太阳能电池原理及发展

1、LOGO太阳能电池原理及发展现状太阳能电池原理及发展现状目目 录录太阳能电池太阳能电池基本原理基本原理主要面临问题主要面临问题发展现状发展现状太阳能电池 化石能源日渐枯竭化石能源日渐枯竭, ,人类对能人类对能源需求不断上升，温室效应加源需求不断上升，温室效应加剧剧促使人类寻找化石燃料促使人类寻找化石燃料之外的新型绿色能源。之外的新型绿色能源。 太阳能是人类取之不尽用之不太阳能是人类取之不尽用之不竭的竭的可再生能源可再生能源。也是。也是清洁能清洁能源源，不产生任何的环境污染。，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用中；大阳在太阳能的有效利用中；大阳能光电利用是近些年来发展最能光电利用是近些年来

2、发展最快，最具活力的研究领域，是快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。其中最受瞩目的项目之一。硅太阳能电池工作原理 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生内光电其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生内光电效应，将光能转换为电能。根据所用材料的不同，效应，将光能转换为电能。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：太阳能电池可分为：硅基太阳能电池硅基太阳能电池和和薄膜电池薄膜电池。 太阳能电池发电的原理主要是半导体的内光电太阳能电池发电的原理主要是半导体的内光电效应，一般的半导体主要结构如下：效应，一般的半导

3、体主要结构如下：硅太阳能电池工作原理图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有周围只有3 3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成而中和，形成P P型半导体。型半导体。掺入杂质，掺入杂质，如硼、磷等如硼、磷等PN结的形成及工作原理 零偏零偏 负偏负偏 正偏正偏 当当PNPN结反偏时，

4、外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当场作用下变宽，使势垒加强；当PNPN结正偏时，外加电场与内电结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。场方向相反，耗尽区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。当光当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。 当当P型和型和N型半导体材料结合时，型半导体材料结合时，P 型（型（ N型）材料中的空穴型）材料中的空穴（电子）向（电子）向N 型（型（ P 型）材料这边扩散，扩散的结果使得结合型）材料这边扩散，扩散

5、的结果使得结合区形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续区形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区结两侧形成一个耗尽区。 当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：电器件里可利用的电子有： （1）价带电子；）价带电子； （2）自由电子或空穴；）自由电子或空穴； （3）存在于杂质能级上的电子。）存在于杂质能级上的电子。 太

6、阳电池可利用的电子主要是价带电子太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。固有吸收。基本原理基本原理由于半导体不是电的由于半导体不是电的良导体，电子在通过良导体，电子在通过pn结后如果在半导结后如果在半导体中流动，电阻非常体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能上金属，阳光就不能通过，电流就不能产通过，电流就不能产生，因此一般用生，因此一般用金属金属网格覆盖网格覆盖pn结结（如（如图图 梳状电极

7、），以增梳状电极），以增加入射光的面积。加入射光的面积。制约光电池转换效率的因素 光学损失 电学损失 串并联电阻损失 反射损失反射损失短波损失短波损失透射损失透射损失光生空穴光生空穴电子对电子对在各区的复合在各区的复合表面复合表面复合 （前表面和背表面）（前表面和背表面）材料复合：材料复合： 复合中心复合复合中心复合主要面临问题 在硅太阳能电池的制造历史中已经采用过许多措施来提高太阳在硅太阳能电池的制造历史中已经采用过许多措施来提高太阳能电池的光电转换效率，并且随着能源的不断消耗，高效太阳能电池的光电转换效率，并且随着能源的不断消耗，高效太阳能的研究正热火朝天地进行。主要针对：能的研究正热火朝

