浅析薄膜电池特性与其电路拓扑

1、1 / 28薄膜电池特性及其电路拓扑分析由于传统能源面临着环境污染、能源枯竭等一系列问题， 90 年代以来，在可持续发展战略的推 动下，可再生能源技术进入了快速发展的阶段。可再生能源主要有风能、地热能、水能、潮汐能及 太阳能等，太阳能以其资源丰富、利用方便、洁净无污染越来越受到人们的重视。太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池。一、薄膜电池特性1、太阳能电池发展背景与分类1954 年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，并于 1958 年应用到美国的先 锋 1 号人造卫星上。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20 世纪 70 年代的 1%。预期 10

2、年内太阳能电池能源在美国、 日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。 目前，太阳能电池的年均增长率为35%，是能源技术领域发展最快的行业。按照材料区分，太阳电池有晶硅电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒（CIS）电池、碲化镉（CdTe）电池、 砷化稼电池等； 其中以晶硅电池为主导。 由于硅是地球上储量第二大元素， 作为半导体材料， 人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产 和应用中的主体材料。 单晶硅太阳能电池 。人们首先使用高纯硅制造太阳电池，即单晶硅太阳电池。由于材料昂贵，这种太阳电池成本过 高，初期多用于空间技术作为特殊电源，供人造卫星使用。七十年代

3、开始，把硅太阳电池转向地面 应用。目前单晶硅太阳能电池仍是转换效率最高的太阳电池。 多晶硅太阳能电池随着电池制备和封装工艺的不断改进， 在硅太阳电池总成本中， 硅材料所占比重已由原先的 1/3 上升到1/2 。因此，生产厂家迫切希望在不降低光电转换效率的前提下，找到替代单晶硅的材料。 目前，比较适用的材料就是多晶硅。多晶硅制备工艺简单，设备易做，操作方便，耗能较少，辅助 材料消耗也不多，尤其是可以制备任意形状的多晶硅锭，便于大量生产大面积的硅片。同时，多晶 硅太阳电池的电性能和机械性能都与单晶硅太阳电池基本相似，而生产成本却低于单晶硅太阳电 池。多晶硅与单晶硅材料的差别主要是多晶硅内存在许多晶

4、粒间界。这给多晶硅太阳能电池带来以 下三方面影响：1、晶粒间界处存在势垒，阻断载流子的通过。2、晶粒间界作为一种晶体缺陷，起着有效复合中心作用。3、在形成 pn 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。x Si 薄膜与薄膜太阳能电池非晶硅薄膜电池。 非晶硅太阳电池是最理解的一种廉价电池，它的最大特点就是薄，不同 于单晶硅与多晶硅电池需要以硅片为衬底，而是在玻璃或不锈钢等材料的表面镀上一层薄薄的硅膜，其厚度只有单晶硅的1/300 ;因此，可以大量节省硅材料，加之可连续化大面积生产，能2 / 28耗也低，成本自然也低。多晶硅薄膜电池。 由于非晶硅其自身

5、的性能不稳定、转换效率低等缺陷，人们在不断尝试 利用多晶硅代替非晶硅制作薄膜电池的可能性。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电池的高效、稳定、 无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点，因此 多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。有机半导体薄膜电池。为了进一步降低成本,人们对一些新材料进行了研究，较为成熟的主要有CuinSe2、CdTe 薄膜。2、太阳能电池的工艺结构及其特性 单晶硅与多晶硅太阳能电池单晶硅与多晶硅电池板是国际上研究最早的太阳能电池板，也是目前效率最高、性能最稳定的 太阳能电池板；然而受硅材料本身价格的限制，电池板的成本下降空间已越来越小，给它未来

6、的大 力发展带来了巨大的障碍。 Fig.1 是它的基本工艺结构图。Fig.1单晶硅电池的工艺结构这类太阳能电池板转换效率高、寿命长、工作性能稳定，不受其对地电位的极性及其漏电流大 小的影响，在太阳能逆变器拓扑方面没有任何限制，这里不做详细介绍。Back-co ntact 太阳能电池板为了提高转换效率及美学效果，在单晶硅、多晶硅电池板的基础上，各大太阳能电池厂家对电 池板的工艺结构做了进一步优化，其中以Sun Power 生产的 A-300 太阳能电池板最为突出。 Sun Power的 A-300 采用了先进的 back-contact 工艺结构，转换效率比普通的电池板高达50%，而且其外形美观

7、，适合各种场合广泛应用。A-300 电池板的基本外形如 Fig.2 所示，正负极的电气接口都在电池板背面；具体工艺结构如 Fig.3 所示。3 / 28Fig.2 Back-co ntact电池板基本外形图F负鹹Antirefleddw coatingS02 passhatton3n+FSF-n-type baw-rw diffusion $102passivation metalfinger(n)-Fig.3 Back-co ntact电池板工艺结构图在测试过程中，Back-contact 电池板（高效率太阳能电池板）的“表面极化”现象被发现，该现象 会使A-300 太阳能电池板表面堆积静态

