第三章 太阳能电池

第三章太阳电池和发光二极管主要内容3.0序言3.1半导体中的光吸收3.2太阳电池的工作原理3.3光生电流的收集效率3.4太阳电池设计的几个问题3.5各种太阳电池3.6总结3.0序言地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。包括风能、海洋能等，都是太阳能的子孙、都是太阳能转换而成。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。研究背景传统化石能源→不可再生、环境污染、能源枯竭可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等↓资源丰富、利用方便、洁净无污染石油煤天然气其他世界的能源结构能源结构调整太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！每年排放的二氧化碳达210万吨化石能源开采高峰2020~2030年何为太阳电池?太阳电池是一种将太阳能直接转化成直流电的装置。能产生电压和电流提供给负载

(如照明灯具,电池,马达)。P=IxV=I2xR=V2/R它像电池因为它提供直流电。它又不像电池因为它提供的电压随负载阻抗的变化而变化。太阳电池截面A----玻璃外壳B----防反射层C----正面电极D----N-SiE----P-SiF----背电极太阳能电池的发展（1）1839年Becquerel发现光照下浸没在电解液中的电极间有电压存在。1876年发现硒元素有同样的效应。1941年研制出第一个硅太阳电池。1954年现代太阳电池研究的开端。美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。太阳能电池的发展（2）太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。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年内太阳能电池能源在中国、美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。太阳能电池的发展（3）Ps:太阳电池转换效率的趋势与“摩尔定律”不同。硅太阳能电池的生产流程

太阳电池的应用地面交通工具外太空航空偏远地区提供电力主要内容3.0序言3.1半导体中的光吸收3.2太阳电池的工作原理3.3光生电流的收集效率3.4太阳电池设计的几个问题3.5各种太阳电池3.6总结3.1半导体中的光吸收半导体材料对光吸收本征吸收：3.1.1光吸收过程及本征吸收本征吸收非本征吸收光能量经半导体吸收，使价带电子跃迁到导带（即载流子越过Eg）。本征吸收非本征吸收跃迁吸收非跃迁吸收激子吸收杂质迁吸收自由载流子吸收晶格吸收吸收系数（ａ）：单位长度Si内可吸收的光子个数。吸收量与吸收深度的关系：F（x）=Fph

·e-ａx

其中：

F（x）——在Si内x界面处光子密度

Fph

——入射光子流密度例：计算光吸收达95%时所需要的x厚度？解：F（x）/Fph

=e-ａx=95%

X=-1/ａ·ln95%波长、吸收系数与吸收深度的关系ןλ0.45nm0.8nm1.12nm波长0.45nm0.80nm……ａ2×1048×102……X(cm)1.5×10-43.7×10-3……主要内容3.0序言3.1半导体中的光吸收3.2太阳电池的工作原理3.3光生电流的收集效率3.4太阳电池设计的几个问题3.5各种太阳电池3.6总结3.2太阳电池的工作原理3.2.1电池结构及工艺Al-Ag背电极P+PN+SiO2900埃抗反射层Al-Ag电极3.2.2光生伏特效应

光生伏特效应：

PN结受到光照后，产生电子-空穴对，对外产生光生电动势。

光是以光子的形式传播的，其能量可表示为：当光子到达太阳电池表面，一部分光子被反射掉了，但不是所有的光子都被反射掉，有一部分被P-N结吸收或转化。当光子被吸收后，光子的能量被转换交给晶格中的电子

，这就是光生伏特效应（photovoltaiceffect）。太阳电池由半导体材料制成，典型如：硅（Silicon）光子的能量被转换给n-type中价带顶的电子。这些电子于是被激发，离开了价带(电子为多数载流子，空穴为少数载流子)。从而产生电子-空穴对。在p-type中空穴为多数载流子，电子为少数载流子当p-type和n-type接触时形成p-n

