第三章_太阳电池

1、海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分3.1 太阳电池的特点3.2 太阳能电池工作原理及构成3.3 太阳能电池种类3.4 利用太阳能电池发电的优缺点3.5 太阳能电池的特性3.6 太阳电池的制造方法第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分太阳电池同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点： 无枯竭危险； 清洁能源，绝对干净； 不受资源分布地域的限制； 可在用电处就近发电； 能源质量高； 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职

2、业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分获取能源花费的时间短。无可动部分，寿命长。太阳电池的出力随入射光、季节、天气、 时刻的的变化而变化，夜间不能发电。产生的电是直流电，不能储存。目前发电成本较高。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分1、 什么是光伏发电？ 所谓光伏发电是指直接将太阳能转变成电能的发电方式。也就是通常人们所说的太阳能发电。 光伏发电实际上是利用太阳能电池的光生伏打效应，有效吸收太阳的辐射能，并使之直接将光能转换成电能。

3、第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分半导体：半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅 (Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层 轨道上有4个价电子。本征半导体：本征半导体： 纯净,晶体结构完整的半导体。杂质半导体：杂质半导体： 在本征半导体中掺入某些微量杂质。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业

4、学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分热激发热激发产生自由电子和空穴 室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由自由电子电子，同时在共价键中留下一个空位，这个空位称为空穴空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。 每个硅原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动。从效果上看，相当于带

5、正电荷的空带正电荷的空穴作相反方向的运动。穴作相反方向的运动。abc空穴运动价电子填补空穴第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分本征半导体有两种载流子两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合复合。在一定温度下本征半导体的自由电子和空穴维持一定的浓度，导电能力很弱导电能力很弱。本征半导体小结本征半导体小结第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分N型半导体P型半导体第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技

6、职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 在本征半导体硅或锗中掺入磷、砷等磷、砷等5 5价元素价元素，在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体电子半导体或N N型半导体型半导体，其中自由自由电子为多数载流子，电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子空穴为少数载流子。像磷、砷这样为半导体提供自由电子的杂质，称为施主杂质施主杂质。自由电子 多数载流子空穴少数载流子第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等硼、铝等3 3价元素价元素

7、，在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体空穴半导体或P P型半导体型半导体，其中空穴为多数载流子空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子自由电子是少数载流子。像硼、铝这样为半导体提供空穴的杂质，称为受主杂质受主杂质。多数载流子空穴自由电子 少数载流子第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分P 型半导体N 型半导体 * *无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。 * *多数载流子的数量由掺入的杂质的浓度决定，掺杂浓度越高多数载流子的数量越多。 *

8、*少数载流子数量是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。杂质半导体小结杂质半导体小结第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 * *如果载流子浓度分布不均匀，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动扩散运动。 * *载流子在电场作用电场作用下的定向运动称为漂移运动漂移运动。 * *将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PNPN结。结。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分P 区 空间电荷区 N 区P

9、N 结及其内电场内电场方向P 区 N 区载流子的扩散运动多子扩散形成空间电荷区,产生内电场 少子漂移 扩散与漂移达到动态平衡动态平衡形成一定宽度的PNPN结结第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 PN结具有单向导电的特性，这也是由其构成的半导体器件的主要工作机理。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 如果在PN结上加反向电压，外电场与内电场的方向一致，扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，于是空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动

10、难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，PN结的反向电阻很高，即PN结处于截止状态。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 能带理论是从原子理论发展起来的，就单个原子来说，原子是由原子核和核外电子组成的，电子围绕原子核做特定的运动，我们将这一系列特定的运动状态称为电子的量子态电子的量子态。每个量子态中，电子的能量是一定的，这种量子化的能量称为能级能级。 如图所示，靠近原子核原子的束缚强，能级就低；远离原子核电子的束缚弱，能级就高。电子只能在这些分裂的能级上运动，或者从

