可再生能源概论左然第四章 太阳电池

1、第四章 太阳电池4.1 太阳电池的原理、发展和现状 1)太阳光子打到半导体表面，能量大于禁带宽度的，打出电子空穴对。2)由于P-N结具有由N指向P的内建电场，电子和空穴分别向相反方向移动，在两侧电极积累。3)当与外负载连接时，电子将从N型外侧流出，经过负载返回到P型外侧，与P侧的空穴重新结合，同时对外输出电功。 太阳电池工作原理太阳电池的发展历史 n1839年，法国物理学家贝克勒尔（E. Becquerel）在湿电池实验中发现光伏效应。但效率不足1%。n1953年，美国贝尔实验室的皮尔逊(G.Pearson)、查平(D.Chapin)、富勒(C. Fuller) 利用掺杂半导体硅晶片，得到比以

2、前高得多的光电转换效率。n1958年，美国第二颗卫星“先锋1号”首次采用太阳电池，为蓄电池充电，在太空连续工作8年。n1977年，前苏联首次将GaAs太阳电池用在人造卫星上。n我国1958年开始研制太阳电池，于1971年将封装有20多块单晶硅太阳电池的组合板用在我国第二颗人造卫星上。 硅太阳电池的三位发明人、硅太阳电池的三位发明人、美国贝尔实验室的皮尔逊、美国贝尔实验室的皮尔逊、查平和富勒（查平和富勒（Pearson, Pearson, Chapin, FullerChapin, Fuller）在测量早）在测量早期太阳电池的光响应。期太阳电池的光响应。 太阳电池的现状 光伏发电产品主要用于三个

3、方面：u为无电场合提供电源，如边远地区的农牧民家庭、高山或海岛的部队、微波中继站等；u太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯、太阳能草坪灯等；u并网发电，这在发达国家己经大面积推广实施。u国际市场上太阳电池价格(2004)： 3美元/瓦，并网系统价格为6美元/瓦u发电成本为25美分/千瓦时。现有太阳电池的成本约是煤电成本的5至8倍。 u据估算，如果太阳光伏发电的成本能够下降到10美分/千瓦时，就将有巨大的经济效益！ 单电池片、模块、阵列单电池片、模块、阵列 4.2 光吸收与载流子产生 n每种半导体都有特定的禁带宽度Eg，即形成一个电子空穴对所需的最小能量。n当h Eg的光子打到P-

4、N结附近，能产生一个而且仅仅是一个电子空穴对（产生过程），多余的热量将转为晶格的振动，以热的形式散发掉。产生的电子和空穴最终将重新结合（复合过程），以光、电或热的形式释放出吸收的能量。n当h hC/Eg时，光子原则上不会被半导体吸收，而将透射。 h Eg时光子的吸收示意图：（a）吸收光子后产生电子-空穴对（产生）；（b）受激发的电子通过散射将多余的能量释放给晶格；（c）电子与价带中的空穴重新结合（复合）。 n光子打到半导体表面，不会立即被吸收，而是进入内部一段距离。光通量F（光子数/s-cm2）随移动距离x呈指数减少：F(0)为表面（x=0）的光通量，为吸收系数，它是材料的禁带宽度和入射光能量

5、（或波长）的函数。 n光子进入半导体内部（与表面距离x）的吸收率（即单位体积载流子的产生率）为 ：x-F(0)eF(x)- xg(x)F(0)edFdxn对于间接带隙半导体Si，当样品厚度 Eg的全部光子；n对于直接带隙半导体GaAs，样品只要1m厚度就可以。显然，直接带隙比间接带隙更适合用作太阳电池。nSi和GaAs分别是间接带隙和直接带隙半导体的代表。光吸收系数与光能量的函数关系n由于只有超过带隙能量(即波长小于带隙波长)的光子才能产生电子/空穴对，长波长的光将透过半导体。n由于每个光子只能打出一个电子-空穴对，超过带隙的多余能量只是使太阳电池变热。 常用半导体材料的带隙与对应的光谱 光伏

