太阳能光伏发电-复习

1、太阳能光伏发电技术及其应用太阳能光伏发电技术及其应用 复习复习 2 太阳能光伏发电工作原理、运行方式太阳能光伏发电工作原理、运行方式 及系统组成及系统组成 3 1.1.太阳能光伏发电的运行方式太阳能光伏发电的运行方式 4 一、太阳能光伏发电的运行方式一、太阳能光伏发电的运行方式 1 1）按供电类型分：）按供电类型分： n直流供电系统直流供电系统 n交直流供电系统交直流供电系统 2 2）按供电特点分：）按供电特点分： n独立光伏发电系统独立光伏发电系统 n并网光伏发电系统并网光伏发电系统 5 直流供电系统直流供电系统 6 交直流供电系统交直流供电系统 7 独立光伏发电系统独立光伏发电系统 n独立

2、光伏发电系统：独立光伏发电系统：是未与公共网相联接的太阳能光伏发是未与公共网相联接的太阳能光伏发 电系统，仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要电系统，仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要 依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，在必要时可以由油依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，在必要时可以由油 机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。 n 从电力系统来说，从电力系统来说，kW级以上的独立光伏发电系统也称为级以上的独立光伏发电系统也称为离离 网型光伏发电系统网型光伏发电系统。 一、太阳能光伏发电的运行方式一、太阳能光伏发电的运行方式 8

3、并网光伏发电系统并网光伏发电系统 n并网光伏发电系统：并网光伏发电系统：与公共电网相联接的太阳能光伏发电与公共电网相联接的太阳能光伏发电 系统。系统。 n 它是太阳能光伏发电进入大规模商业发电阶段，成为电力它是太阳能光伏发电进入大规模商业发电阶段，成为电力 工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发 电技术发展的主流趋势。电技术发展的主流趋势。 一、太阳能光伏发电的运行方式一、太阳能光伏发电的运行方式 9 2.2.太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统的组成 10 (a) (a) 直流光伏系统直流光伏系统 控制器控制器 太阳能太阳能

4、 电池电池 方阵方阵 蓄电池蓄电池 组组 直流直流 负载负载 防反充二极管防反充二极管 二、太阳能光伏发电系统的组成二、太阳能光伏发电系统的组成 11 (b) (b) 交流光伏系统交流光伏系统 控制器控制器 太阳能太阳能 电池电池 方阵方阵 蓄电池蓄电池 组组 交流交流 负载负载 防反充二极管防反充二极管 DC-AC 逆变器逆变器 二、太阳能光伏发电系统的组成二、太阳能光伏发电系统的组成 12 (c) (c) 交直流光伏系统交直流光伏系统 太阳能太阳能 电池电池 方阵方阵 蓄电池蓄电池 组组 交流交流 负载负载 防反充二极管防反充二极管 DC-AC 逆变器逆变器 直流直流 负载负载 k1 k2

5、 控制器控制器 二、太阳能光伏发电系统的组成二、太阳能光伏发电系统的组成 13 控制器控制器 太阳能太阳能 电池方阵电池方阵 蓄电池组蓄电池组 交流负载交流负载 逆变器逆变器 气象条件气象条件 过充电过充电 放电器放电器 后备能源后备能源 (d) (d) 有后备能源和放电器的光伏系统有后备能源和放电器的光伏系统 二、太阳能光伏发电系统的组成二、太阳能光伏发电系统的组成 14 住宅用并网光伏系统住宅用并网光伏系统 2 2、并网太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统 根据联网光伏系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电，分为根据联网光伏系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电，分为可可 逆流逆

6、流与与不可逆流不可逆流并网光伏发电系统。并网光伏发电系统。 可逆流系统：可逆流系统：是在光伏系统产生剩余电力时将该电能送入电网，由于是在光伏系统产生剩余电力时将该电能送入电网，由于 是同电网的供电方向相反，所以成为逆流；当光伏系统电力不够时，是同电网的供电方向相反，所以成为逆流；当光伏系统电力不够时， 则由电网供电。这种系统，一般是为光伏系统的发电能力大于负载或则由电网供电。这种系统，一般是为光伏系统的发电能力大于负载或 发电时间同负载用电时间不相匹配而设计的。发电时间同负载用电时间不相匹配而设计的。 二、太阳能光伏发电系统的组成二、太阳能光伏发电系统的组成 15 太阳能电池方阵太阳能电池方阵

7、 并网逆变器并网逆变器 负载负载 电网电网 可逆流系统可逆流系统 二、太阳能光伏发电系统的组成二、太阳能光伏发电系统的组成 16 不可逆流系统：不可逆流系统：是指光伏系统的发电量始终小于或等于负荷的用电量是指光伏系统的发电量始终小于或等于负荷的用电量 ，电量不够时由电网提供，即光伏系统与电网形成并联向负载供电。，电量不够时由电网提供，即光伏系统与电网形成并联向负载供电。 这种系统，即使当光伏系统由于某种特殊原因产生剩余电能时，也只这种系统，即使当光伏系统由于某种特殊原因产生剩余电能时，也只 能通过某种手段加以处理或放弃，由于不会出现光伏系统向电网输电能通过某种手段加以处理或放弃，由于不会出现光

8、伏系统向电网输电 的情况，所以称为不可逆流系统。的情况，所以称为不可逆流系统。 住宅用并网光伏系统住宅用并网光伏系统 2 2、并网太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统 二、太阳能光伏发电系统的组成二、太阳能光伏发电系统的组成 17 太阳能电池方阵太阳能电池方阵 并网逆变器并网逆变器 负载负载 电网电网 不可逆流系统不可逆流系统 二、太阳能光伏发电系统的组成二、太阳能光伏发电系统的组成 18 3.3.太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理 19 当有适当波长的光照射到这个当有适当波长的光照射到这个pnpn结太阳能电池上结太阳能电池上 后，由于光伏效应而在势垒区两边产生了电动势。因后，由于