8、天地进行。主要针对： 1. 1.降低光电子的表面复合，如降低表面态等；降低光电子的表面复合，如降低表面态等； 2. 2.降低入射光的表面反射，用多种太阳光减反射技术，如沉积降低入射光的表面反射，用多种太阳光减反射技术，如沉积 减反层、硅片表面织构技术、局部背表面场技术，最大限度减反层、硅片表面织构技术、局部背表面场技术，最大限度 地减少太阳光在硅表面的反射；地减少太阳光在硅表面的反射； 3. 3.电极低接触电阻和集成受光技术，如激光刻槽埋栅技术和表电极低接触电阻和集成受光技术，如激光刻槽埋栅技术和表 面浓度扩散技术，使电极接触电阻低和增加硅表面受光面积面浓度扩散技术，使电极接触电阻低和增加硅表

9、面受光面积 4. 4.降低降低P-NP-N结的结深和漏电；结的结深和漏电； 5. 5.采用高效廉价光电转换材料；采用高效廉价光电转换材料；发展现状单晶硅太阳能电池（主要） 单晶硅太阳能电池转换效率达15% 左右,其制造工艺成熟，生产过程耗能高, 生产成本高。多晶硅太阳能电池 使制造成本大大降低, 电池的转换效率达到16%左右，MIT研制电池样品, 光电转换效率提高了27% 。硅薄膜太阳能电池 生产制造技术成熟, 大量节省成本和能耗,产品面积有较大增加。转化效率相对较低, 目前仅为12% 14% , 且光电效率随使用时间的增长而衰退。化合物薄膜太阳能电池 化合物薄膜太阳能电池的光转换效率高, 理

10、论值可达28%, 又易于薄膜化,。2009年10 月Sharp研制了光电转换率为35. 8%的电池样品薄膜太阳电池简介硅薄膜硅薄膜 碲镉系碲镉系(CdTe) 染料薄膜和有机薄膜染料薄膜和有机薄膜(TiO2)非晶非晶,非晶非晶/微晶微晶(a-Si,a-Si/ c-Si)First Solar， USUnited Solar(8%) ,EPV(56%) USKaneka, Sharp ( 810%) JapanLG, 周星周星(9.6%) 韩国韩国铜铟系铜铟系(CIS,CIGS)金属薄膜金属薄膜正泰正泰(9.0%),天威天威(67%),新奥新奥(88.5%),金太阳金太阳(8%),尚德尚德(67%

11、),百世德百世德(88.5%) 中国中国Leybold Optics(9.5%) GermanJST German山东孚日股份山东孚日股份 中国中国13 1975年年Spear等在非晶氢硅中实现可控掺杂，等在非晶氢硅中实现可控掺杂， 1976年美国年美国RCA实验室制成了世界上第一个非晶硅太阳电池效率实验室制成了世界上第一个非晶硅太阳电池效率2.4% 1980年日本三洋电器公司利用非晶硅太阳电池制成袖珍计算器；年日本三洋电器公司利用非晶硅太阳电池制成袖珍计算器； 1987年掺年掺C, 掺掺Ge,光陷阱工艺非晶硅电池转化效率达光陷阱工艺非晶硅电池转化效率达12%(Initial)；面；面积从积从

12、0.1M2 发展到发展到0.3M2 , Module 功率功率14W( stable Eff 5%) 1988年与建筑材料相结合的非晶硅太阳能电池投入应年与建筑材料相结合的非晶硅太阳能电池投入应二 、硅基薄膜太阳电池的发展HistoryToday 实验室实验室: Triple 电池电池 15.3% 产业化产业化: 非晶硅非晶硅/微晶硅叠层电池微晶硅叠层电池 G5 (1.1*1.3M2) 9.6% G8.5(2.2*2.6M2) 8.5% 14 硅基薄膜太阳电池的技术发展EPV,Oerlikon,AMATEPVEPV 泉州金太阳泉州金太阳Unit-solar OerlikonAMATKanaka

13、Sharp. ?BestSOLAR Confidential三、硅基薄膜电池优缺点 美观、大方美观、大方 电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配，美化室内外电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配，美化室内外 环境，加环境，加 上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。 应用稳定性更好应用稳定性更好 由于非晶硅太阳电池的电流密度较小由于非晶硅太阳电池的电流密度较小, ,热斑效应不明显，所以，使用起来更加热斑效应不明显，所以，使用起来更加方便、可靠。方便、可靠。 能源回收期短能源回收期短 成本低且下降空间大成本低且下