6、效应原理 光伏效应的三个主要步骤：（1）入射光子被P-N结附近的电子吸收，产生非平衡的电子-空穴对；（2）非平衡的电子和空穴从产生处向势场区运动，这种运动可以是由于多子的浓度扩散，也可以是由于P-N结两侧准中性区的微弱电场引起的少子漂移；（3）非平衡的电子和空穴在势场作用下分离，向相反方向 运动。光伏效应的能带解释： (a) 光伏效应原理图；（b）无光照时（平衡时）的能带；（c）有光照但开路时的能带。 光照下的电流和电压 n当能量为h Eg的光子打到P-N结上时，产生额外的电子空穴对 。将这些光产生载流子收集，产生的电流为： :激发光的产生速率 ：电子、空穴扩散长度 q：电子电荷n由于方程所描

7、绘的光电流在P-N结内部由N流向P，当它与二极管方程所描绘的电流迭加时，须从总电流中减去。于是在光照下的二极管的I-V特性关系为： ：电子、空穴的寿命 opg()opopPNIqAgLL/(1)()qVkTNPNPopPNPNLLIqApneqAgLLNPLL ,NP,如图可见:nI-V曲线与载流子的产生率gop成比例下降 P-N结在光照下的载流子产生：（a）P-N结的光吸收； (b) 在N侧距离结为一个扩散长度内的光产生导致的空穴电流；(c) 光照下的I-V特性。n总电流由两部分相减组成：由通常的二极管方程所描绘的电流项，又称为暗电流Id ，减去光生载流子所产生的电流项，又称为光电流Iop或

8、短路电流Isc。 即：n暗电流 p区少数载流子（空穴）浓度 n区少数载流子（电子）浓度光电流 :PndopIII/(1)qVkTNPdNPPNLLIqApne()opscopPNIIqAgLL:Npn当电池开路时，I=0。从方程中可解出开路电压V=Voc为 n对于特殊的对称结的情况，有p N = n P，N = P。方程可以简化为热产生率pN / N =gth 和光产生率gop的表达式： ：热激发的产生速率ln1(/)(/)PNocopPPNNNPLLkTVgqLpLnlnopocopththgkTVggqg当thg太阳电池的I-V特性 太阳电池工作时存在四种不同的情况：一、无光照时的情况：此

9、时，由内建电场产生的平衡电势差为:其中ni为本征浓度，Nd为施主浓度，Na为受主浓度，q为电子电荷 02lndaiNNkTVqn在正向偏压Vd 的作用下，通过结的正向电流Id为Vd :正偏压；:二极管的曲线因子，反映了P-N结的结构完整性对性能的影响，12；Id:正偏压时的二极管电流，即暗电流；Io:二极管反向饱和电流。二、有光照，但正负电极开路：开路电压： Isc是太阳电池的短路电流。可看出，降低饱和电流Io可以提高开路电压Voc。/0( )(1)dqVkTdI VIe0ln(1)scocIkTVqI三、有光照，但正负电极短路n假如在这一光谱段中，每平方厘米每秒的入射光子数是，则载流子产生率

10、g cm-3s-1为式中R为太阳电池表面的反射率，通常情况下它是的函数。n在内建电场作用下漂移过结，产生三种短路光电流（电流密度）： 。于是总的短路光电流是三者之和，即有 在电池设计中，通常引进一个与短路电流有关的光谱响应系数SR ()，,npd rJJJscnpdrJJJJ()(1)scJSRqFR( )(1)xg xFR en显然，太阳电池的短路电流Jsc 与光谱响应系数SR以及入射的光子数 F（1-R）成正比。太阳电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和，即:n总收集效率为: 其中 为最大可利用的短路电流。一般来讲，太阳电池能收集最大可利用电流的6090。() 1()()sciiiiJqF

