学习情境太阳能电池结构和制备

学习情境太阳能电池结构和制备第1页，课件共67页，创作于2023年2月太阳能电池结构P-N结不是简单的物理结合制备PN结方式：合金法（早期使用）扩散法（最简单、最常用）离子注入法薄膜生长法（最新）第2页，课件共67页，创作于2023年2月按结构分类按基质材料和扩散杂质不同而分类：基质材料为P型，扩散杂质为N型，N型材料为受光面；基质材料为N型，扩散杂质为P型，P型材料为受光面；第3页，课件共67页，创作于2023年2月基质材料：P型扩散材料：N型表面：减反涂层背面：背电场（正极）第4页，课件共67页，创作于2023年2月工作原理PN结结合，由于浓度梯度，P型区空穴、N型区电子分别互扩散，形成空间电荷区（空间电场，电场由N指向P）。第5页，课件共67页，创作于2023年2月当用太阳光照射太阳能电池表面时，光子能量将使电池片内部电子激发，产生电子-空穴对电子向带正电的N区移动，空穴向带负电的P区移动；最后造成太阳能电池受光面（上表面）有大量负电荷（电子）累积，在电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）累积；在电池上、下表面做金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流流过；第6页，课件共67页，创作于2023年2月太阳能电池制造工艺以单晶硅电池为例：单晶棒拉制（P型）晶片加工（切割，300μm）腐蚀、清洗（目的？）扩磷（形成P-N结）制作减反膜制作上下电极（蒸发或丝网印刷）第7页，课件共67页，创作于2023年2月绒面结构：选择择优腐蚀，可以在晶片表面形成金字塔结构，称为绒面结构，又叫表面织构化；作用：比平整的化学抛光片表面具有更好的减反射效果，能够更好地吸收和利用太阳光。第8页，课件共67页，创作于2023年2月优势：当一束光线照射在平整的抛光硅片上时，约有30%的太阳光会被反射掉；如果光线照射在金字塔形的绒面结构上，反射的光线会进一步照射在相邻的绒面结构上，减少了太阳光的反射；同时，光线斜射入晶体中，从而增加了太阳光在硅片内部的有效运动长度，也就是增加了光线被吸收的机会。第9页，课件共67页，创作于2023年2月制备绒面结构腐蚀液：NaOH或KOH（利用其各向异性腐蚀特性进行腐蚀）；

Si+2NaOH+H2ONaSiO3+H2由于绒面结构，使得硅片表面的反射率大大降低，表面呈黑色；第10页，课件共67页，创作于2023年2月P-N结制备原材料：（100）方向掺硼的P型硅作为基底；制作工艺：900℃，通过扩散磷形成N型半导体，形成P-N结；扩磷方式：气态源扩散、固态源扩散、液态源扩散；第11页，课件共67页，创作于2023年2月气态磷源：磷烷（P2H5）反应式：2P2H54P+5H2固态磷源：磷玻璃片（Al（PO3）3）反应式：（Al（PO3）3）AlPO4+P2O5

2P2O5+5Si5SiO2+4P第12页，课件共67页，创作于2023年2月太阳能电池片扩散炉第13页，课件共67页，创作于2023年2月石英舟（装片用）第14页，课件共67页，创作于2023年2月石英管第15页，课件共67页，创作于2023年2月补充：固态磷扩散还可以利用丝网印刷、喷涂、旋涂、化学气相淀积等技术，在硅片表面沉积一层磷的化合物；通常是P2O5，然后再高温下和硅反应，生成单质磷原子，扩散到晶片内部，形成P-N结。第16页，课件共67页，创作于2023年2月液态磷源：三氯氧磷（可得到较高的表面浓度）反应式：

5POCl3P2O5+3PCl52P2O5+5Si5SiO2+4P为使P-N结处有尽量多的光线到达，P-N结的结深要尽量浅，一般为250nm，甚至更浅；扩散时采用两步扩散法：预淀积、再扩散；第17页，课件共67页，创作于2023年2月去PSG膜何谓PSG膜？磷硅玻璃，二氧化硅（SiO2中加磷元素）；如何产生？

5POCl3P2O5+3PCl52P2O5+5Si5SiO2+4P在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2；必须去除，否则影响光线的入射，影响吸收效率；第18页，课件共67页，创作于2023年2月腐蚀液：