11、一个能级跃迁到另一个能级。E E1 1E E2 2E E3 3E E1 1 E E2 2 E E3 3第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分电子的共有化电子的共有化U r单个原子U r两个原子 由于晶体中原子的周由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再期性排列而使价电子不再为单个原子所有的现象，为单个原子所有的现象，称为电子的共有化。称为电子的共有化。U r 晶体中周期性势场2E1E第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分2、能带的形成、能带的形成 量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由

12、于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级，即分裂成一系列和原来能级很接近的新能级我们称之为能带。E 原子中原子中的能级的能级晶体中的能带晶体中的能带第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分能带的一般规律：能带的一般规律：2. 越是外层电子，能带越宽，E越大。 1. 原子间距越小，能带越宽，E越大。 3. 两个能带有可能重叠。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分满带满带排满电子的能带 价带价带价电子能级分离后形成的能带，价带能量最高，可能被填满，也可不

13、满。空带空带未排电子的能带，空带也是导带禁带禁带不能排电子的区域导带导带未排满电子的价带几个有关能带的名称：几个有关能带的名称：第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg 约36 eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能

14、量，所以形不成电流。绝缘体绝缘体绝缘体的能带绝缘体的能带满带满带空带空带EeVEg63 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。导体导体E导带导带满带满带导体的能带导体的能带E导带导带价带价带第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分半导体的能带结构与绝缘体的能带结构类似, 但是禁带很窄（E g约0.12 eV)。半导体半导体半导体的能带半导体的能带E满满带或价

15、带带或价带导带导带eV.Eg5110 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分绝缘体与半导体的击穿绝缘体与半导体的击穿 当外电场非常强时，绝缘体与半导体的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中。通常称为半导体与绝缘体被击穿。绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 一般硅太阳电池采用掺杂三价元素硼的P型硅片作为衬底， 电阻率：0.5-3 cm 厚 度：200-350 m 然后采用不同的手段在P型硅的一面掺杂五价元素磷，形成N层。这就构成了太阳电池的核心部件

16、P-N结。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 当大于禁带宽度 Eg 的能量的光照射到P-N结表面时，光子注入到半导体后，由于带间的迁移作用，价电子带中的电子被激励，从而激发出电子空穴对，如果这些电子空穴对有足够长的寿命，扩散到空间电荷区附近，就会被P-N结的内电场所分离。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 根据电学中异性相吸的原理，N区中的光生非平衡少子空穴会向P区移动，而P区中的光生非平衡少子电子会向N区移动，从而形成从N区到P区的电流。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职

17、业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 然后被内电场分离出来的光生电子和光生空穴分别在空间电荷区积累起来，形成光生电场。光生电场和 P-N结原有的内电场相反，从而破坏了P-N结平衡，产生了光生电压。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分太阳电池工作的条件： 必须有光的照射，可以是太阳光、单色光、模拟太阳光等。光子注入到半导体后，激发出电子空穴对，并且这些电子空穴对有足够长的寿命，在分离之前不会复合消失。 必须有一个静电场，电子-空穴在静电场的作用下分离。 被分离的电子和空穴被电极收集，输出到电池外形成电流。第三章第三章 太阳电

18、池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分太阳电池结构第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分根据所用材料分类-V族化合物：砷化镓 -V族化合物：碲化镉 CdTeCdTe三元化合物：铜铟硒 单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池1、硅系太阳能电池2、无机化合物太阳能电池3、有机太阳能电池第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 (1)单晶硅太阳能电池转换效率

19、最高，技术也最为成熟。在实验室里的转换效率为23%,规模生产时的效率为15%18%。 在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难。1、硅系太阳能电池第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 硅的单晶体是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。 单

20、晶硅具有基本完整的点阵结构。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999，甚至达到99.9999999以上。 单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其导电性随温度的升高而增加，超纯的单晶硅是本证半导体。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 单晶硅太阳电池的特点：硅原子排列非常规则，结晶缺陷少；在所有硅太阳电池中转化效率最高，一般实际产品在15%以上；可靠性高，寿命可达到2030年左右；基本机构多为n+/p型，一般以p型单晶硅片作为基片；第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院202