9、光伏效应而在势垒区两边产生了电动势。因 而光伏效应是半导体电池实现光电转换的理论基础，而光伏效应是半导体电池实现光电转换的理论基础， 也是某些光电器件赖以工作的最重要的物理效应。因也是某些光电器件赖以工作的最重要的物理效应。因 此，我们将来仔细分析一下此，我们将来仔细分析一下pnpn结的光伏效应结的光伏效应. . 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 20 太阳能电池的基本工作原理太阳能电池的基本工作原理 内建电场方向内建电场方向 n p 光子入射光子入射 （能量（能量h h） 光子入射光子入射 （能量（能量h h） 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理

10、 21 在在pn结开路的情况下，结开路的情况下，pn结两端建立起稳定的电势差结两端建立起稳定的电势差Voc，（，（p区相对区相对 于于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将区是正的），这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，结与外电路接通， 只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的结起了电源的 作用。这就是光电池的基本原理作用。这就是光电池的基本原理 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 22 由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产 生光生电动势（

11、或光生积累电荷），它们应该满生光生电动势（或光生积累电荷），它们应该满 足以下两个条件：足以下两个条件： 1 1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的 光吸收系数光吸收系数，即要求入射光子的能量，即要求入射光子的能量h h大于大于 或等于半导体材料的带隙或等于半导体材料的带隙EgEg，使该入射光子能被，使该入射光子能被 半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 23 2 2、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区、具有光伏结构，即有一个内建电场所

12、对应的势垒区 。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平 衡载流子，在衡载流子，在p p区内积累了非平衡空穴，而在区内积累了非平衡空穴，而在n n区内积累区内积累 起非平衡电子。产生了一个与平衡起非平衡电子。产生了一个与平衡pnpn结内建电场相反的结内建电场相反的 光生电场，于是在光生电场，于是在p p区和区和n n区间建立了光生电动势（或称区间建立了光生电动势（或称 光生电压）。光生电压）。 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 24 太阳能电池的结构太阳能电池的结构（以（以n n+ +/p/p型太阳能电池为例）型太阳

13、能电池为例） p层为基体层为基体 基区层基区层 厚度厚度0.20.5mm p-n结结 上电极上电极 母线母线 栅线栅线 下电极下电极 减反射膜减反射膜 空间电荷区空间电荷区 n层顶区层层顶区层 （光照面）（光照面） 厚度厚度0.20.5 m 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 25 3 3、太阳能电池工作原理与特性、太阳能电池工作原理与特性 太阳能电池的分类太阳能电池的分类 按照结构分类按照结构分类 同质结太阳能电池：由同种材料所形成同质结太阳能电池：由同种材料所形成p-np-n结结（SISI、GaASGaAS） 异质结太阳能电池：由两种禁带宽度不种材料所形成异质结太阳能

14、电池：由两种禁带宽度不种材料所形成p-np-n结结 ( (氧化锡氧化锡/ /硅、硫化亚铜硅、硫化亚铜/ /硫化镉、砷化稼硫化镉、砷化稼/ /硅硅) ) 肖特基太阳能电池：利用金属半导体界面的肖特基势垒而肖特基太阳能电池：利用金属半导体界面的肖特基势垒而 构成的太阳能电池构成的太阳能电池( (铂铂/ /硅、铝硅、铝/ /硅硅) ) 多结太阳能电池：由多个多结太阳能电池：由多个p-np-n结形成的太阳能电池结形成的太阳能电池 液结太阳能电池：浸入电解质中的半导体构成的太阳能电池液结太阳能电池：浸入电解质中的半导体构成的太阳能电池 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 26 3

15、3、太阳能电池工作原理与特性、太阳能电池工作原理与特性 太阳能电池的分类太阳能电池的分类 按照材料分类按照材料分类 硅太阳能电池：以硅为基体材料硅太阳能电池：以硅为基体材料（单晶硅、多晶硅）（单晶硅、多晶硅） 化合物半导体太阳能电池：由两种或两种以上的元素组成具化合物半导体太阳能电池：由两种或两种以上的元素组成具 半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池( (硫化镉、硫化镉、 砷化稼、碲化镉、硒铟铜、磷化铟砷化稼、碲化镉、硒铟铜、磷化铟) ) 有机半导体太阳能电池：用含有一定数量的碳碳键且导电有机半导体太阳能电池：用含有一定数量的碳碳键且导电 能

16、力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的电池能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的电池( (分子分子 晶体、电荷转移络合物、高聚物晶体、电荷转移络合物、高聚物) ) 薄膜太阳能电池：用单质元素、无机化合物或有机材料制作薄膜太阳能电池：用单质元素、无机化合物或有机材料制作 的薄膜为基体材料的太阳能电池的薄膜为基体材料的太阳能电池（非晶硅、多晶硅、纳米晶）（非晶硅、多晶硅、纳米晶） 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 27 太阳能电池的电流电压特性太阳能电池的电流电压特性 短路电流短路电流Isc 如将如将p-n结短路（结短路（V=0），这时所得的电流为短路电流），这时所得

17、的电流为短路电流Isc，短，短 路电流等于光生电流路电流等于光生电流（与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，（与太阳能电池的面积大小有关，面积越大， Isc 越大） 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 28 太阳能电池的电流电压特性太阳能电池的电流电压特性 开路电压开路电压Voc 在在p-n结开路情况下（结开路情况下（RL=），此时），此时pn结两端的电压即为开结两端的电压即为开 路电压路电压Voc（与光谱辐照强度有关，与电池的面积大小无关，随温度升（与光谱辐照强度有关，与电池的面积大小无关，随温度升 高，开路电压下降）高，开路电压下降） 三、太阳能光伏发电的工作原理三、