11、RSR()extsciiJqF()iiqF太阳电池的工作特性与功率输出 n理想的太阳电池正常工作时，可以用一个电流为Isc的恒流电源与一个正向二极管（P-N结）并联的等效电路来代表，如（a）所示；而实际的太阳电池存在着自身的串联电阻RS和旁路电阻RP，它使输出的I-V特性发生改变，如（b）所示。太阳电池的等效电路：(a) 理想等效电路；(b) 实际等效电路。 n在有光照时，同时存在着由光照引起的短路电流Isc和由P-N结两端的负载电压引起的暗电流Id，它们的流动方向恰恰相反。因此，太阳电池的输出电流（此处只考虑大小）是短路电流和暗电流之差，即上式为理想太阳电池的I-V输出特性。 /0( )(1

12、)qVkTscI VII e太阳电池的暗电流、短路电流和光电流 左图即为理想太阳电池的I-V曲线 n太阳电池的输出功率为 n为找出最大功率时的Im和Vm，需解出关于Vm的超越方程Vm取决于 ，一般Vm = (7590)Voc，Im=(8597)ISC。 /0( )(1)qVkToutscP VI VIV e01/ln1/scmmIIkTVqqVkT/ocqVkTn图示出一个典型的光电二极管的I-V曲线和负载线（实际均在第IV象限），图中带剖面线的矩形面积即为最大输出功率Pmax。显然，太阳电池要求输出电流尽可能接近Isc，输出电压尽可能接近Voc。乘积VocIsc代表了太阳电池的极限输出功率。

13、定义一个填充因子填充因子FF：n即最大输出功率与极限输出功率之比，它恰好是IV曲线下两块矩形面积（VmIm与VocIsc）之比。于是最大输出功率可以表示为nPmax = Voc IscFFFF是 或ln (Isc/Io) + 1 的函数。 mmscocI VF FIV/ocqVkT左图为光电二极管的I-V曲线和负载线n实际的太阳电池存在着自身的串联电阻RS和旁路电阻RP，它使输出的I-V特性发生改变。其中串联电阻RS是上下电极与P-N结之间的接触电阻和电池的体电阻的总和，旁路电阻Rp是由于表面漏电流引起。串联电阻增大导致太阳电池的短路电流和填充因子降低，旁路电阻减小会使填充因子和开路电压降低，

14、但对短路电流没有影响。n考虑到串联电阻Rs和旁路电阻Rp的实际的I-V特性公式为 /0( )(1)qVkTSscPVIRI VII eR太阳电池的转换效率n太阳电池的转换效率为太阳电池的最大输出功率与照射到电池的太阳辐射功率的比值，即 式中Pin 为太阳辐射功率 W/m2。 n目前单晶硅太阳电池的效率介于1220%之间，这由电池的设计和电池材料的参数决定。下图从能带的角度描述了太阳电池工作时的主要能量损失。 maxocscininPVIFFPP太阳电池工作时的能量损失：（1）能量小于禁带宽度的光子不吸收；（2）能量大于禁带宽度的光子通过晶格热振动损失；（3）和（4）结电压和接触电压损失；（5）

15、光子复合损失。影响转换效率的主要因素 u能带间隙Eg n能带间隙Eg的增大使得能产生光生载流子的光子数减少，导致短路电流Isc的减少。但另一方面，开路电压Voc随Eg的增大而增大。因此，带隙对转换效率的影响是双向的。 u温度T n从下图也可看出，随着温度T的增加，效率下降。这是由于温度上升，载流子的寿命缩短，导致Isc和Voc均有所下降。 n对于Si，dVoc/dT2mV。温度每增加1，Voc下降其室温值的大约0.4，也降低约同样的百分数。例如一个Si太阳电池在20时效率为20，当温度升为120时，效率仅为12。又如GaAs，温度每升高1，Voc降低1.7mV或降低0.2。这些计算值与测量值相