21、2年1月1日20时44分光学、电学和力学性质均匀一致；减反射膜一般为SiO2或TiO2薄膜；厚度一般为0.20.3mm，电阻率一般为1-3cm；颜色多为深色或黑色，而且均匀一致。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 (2)多晶硅太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为13%15%。 因此，多晶硅太阳能电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 熔融的单质硅在过冷条件下凝固时

22、，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向不相同的晶粒，则这些晶粒结合起来便结晶成多晶硅。 多晶硅具有灰色金属光泽，密度2.322.34 g/cm3，熔点1410，沸点2355。溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。加热至800以上即有延性，1300时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 多晶硅太阳电池的特点：在生产过程中，高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正方形的硅锭；基本机构为n+/p型，都

23、以p型单晶硅片作为基片；减反射膜一般为氮化硅(Si3N4,)；商业化电池效率一般为13%-15%；第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分厚度一般为0.22-0.3mm，电阻率一般为0.5-2cm；多晶硅电池一般为正方形，颜色呈深蓝、金、绿等；生产工艺简单，可大规模生产，其产量和市场占有率大。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分单晶硅和多晶硅的区别：结构上的区别：单晶硅的硅原子排列非常规则，而多晶硅的原子排列是不规则的。物理性质的区别：力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，多晶硅远

24、不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分化学性质的区别：极小单晶硅与多晶硅电池的比较： 单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高。多晶硅电池成本低，转换效率略低于单晶硅太阳能电池。 单晶硅和多晶硅电池也很容易辨别，单晶硅颜色均匀一致，而多晶硅由大量不同大小的结晶区域组成。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 (3)非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大

25、的潜力。非晶硅太阳电池效率一般为9%左右。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分非晶硅又称无定形硅，单质硅的一种形态，棕黑色或灰黑色的微晶体。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。化学性质比晶体硅活泼。结构特征为短程有序而长程无序。非晶硅有很多没有和周围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，因而非晶硅可以做的很薄，一般是1m以下，而单晶硅是300m。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分尽管非晶硅太阳能电池转换效率不高，但它的制造所需能源和使用的材料较少，制造工艺简单，制

26、作成本也很低，易大量生产，而且还可以制成各种曲面形状，具有广阔的应用前景。由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电，已被广泛用于太阳能钟，太阳能手表，太阳能显示牌等不直接受光照等场合下。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分2、无机化合物太阳能电池 无机化合物太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓(GaAs)等-V族化合物太阳能电池 ，硫化镉(CdS)、碲化镉(CdTe)等-族化合物太阳能电池以及铜铟硒(CuInSe2)等三元化合物薄膜太阳能电池等。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时4

27、4分( (1)1)砷化镓（砷化镓（GaAsGaAs）等等-V-V化合物电池化合物电池 砷化镓是一种很理想的太阳电池材料，它与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250的条件下，光电转换性能仍很良好，单结合的太阳电池效率为26%28%，最高光电转换效率约30，特别适合做高温聚光太阳电池。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分(2)(2)硫化镉硫化镉( (CdSCdS) )、碲碲化镉化镉( (CdTeCdTe) )等等-族化合物太阳族化合物太阳能电池能电池 硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且

28、也易于大规模生产。他1986年首次用于计算器，1988年开发出了户外用的太阳电池组件。理论的转换效率为33.62%-44.44%。目前小面积太阳电池单元的转换效率为15%以上，大面积的电池单元的转换效率为10%。 但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，这类电池基本上不会得到广泛应用。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分(3)(3)铜铜铟铟硒硒(CuInSe(CuInSe2 2) )等三元化合物等三元化合物薄膜薄膜太阳能太阳能电池电池。 铜铟硒薄膜太阳能电池(简称CIS)适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价

29、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。小面积CIS转换效率为18.8%，大面积达到12%14%。 唯一的问题是材料的来源，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。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 3、有机太阳能电池u 工作原理: 有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。 u 研究进展: 美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料

