新能源发电技术2-太阳能光伏发电技术3

1、North China Electric Power University28-Jul-22 Email: 新能源发电技术第2章 (3)电力工程系Department of Electrical Engineering2.2太阳能电池工作原理2.2.3同质结太阳能电池(11)等效电路、输出功率和填充因数等效电路太阳能电池的理想状态等效电路 理想状态：只有ISC和Id2.2.3同质结太阳能电池(12)等效电路、输出功率和填充因数等效电路太阳能电池的实际状态等效电路 非理想状态：并联一个旁路电流支路等效电路2.2.3同质结太阳能电池(13)等效电路、输出功率和填充因数输出功率:流进负载的电流为I，

2、负载端电压为U2.2.3同质结太阳能电池(14)等效电路、输出功率和填充因数输出功率:流进负载的电流为I，负载端电压为U太阳能电池的负载特性曲线（输出特性） MImUmAUocIscO2.2.3同质结太阳能电池(15)等效电路、输出功率和填充因数输出功率:流进负载的电流为I，负载端电压为UPm= ImUm：最大输出功率M点：太阳能电池的最佳工作点或最大功率点Im：最佳工作电流Um：最佳工作电压Rm:最佳负载电阻填充因数(FF)最大输出功率与（UocIsc）之比四边形O ImM Um与四边形O IscA Uoc面积之比填充因数表征太阳能电池的优劣，一定光谱幅照度下，FF愈大，曲线愈方，输出功率愈

3、高。2.2.3同质结太阳能电池(16)等效电路、输出功率和填充因数填充因数(FF)的相关因素入射光谱辐照度反向饱和电流I0A因子串连电阻Rs并联电阻Rsh2.2.3同质结太阳能电池(17)太阳能电池的效率效率定义：太阳能电池受光照射时，输出电功率与入射光功率之比称为太阳能电池的效率，也称光电转换效率。At 太阳能电池总面积Aa 有效面积Pin单位面积入射光功率随温度升高太阳能电池效率下降 2.2.3同质结太阳能电池(18)太阳能电池的效率硅太阳能电池的效率分析美国普林斯理论效率：21.7%1970年代华尔夫20-22(AM0光),后25(AM1.0光)2.2.3同质结太阳能电池(19)1光的反

4、射损失2光的透射损失3光的产生性损失4N+区产生7N+区前表面复合8N+区复合5空间电荷区产生9空间电荷区复合6P区产生10P区复合11P区背表面复合2.2.3同质结太阳能电池(20)12势垒高度损失13结中产生声子或微等离子效应14正向结电流15少子复合17并联电阻损耗16串联电阻损失18输出电能2.2.3同质结太阳能电池(21)主要的损失指标反射损失3%长波损失：波长大于1.1m(hEg激发出光生载流子多余能量损失，43%光生空穴电子对在各区复合。16%光生载流子被P-N结分离时，产生结区损失26.3%串并联电阻损失，3%在最佳负载上得到的电功率，25%2.2.3同质结太阳能电池(22)影

5、响效率的因素和提高效率的途径提高太阳能电池的效率要提高：Uoc,Isc和FF主要的影响因素有：基片材料、暗电流、高掺杂效应及串并联电阻的影响暗电流P-N节正向电流JD包括注入电流、复合电流和隧穿电流隧穿电流与温度无关对于宽禁带材料或在低温、低光谱辐照度时，注入电流的影响大对于窄禁带材料或在高温、高光谱幅照度时，复合电流更重要2.2.3同质结太阳能电池(23)影响效率的因素和提高效率的途径暗电流一般太阳能电池的暗电流JD=J0(eqU/AkT-1)曲线因子A与工艺有关,品质优良的电池中A=1,劣质的电池中可能会A2减小A因子办法: (1)减小空间电荷区的复合能级(2) 抑制高掺杂效应(3) 增加

6、各区少子寿命 (4)加强漂移场，减少表面复合等2.2.3同质结太阳能电池(24)影响效率的因素和提高效率的途径高掺杂效应硅中杂质浓度高于1018/cm3高掺杂引起禁带收缩，杂质不能全部电离和少子寿命下降等叫高掺杂效应2.2.3同质结太阳能电池(25)影响效率的因素和提高效率的途径提高效率的途径紫光电池：克服死层，提高蓝紫光响应绒面电池：减少反射损失,增加光生载流子量；增加P-N结面积背表面的光子反射层：发射到达底面的红光优质减反射膜的选择退火和吸杂：提高少子寿命正面高低结太阳能电池：附加结理想化的太阳能电池模型：希望25%的效率2.2.3同质结太阳能电池(26)太阳能电池的辐射损伤和耐辐射特性