18、太阳能光伏发电的工作原理 29 太阳能电池的伏安特性曲线太阳能电池的伏安特性曲线 负载负载R R可以从零到无穷大。当负载可以从零到无穷大。当负载RmRm使太阳电池的功使太阳电池的功 率输出为最大时，它对应的最大功率率输出为最大时，它对应的最大功率PmPm为为 式中式中 Im 和和 Vm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压。分别为最佳工作电流和最佳工作电压。 mmm VIP 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 填充因子填充因子FF 在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所 对应的矩形面积，其中只有一点是输出最

19、大功率，称为最佳工对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工 作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vm和最佳工作和最佳工作 电流电流Im。 它表示了最大输出功率点所对它表示了最大输出功率点所对 应的矩形面积在应的矩形面积在Voc和和Isc所组所组 成的矩形面积中所占的百分比成的矩形面积中所占的百分比 。特性好的太阳能电池就是能。特性好的太阳能电池就是能 获得较大功率输出的太阳能电获得较大功率输出的太阳能电 池，也就是池，也就是Voc，Isc和和FF乘积乘积 较大的电池。对于有合适效率较大的电池。对于有合适效率 的电池，该值应在的电池，

20、该值应在0.70-0.85范范 围之内围之内。 scoc mm scoc m IV IV IV P FF 31 太阳能电池的光电转换效率太阳能电池的光电转换效率 表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。 即：即： 其中其中Pin是入射光的能量密度是入射光的能量密度 Vm最佳工作电压最佳工作电压 Im最佳工作电流最佳工作电流 in scoc P FFIV 入射的太阳光）率（太阳能电池的输出功100/ %100 in mm P IV Voc开路电压开路电压 ISC短路电流短路电流 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 32 影

21、响太阳能电池转换效率的一些因素影响太阳能电池转换效率的一些因素 我们前面介绍了太阳能电池转换效率的理论值，我们前面介绍了太阳能电池转换效率的理论值， 这些理论值都是在理想情况下得到的。而太阳能这些理论值都是在理想情况下得到的。而太阳能 电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加 的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低 。下面以。下面以pnpn结硅电池为例，介绍一些影响太阳能结硅电池为例，介绍一些影响太阳能 电池转换效率的因素。电池转换效率的因素。 三、太阳能光伏发电的工作原理三、太阳能光伏发电的工作原理 3

22、3 34 35 36 1.1.晶体硅太阳电池的基本工艺晶体硅太阳电池的基本工艺 37 晶体硅太阳能电池的结构晶体硅太阳能电池的结构（以（以n n+ +/p/p型太阳能电池为例）型太阳能电池为例） 绒面结构绒面结构 减反射层减反射层 金属栅金属栅 n型型Si p型型Si 背面接触背面接触 n晶体硅太阳能电池的主要工艺步骤包括：晶体硅太阳能电池的主要工艺步骤包括：绒面制备、绒面制备、p-n结结 制备、铝背场制备、正面和背面金属接触以及减反射层沉制备、铝背场制备、正面和背面金属接触以及减反射层沉 积。积。 38 一、晶体硅太阳电池的基本工艺一、晶体硅太阳电池的基本工艺 1 1、绒面结构、绒面结构 对

23、于（对于（100）的）的p型直拉硅片，最常用的择优化学腐蚀剂是型直拉硅片，最常用的择优化学腐蚀剂是NaOH或或 KOH，在，在8090C左右温度下，进行化学反应。左右温度下，进行化学反应。 2322 2HSiONaOHNaOHSi 在硅晶体中，（在硅晶体中，（111）面是原子最密排面，腐蚀速度最慢，所以腐蚀后）面是原子最密排面，腐蚀速度最慢，所以腐蚀后4个与个与 晶体硅（晶体硅（100）相交的（）相交的（111）面构成了金字塔形结构。）面构成了金字塔形结构。 39 单晶硅片表面绒面结构的扫描电镜照片单晶硅片表面绒面结构的扫描电镜照片 40 波长（波长（nm） 35 30 25 20 15 10

24、 200300400500600700800 具有绒面结构的硅片表面的反射率随波长的变化情况具有绒面结构的硅片表面的反射率随波长的变化情况 反射率反射率 41 一、晶体硅太阳电池的基本工艺一、晶体硅太阳电池的基本工艺 1 1、绒面结构、绒面结构 对于由不同晶粒构成的铸造对于由不同晶粒构成的铸造多晶硅多晶硅硅片，由于硅片表面具有不同的晶硅片，由于硅片表面具有不同的晶 向，择优化学腐蚀剂的碱液不在适用非择优腐蚀的酸性腐蚀剂：向，择优化学腐蚀剂的碱液不在适用非择优腐蚀的酸性腐蚀剂：目目 前研究最多的是前研究最多的是HNO3和和HF的混合液。的混合液。 NOOHSiOHNOSi42343 223 OH

25、SiFHHFSiO 2622 2)(6 42 铸造多晶硅表面绒面结构扫描电镜照片铸造多晶硅表面绒面结构扫描电镜照片 43 金属电极金属电极 一、晶体硅太阳电池的基本工艺一、晶体硅太阳电池的基本工艺 为了将晶体硅太阳电池产生的电流引导到外加负载，需要在为了将晶体硅太阳电池产生的电流引导到外加负载，需要在 硅片硅片p-np-n结的两面建立金属连接，形成金属电极。结的两面建立金属连接，形成金属电极。 硅太阳能电池的金属电极所占表面的面积需要越小越好。硅太阳能电池的金属电极所占表面的面积需要越小越好。 目前，金属接触主要是利用丝网印刷技术，在晶体硅太阳电目前，金属接触主要是利用丝网印刷技术，在晶体硅太