30、纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供0.7V的电压。u 特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分分类色素增感型太阳能电池有机薄膜太阳能电池第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分(1)(1)色素增感型太阳能电池色素增感型太阳能电池 色素增感型太阳能电池就是在光激励状态下伴随化学反应产生光电流的光化学太阳电池，其优点突出，不仅能够以低成本进行制造，而且还可实现各种颜色。因此，家电厂商也在积极开发。

31、2008年索尼宣布单元转换效率达到了10.1，之后，松下电工也于2009年春季表示，“在室内用途方面，前景比硅型太阳能电池更为看好”。实现1516的效率已为时不远。 色素增感型太阳能电池由透明导电性玻璃、微结晶膜、无机酸化物或增感色素以及电解液构成。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 瑞士大学洛桑联邦理工学院教授Michael Graetzel于1991年发表了转换效率为7.12的单元，相关研发由此全面展开。Graetzel在2009年春季于东京大学举行的“革新性太阳能发电国际研讨会”上宣称，“2008年12月实现了12.3的转换效率”

32、 转换效率突破10大关是在1992年，之后过了大约13年，才超过了11。此次超过12是2005年之后3年的研究成果，性能提高的速度重新开始加快。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分(2)(2)有机薄膜太阳能电池有机薄膜太阳能电池 有机薄膜太阳能电池是由色素或高分子材料构成。这种太阳电池具有成本低、对环境无影响、制造方法简单、能耗少等优点。这种太阳电池柔软性较好，可制成各种形状，转换效率4.5%左右。德国Heliatek GmbH宣布，其有机薄膜太阳能电池的转换效率达到了6.07。测量值已由德国Fraunfofer ISE认证。 第三章第三

33、章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 薄膜太阳电池是一种半导体层厚度在几微米到几十微米以下的太阳电他。它是在成本较低的玻璃衬底上直接堆积硅系、化合物等材料的薄膜而形成的元件。它具有节约原材料、效率高、特性稳定以及衬底成本较低等特点。4、薄膜太阳电池第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 薄膜太阳电池可分为硅系、 -族化合物族化合物等薄膜太阳电池。硅系薄膜太阳电池可分为结晶硅系(单晶硅、多晶硅以及微晶硅)、非晶硅以及由二者构成的混合型薄膜太阳电池。 由于薄膜太阳电池的厚度很薄，所以在大面积使用太阳

34、电池时可以节约很多材料，降低很多成本。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分特点：只利用紫外光发电；转换效率较低。 5、透明太阳电池第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 混合型太阳电池由薄膜非晶硅与单晶硅集成，由于在其中形成了I层，即人为地把p-n结的势垒区宽度加以扩展，即采用较宽的本证半导体（i）层来取代势垒区，使其表面特性提高。 6、混合型太阳电池(HIT电池)第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 混合型太阳电池由于形成了I层

35、，使非晶硅与单晶硅的表面特性提高，因此10cm2太阳电池的转换效率达到21.3%，组件的转换效率达到17%以上。 另外，混合型太阳电池的温度系数为-0.33%，低于单晶硅太阳电池的温度系数-0.48% ,因此，混合型太阳电池可用于如屋顶设置等温度较易上升的场合以减少出力的下降。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 HIT太阳电池具有如下的特点:结构简单、转换效率高；与以前的结晶硅系太阳电池比较，温度上升对其特性的影响较小，因此实际的发电量较多；与以前的扩散型结晶系太阳电池单元的结合形成温度900相比，形成非结晶的温度在200以下，比较节省

36、能源；由于采用了表面、背面对称的结构，可减少因热膨胀引起的不均匀，因此可使用薄型衬底，节省资源；由于可以利用背面的入射光进行发电，因此这种电池可两面发电。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 7、球状太阳电池 直径约为1.5mm的球形，使用单晶硅材料制成。它可以吸收来自任何方向的光线，电池的表面可以利用直接照射的光线发电，背面可吸收反射光发电。一颗球状太阳电池的出力约为400毫瓦，发电转换效率已达19%以上。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 8、层积型(Tandem)太阳电池 层