8、电荷，但堆积电荷的过程是非破坏性和可逆的。在使用中， 如果电池阿办的电位极性配置不合理，可能会降低电池板的转换效率，但对电池板的寿命不造成影 响。Sun Power A-300 太阳能电池板提高效率的方法之一就是加了一层专门用于阻止载流子损失的覆料，这一层就像一个关断了的晶体管，能阻止电流流通。如果在电池正面加上足够大的正电压，“晶体管”等效于开通状态，载流子就会在电池正表面复合，使电池输出电流变小。类似于晶体管，表 面极化现象是完全可逆的，只要“晶体管”关断，电池的输出电流仍可以达到先前的水平。表面极化发生机理：1.当电池组对地呈正电压时，“表面极化”现象发生。这是因为当电池组对地呈正的高电

9、压时，漏电流会由电池流向大地，电池表面会堆积负电荷，从而开通表面等效“晶体管”。带正电荷的载 流子就会在表面与负电荷复合，从而减少电池组的输出电流，如fig.4 所示。By localingall of IJhcelectricaltorturemm hole inSi02p* diffusionmetal f郦pilch4 / 28Figme 1: Cross-wichcii of ail A-500 solar cell embedded in n module with siu-fftce pclanZAficn.4) Neglive surface chaise atliacl! po

10、sitively charged EVA light-genratnci hol8 10 surfa匚巴wh年r& Ihy recombinewith eleeirons in n-type silicon instead of being collected at lh& positive junclionFig.4Fig.4 有表面极化现象的 A-300A-300 太阳能电池组中单元截面图2.当电池组对地呈负电压时，“表面极化”现象不会发生。当电池组对地呈负电压时，漏电流 由地流向电池表面，从而表面堆积的是正电荷，在正电荷作用下，表面等效晶体管处断开状态，不 会影响电池组工

11、作。事实上，在这种状态下电池组的性能还会略有提高。女口Fig.5 所示。11 Current leaks from routMl ItircDgH glass to ceil surface前Mcell is at negatwe voit&ge to grottid2i Current leakage leaves positivectiarge on ARC smTace Ahict itis li枷ths insulalor of a MOS trainsrstorzGltai3) EVA acts like the galeorf a MOS trensisiori匚乂丸匚龙H

12、iJ!土丈JLJLx扎匸七t + + rEVA.+ + * i- + +1 +N-tvps Silicon41 I O5ilivt surfuce churge raptli- |Xji(ively cluiLsd,HiL-gonatalod hdlQ frorii tha surlaca. 5 they atfi ave權ual忖collected竝the positive junttiooFig.5Fig.5 无表面极化现象的 A-300A-300 太阳能电池组中单元截面图从上述分析可以得出，载流子在电池边缘的复合是效率损失的主要原因。薄膜电池A.非晶硅薄膜电池非晶硅电池之所以受到人们关注

13、和重视，是因为它具有以下优点：1非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在030.75卩m 的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因此，它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40 倍左右，用很薄的非晶硅膜（约 1 卩 m 厚）就能吸收 90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它成为低价格太阳2) Current leakage leaves negative charge onARC surface which acts like the insulator of aMOS transistorGlass3) EVA acts like the gateof a MOS tra

14、nsistor1FEVAMN-type SiliconI) Current leaks from cell through glass to frame and sarth groundwhen cell is al high (+) voltage lo ground5 / 28能电池的最主要因素。2非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV 的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。3制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产。4由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，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。因而它

15、几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现 大面积化。5制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100 千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。由于电池本身是薄膜型的，太阳的光可以穿透，所以还可做成叠层式的电池，以提高电池的电 压。通常单晶硅太阳电池每个单体只有0.5 伏左右的电压，必须几个单体串联起来，才能获得一定的电压。非晶太阳硅电池一个就能做到几伏电压，使用比较方便。非晶硅太阳能电池的结构最常采用的是p-i-n 结构，而不是单晶硅太阳能电池的 p-n 结构。这是因为： 轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小， 如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻掺杂的另一边用重 掺杂的材料，则能带弯曲较

16、小，电池的开路电压受到限制；如果直接用重掺杂的p+和 n+材料形成p+-n+结，那么，由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高，少子寿命低，电池的性能会很差。因此,通常在两个重掺杂层当中淀积一层未掺杂的非晶硅层作为有源集电区。非晶硅太阳能电池内光生载流子主要产生于未掺杂的i 层，与晶体硅太阳能电池中载流子主要由于扩散而移动不同，在非晶硅太阳能电池中，光生载流子主要依靠太阳能电池内电场作用做漂移运 动。在非晶硅太阳能电池中，顶层的重掺杂层的厚度很薄几乎是半透明的，可以使入射光最大限度 地进入未掺杂层并产生自由的光生电子和空穴。而较高的内建电场也基本上从这里展开，使光生载 流子产生后立即被扫向 n+侧和 p+侧。Fig.6 是非