26、阳电 池的两面制备成梳齿状的金属电极。池的两面制备成梳齿状的金属电极。 44 丝网印刷丝网印刷 就是利用丝网印刷的方法，把金属导体浆料按照所设计的图形，印就是利用丝网印刷的方法，把金属导体浆料按照所设计的图形，印 刷在已扩散好杂质的硅片正面、背面。然后，在适当的气氛下，通过刷在已扩散好杂质的硅片正面、背面。然后，在适当的气氛下，通过 高温烧结，使浆料中的有机溶剂挥发，金属颗粒与硅片表面形成牢固高温烧结，使浆料中的有机溶剂挥发，金属颗粒与硅片表面形成牢固 的硅合金，与硅片形成良好的欧姆接触，从而形成太阳电池的上、下的硅合金，与硅片形成良好的欧姆接触，从而形成太阳电池的上、下 电极。电极。 一、晶

27、体硅太阳电池的基本工艺一、晶体硅太阳电池的基本工艺 45 二、单晶硅太阳电池二、单晶硅太阳电池 3 3、高纯多晶硅的制备、高纯多晶硅的制备 高 纯 多 晶 硅 的 纯 度 很 高 ， 一 般 要 求 纯 度 达 到高 纯 多 晶 硅 的 纯 度 很 高 ， 一 般 要 求 纯 度 达 到 99.999999%99.9999999%，杂质含量要降到，杂质含量要降到10-9的水平。的水平。 COSiCCSiO23 2 COSiSiOSiC232 2 95959999金属硅金属硅 46 二、单晶硅太阳电池二、单晶硅太阳电池 3 3、高纯多晶硅的制备、高纯多晶硅的制备 三氯氢硅氢还原法三氯氢硅氢还原法

28、 是德国西门子公司于是德国西门子公司于1954年发明的，又称年发明的，又称西门子法，西门子法，是广泛采用的是广泛采用的 高纯多晶硅制备技术，国际主要大公司都是采用该技术，包括瓦克高纯多晶硅制备技术，国际主要大公司都是采用该技术，包括瓦克 （Wacker）、海姆洛克（）、海姆洛克（Hemlock）和德山（）和德山（Tokoyama） 23 H + SiHCl 3HCl +Si 经过经过粗馏粗馏和和精馏精馏两道工艺，三氯氢硅中间化合物的杂质含量可以降到两道工艺，三氯氢硅中间化合物的杂质含量可以降到 10-710-10 数量级数量级 47 二、单晶硅太阳电池二、单晶硅太阳电池 硅烷热分解法硅烷热分解

29、法 制备硅烷有多种方法，一般利用硅化镁和液氨溶剂中的氯化铵在制备硅烷有多种方法，一般利用硅化镁和液氨溶剂中的氯化铵在0 以下反应，这是由以下反应，这是由（ Komatsu）发明的，具体反）发明的，具体反 应式是应式是： 43242 SiH + 4NH +2MgCl Cl4NH +SiMg 另一种重要的硅烷制备技术是美国联合碳化物公司（另一种重要的硅烷制备技术是美国联合碳化物公司（Union Carbide） 提出的，其主要反应式为：提出的，其主要反应式为： 324 4SiHCl 2H +Si +3SiCl 4223 SiCl +ClSiH 2SiHCl 3422 2SiHCl + SiH Cl

30、3SiH 48 二、单晶硅太阳电池二、单晶硅太阳电池 四氯化硅氢还原法四氯化硅氢还原法 四氯化硅氢还原法是早期最常用的技术，但是材料利用率低，能耗大，四氯化硅氢还原法是早期最常用的技术，但是材料利用率低，能耗大， 现在已很少用。该方法利用金属硅和氯气发生反应，生成中间化合物现在已很少用。该方法利用金属硅和氯气发生反应，生成中间化合物 四氯化硅，其反应式为：四氯化硅，其反应式为： 42 SiCl 2Cl Si 同样采用精馏技术，对四氯化硅提纯，然后再利用高纯氢气在同样采用精馏技术，对四氯化硅提纯，然后再利用高纯氢气在1100 1200还原，生成多晶硅，反应式为还原，生成多晶硅，反应式为： 4HC

31、l+Si 2H SiCl 24 49 3.3. 多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池 50 单晶硅太阳能电池的缺点是单晶硅太阳能电池的缺点是制造过程复杂，制造电池的制造过程复杂，制造电池的 能耗大能耗大。为解决这些问题，用。为解决这些问题，用浇铸法或晶带法制造的多浇铸法或晶带法制造的多 晶硅太阳能电池晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在的开发取得了进展。在19761976年证明用多年证明用多 晶硅材料制作的太阳能电池的晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过转换效率已超过10%10%，对大，对大 晶粒的电池，有报道效率可达晶粒的电池，有报道效率可达20%20%。这种低成本的多晶硅。这种低成本的多晶硅 太

32、阳能电池已经大量生产，目前，它在太阳能电池工业太阳能电池已经大量生产，目前，它在太阳能电池工业 中所占的分额也相当大。中所占的分额也相当大。 多晶硅太阳能电池：多晶硅太阳能电池： 51 但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多 晶界存在，电池效率比单晶硅低；晶界存在，电池效率比单晶硅低； 晶向不一致，表面织构化困难。晶向不一致，表面织构化困难。 52 多晶硅与单晶硅材料的差别主要是多晶硅内存在许多晶粒间多晶硅与单晶硅材料的差别主要是多晶硅内存在许多晶粒间 界。这给多晶硅太阳能电池带来以下三方面影响：界。这给多晶硅太阳能电池带来以下三方面影响： 1 1、晶粒间界处

