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1、太阳能光电转换技术太阳能光电转换技术（光伏发电）（光伏发电）新能源技术教学新能源技术教学1outline第一节第一节 太阳电池发展概述太阳电池发展概述第二节第二节 太阳电池用硅材料制备技术太阳电池用硅材料制备技术第三节第三节 太阳能电池的基本原理太阳能电池的基本原理第四节第四节 晶体硅太阳电池晶体硅太阳电池第五节第五节 非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池2第三节第三节 太阳能电池的基本原理太阳能电池的基本原理 一、半导体与一、半导体与P-N结结二、太阳能电池的基本特性二、太阳能电池的基本特性1 光伏发电原理和影响因素光伏发电原理和影响因素2 太阳电池效率和结构设计太阳电池效率和结构设计 31 光伏发
2、电原理和影响因素光伏发电原理和影响因素1.1 光的吸收与载流子复合光的吸收与载流子复合1.2 光照的影响光照的影响 1.3 光谱响应光谱响应 1.4 温度的影响温度的影响 1.5 寄生电阻的影响寄生电阻的影响 41.1 光的吸收与载流子复合光的吸收与载流子复合n当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小的能量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于是顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样。n然而，能量比带隙能量大的光子（EghEg）会与形成共价键的电子相作用，用它自身所具有的能量去破坏共价键，形成可以自有流动的电子-空穴对。光照时电子光照时电子-空穴对的产生空穴对的产生 Eg导带导带
3、(禁带宽禁带宽)价带价带5n光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面，较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。光的能量与电子光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系空穴对产生的位置间的联系 6Resource Characteristics 地面附近太阳辐射光谱图地面附近太阳辐射光谱图7The absorption depths of silicon 8n单位体积内电子-空穴对的产生率可用下式表示：nN为光子的流量（每秒流过单位面积的光子数量），是吸收系数，x是到表面的距离。物理意义物理意义相当于某波长的光在媒质中传播1/距离时能量减弱到原来能量的1/e。一般用吸收系数的倒数1/来表
4、征该波长的光在材料中的透入深度。911The generation rate in silicon for several wavelengths of light 121.1 光的吸收与载流子复合光的吸收与载流子复合n当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态。在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无规则运动直到他们相遇并复合。n任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产生。n材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子寿命约为1s。13n类似的，载流子的扩散长度就是载流子从产生到复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一般是100300m。n这两个
5、参数为太阳能电池应用的材料提出参考。n如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。141.2 光照的影响光照的影响 n照射到电池上的光可呈现多种不同的情形。为了使太阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到最大的直接吸收以及反射后的吸收。1-顶电极上的反射与吸收；顶电极上的反射与吸收；2-在电池表面的反射；在电池表面的反射；3-可用的吸收；可用的吸收；4-电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效）；电池底部的反射（仅对吸收较弱的光线有效）；5-反射后的吸收；反射后的吸收；6-背电极处的吸收背电极处的吸收 15n在
6、P-N结电场E的作用下，电子受力向N型一侧移动，空穴受力向P型一侧移动。短路时，在外电路产生光电流。理想短路情况下理想短路情况下P-N结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移结区域电子与空穴的流动（电子、空穴产生、定向移动、被收集、外电路流动）动、被收集、外电路流动）16n尽管如此，一部分电子和空穴在被收集之前就已经消失了。电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况电子空穴对复合的一些可能模式，以及未复合的载流子被收集的情况 17n总体来说，在P-N结越近的地方产生的电子空穴对越容易被收集。当V=0时，那些被收集的载流子将会产生一定大小的电流。如果电子空穴对在P-N结附