16、当一致。如何减少温度对太阳电池转换效率的影响，仍是一个困难的问题。 左图：理论太阳电池转换效率与半导体禁带宽度和温度的关系（设理想的均质电池，无表面复合，收集效率为1，掺杂浓度为1017cm-3，AM1太阳辐射） u光强n为提高电池效率，可以利用太阳光在太阳电池上聚焦，它可使一个小的太阳电池产生较大的电能输出。聚光的结果也使转换效率提高。但是聚光也造成电池温度升高，使载流子的复合寿命缩短。u掺杂浓度n增加基区的掺杂浓度是减小饱和电流的主要途径。此外，在一定范围内，掺杂浓度愈高，Voc就愈高。因此采用重掺杂有利于转换效率的提高。当掺杂浓度从电池表面向结的方向不均匀降低时，在电池内产生附加电场。这

17、种不均匀掺杂有利于光生载流子的收集，从而提高了转换效率。 u表面复合速率 n低的表面复合速率有助于提高Isc，并由于Io的减小而使Voc改善。通常采用以下几种方法降低表面复合速率：1.在减反射膜与表面N层（或P层）之间加钝化层，使表面缺陷结构钝化，从而减少载流子的复合中心2. 控制杂质浓度，从而减少复合中心3. 在电池底层采用重掺杂形成背表面场（BSF），可以加速载流子的输运，减少复合损失u接触电极与串联电阻 n在一个实际的太阳电池中，存在串联电阻，其来源可以是引线、金属栅与半导体的接触或电池的体电阻。n通常情况下串联电阻主要来自P-N结薄扩散层与接触电极。通过金属线的密布，例如采用一种称为激

18、光刻槽埋栅电极工艺，可使串联电阻最小。 u金属栅和光反射 n在前表面上的金属栅不能透过阳光，为了使Isc最大，金属栅占有的面积应最小。一般的办法是使金属栅做成又密又细的形状。目前广泛采用激光刻槽埋栅电极工艺，这种方法将微细电极深入到电池体内部，即减小了遮光，又增大了电流收集，同时减小了串联电阻。 n因为有光反射存在，不是全部光线都能进人硅中。裸硅表面的反射率约为40。使用减反射膜可大大降低反射率。另一种减少光反射的方法是表面织构化（绒面）处理，目的是为了在硅表面造成多次反射（吸收），从而有效地降低表面的总反射。 损失原因改进技术载流子复合1.在减反射膜与N层（或P层）之间加钝化膜，如PERC和

19、PERL电池2.控制晶格缺陷和杂质浓度3.在电池底层加背表面场（BSF）4.合理设计电极光反射1.用减反射膜2.表面织构化处理（绒面技术）光透射1.在底电极上加金属反射层2.进行凹凸处理接触电极与串联电阻 1.合理设计电极2.激光刻槽埋栅电极工艺表面金属栅1.合理设计电极，减小表面覆盖率2.采用激光刻槽埋栅电极工艺太阳电池效率损失原因及其改进技术 太阳电池分类 u按照所用材料的不同，太阳电池可大致分为：n硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅电池n化合物半导体电池。这类电池包括III-V族化合物如砷化镓、磷化铟nII-VI族化合物如硫化镉，以及多元化合物如铜铟硒等为材料的电池n功能高分子材料电

20、池n纳米晶太阳电池u按照材料形态的不同，可分为：n块体电池；n薄膜电池。u按照P-N结的特点，可分为 ：n同质结(homojunction)电池：由同一种半导体材料构成一个或多个P-N结的太阳电池n异质结(heterojunction)电池：由2种不同半导体材料在相界面上构成异质结太阳电池n肖特基结太阳电池：由金属和半导体接触形成肖特基势垒的电池，简称MS电池。n复合结太阳电池：由2个或多个结形成的太阳电池。 u按照聚光与否，又可分为：n平板太阳电池，即非聚光电池。指在1倍阳光下工作的太阳电池，也是目前应用最广的形态。 n聚光太阳电池，指在大于1倍阳光下工作的太阳电池。110倍为低倍聚光，10