33、存在势垒，阻断载流子的通过。、晶粒间界处存在势垒，阻断载流子的通过。 2 2、晶粒间界作为一种晶体缺陷，起着有效复合中心作用。、晶粒间界作为一种晶体缺陷，起着有效复合中心作用。 3 3、在形成、在形成pnpn结的工艺过程中，掺杂的原子会沿着晶粒间界结的工艺过程中，掺杂的原子会沿着晶粒间界 向下择优扩散，形成导电分流路径，增大漏电流。向下择优扩散，形成导电分流路径，增大漏电流。 多晶硅太阳能电池：多晶硅太阳能电池： 53 尽管多晶硅材料由于存在晶粒间界而不利于太阳能电池转尽管多晶硅材料由于存在晶粒间界而不利于太阳能电池转 换效率的提高。但因为制备多晶硅材料比制备单晶硅材料换效率的提高。但因为制备

34、多晶硅材料比制备单晶硅材料 要便宜得多，所以研究人员正致力于减少颗粒间界的影响要便宜得多，所以研究人员正致力于减少颗粒间界的影响 以期得到低成本多晶硅太阳能电池。以期得到低成本多晶硅太阳能电池。 为了尽可能减小晶粒间界的影响，使多晶硅太阳能电池具为了尽可能减小晶粒间界的影响，使多晶硅太阳能电池具 有合适的光电转换性能，对多晶硅片有如下要求：有合适的光电转换性能，对多晶硅片有如下要求： 1 1、材料中绝大多数晶粒必须是柱状结构，以便光生载流子、材料中绝大多数晶粒必须是柱状结构，以便光生载流子 朝上、下方向输运与积累。朝上、下方向输运与积累。 2 2、晶粒横向尺寸越大越好，至少应大于少子扩散长度。

35、一、晶粒横向尺寸越大越好，至少应大于少子扩散长度。一 般希望该尺寸大于几个毫米。般希望该尺寸大于几个毫米。 多晶硅太阳能电池：多晶硅太阳能电池： 54 3 3、铸造多晶硅、铸造多晶硅 三、多晶硅太阳电池三、多晶硅太阳电池 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 要解决的主要问题包括：要解决的主要问题包括： 尽量均匀的固液界面温度；尽量均匀的固液界面温度； 尽量小的热应力；尽量小的热应力； 尽量大的晶粒；尽量大的晶粒； 尽可能少的来自坩埚的污染。尽可能少的来自坩埚的污染。 55 3 3、铸造多晶硅、铸造多晶硅 三、多晶硅太阳电池三、多晶硅太阳电池 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 (2)(2)

36、温度梯度温度梯度 隔热隔热 冷却速度冷却速度 (3)(3)晶粒晶粒 所处位置所处位置 冷却速度冷却速度 坩埚壁坩埚壁 希望晶粒尺寸越大越好（一般希望晶粒尺寸越大越好（一般 110mm，高质量的可到，高质量的可到10 15mm。）。） 56 硅太阳能电池的生产流程硅太阳能电池的生产流程 57 晶带法晶带法 晶带法是从硅溶液直接获得制造太阳能电晶带法是从硅溶液直接获得制造太阳能电 池所需的片状多晶硅的方法。因为无需象单池所需的片状多晶硅的方法。因为无需象单 晶硅或浇铸法得到的多晶硅那样把硅锭切成晶硅或浇铸法得到的多晶硅那样把硅锭切成 片，所以它能有效地利用原材料。而且太阳片，所以它能有效地利用原材

37、料。而且太阳 能电池的制造过程也变的简单。目前已经占能电池的制造过程也变的简单。目前已经占 到太阳电池市场的到太阳电池市场的34。 4 4、带状硅材料、带状硅材料 三、多晶硅太阳电池三、多晶硅太阳电池 58 4 4、带状硅材料、带状硅材料 三、多晶硅太阳电池三、多晶硅太阳电池 直接拉制硅片免去切片损失直接拉制硅片免去切片损失 内园切割，刀锋损失内园切割，刀锋损失300300400 400 m m。 线锯线锯切割，刀锋损失切割，刀锋损失200 200 m m 过去几十年里开发过多种生长带硅或片状硅技术过去几十年里开发过多种生长带硅或片状硅技术 目前主要有目前主要有ASE公司、公司、Evergre

38、en公司、公司、Ebara公司、公司、Bayer公司、公司、 Fraunhofer太阳能研究所太阳能研究所 59 非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池 硅基薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池 有机电池有机电池 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池 砷化稼薄膜太阳电池砷化稼薄膜太阳电池 CdTe薄膜太阳电池薄膜太阳电池 CuInSe薄膜太阳电池薄膜太阳电池 化合物半导体薄膜太阳电池化合物半导体薄膜太阳电池 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池 60 虽然晶体硅太阳能电池被广泛应用，占据太阳电池的主要市场虽然晶体硅太阳能电池被广泛应用，占据太阳电池的主要市场

39、。但是，。但是，晶体硅的禁带宽度晶体硅的禁带宽度Eg=1.12eV，太阳能光电转换理论，太阳能光电转换理论 效率相对较低效率相对较低；硅材料是间接能带材料，在可见光范围内，；硅材料是间接能带材料，在可见光范围内，硅硅 的光吸收系数远远低于其它太阳能光电材料，如同样吸收的光吸收系数远远低于其它太阳能光电材料，如同样吸收95 以上的太阳光，以上的太阳光，GaAS太阳电池只需要太阳电池只需要510m，而硅太阳电而硅太阳电 池在池在150200m以上，以上，才能有效地吸收太阳能；晶体硅材料才能有效地吸收太阳能；晶体硅材料 需要多次提纯，需要多次提纯，成本较高成本较高；硅太阳电池尺寸相对较小硅太阳电池尺