7、辐射环境地球磁场俘获的带电粒子，电子和质子太阳耀斑质子银河宇宙射线辐射损伤半导体受到高能粒子辐照后产生缺陷的情况对材料减少了少子寿命对太阳能电池减少基区寿命耐辐照性能N-P电池优于P-N电池基体电阻率10cm电池优于2 cm电池薄电池优于厚电池非背场电池优于背场电池2.2.3同质结太阳能电池(27)太阳能电池的辐射损伤和耐辐射特性相对损伤系数定义：某种类型与能量的一个全向粒子对带有一定面密度盖片太阳能电池的损伤相当于对无盖片电池产生相同损伤所需的单向垂直入射1.0MeV电子或10MeV质子的数量。辐射损伤可以部分恢复2.2.3同质结太阳能电池(28)硅太阳能电池的温度特性和光电特性开路电压随温

8、度升高而下降短路电流随温度升高而升高输出功率随温度升高而下降太阳能电池温度特性和光电特性对空间应用重要2.2.3同质结太阳能电池(29)硅太阳能电池的温度特性和光电特性不同温度下对太阳能电池I-V曲线的影响 2.2.3同质结太阳能电池(30)硅太阳能电池的温度特性和光电特性不同温度下对太阳能电池P-V曲线的影响2.2.4肖特基结太阳能电池(1)金属与半导体的功函数CIS电池：C导体，I绝缘层，S半导体金属半导体的逸出功或功函数：一个初始能量等于费米能级(EF)m的电子从金属体半导体内逸出到真空(能级E0)所需要的最小能量Wm=E0-(EF)mWs=E0-(EF)s功函数标志着电子被正离子吸引的

9、强弱金属名称AlNiCuAgTiPtMn功函数Wm4.285.514.654.264.335.654.12.2.4肖特基结太阳能电池(2)金属半导体的接触势垒若功函数WmWs,费米能级(EF)s (EF)m金属与半导体紧密接触时电子由半导体流向金属出现由半导体指向金属的电场，直到电流平衡形成接触电动势差qUD金属与N型半导体接触时，WmWs，在半导体表面形成表面势垒，为高电阻层又称阻挡层，反之为反阻挡层金属与P型半导体接触时，WsWm，在半导体表面形成表面势垒，为高电阻层又称阻挡层，反之为反阻挡层。这种金属与半导体形成的阻挡层叫肖特基势垒2.2.4肖特基结太阳能电池(3)肖特基势垒的正反向特性

10、与P-N结的正反向特性相似外加正向电压，形成正向电流外加反向电压，形成反向电流反向电流有一个饱和值2.2.4肖特基结太阳能电池(4)实际的肖特基势垒表面态的影响晶体硅表面上的一个硅原子只与三个硅原子有共价键，存在一个未配对的价电子，称为悬挂键。悬挂键对应的能态叫表面态悬挂键可以与体内交换电子，形成表面势垒表面态密度很高时，金属半导体接触势垒与金属功函数及半导体掺杂度无关镜像力的影响离开金属表面的电子对金属中感应出的正电荷的吸引力。2.2.4肖特基结太阳能电池(5)实际的肖特基势垒隧道效应的影响能量低于势垒的电子也有一定几率穿过这个势垒，穿过的几率与电子能量和势垒厚度有关2.2.4肖特基结太阳能

11、电池(6)肖特基太阳能电池的构造和工作原理外形与P-N结太阳能电池相同结构简单在半导体表面敷一层透明金属层金属上金属电极半导体背表面覆盖金属底电极透明金属层上涂覆一层减反射膜光照后，产生由金属指向半导体的光生电压，肖特基电池的光生伏达效应可以看作P+区掺杂浓度很高，宽度很小的P+结太阳能电池2.2.4肖特基结太阳能电池(7)光电流、光电压和光电转换效率光电流可以采用P-N结光电流公式，但是只需考虑耗尽区和基区的光电流即可：IL=Ic+In耗尽区就在半导体表面，紫光吸收好,无死层属多子器件其暗电流由半导体发射到金属的多子贡献其开路电压随基区浓度增加而减小开路电压较低是肖特基电池的不足之处光电压：