21、100倍为中倍聚光，大于100倍的为高倍聚光。 u不论以何种材料来制作太阳电池，对电池材料的一般要求有：n原料来源丰富，生产成本不能过高；n要有较高的光电转换效率，这是太阳电池最关键的技术指标。n材料本身对环境不造成污染；n材料便于工业化生产且性能稳定。太阳电池模块的标准测试条件u在国际上对太阳电池和模块的测试有一套标准测试条件。此条件的要素是： 太阳电池或模块应置于25的温度下，入射到电池上的太阳辐射总功率密度为1000W/m2，而光谱能量分布为大气质量AM1.5时的分布。u当太阳位于与天顶角成的位置（由观察者在海平面所看到），大气质量定义为此时阳光所走距离与太阳在天顶时阳光所走距离的比值。

22、通过简单的几何计算，可得到下面的定义：1AMcos单晶硅电池的基本结构n上图为单晶硅太阳电池的基本结构 。它主要包括：单结的P-N结、指形电极、减反射膜和完全用金属覆盖的背电极。典型的N在P上的电池是由厚度约0.3mm的硅片制做，它的底层或称基体为P型半导体，不受光照，有一薄金属涂层与P型基体接触。P-N结的N型顶层，为了使电阻率低，采用重掺杂，用N+表示。约0.1mm宽、0.05mm厚的金属指形电极与顶层做成欧姆接触用来收集电流。N层的顶部镀了一层透明的、约0.06m厚的减反射膜，它比裸硅有更好的光传输性能，能最大限度地减少光反射。 晶体硅太阳电池制造的主要工艺流程从海边的沙子（石英砂）到太

23、阳电池晶体硅提炼（冶炼）硅片制备（铸造）化学处理表面织构化扩散制P-N结沉积减反射膜和钝化膜电极印刷及烧结电池封装。 太阳电池制备从石英砂到单晶硅片 n右图示出了从石英砂到半导体级单晶硅制程的主要反应步骤。 从最原始的材料纯度为110%的沙子开始，到纯度为10亿分之一杂质含量的半导体级单晶硅，其间经历了一系列的物理和化学过程，而且是高耗能高污染的过程。 从石英砂到单晶硅的主要制造步骤 n在这一阶段制程的主要步骤如下： （1） 将一种含二氧化硅(SiO2)纯度较高(10%)的石英砂和焦炭等含碳材料混合，在高温电弧炉中将二氧化硅还原，生成相对纯的熔融硅。（2）冶金级的块体硅被捣碎成粉末，和HCl气

24、体发生反应，形成三氯硅烷 (SiHCl3) 气体。 （3）半导体级（SeG）三氯硅烷在放有石英或硅基片的反应室中加热至1000，与氢气反应，在基片上沉积所谓半导体级（SeG）的多晶硅： CO(g)2Si(s) 2C(s)(s)SiO2(g) H(g)SiHCl 3HCl(g)Si(s)233000C3HCl(g)Si(s) (g) H(g)SiHCl0100023 C（4）在获得半导体级的多晶硅后，还要通过凝固的工艺方法形成单晶以及更纯的硅。常用的半导体单晶凝固工艺有以下三种：一、正常凝固法，又叫布里奇曼（Bridgeman）法；二、提拉法，又叫丘克拉斯基（CZ）法；三、区域熔解（FZ）法。三