37、积型太阳电池由两个以上的太阳电池层积而成，可利用较宽波长范围的太阳光能量，因此转换效率较高。 入射太阳光首先被上层太阳电池吸收(短波长的光)并产生电能，未被上层太阳电池吸收的太阳光(长波长的光)则穿过上层太阳电池，照射在下层太阳电池上并产生电能。可见，这种单一的太阳电池可利用较宽波长范围的太阳光能量。原原 理理第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分9 9、纳米晶纳米晶体体太阳能电池太阳能电池 纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，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1/5

38、1/10寿命能达到2O年以上。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分uIII-V族化合物及铜铟硒等系由稀有元素所制备，但从材料来源看，这类太阳能电池很难占据主导地位。u从转换效率和材料的来源角度讲，多晶硅和非晶硅薄膜电池可能会取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。u今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较理想的。太阳能电池的展望太阳能电池的展望第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日

39、20时44分 目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳能电池变换效率最高，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到，每瓦发电设备价格降到美元时，便足以同现在的发电方式竞争。 当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达，快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分优点： 属于可再

40、生能源，不必担心能源枯竭； 太阳能本身并不会给地球增加热负荷； 运行过程中低污染、平稳无噪音； 发电装置需要极少的维护,寿命可达2030年； 所产生的电力既可供家庭单独使用也可并入电网 用途广泛。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分缺点：受地域及天气影响较大由于太阳能分散、密度低，发电装置会占去较大的面积光电转化效率低致使发电成本较传统方式偏高第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分要有较高的光电转换效率材料本身对环境不造成污染材料便于工业化生产且材料性能稳定太阳能电池对材料的要求太阳能

41、电池对材料的要求第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 太阳电池实际上就是一个大面积平面二极管，在阳光照射下就可产生直流电。1.无光照：无电压、无电流；2.有光照但短路：短路电流；3.有光照但开路：开路电压；4.有光照和有负载：有电压、有电流。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分太阳电池的等效电路太阳电池的等效电路R RshshI IshshR Rs sI ID DJ Jscsc太阳光太阳光电阻电阻R Rshsh 是电池边是电池边缘漏电或耗尽区内缘漏电或耗尽区内的复合电流引起的。的复

42、合电流引起的。R Rs s是由是由扩散顶区的扩散顶区的表面电阻、太阳电表面电阻、太阳电池体电阻、上下电池体电阻、上下电极与太阳电池之间极与太阳电池之间的欧姆电阻等的欧姆电阻等组成组成I ID D 为暗电流，即为暗电流，即流过二极管的正流过二极管的正向电流。向电流。R R+ +- -V V第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流Jsc 。同时,由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流ID ,被称为暗电流，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反。ID 相当于没有光照时太阳电池的电流：) 1(

43、e0/nkTqVDDII其中：I0 逆饱和电流，即二极管饱和电流， 由PN结两端的少数载流子和扩散常 量决定的常数； VD 结电压； n 二极管因子； k 波尔兹曼常数，1.3810-23J/K； T 温度。 q 电子电荷第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 式中VD 为结电压,在理想状态下，RS 趋近于零，如果忽略太阳电池的串联电阻Rs,VD即为太阳电池的端电压V，即) 1(e0qV/nkTDII第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分光照射时，太阳电池电压电流特性是：光照射时，太阳电

44、池电压电流特性是：) 1(e0qV/nkTscDscIJIJI 当开路时，短路电流I =0，得到开路电压开路电压(open circuit voltage)Voc：?1ln0IJqnktVscoc 当太阳电池的输出端短路时，V =0 （VD0），得短路电流：短路电流：scJI 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 当太阳电池接上最佳负载时，最大输出功率P 为电压电流特性曲线上最大电压Vm和最大电流Im 的交点，即：opopmmmIVIVP) 1(e0qV/nkTscoutIJVVIP 太阳电池的输出功率Pout为：第三章第三章 太阳电池太

