是并網(wǎng)發(fā)電中的一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)，它是指控制改變太陽(yáng)電池陣列的輸出電壓或電流的方法使陣列始終工作在最大功率點(diǎn)上，根據(jù)太陽(yáng)電池的特性，目前實(shí)現(xiàn)的跟蹤方法主要有恒壓法、功率匹配電路、曲線擬合技術(shù)、微擾觀察法和增量電導(dǎo)法。第二十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二第4章提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的新發(fā)展4.1尋找光電轉(zhuǎn)換新材料以含有銦、鎵和氮的合金(Inl-xGaxN)為基礎(chǔ)的光電池將對(duì)所有太陽(yáng)光譜的輻射從近紅外線一直到紫外線都靈敏。利用這種合金可以研制比較廉價(jià)的太陽(yáng)能電池板，而且新型太陽(yáng)能電池板將比現(xiàn)有的更結(jié)實(shí)和更高效。近期，科學(xué)家正在研究一種新型金屬納米顆粒材料，與傳統(tǒng)的光學(xué)材料相比，這種物質(zhì)能更好的捕獲太陽(yáng)光能量。

第二十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二

根據(jù)美國(guó)兩所大學(xué)的研究人員們實(shí)驗(yàn)證實(shí)，一種名為“硅藻”(diatom)的微小海藻有助于使染料敏化太陽(yáng)能電池(dye-sensitizedsolarcell)的電力輸出提高三倍。

4.2蝶翅結(jié)構(gòu)讓太陽(yáng)能電池更高效生活在寒帶及高緯度地區(qū)的蝴蝶，其翅膀鱗片所具有的微結(jié)構(gòu)，有助于個(gè)體充分、高效地吸收利用太陽(yáng)能，以保持其體溫，維持其物種的延續(xù)。受此啟發(fā)，研究小組設(shè)計(jì)了一種全新的具有高光采集效能的太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極構(gòu)件，并對(duì)此進(jìn)行了研第二十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二究和驗(yàn)證。可利用具有精細(xì)分級(jí)的蝶翅作為模板，來制備染料敏化太陽(yáng)能電池用的Ti02光采集器件。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于普通的Ti02薄膜，具有蝶翅結(jié)構(gòu)Ti02的光吸收率可提高2倍以上，以此為光陽(yáng)極，可以大大提高光采集效率，進(jìn)而有望提高此類太陽(yáng)能電池的光-電轉(zhuǎn)換效率。4.3可改進(jìn)太陽(yáng)能電池的新型電特性美國(guó)Rutgers大學(xué)的一組物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種材料所具有的特殊電特性，能夠提第三十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期二升太陽(yáng)能電池效率并改善計(jì)算機(jī)芯片設(shè)計(jì)。這種由鉍、鐵和氧組成的晶體能夠?qū)崿F(xiàn)可逆的二極管，這種二極管在光照條件下就能產(chǎn)生電流。這種晶體在頻譜的藍(lán)色端對(duì)光非常敏感，這一特性能夠提升太陽(yáng)能電池的效率。晶體的鐵電本質(zhì)說明它能表現(xiàn)出電極化。這種極化現(xiàn)象被稱為“體效應(yīng)”，遍布整個(gè)晶體，并控制其充當(dāng)二極管的能力。當(dāng)這種鐵電晶體加上外加電壓，其兩極極性就會(huì)翻轉(zhuǎn)，與其極性相同的方向電流可