40、寸相对较小，若组成，若组成 光伏系统，要用数十个相同的硅太阳电池连接起来，造成系统光伏系统，要用数十个相同的硅太阳电池连接起来，造成系统 成本较高。成本较高。 薄膜太阳能电池：薄膜太阳能电池： 非晶硅太阳能电池的优点非晶硅太阳能电池的优点 非晶硅太阳能电池之所以受到人们关注和重视，是因为它具非晶硅太阳能电池之所以受到人们关注和重视，是因为它具 有以下优点：有以下优点： 非晶硅具有较高的光吸收系非晶硅具有较高的光吸收系 数。特别是数。特别是在在0.3-0.75m的可的可 见光波段，它的吸收系数比单见光波段，它的吸收系数比单 晶硅要高出一个数量级晶硅要高出一个数量级。因而因而 它比单晶硅对太阳辐射

41、的吸收它比单晶硅对太阳辐射的吸收 效率要高效率要高40倍左右，倍左右，用很薄的用很薄的 非晶硅膜（约非晶硅膜（约1 m厚）就能吸厚）就能吸 收收90%有用的太阳能有用的太阳能。这是非这是非 晶硅材料最重要的特点，也是晶硅材料最重要的特点，也是 它能够成为低价格太阳能电池它能够成为低价格太阳能电池 的最主要因素。的最主要因素。 非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在随制备条件的不同约在1.5- 2.0eV的范围内变化的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压 高。高。 材料和制造材料和制造工艺成本低、设备简单工艺

42、成本低、设备简单；而且非晶硅薄膜厚度仅；而且非晶硅薄膜厚度仅 有数千埃，不足晶体硅太阳电池厚度的百分之一，有数千埃，不足晶体硅太阳电池厚度的百分之一，大大降低了大大降低了 硅原材料的成本硅原材料的成本；沉积温度为沉积温度为100300C。 由于非晶硅由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑可以不考虑 制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它因而它 几乎可以淀积在任何衬底上，几乎可以淀积在任何衬底上，如如不锈钢、塑料甚至廉价的玻璃不锈钢、塑料甚至廉价的玻璃 衬底衬底。 多品种和多用途，不同于

43、晶体硅，在制备非晶硅薄膜时，多品种和多用途，不同于晶体硅，在制备非晶硅薄膜时，只只 要改变原材料的气相成分或气体流量，便可使非晶硅薄膜改性要改变原材料的气相成分或气体流量，便可使非晶硅薄膜改性 ，制备出新型的太阳电池结构；并且根据器件功率、输出电压，制备出新型的太阳电池结构；并且根据器件功率、输出电压 和输出电流的要求，和输出电流的要求，可以自由设计制造，方便地制作出适合不可以自由设计制造，方便地制作出适合不 同需求的多品种产品同需求的多品种产品。 易实现柔性电池，非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且其易实现柔性电池，非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且其 硅原子网络结构的力学性能特殊，因此，硅原

44、子网络结构的力学性能特殊，因此，它可以制备成轻型、它可以制备成轻型、 柔性太阳电池，易于与建筑集成柔性太阳电池，易于与建筑集成。 易于形成大规模的生产能力，这是因为易于形成大规模的生产能力，这是因为非晶硅适合制作特大非晶硅适合制作特大 面积、无结构缺陷的薄膜，面积、无结构缺陷的薄膜，生产可全流程自动化，显著提高劳生产可全流程自动化，显著提高劳 动生产率动生产率。（最大（最大1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池）单结晶非晶硅太阳电池） 制备非晶硅太阳能电池能耗少，制备非晶硅太阳能电池能耗少，约约100千瓦小时千瓦小时，能耗的回，能耗的回 收年数比单晶硅电池短得多。收年数比单晶硅电池短得

45、多。 非晶硅太阳能电池的缺点非晶硅太阳能电池的缺点 与晶体硅相比，非晶硅薄膜太阳电池的效率相对较低，在实与晶体硅相比，非晶硅薄膜太阳电池的效率相对较低，在实 验室中电池的稳定最高光电转换效率只有验室中电池的稳定最高光电转换效率只有13左右。在实际生左右。在实际生 产线中，非晶硅薄膜太阳电池的效率也不超过产线中，非晶硅薄膜太阳电池的效率也不超过10； 非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率在非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率在太阳光的长期照射下太阳光的长期照射下 有一定的衰减，有一定的衰减，到目前为止仍然未根本解决。所以，非晶硅薄到目前为止仍然未根本解决。所以，非晶硅薄 膜太阳电池主要应用于计算器、手表

46、、玩具等小功耗器件中。膜太阳电池主要应用于计算器、手表、玩具等小功耗器件中。 66 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 1 1、非晶硅薄膜太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池 非晶硅太阳电池的基本结构非晶硅太阳电池的基本结构 非晶硅太阳能电池的结构非晶硅太阳能电池的结构最常采用的是最常采用的是p-i-n结构，结构，而不是单晶硅太阳而不是单晶硅太阳 能电池的能电池的p-n结构。这是因为：结构。这是因为：非晶硅材料材料属于短程有序、长程无序非晶硅材料材料属于短程有序、长程无序 的晶体结构，对载流子有很强的散射作用，导致载流子的扩散长度很短，的晶体结构，对载流子有很强的散射作用，导致载流子的扩散长度很短， 如