45、阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分曲线因子FF：scocopopscocmmIVIVIVIVFF 曲线因子FF是衡量太阳电池性能的一个重要指标。图中虚线部分为理想状态下的太阳电池特性。一般曲线因子的值小于1.0，在0.50.8之间。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 太阳电池的转换效率：是用来衡量照射在太阳电池上的光能转换成电能的大小。转换效率转换效率=太阳电池的输出能量太阳电池的输出能量/ /太阳电池的入射能量太阳电池的入射能量100%100%例：太阳电池的面积为2m2，太阳光的能量为1kW/m2，如

46、果太阳电池的发电出力为0.3kW，则：15%100%1kW/m2mkW3 . 022第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分串、并联电阻对填充因子的影响串、并联电阻对填充因子的影响 串、并联电阻对填充因子有较大影响，如图所示。 串联电阻越大，电路中的电流下降就越多，填充因子也随之减少得越多。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 如图（b）所示，并联电阻越小，电路中的电流就越大，开路电压就下降得越多，填充因子随之也下降得越多。串、并联电阻对填充因子的影响串、并联电阻对填充因子的影响第三章

47、第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 太阳电池的效率原理性损失 单晶硅电池可将约16-20的入射光线转换为电流。在实验室最佳的条件下制作的电池效率已经接近25。从理论讲，最大的转换效率达到30%甚至更高也是可能的。 但不管是哪一种材料的太阳电池都不能将全部的太阳光转换为电流。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分太阳电池的入射光不能高效的转换成电能主要是由于以下原因造成的：比硅的禁止带幅能量小的红外线，不能够产生电子空穴对，而是以热能释放出去，这部分损失的比例一般为15%25%。比硅可吸收的

48、能量带大的短波光可以产生电子-空穴对，此时光能的大小不起作用。在光能临界值之上一个光量子只能产生一个电子-空穴对，剩余的能量被转换为未利用的热量。这部分损失为30%45%。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分在太阳光太阳电池表面时，有一部分光会因为在太阳电池表面的反射而损失掉。晶体中的不纯(杂质)和晶体结构中的缺陷导致不是所有的电子一空穴对很快地在界面分离，以致一定百分比的电子-空穴对可以复合，从而造成电流损失。电流在流动时会产生焦耳损失。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分太阳电池

49、的效率小结在能量转换时的效率影响 光学损失：光学损失： 光学损失主要是表面反射、遮挡损失(前电极)和电池材料本身的分光感度特性。电学损失：电学损失： 电能转换的损失来源可总结为如下方面：载流子损失(复合)和欧姆损失(电极一晶体接触)等。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分对于太阳电池来说，不同的光照射时所产生的电能是不同的，我们将太阳电池对应于不同光的波长的响应特性称为分光感度特性。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2

50、022年1月1日20时44分 荧光灯的放射频谱与非晶硅太阳电池的分光感度特性很相似，在室内使用太阳电池设备时，采用非晶硅太阳电池比较合适，比如太阳能计算器。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 照度指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示，单位为勒克斯(Lux,lx)。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分由图可知：短路电流Isc与照度成正比；开路电压Voc随照度的增加而缓慢地增加；最大出力电压Pmax与照度成比例增加。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科

51、技职业学院2022年1月1日20时44分 太阳电池的短路电流随温度的上升而增加，开路电压随温度的上升而减少，转换效率(出力)变小。 由于温度上升导致太阳电池的出力下降，因此，有时需要用通风的方法来降低太阳电池板的温度以便提高太阳电池的转换效率，使出力增加。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分三氯氢硅氢还原 多结晶硅1500 单结晶硅 切片 研 磨 单晶硅薄片 硅 铁硅砂(SiO2)焦炭(冶金硅含硅97%99%)盐酸第三章第三章 太阳电池太阳电池海南

52、科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分由硅砂到冶金硅 将石英砂放在大型电弧炉中,用焦碳进行还原，得到冶金硅： SiO2+2C Si+2CO 硅定期从炉中倒出,并用氧气或氧-氯 混合气体吹之以进一步提纯。然后倒入浅槽,逐渐凝固,便成冶金硅(含硅97%-99%)。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分由冶金硅到三氯氢硅 将冶金硅破碎成粉末,与盐酸在液化床上进行反应,得到三氯氢硅(TCS)： Si+3HCl SiHCl3+H2第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分由三氯氢硅