7、近小于一个扩散长度的范围内产生，收集的几率就比较大。18n在无光照的情况下，描述二极管电流I和电压V间函数关系的特征曲线（I-V曲线）为：n光线的照射对太阳电池的作用，可以认为是在原有的二极管暗电流基础之上叠加了一个电流增量，于是二极管公式变为：1.2 光照的影响光照的影响 19光的照射对光的照射对P-N结电流结电流-电压间函数特性的影响电压间函数特性的影响 电压电流电压电流方向？方向？20VIPower is either generated or dissipated,depending on the quadrant you are in.1ST Quadrant:Dissipation
8、3D Quadrant:Dissipation2ND Quadrant:Generation4TH Quadrant:Generation21IVDark Characteristic Light CharacteristicIVPower Generating RegionPower Dissipating RegionPower Dissipating Region22n光照能使电池的I-V曲线向下平移到第四象限，于是二极管的电能可以被获取。n为便于讨论，太阳电池的I-V特性曲线通常被上下翻转，将输出曲线置于第一象限，并用下式表示：23The VI characteristic of a
9、solar cell is usually displayed like this:VIVIThe coordinate system is flipped around the voltage axis.24n用于衡量在一定照射强度、工作温度以及面积条件下，太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为：n短路电流短路电流（Isc，Short circuit current）当电压为零时电池输出的最大电流，Isc=IL。Isc与所接受到的光照强度成正比。n开路电压开路电压（Voc，Open circuit voltage）电流为零时，电池输出的最大电压。Voc的值随辐照强度的增加成对数方式增长。25
10、I=ISCR=0Does it surprise you that the current at short circuit is not infinite?Or that a current can flow with no voltage?Where does the energy originate?Question#1:26I=0R=Question#2:+_V=VOC27RS,RSH ISCVOCThe slopes of these lines are characteristic resistances.RSHRS28ISCRSRSHRLOADEquivalent circuit
11、 for a solar cell with load.Internal resistances RS and RSH represent power loss mechanisms inside the cell.CellCell29ISCRS=0 RSH=RLOADThe ideal solar cell would have no internal losses at all!What would the VI characteristic of THIS cell look like?30ISCVOCRSH=RS=0The Ideal Solar Cell31Notice that t
12、he area under the rectangle=PMAX for the ideal cell.For this cell,PMAX=VOC ISCISCVOCThe Ideal Solar Cell32n对于I-V曲线上的每一点，都可取该点上电流与电压的乘积，以反映此工作情形下的输出电功率。n填充因子（FF，Fill Factor）是衡量电池P-N结的质量以及串联电阻的参数。填充因子定义为：所以：33ISC,PMAX,VOC(0.5V,0 mA)V I=0 mW(0.43 V,142 mA)V I=61 mWISCVOCPMAX(0V,150 mA)V I=0 mWSome typi
13、cal values34ISCVOCFill FactorIn fact,PMAX/(ISC VOC)measures the cells quality as a power source.The quantity is called the“Fill Factor.”Can you see why?35补充：最大转换效率为带隙补充：最大转换效率为带隙Eg的函数的函数定性结论：定性结论：短路电流随短路电流随Eg的增大而减小；的增大而减小；开路电压随开路电压随Eg的增大而增大；的增大而增大；在在Eg为为1.4eV时出现太阳电池的最大转换效率时出现太阳电池的最大转换效率361.3 光谱响应光谱响