47、果在光生载流子的产生处或附近没有如果在光生载流子的产生处或附近没有电场存在，电场存在，则光生载流子受扩散长则光生载流子受扩散长 度的限制，将会很快复合而不能吸收。度的限制，将会很快复合而不能吸收。 为能有效地收集光生载流子，将电池设计称为为能有效地收集光生载流子，将电池设计称为pin型，其中型，其中p层是入射层是入射 光层，光层，i层是本征吸收层，处在层是本征吸收层，处在p和和n产生的内建电场中产生的内建电场中。当入射光通过。当入射光通过p层层 进入进入i层后，产生电子空穴对，光生载流子一旦产生后就由内建电场分层后，产生电子空穴对，光生载流子一旦产生后就由内建电场分 开，空穴漂移到开，空穴漂移

48、到p边，电子飘逸到边，电子飘逸到n边，形成光生电流和光生电压。边，形成光生电流和光生电压。 67 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 1 1、非晶硅薄膜太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池 非晶硅太阳电池的基本结构非晶硅太阳电池的基本结构 由于非晶硅结构的长程无序破坏了晶体硅光电子跃迁的选择定则，由于非晶硅结构的长程无序破坏了晶体硅光电子跃迁的选择定则，使使 之从间接带隙半导体变成直接带隙半导体材料，之从间接带隙半导体变成直接带隙半导体材料，所以它对光子的吸收系数所以它对光子的吸收系数 很高，对太阳光敏感谱域的光可以大部分吸收。很高，对太阳光敏感谱域的光可以大部分吸收。 为了增加光电转换效率，一般尽量增

49、加光敏区为了增加光电转换效率，一般尽量增加光敏区i层的厚度层的厚度，但是，非晶，但是，非晶 硅中载流子的迁移率很低，因此，需要有足够电场强度的内建电场将光生硅中载流子的迁移率很低，因此，需要有足够电场强度的内建电场将光生 载流子输送到电极。为了保证内建电场的强度，本征载流子输送到电极。为了保证内建电场的强度，本征i层又要尽量薄，所层又要尽量薄，所 以，以，pin结构的非晶硅薄膜太阳电池的结构的非晶硅薄膜太阳电池的i层厚度设计在层厚度设计在500nm左右左右，而作为，而作为 光吸收死区的光吸收死区的p、n层的厚度需要尽量薄，一般限制在层的厚度需要尽量薄，一般限制在10nm量级量级。 68 四、薄

50、膜太阳电池四、薄膜太阳电池 1 1、非晶硅薄膜太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池 非晶硅薄膜电池中的光致衰减非晶硅薄膜电池中的光致衰减 1 9 7 7 年 ，年 ， D . L . S t e b l e r 和和 C.R.Wronski 发现非晶硅样品在经发现非晶硅样品在经 过长时间光照后，其光电导和暗电过长时间光照后，其光电导和暗电 导都显著减小，将照样品放在导都显著减小，将照样品放在150 度下退火度下退火30分钟，再冷却到室温，分钟，再冷却到室温， 样品又恢复原来状态。这一现象被样品又恢复原来状态。这一现象被 称为称为Stebler-Wronski 效应，简称效应，简称S- W效应。研究表明

51、在光照后非晶硅效应。研究表明在光照后非晶硅 中缺陷密度明显增加。中缺陷密度明显增加。 69 非晶硅薄膜太阳电池非晶硅薄膜太阳电池 硅基薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池 有机电池有机电池 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池 砷化稼薄膜太阳电池砷化稼薄膜太阳电池 CdTe薄膜太阳电池薄膜太阳电池 CuInSe薄膜太阳电池薄膜太阳电池 化合物半导体薄膜太阳电池化合物半导体薄膜太阳电池 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 多晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜太阳电池 70 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 3、GaAs太阳电池太阳电池 尽管尽管GaAs系列太阳电池的效率高、系列太阳电池的

52、效率高、 GaAs电子迁移率是电子迁移率是Si的的6 倍、抗辐射性能强，倍、抗辐射性能强，由于其生产设备复杂、能耗大、生产周期长由于其生产设备复杂、能耗大、生产周期长 ，导致生产成本高，难以与硅太阳电池相比，导致生产成本高，难以与硅太阳电池相比，所以仅用于部分不，所以仅用于部分不 计成本的空间太阳电池上。计成本的空间太阳电池上。 GaAs材料的制备通常比硅材料困难，化学配比不易精确掌握材料的制备通常比硅材料困难，化学配比不易精确掌握; 晶体结构完整性较差，材料的缺陷、杂质行为更加复杂晶体结构完整性较差，材料的缺陷、杂质行为更加复杂; 从自然资源上看，从自然资源上看，Ga和和As都远不如都远不如

53、Si丰富丰富; GaAs中的中的As元素及其部分化合物具有很强的毒性，而且易挥元素及其部分化合物具有很强的毒性，而且易挥 发，具有一定的环境保护问题。发，具有一定的环境保护问题。 71 GaAs的基本性质的基本性质 GaAs是一种典型的是一种典型的IIIV族化合物半导体材料。族化合物半导体材料。 n 直接带隙半导体直接带隙半导体 n 禁带宽度禁带宽度1.43eV n 光电特性光电特性 GaAs具有良好的光吸收系数。具有良好的光吸收系数。 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 3、GaAs太阳电池太阳电池 72 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 3、GaAs太阳电池太阳电池 GaAs电池的优点电池的