结，电子和空穴向对方层扩散。电子与空穴复合达到平衡时，形成耗尽层。耗尽层将正负电荷分离，阻止电子和空穴向对方层的继续扩散–形成内建电势。光电效应：

hγ≥

Eg，在P、N区产生电子空穴对光生载流子扩散至空间电荷区进入电荷区的电子和空穴被电场分别扫向N、P区N区电子累积，P区空穴累积产生光生电势，同时对外部呈现光生电场，即开路电压光照能带图EcEvq(VD-VOC)VOCEFNEFPPN非平衡态等同于PN结正偏时的效果EFN分裂成：EFN和EFPVOC

=EFN-EFP实验曲线3.2.3光生伏特效应的I-V曲线IpVp最大矩形测试条件AM0----大气质量为0，最佳功率点135mW/cm2AM1----地面上最佳气候条件，太阳在天顶光谱100mW/cm2（昆明、5月、山顶、12:00）AM2----稍有烟雾的气候条件，较小的太阳角光谱，72-75mW/cm2光电流与结电流光生电场在内部产生——结电流Ij光生电压在外部产生——光电流IL=短路电流I=IL-Ij=IL-I0[exp(qV/kT)-1]开路电压VocI=0，即IL-I0[exp(qV/kT)-1]=0Voc=(kT/q)·ln(1+IL/I0)理论上电池的最大效率：Pmp

=Imp·Vmp实际上电池的功率是由I-V曲线功率矩形决定：3.2.4太阳能电池效率IV0ImpVmp掺杂浓度与Voc关系Na缺陷少子寿命1016-1017有一个最佳值Na1015101610171018Voc(mV)504565625684填充因子（占空因数）FF=(Imp·Vmp)/(Isc

·Voc)=0.7-0.8转换效率η=单位面积输出的电功率/单位面积输入的电功率

=(FF·Isc

·Voc/A)/100mW/cm2主要内容3.0序言3.1半导体中的光吸收3.2太阳电池的工作原理3.3光生电流的收集效率3.4太阳电池设计的几个问题3.5各种太阳电池3.6总结连续性方程，以电子为例：Dn(d2np/dx2)-(np-np0)/τ+GL=0其中GL=ａ·Fph

·

exp(-ａx)光子收集效率：η=（Jn+Jp）/（q·Fph

）其中Jn=qDn(dnp/dx)

Jp=-qDp(dpn/dx)3.3光生电流的收集效率3.3.1光生载流子的收集少子扩散长度增大扩散长度——在工艺上措施——增加PN结杂质浓度吸收系数系数大的材料——增加表面吸收系数小的材料——降低表面吸收3.3.2影响收集效率的因素光子波长短波长（5500埃以下）

材料的表面吸收比体内吸收强，大多数光子在表面处转换为光生载流子（电子-空穴对）长波长（9000埃左右）

在材料的体内深处吸收转换光生载流子（电子-空穴对）x载流子浓度x载流子浓度p+np+nIλ短长总主要内容3.0序言3.1半导体中的光吸收3.2太阳电池的工作原理3.3光生电流的收集效率3.4太阳电池设计的几个问题3.5各种太阳电池3.6总结3.4太阳电池设计的几个问题3.4.1光谱匹配到达地球的能量约1.37KW/m2太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(PhotovoltaicEffect)由太阳光与材料相互作用而产生电势。UVVisibleInfrared等效电路

Rs=R0+Rb+Rc，其中：R0薄层电阻、Rb基体电阻、Rc电极电阻3.4.2太阳电池串联电阻Rs串联电阻讨论RsR0薄层电阻——表面层掺杂浓度Rb基体电阻——1Ω·cmRc电极电阻——合理收集栅极线设计3.4.3表面反射问题900埃抗反射膜SiO2p+n光吸收增加绒面制备硅片采用0.5~2Ω·cm，P型晶向为（100）的单晶硅片。利用氢氧化钠溶液对单晶硅片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面。当各向异性因子=10时（所谓各向异性因子就是（100）面与（111）面单晶硅腐蚀速率之比），可以得到整齐均匀的金字塔形的角锥体组成的绒面。绒面具有受光面积大，反射率低的特点。可提高单晶硅太阳电池的短路电流，从而提高太阳电池的光电转换效率。