25、种方法的原理示于下图中。 （5） 最后，用金刚石锯或线切割将圆柱状单晶硅锭切成约250m厚的晶圆片（wafer），并进行化学和机械抛光。在锯片工艺中约有1/3的单晶变成了碎屑。太阳电池制备从硅片到太阳电池 u硅片的清洗：一般采用氢氧化钠(NaOH) 或氢氧化钾(KOH)溶液来清洗硅片。 u表面绒面处理 ：芯片清洗后，其表面要做表面绒面（织构化）处理，目的是为了在硅表面造成多次反射（吸收），从而有效地降低硅表面的反射。 理想的绒面为倒金字塔形。研究表明尖角为 的形槽反射率最低。常用绒面制备方法为化学腐蚀法。 。 通常使用方向性蚀刻来完成。使用NaOH 加IPA（异丙醇）的溶液，就会对硅晶片(10

26、0)表面产生方向性蚀刻，暴露出单晶方向的截面，产生大小不一的金字塔形状的表面。 u扩散制P-N结。接下来则是使用扩散法，在硅芯片上形成P-N结二极管。通常使用P型硅芯片作为基底，所以要做N型磷扩散。一般是使用三氯氧磷（POCl3）气体，加上氧气与氮气，在高温扩散炉进行扩散。其化学反应式可表为3225225243262545POClOPOClPOSiPSiO 理想的P-N结的结构u硅晶体表面会和空气中的氧气或水气作用，尤其是加热造成的热氧化，表面都会形成二氧化硅。经过磷高温扩散后，一般的工艺，都使用氢氟酸来除去硅晶体表面的SiO2，其化学反应为: 其中H2SiF6 是可溶于水的。u经过扩散工艺后

27、，整个P型芯片便会被一层N型掺杂层 包裹着。需要由边缘蚀刻处理，将N型边缘除去，显出 P-N结二极管的结构。如果边缘处理不完全，太阳电池 的旁路电阻便会减小，太阳电池的效率也因此减低。 226262SOHFH SiFH Ou表面减反射层。抛光的硅表面的反射率为，为了减少表面反射，提高电池的转换效率，需要沉积一层减反射层。 减反射层有很多种，可以是SiO2、氮化硅（SiNx）或是它们的组合。理论研究表明，理想的减反层应该是SiNx减反层和SiO2减反层的组合，这种组合既具有优良的光学性能，又具有稳定的钝化性能和良好的阻止杂质原子渗透性能。u背表面处理。为了提高电池效率，背表面也需要降低反射率和钝

28、化。工业中背表面钝化是利用丝网印刷技术将铝覆盖在硅片上以合金化。u电极制备：电极制备是太阳电池制备过程中一个至关重要的步骤，不仅决定了发射区的结构，而且也决定了电池的串联电阻和电池表面被金属覆盖的面积。目前采用以下几种电极制备方法： n激光刻槽埋栅 n丝网印刷 n透明电极 n整体背电极 u阵列和封装。单体电池制造完成后，还要将它们串并联后连成组件（包括电连结和机械连结），然后封装，太阳电池产品才算最后完成。 其它类型的太阳电池 u多晶体硅太阳电池：比起单晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池更容易制造，成本较低。但其效率不高，因为在多晶硅的晶粒之间的交界面上，光生载流子（电子和空穴）容易复合在一起。 u

29、化合物与GaAs电池 ：GaAs电池比单晶硅电池转换效率高，但是比硅电池贵得多，通常用于需要高转换率而不考虑价格的场合 。u非晶硅薄膜太阳电池 ：太阳电池可以由极薄的非晶硅（-Si）薄膜制作非晶硅电池由于价格便宜，已广泛用于电子计算器等转换率要求不是很高的的民用电子产品。 u化合物半导体薄膜电池：除了非晶硅薄膜电池以外，还有许多其它材料适用于薄膜太阳电池。其中最有希望的是基于化合物半导体的薄膜，包括铜铟二硒（CuInSe2，常简写成CIS），铜铟镓二硒（CIGS）和锑化镉（CdTe）。 u多层结太阳电池：提高太阳电池转换效率的一个方法是“层叠式”或多层结方法，即2个或更多的P-N结一层一层叠加起来，每一层吸收入射光线的一部分特定光谱。一个具有二层的太阳电池称为“级联式”电池。多层结太阳