chap4-太阳能电池

.,4半导体光敏器件-太阳能电池,4.1内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的效应叫做内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：1)光伏效应2)光电导效应,.,1、光伏效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。分为势垒效应和侧向光电效应。(1)势垒效应(结光电效应)光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在耗尽区内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。(2)侧向光电效应当半导体光电器件受不均匀光照时，光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对，由此引起光照部分和未受光照部分间出现了载流子浓度梯度，因而载流子要扩散。已知电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射的部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电势。,.,在光线作用下，电子吸收光子能量从束缚状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。,当光照射到半导体光电导材料上时，若光辐射能量足够强，材料价带上的电子将被激发到导带,从而使材料中的自由载流子增加，致使材料的电导变大。,2、光电导效应,.,为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度，即,光电导产生的条件,对于半导体材料，也存在一个长波长限制，只有比此波长短的入射光，才能使材料的电导率增加，产生光电导效应。,.,4.2半导体太阳能电池,4.2.1引言传统石化能源能源枯竭石油：42年，天然气：67年，煤：200年。环境污染每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。可再生能源：风能；水能；地热；潮汐；太阳能等,具有明显的区域性,.,太阳能的利用,洁净能源：与石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”，也不会造成环境污染,使用方便：同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。,资源丰富：40分钟照射地球辐射的能量全球人类一年的能量需求,.,4.2.2太阳能电池(solarcell),太阳能电池是将太阳光的能量转换为电能的光电器件。其工作原理主要依据光生伏特效应，因此也称为光伏电池。,.,P-N结光电效应当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。,.,实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命p的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命n的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。,.,.,光伏效应的基本条件1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量大于或等于材料禁带宽度，使入射光能量能被材料吸收而产生非平衡电子空穴对。2、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。,.,半导体中的光吸收,单色光入射半导体后，其光子流密度随透入深度x的变化规律：,式中的()是材料的光吸收系数，其物理意义为：波长为的单色光在半导体内透入1/深度时，光子流密度已经衰减到原值的1/e。,.,几种光伏结构能带图,太阳能电池结构上的一个特点：具有与进光平面平行的大面积势垒区。,.,太阳辐射光谱,太阳辐射经过日地平均距离（1.5108km），传播到大气层外，垂直于太阳辐射方向单位面积上的辐射功率基本为常数:1.35kW/m2，称为太阳常数。又称AM0光谱。AM0光谱经过大气层的,吸收散射，到达地面会有30的衰减。光通过大气层路程的长度是决定太阳辐射功率的重要参数。当太阳位于天顶时，该长度最短。任一实际光通路长度与最短长度比，称为大气质量AM。当太阳位于天顶时，称为称为大气质量为1的辐射，记为AM1。当太阳偏离天顶角，则大气质量：1/cos,.,太阳能电池的效率,太阳电池光电转换效率：,I,V,Voc,Isc,Vmp,Imp,式中：Vmp、Imp是最大输出功率点对应的电流和电压，Voc、Isc是开路电压和短路电流，Pin是入射总光功率。FF是填充因子，Uoc是归一化电压：UocqVoc/kT。,.,理想情况下的效率,舍弃太阳光中波长大于长波限的光谱，在理想情况下，能量大于禁带宽度的光子全部被材料吸收形成光电流，显然，最大短路电流Isc仅与材料的带隙有关。,理想情况下Voc为：,式中Iph为光生电流，I0为二极管饱和电流：,.,影响效率的因素,1、光学损失,光反射：,栅指电极遮光损失c：栅指电极面积占太阳电池总面积的百分比：一般415,透射损失：决定材料的最小厚度，间接带隙材料比直接带隙材料厚。,2、光生少子的收集几率fc,光激发少子中对太阳电池的短路电流有贡献的百分比数为收集率。收集率随激发点离耗尽区边缘距离的增大呈指数降低。耗尽区及其两边少子扩散长度范围内最有可能激发载流子，并对光电流有贡献。,.,3、太阳电池光谱响应,太阳电池的光谱响应是指短路电流与入射光波长的函数关系。实际上是指某一波长下，每一个射进电池的光子，对应所能收集到的平均载流子数目。