金字塔形角锥体的表面积S0等于四个边长为a正三角形S之和

S0=4S=4×a×a=a2

由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即1.732倍。

a当一束强度为E0的光投射到图中的A点，产生反射光Φ1和进入硅中的折射光Φ2。反射光Φ1可以继续投射到另一方锥的B点，产生二次反射光Φ3和进入半导体的折射光Φ4；而对光面电池就不产生这第二次的入射。经计算可知还有11%的二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为9.04%。图（15）

20多年来单晶硅太阳电池商品化过程中，为提高太阳电池效率和降低制造成本优化绒面工艺一直没有停止过。以致出现了晶片绒面化的材料供应商。尚德太阳能电力有限公司在制绒过程中，对传统制绒工艺进行改革，有所创新，所制绒面颜色均匀一致无花篮印、白边、雨点印迹，反射率曲线。图（16）总成本=晶片+芯片加工+封装提高转换效率：减小反射，增加光吸收（表面）PN结制备（扩散温度、浓度、时间）背电场（一定厚度，200μm）减小串联电阻复合受损（表面复合、背面复合）3.4.4太阳电池的成本问题主要内容3.0序言3.1半导体中的光吸收3.2太阳电池的工作原理3.3光生电流的收集效率3.4太阳电池设计的几个问题3.5各种太阳电池3.6总结3.5.1太阳能电池的分类

1、硅系太阳能电池

2、多元化合物薄膜太阳能电池

3、聚合物多层修饰电极型电池

4、纳米晶化学太阳能电池据所用材料分砷化镓III-V化合物硫化镉铜铟硒单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池3.5各种太阳电池太阳能电池对材料的要求半导体材料的禁带不能太宽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各类太阳能电池的制造方法及研究状况种类材料太阳能单电池效率太阳能电池模块效率主要制备方法优点缺点硅系太阳能电池单晶硅15~24%13~20%表面结构化发射区钝化分区掺杂效率最高技术成熟工艺繁琐成本高多晶硅10~17%10~15%化学气相沉积法液相外延法溅射沉积法无效率衰退问题成本远低于单晶硅效率低于单晶硅非晶硅8~13%5~10%反应溅射法PECVD法LPCVD法成本较低转换效率较高稳定性不高种类材料

单电池效率模块效率主要制备方法优点缺点多元化合物薄膜太阳能电池砷化镓

19~32%23~30%MOVPE和LPE技术效率较高成本较单晶硅低易于规模生产原材料镉有剧毒碲化镉

10~15%7~10%铜铟硒

10~12%8~10%真空蒸镀法和硒化法价格低廉性能良好工艺简单原材料来源比较有限纳米晶化学太阳能电池8~11%~8%溶胶凝胶法水热反应溅射法成本低廉工艺简单性能稳定

聚合物多层修饰电极型太阳能电池

3~5%

处于研发当中易制作材料广泛成本低寿命短3.5.2无机太阳能电池半导体中可以利用各种势垒如p-n结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。工作原理无机太阳能电池研究进展

无机太阳能电池的性能及应用单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本可降低为5~8美分/（kW·h）3.5.3有机太阳能电池工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)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。

研究进展:美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料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。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。

3.5.4色素敏化光化学太阳能电池（DSSCs）电池结构

阳极：染料敏化半导体薄膜

TiO2、染料阴极：镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-工作原理S+hS*S*S++e-CB(TiO2)S++A-S+AA+e-(CE)A-1991年，瑞士GrätzelM.以较低的成本得到了>7%的光电转化效率。1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引起了全世界的关注。目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿命能达15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。研究进展3.5.5新型太阳能电池e-外电路光子电子能量色素分子层金层肖特基结TiO2层Ti基底124351.电子激发2.电子穿越3.电子进导带4.电子热能化5.色素分子还原导带转换效率小于1%，10%吸收的光子转换为电流。主要内容