14、降空间大缺点 前期资金投资大 光致衰退(S-w效应) 效率偏低 设备、原材料国产化设备、原材料国产化 减薄非晶硅层减薄非晶硅层, 改善光衰改善光衰 叠层电池如非晶硅叠层电池如非晶硅/微晶硅微晶硅,改善光衰改善光衰,提高效率提高效率 改善各层材料间界面性能，提高功率改善各层材料间界面性能，提高功率 新产品的开发、新材料、新工艺新产品的开发、新材料、新工艺解决方案解决方案硅基薄膜太阳电池缺点以及应对四 、非晶硅的光照衰退(Staebler-Wronski效应) 光致衰退现象：非晶硅电池在强光下照射数小时，电性能下降并逐渐趋于稳定；若样品在160下退火，电学性能可恢复原值(S-W效应) 非晶硅制造过

15、程中Si-Si弱键的作用薄膜太阳电池LID测试 ( IEC认证)光老化试验测试环境标准条件（STC） 光强：光功率密度为1000W/m2 光谱特征：AM1.5 环境温度：25五、电池的光电转换效率计算光谱特征：AM1.5cos=2/3 (48.2=2/3 (48.2o o) )AM1.5=1/cosLight Eff =Pm/（1000W/m2组件面积) 例如公司电池片输出功率为480W，面积为5.7m2 ， 则效率=480/(1000*5.7)=8.42% Stable Eff & Initial Eff 初始最大输出功率 稳定最大输出功率 (初始功率-稳定功率)/初始功率组件效率Eff计算

16、Initial EffStable EffLID叠层电池结构SiO2(2040nm)TCO(7001000nm)a-si(300nm)SiO2(100nm)c-Si(1.7m)AZO(100nm)Ag (130200nm)ITO(In2O3:Sn) 氧化铟氧化铟(锡锡)FTO( SnO2:F) 掺氟氧化锡掺氟氧化锡ZAO (ZnO: Al) 掺铝氧化锌掺铝氧化锌其他其他 (GAO,ATO, .) TCO( transparent conductive oxide) 透明导电氧化物的分类 TCO简介ITO(In2O3:Sn) 氧化铟(锡) 1、应用范围、应用范围主要平板显示器、液晶显示、触摸屏主

17、要平板显示器、液晶显示、触摸屏薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池(CIGS、HIT)缺点缺点: 成本高，热性能较差成本高，热性能较差 (耐还原性差耐还原性差, 在等离子体下易被还原在等离子体下易被还原)2、制备方式、制备方式DC-磁控溅射磁控溅射RF-磁控溅射磁控溅射电子束蒸发电子束蒸发磁控溅射磁控溅射FTO( SnO2:F) 掺氟氧化锡1、应用范围应用范围薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池缺点缺点: Sn4+易被氢离子还原易被氢离子还原2、制备方式、制备方式: APCVD法法在线式在线式APCVD(浮法线浮法线) AGC (Asahi float glass) , NSG离线式离线式APCVD(离线式离

18、线式)优点优点: 成本低成本低,制备技术相对成熟制备技术相对成熟,耐热性能好耐热性能好ZnO:Al(ZAO)氧化锌 1 、应用范围a-si; uc-si; a-si/uc-si优点优点: 稳定性好稳定性好;近红外高透过率近红外高透过率,不受氢不受氢离子还原作用离子还原作用2、制备方式、制备方式磁控溅射磁控溅射+制绒制绒 ( leybold optics, PIA Nova, 信义玻璃信义玻璃 ) 缺点：成本较高缺点：成本较高,产品有待验证产品有待验证TCO与薄膜太阳能电池的关联薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池Sunlightglass-AgZnO:Aln:a-sii:a-sip:a-siTCO(SnO2:F)+光生电压VocTCO用于薄膜电池的前电极用于薄膜电池的前电极TCO作为薄膜电池前电极的性能要求 透光性: 可见光 (Transimission)