14、应 n当单个电子的能量比半导体材料的禁带宽度大时，太阳电池就会吸收这个光子并产生一个电子空穴对，在这种情况下，太阳能电池对入射光的光子产生响应。光子能量超出禁带宽度的部分以热量形式散失。电子空穴对的产生与超过带隙部分能量的散失电子空穴对的产生与超过带隙部分能量的散失 37量子效率（量子效率（QE）n太阳电池的量子效率（QE，Quantum Efficiency）可以定义为：假设照射到太阳能电池上的光子流为nph，这些光子在电池内部产生电子空穴对 ，则最终这些载流子对太阳能电池输出电流产生贡献的概率称为量子效率。n通常情况下，量子效率指外部量子效率（EQE，External Quantum Ef
15、fiency），外部量子效率可以通过一些易于直接测量的数据来计算。38n太阳电池能够响应的最大波长被半导体材料的禁带宽度所限制。当禁带宽度在1.01.6eV时，入射阳光的能量才有可能被最大限度地利用。n单独考虑这个因素，就将太阳电池的最大可能转换效率限制在44%以下。39光谱响应度光谱响应度n另一个值得注意的物理量是太阳能电池的光谱响应度，用每瓦特功率入射光所产生的电流强度来表示。n理想情况下，光谱响应度随着波长的增加而增加。40光谱响应度光谱响应度n然而，在短波长辐射下，电池无法利用光子的全部能量，长波然而，在短波长辐射下，电池无法利用光子的全部能量，长波长辐射下，电池对光线的吸收作用较弱，
16、导致大部分光子在远长辐射下，电池对光线的吸收作用较弱，导致大部分光子在远离离P-N结的区域被吸收。结的区域被吸收。n半导体材料的有限扩散长度也限制了电池对光的响应。半导体材料的有限扩散长度也限制了电池对光的响应。典型的实际太阳电池的外部量子效率和光谱响应典型的实际太阳电池的外部量子效率和光谱响应41恒定的电池温度下，不同的辐照度对光生电流密度恒定的电池温度下，不同的辐照度对光生电流密度和电压输出特性曲线的影响和电压输出特性曲线的影响421.4 温度的影响温度的影响 n温度的影响包括：短路电流随温度上升而增加，因为带隙能量下降了，更多的光子具有足够的能量来产生电子空穴对，但是，这是一个比较微弱的
17、影响。n对硅电池来说，温度的上升主要致使开路电压和填充因子下降，因而导致了输出电功率下降。n对硅电池而言，温度对最大输出功率的影响如下 43温度对太阳电池温度对太阳电池I-V特性的影响特性的影响 441.5 寄生电阻的影响寄生电阻的影响 n太阳能电池通常伴有寄生的串联和分流电阻，此寄生电阻都会导致FF降低。45n串联电阻主要来源于半导体材料的体电阻、金属接触电阻、载流子在顶部扩散层的输运等。串联电阻对太阳电池填充因子的影响串联电阻对太阳电池填充因子的影响 46n分流电阻是由于P-N结的非理想性和结附近的杂质造成的，它引起结的局部短路，尤其在电池的边缘部分。分流电阻对太阳电池填充因子的影响分流电
18、阻对太阳电池填充因子的影响 472 太阳电池效率和结构设计太阳电池效率和结构设计 2.1 太阳电池效率太阳电池效率2.2 光学损失光学损失2.3 复合损失复合损失2.4 电极设计电极设计482.1 太阳电池效率太阳电池效率n在实验室条件下，采用最先进的技术，单晶硅太阳电池的转换效率可能超过24%，然而，工业上大批量生产电池的效率普遍只有1314%。n原因？最重要的是实验室在生产电池时可以把效率当成是最主要的目标，而不考虑费用、工艺的复杂程度或生产效率。n从生产角度来看，提高转换效率，对于固定的功率输出需要的组件较少，则相对而言降低了成本。所以，同时提高转换效率和降低硅晶片的成本是全面降低光伏成
19、本的关键。49影响太阳电池效率的因素影响太阳电池效率的因素n影响太阳电池效率的主要因素是半导体材料的选择，由于每种材料能带间隙的大小与其所吸收的光谱各有不同，所以每种材料有其一定的能量转换效率。每种材料只能吸收一定范围内的光谱能量。n另外，转换效率还受材料的品质影响而无法达到理论值，如材料的纯度较低，或材料本身的结构缺陷等。50 除了材料本身的影响之外，某些损失是由于太阳电池的结构设计引起的，这包括：n反射损失（reflection loss）n表面再结合损失（surface recombination loss）n内部再结合损失（bulk recombination loss）n串联电阻损失
20、（series resistance loss）n电压因子损失（voltage factor loss）影响太阳电池效率的因素影响太阳电池效率的因素512.2 光学损失光学损失 太阳电池光学损失原理太阳电池光学损失原理1-正面电极的遮光；正面电极的遮光；2-表面反射；表面反射；3-背电极的反射背电极的反射 52减少光学损失方法减少光学损失方法（1）将正面电极的面积减少到最小将正面电极的面积减少到最小 但会导致串联电阻增加（2）在电池表面使用减反膜在电池表面使用减反膜 特别是使用四分之一厚度的透明减反膜，这层膜将通过干涉作用，理论上将从膜的上表面反射的光和从半导体界面处反射回来的光相互抵消，其两
21、者的相位差为180。53四分之一波长的减反膜四分之一波长的减反膜使用四分之一波长的减反膜抵消表面反射示意图使用四分之一波长的减反膜抵消表面反射示意图 54使用四分之一波长的减反膜抵消表面反射示意图使用四分之一波长的减反膜抵消表面反射示意图 55n为了将反射进一步最小化，可以将减反膜的折射率设计为膜两边材料（玻璃和半导体，或空气和半导体）的几何平均值：使用四分之一波长减反膜的太阳电池在不同波长照射下的表面反射率使用四分之一波长减反膜的太阳电池在不同波长照射下的表面反射率（半导体硅的折射率（半导体硅的折射率n2=3.8，空气的折射率，空气的折射率n0=1.0，玻璃的折射率，玻璃的折射率n0=1.5