12、金属指向半导体2.2.4肖特基结太阳能电池(8)光电流、光电压和光电转换效率效率可以沿用P-N结太阳能电池的分析方法和术语金属硅太阳能电池效率最多22%金属砷化镓太阳能电池效率最多25%实际上，肖特基太阳能电池的效率一般比较低2.2.4肖特基结太阳能电池(9)MOS或MIS太阳能电池在金属M和半导体S之间夹进一层极薄的氧化物O或绝缘体S构成MOS或MIS电池具有比MS肖特基太阳能电池更高的开路电压和转换效率2.2.5异质结太阳能电池(1)异质结的构成及其能带图形成半导体的两种材料不同：如硫化亚铜和硫化镉，硅和磷化镓等突变结:两种材料的过渡区只有几个原子层(复合电流隧道电流异质结电池：隧道电流复

13、合电流扩散电流（注入电流）2.3太阳能电池制造工艺硅材料来源优质石英砂，也称硅砂，以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界中硅砂（焦炭电炉）硅铁(冶金铁,含硅97%-99%) 盐酸 三氯氢硅(CH4硅烷) 还原氢气 多晶硅硅在地壳中的含量为27.7%，在所有的元素中居第二位，地壳中含量最多的元素氧和硅结合形成的二氧化硅SiO2，占地壳总质量的87%。由于硅易于与氧结合，自然界中没有游离态的硅存在硅有晶态和无定形两种同素异形体。2.3.1 硅材料制备(1)硅材料来源晶态硅分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。

14、晶态硅的熔点1410C,沸点2355C,密度2.322.34g/cm3，莫氏硬度为7。单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时,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，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅不如单晶硅。2.3.1 硅材料制备(2)硅材料来源硅元素2.3.1 硅材料制备(3)2.3.1 硅材料制备(4)多晶硅锭制造杜邦法：SiCl4锌还原法三氯氢硅法（西门子法）制作三氯氢硅(TCS)分馏TCS达到PPb级超纯化学气相沉积法还原成多晶硅硅烷法成

15、本和质量都比三氯氢硅法高2.3.1 硅材料制备(5)多晶硅锭制造多晶硅基片（铸造型、硅带型）的生产铸造法硅带法或膜片法铸锭多晶硅制备加工费用降低2.3.1 硅材料制备(6)单晶硅锭的制造切可劳斯基法把籽晶引向熔融的硅液，然后旋转提拉，粒大的单晶硅棒按照籽晶生长熔化硅前掺杂可以拉制直径大于6英寸，重达百千克的大型单晶硅区熔法高频线圈环绕单晶硅棒加热，局部熔化，反复提纯也称浮区熔法，是目前制造高效和超高效单晶硅太阳能电池唯一方法2.3.1 硅材料制备(7)片状硅制造减少了切割损失定边喂膜法、硅筒法等，未大规模工业化生产2.3.1 硅材料制备(8)非晶或微晶硅膜制造热化学气相沉积法硅烷热分解得到非晶

16、硅膜辉光放电法硅烷在高压交流或直流辉光放电条件下分离目前的非晶硅电池多利用此法2.3.1 硅材料制备(9)非晶或微晶硅膜制造光化学气相沉积法用激光束或微波束切割硅氢键制作非晶硅膜溅射法在低压气体中射频或直流放电，通过高能电离粒子撞击硅，使部分硅原子脱落电子束蒸发法用高能电子束照射硅，局部熔化、蒸发形成非晶硅前三种属于化学气相沉积法，后两种属于物理气相沉积法2.3.1 硅材料制备(10)太阳级硅每吨单晶硅制造0.3-0.4MW太阳能电池一般认为效率为10%的太阳能电池的廉价硅材料称为太阳级硅用于制造集成电路的硅称“电路级硅”不同的杂质的掺杂浓度对太阳能电池效率有影响2.3.2多晶硅太阳能电池制造

17、工艺(1)多晶硅产量占世界太阳能电池48.8%,效率达到19生产四个技术阶段:原料、基片、电池、组件工艺流程：切片清洗腐蚀制结去边制减反射膜电极制备烧结检测硅片的表面处理硅片的化学处理表面污染的杂质：油脂、松香等有机物质，金属离子等无机化合物，尘埃等可溶性物质高纯水、甲苯三氯乙烯等有机溶剂和高纯中性洗涤剂等清洗硅片的表面腐蚀利用酸性或碱性腐蚀液对硅切片损伤腐蚀2.3.2多晶硅太阳能电池制造工艺(2)扩散制结制结过程是在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层，与表面处理是两个关键工序。制结方法：热扩散法、离子注入法、外延法、激光法、高频电注入法等热扩散方法制结，是利用加热方法使V族杂质（一般用磷）掺入P型硅，或III族杂质（一般用硼）掺入N型硅要求获得太阳能