,.,4、影响开路电压的因素,决定开路电压大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，开路电压越低。体复合和表面复合同样影响开路电压。主要复合机理：1、复合中心复合2、俄歇复合3、直接辐射复合,5、串连电阻与旁路电阻引起效率下降,由于材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻等构成的总串连电阻Rs的增加，或是旁路电阻Rsh的降低，会使器件的IV特性偏离理想曲线，FF减小，引起效率下降。,.,6、温度效应,太阳能电池用半导体的禁带宽度的温度系数为负，随温度上升带隙变窄，会使短路电流略有上升，但同时会使I0增加，Voc下降。综合所有参数，转换效率随温度上升而下降。,.,7、辐照效应作为卫星和飞船的电源，太阳电池必然暴露在外层空间的高能粒子的辐照下。高能粒子辐照时通过与晶格原子的碰撞，将能量传给晶格，当传递的能量大于某一阈值时，便使晶格原子发生位移，产生晶格缺陷。这些缺陷将起复合中心的作用，从而降低少子寿命。大量研究工作表明，寿命参数对辐照缺陷最为灵敏，也正因为辐照影响了寿命值，从而使太阳电池性能下降。,.,4.2.3高效太阳电池的发展,浅结电池（紫电池）,常规电池采用普通扩散法制作PN结，其结深在0.5um。由于表层的重掺杂效应和严重的晶格缺陷和畸变，使该层少子寿命极低。采用浅结工艺，使结深在0.1-0.25um，提高光生空穴的收集率，同时配合Ta2O3增透膜，效果更好。,表面工艺技术,将电极作成手指状，以增加入射光的面积(图一)。,图一,.,将表面制成金字塔型的组织结构，以减少光的反射量。将金属电极埋入基板中，以减少串联电阻。(图二),图二,.,减少背电极与硅的接触面积，以减少因金属与硅的接合处引入的缺陷，(图三)点接触式太阳电池(图四)，此电池的特点为电极均做在同一面，如此可增加入射光的面积，且易于焊线。,图三,图四,.,1、硅太阳能电池；单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。是光伏市场上的主导产品。国际公认最高效率在AM1.5条件下为24，空间用高质量的效率在AMO条件约为13.518，地面用大量生产的在AM1条件下多在1118之间。,4.2.4太阳能电池材料,.,aSi（非晶硅）采用高频辉光放电法使硅烷分解沉积。由于沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1m厚的薄膜，易于大面积化，成本低，多采用pin结构。全球市场用量每月在1千万片左右，居薄膜电池首位。小面积转换效率提高到14.6，大面积大量生产的为810，叠层结构的最高效率为21。,.,PSi（多晶硅）光电池没有光致衰退，材料质量下降时也不会影响光电池，是国际上的前沿性研究热点。在单晶硅衬底上用液相外延制备的pSi光电池转换效率为15.3，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到23.7%，微晶硅薄膜生长与asi工艺相容，光电性能和稳定性很高，研究受到很大重视，理论计算表明其效率可在28以上。,.,2、无机盐多元化合物薄膜太阳电池多元化合物薄膜太阳能电池主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉及铜铟硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜电池效率高，成本较单晶硅电池低，且易于大规模生产，但镉有剧毒，对环境有严重污染，因此并不是晶体硅最理想的替代品。,.,砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。GaAs能隙为1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值。1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24.2。另外，该研究所还采用堆叠结构制备GaAs，GaSb电池，电池效率达到31.1。铜铟硒CuInSe2简称CIS。CIS材料的能隙为1.leV，且不存在光致衰退问题。1995年美国可再生能源研究室研制出转换效率为17.l的CIS太阳能电池。CIS电池具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。但由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。,.,3、纳米晶太阳能电池,纳米晶化学太阳能电池（简称NPC电池）是由一种在窄带半导体材料修饰、组装到另一种宽带隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru等的有机化合物敏化染料，宽带隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极，此外NPC电池还选用适当的氧化还原电解质。纳米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。,纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10寿命能达到2O年以上。,.,4、功能高分子材料制备的太阳能电池,在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是一个新的太阳能电池研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机PN结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰，外层聚合物的还原电位较高，电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修