54、优点 GaAs具有最佳禁带宽度具有最佳禁带宽度1.424eV，与太阳光谱匹配良好，具有高的光与太阳光谱匹配良好，具有高的光 电转换效率电转换效率，是很好的高效太阳电池材料。是很好的高效太阳电池材料。 由于禁带宽度相对较大，由于禁带宽度相对较大，可在较高温度下工作。可在较高温度下工作。 GaAs材料对可见光的光吸收系数高，使大部分的可见光在材料表面材料对可见光的光吸收系数高，使大部分的可见光在材料表面 2m以内就被吸收以内就被吸收，电池可采用薄层结构，相对节约材料。，电池可采用薄层结构，相对节约材料。 高能粒子辐射产生的缺陷对高能粒子辐射产生的缺陷对GaAs中的光生电子空穴复合的影响较中的光生电

55、子空穴复合的影响较 小，小，因此电池的抗辐射能力较强。因此电池的抗辐射能力较强。 较高的电子迁移率使得在相同的掺杂浓度下，材料的电阻率比较高的电子迁移率使得在相同的掺杂浓度下，材料的电阻率比Si的电的电 阻率小，阻率小，因此由电池体电阻引起的功率损耗较小。因此由电池体电阻引起的功率损耗较小。 p-n结自建电场较高，结自建电场较高，因此光照下太阳电池的开路电压较高因此光照下太阳电池的开路电压较高。 73 GaAs薄膜单晶的制备薄膜单晶的制备 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 3、GaAs太阳电池太阳电池 Si、Ge衬底上外延制备衬底上外延制备GaAs薄膜单晶薄膜单晶 无论是液相外延还是无论是液相

56、外延还是MOCVD外延制备外延制备GaAs薄膜，都需要衬底材料薄膜，都需要衬底材料 ，晶向的晶向的GaAs体单晶是最佳的衬底材料，但是其成本较贵。体单晶是最佳的衬底材料，但是其成本较贵。 目前考虑新的价廉物美的衬底材料。目前考虑新的价廉物美的衬底材料。 在在Ge和和Si衬底上进行衬底上进行GaAs单晶薄膜外延生长，是整个电池工单晶薄膜外延生长，是整个电池工 艺的基础和关键艺的基础和关键 74 GaAs薄膜单晶的制备薄膜单晶的制备 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 3、GaAs太阳电池太阳电池 Si、Ge衬底上外延制备衬底上外延制备GaAs薄膜单晶薄膜单晶 利用单晶硅作为利用单晶硅作为GaAs薄

57、膜的衬底，具有很多优势：薄膜的衬底，具有很多优势： 晶片尺寸方面：单晶硅最大尺寸晶片尺寸方面：单晶硅最大尺寸12in（GaAs体单晶体单晶6in） 成本：单晶硅硅片价格是成本：单晶硅硅片价格是GaAs晶片价格的晶片价格的1/251/30 机械强度方面：硅的硬度比机械强度方面：硅的硬度比GaAs高约高约50，抗断裂强度是，抗断裂强度是GaAs的的 2.5倍倍 热导率方面：热导率方面：Si的热导率比的热导率比GaAs高高 密度方面：密度方面：Si的密度比的密度比GaAs低低 75 GaAs薄膜单晶的制备薄膜单晶的制备 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 3、GaAs太阳电池太阳电池 Si、Ge衬底上

58、外延制备衬底上外延制备GaAs薄膜单晶薄膜单晶 缺点缺点 单晶硅的晶格常数与单晶硅的晶格常数与GaAs相差较大，导致相差较大，导致GaAs晶格失配较大（晶格失配较大（4） 热膨胀系数相差热膨胀系数相差60以上，在太阳电池的制备过程中会引入大的热应以上，在太阳电池的制备过程中会引入大的热应 力力 到目前为止，尽管有许多优越性，到目前为止，尽管有许多优越性，GaAs/Si太阳电池还未规模太阳电池还未规模 化生产和应用化生产和应用 76 GaAs薄膜单晶的制备薄膜单晶的制备 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 3、GaAs太阳电池太阳电池 Si、Ge衬底上外延制备衬底上外延制备GaAs薄膜单晶薄膜单晶

59、 20世纪世纪80年代，移向了晶格常数与年代，移向了晶格常数与GaAs相近的相近的Ge上上（其晶格失配仅为（其晶格失配仅为0.07%） Ge的晶格常数与的晶格常数与GaAs非常接近，两者的热膨胀系数也相近非常接近，两者的热膨胀系数也相近 机械强度方面：机械强度方面：Ge的机械强度是的机械强度是GaAs的的2倍倍 自然界中自然界中Ge相对丰富，其成本比相对丰富，其成本比GaAs低，其价格是低，其价格是GaAs晶片的晶片的40 但是但是GaAs和和Ge界面会形成界面会形成p-n结，导致电池性能的下降结，导致电池性能的下降 Ge的温度系数大，使得的温度系数大，使得GaAs太阳电池的耐热性降低太阳电池

60、的耐热性降低 77 四、薄膜太阳电池四、薄膜太阳电池 3、GaAs太阳电池太阳电池 单结单结GaAs太阳电池太阳电池 在在n型型GaAs衬底上，首先生长衬底上，首先生长0.5m左右的左右的n型缓冲层，再生长型缓冲层，再生长n型型 AlGaAs作为背场，在此基础上生长作为背场，在此基础上生长n型型GaAs作为基底层，然后生长作为基底层，然后生长 0.5m左右的左右的p型型GaAs作为发射层，再利用一层作为发射层，再利用一层p型的型的AlxGa1-xAs薄膜薄膜 作为窗口层，便组成了单结作为窗口层，便组成了单结GaAs薄膜太阳电池。薄膜太阳电池。 78 单结单结GaAs薄膜太阳电池的结构示意图薄膜