22、）56Comparison of surface reflection from a silicon solar cell,with and without a typical anti-reflection coating.57（3）通过表面制绒也可以减少反射n将太阳电池的表面制成凸凹不平的表面，可使得光线受到表面多重反射的作用，而更有效率的进入半导体材料中。n常用做法有V字型沟槽、金字塔型（pyramid texture）及逆金字塔型表面（inverted pyramid texture）。n绒化或粗糙化的表面的另一个好处是光可以按照斯涅尔定律倾斜地耦合进硅晶体中：58Reflection
23、 and transmission of light for a textured silicon solar cell 59金字塔型（金字塔型（pyramid texture）型表面）型表面60逆金字塔型表面（逆金字塔型表面（inverted pyramid texture）61Scanning electron microscope photograph of a textured silicon surface 62Scanning electron microscope photograph of a textured multicrystalline silicon surface
24、63V字型沟槽字型沟槽64（4）电池背表面的高反射电池背表面的高反射 减少电池背电极的吸收，使得到达背表面的光线被弹回，再度进入电池而有可能被吸收。如果背面反射体能够完全随机式地打乱反射光的方向，光线可能会因为电池内部的全反射而被捕获在电池内。通过这种陷光方式，最多可以将入射光的路径扩大至约50倍，因而光线被吸收的可能性将显著增加。65Light trapping using a randomised reflector on the rear of the cell 66（5）将太阳电池制成串叠型电池将太阳电池制成串叠型电池（tandem cell）把两个或两个以上的元件堆叠起来，能够吸收较
25、高能量光谱的电池放在上层，吸收较低光谱能量的电池放在下层，通过不同材料的电池将光子的能量层层吸收。672.3复合损失复合损失 n太阳电池的效率也会因为电子空穴对在被有效利用之前复合而降低，一些发生复合的可能途径如图所示：光伏电池中电子空穴对可能复合的途径 68复合能够以以下几种机理发生：n辐射复合吸收的反过程。电子从高能态返回到较低能态，同时释放出光能。此种机理在半导体激光器和发光二极管中适用，但对硅太阳电池并不显著。n俄歇复合“碰撞电离”的反过程，在掺杂较重的材料中显著。n通过陷阱复合当半导体中的杂质或表面的界面陷阱在禁带间隙中产生允许的能级时，这个复合就能发生。69典型的实际太阳电池的外部
26、量子效率和光谱响应，阐释了光学和典型的实际太阳电池的外部量子效率和光谱响应，阐释了光学和复合损失的影响复合损失的影响 702.4 顶电极设计顶电极设计 n主栅线（busbar）和外部导线直接相连，而副栅线（finger）是更细小的金属化区域，用来收集电流传输给主栅线。n顶电极的设计目标是优化电流收集来减少由于内部电阻和电池遮蔽而产生的损失。71太阳电池中电子从产生点到外部电极的流动示意图太阳电池中电子从产生点到外部电极的流动示意图 72Use of a four point probe to measure the sheet resistivity of a solar cell 73将电极
27、做成手指状，可以减少光线的反射将电极做成手指状，可以减少光线的反射 74Resistive components and current flows in a solar cell.75Top contact design in a solar cell.The busbars connect the fingers together and pass the generated current to the external electrical contacts.76Schematic of a top contact design showing busbars and fingers
28、优化遮光损失与收集损失优化遮光损失与收集损失 77Key features of a top surface contacting scheme 优化电极的宽高比优化电极的宽高比 78Points of contact resistance losses at interface between grid lines and semiconductor 降低电极的接触电阻降低电极的接触电阻 79在做法上着重金属电极构造的最优化，例如将金属电极埋入基板在做法上着重金属电极构造的最优化，例如将金属电极埋入基板中，以增加接触面积，减少串联电阻。中，以增加接触面积，减少串联电阻。激光刻槽激光刻槽-埋栅太阳能电池埋栅太阳能电池 80Basic schematic of a silicon solar cell.The top layer is referred to as the emitter and the bulk material is referred to as the base 81增加入射光的面积增加入射光的面积 n使用点接触式太阳电池（point contact cell），将正负电极全部放在背面，这样可增加太阳电池正面的入射光面积。将正负电极全部放在背面的点接触太阳电池将正负电极全部放在背面的点接触太阳电池 82