53、到多晶硅 对三氯氢硅进行分馏,以达到超纯状态。对超纯三氯氢硅用H2通过化学气相沉积(CVD)方法还原成多晶硅。 SiHCl3+H2 Si+3HCl第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分有多晶硅到单晶硅转变 Si(多晶) Si(单晶)1500第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分光伏组件内部结构示意图第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 我们常

54、常把太阳电池片通过串联或者并联结合的方式组成电池组件，来满足我们对电压、电流和功率的需要。 串联方式：串联方式：是把太阳电池片通过串联的而结合在一起的方式，目的是为了达到我们对电压的需要。 并联方式：并联方式：为了满足我们对更高电流的需要，我们需要把电池片通过并联的方式结合起来。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 例：下图是36片电池组件串联结构：第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分太阳电池

55、用的硅材料价格要比冶金级硅高几十倍。一片100mml00mm的太阳电池要用硅材料约 10g 左右，电功率为1.31.5W；1MW太阳电池需要 13t 左右的硅材料。现在的发展趋势是不管是单晶还是多晶硅太阳电池，都使用大尺寸、超薄的硅片。厚度为 200m 350m。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 由于单晶硅太阳电池制造工艺复杂，耗能较大，成本较高，所以人们研究出了多晶硅太阳电池的制造方法。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 多晶硅太阳电池的制造方法有两种：一种是将被溶解的硅块放

56、入坩埚中慢慢冷却使其固化的方法，然后再切成厚度为300500m 的薄片。另一种是将硅溶液通过模具直接得到薄片状多晶硅的方法。这种方法制造比较简单而且有效利用了硅料。第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分硅片制备清洗腐蚀扩散制结去背结电极制备去边制减反膜烧结检测 晶体硅电池片制造工艺晶体硅电池片制造工艺工艺流程第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 硅片制备 选择硅片时，要考虑硅材料的导电类型、电阻

57、率、晶向、位错、少子寿命等。将符合要求的圆形单晶硅棒切割成厚度为0.2-0.4mm的硅片，并切去四边成方形。 对于多晶硅锭先进行破锭，再按要求切片。在经过切、磨、抛、及腐蚀等工序后，硅材料一般要损失60%左右。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分表面清洗腐蚀 用有机溶剂(如甲苯等)初步去油，再用热硫酸作化学清洗，去除沾污的杂质。 在酸性或碱性腐蚀液中进行表面腐蚀，去除表面的切片机械损伤，每面大约腐蚀掉 30-50 m。 再用王水或其他其它清洗液进行化学清洗。 每道工序后都要用高纯的去离子水冲洗。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职

58、业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 扩散制结（是制造太阳电池的关键工序） 方法有热扩散；离子注入；外延；激光或高频电注入等。一般常用热扩散方法。 涂布源扩散：又分简单涂布源扩散和二氧化 硅乳胶源涂布扩散； 液态源扩散； 固态源扩散。 热扩散方法第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 去背结 在高温扩散过程中，硅片的背面也形成了p-n结，所以要把背结去除。 常用的方法有化学腐蚀法；磨砂法和蒸铝烧结法。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 制作上、下电极 上电极通常是栅线状，以收集光生电流。下电极布满在电池的背面，以减少电池的串联电阻。 制作方法有真空蒸镀、化学镀膜、铝浆印刷烧结等。目前主要用铝浆印刷烧结。 用涤纶薄膜制成所需电极图形的掩膜，贴在丝网上，然后套在硅片上用银、铝浆印刷，再在真空和保护气氛中烧结。 用化学镀镍制备下电极。 第三章第三章 太阳电池太阳电池海南科技职业学院海南科技职业学院2022年1月1日20时44分 腐蚀周边 在扩散时,硅片的周边也形成扩散层,可能产生局部短路,使电池的并联电阻下降,影响电池性能。 可以将硅片的两边涂黑胶、粘贴耐酸胶带或挤压后放入腐蚀液中,不到1分钟,即可取出洗净。 目前常用等离子干法腐