HF（氢氟酸）

SiO2+4HFSiF4+2H2O第19页，课件共67页，创作于2023年2月铝背场（背电极）目的：为了改善太阳能电池的效率，在P-N结制备完成后，在硅片背面，即背光面沉积一层铝膜，制备P+层，称为铝背场，是为了减少少数载流子在背面复合的几率；也可作为背面的金属电极；制备方式：溅射第20页，课件共67页，创作于2023年2月电池背场第21页，课件共67页，创作于2023年2月电池背面与正面第22页，课件共67页，创作于2023年2月金属电极第23页，课件共67页，创作于2023年2月传统制备方式：真空蒸发、电镀缺点：成本昂贵、工艺复杂；受光面的金属会阻挡太阳光线，减少太阳光的吸收；要求金属电极占表面的面积越小越好；目前采用丝网印刷方式，在太阳能电池的两面制备成梳齿状的金属电极；典型金属电极膜厚为10~25μm，宽度为150~250μm；材料：超细纯银或铅作为主体金属，然后配一定的辅助剂制成膏状，形成印刷浆料；第24页，课件共67页，创作于2023年2月减反射层目的：与表面绒面结构一样，可有效的减少太阳光的反射。减反射效果取决于反射膜的折射率及厚度。原理：利用减反射膜在上、下表面所产生的光程差，使得两束反射光叠加相消，从而减少反射，增加透射；材料要求：具有很好的透光性，对光线的吸收越少越好；同时具有良好的耐化学腐蚀性，良好的硅片粘接性；第25页，课件共67页，创作于2023年2月减反射层材料TiO2SnO2SiO2SiNx（x≤2是常用的减反射膜）MgF2其厚度大都在60~100nm左右；制备方法：化学气相淀积、等离子体化学气相淀积、喷涂、溅射、蒸发。。。。。第26页，课件共67页，创作于2023年2月Si3N4（氮化硅）一种良好的减反射膜；具有良好的绝缘性、致密性、稳定性和对杂质离子的掩蔽能力；具有良好的光学性能，折射率较大；在制备过程中，会对硅片产生氢钝化作用，可以明显改善太阳能电池光电转换效率；第27页，课件共67页，创作于2023年2月氮化硅制备常压化学气相淀积（APCVD）700~1000℃低压化学气相淀积（LPCVD）750℃等离子体化学气相淀积（PECVD）300~400℃PECVD优点：淀积温度低，对少子寿命影响小；生产能耗低；淀积速度快，生产效率高；第28页，课件共67页，创作于2023年2月PECVD淀积氮化硅膜原理：

3SiH4+4NH3Si3N4+12H2第29页，课件共67页，创作于2023年2月薄膜太阳电池硅材料缺陷：禁带宽度窄，光电转换效率较低；光吸收系数较低（欲吸收95%的太阳光，硅电池需要150μm的厚度，而GaAs材料只需5~10μm）；硅材料需要多次提纯，相对成本较高；硅太阳电池尺寸相对较小，若组成光伏系统，需要数十个相同的硅太阳电池连接起来；第30页，课件共67页，创作于2023年2月第31页，课件共67页，创作于2023年2月薄膜太阳电池优点：电池厚度只有1~10μm，制备在玻璃等相对廉价的衬底支撑材料上，因此，可以实现低成本、大面积的工业化生产。主要的薄膜电池材料：GaAs薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池CuInSe薄膜太阳能电池CdTe（碲di化镉）薄膜太阳能电池第32页，课件共67页，创作于2023年2月GaAs薄膜太阳能电池GaAs材料优点：直接能带结构，禁带宽度较宽，光谱响应特性好，因此其光电转换效率较高；耐高温性、抗辐射性好；缺点：生产设备复杂，能耗大；生产周期长，成本高；仅仅使用在空间中；第33页，课件共67页，创作于2023年2月GaAs电池材料制备早期：n型GaAs体单晶，通过扩散工艺，在表层扩散P型掺杂剂（Zn），形成P型GaAs层，构成P-N结太阳能电池结构。缺陷：

GaAs体电池复合速率很高，电池转换效率一直不高，其生产成本也很高；现在采用液相外延（LPE）、金属有机物化学气相外延（MOCVD）等生长技术，在GaAs单晶衬底上，生长n型或p型GaAs薄膜，构成GaAs薄膜太阳能电池；第34页，课件共67页，创作于2023年2月液相外延（LPE）在GaAs单晶衬底上，利用低熔点的金属（如Ga、In）作为溶剂；加入GaAs材料和掺杂剂（如Zn、Te等），作为溶质；在一定温度下，使溶质在溶剂中呈饱和状态；逐渐降温，使溶质在溶剂中呈过饱和状态，而从溶剂中析出，在衬底上结晶；加入不同的掺杂剂，可以分别实现n型GaAs或p型GaAs；第35页，课件共67页，创作于2023年2月早期的单结GaAs薄膜电池都是采用液相外延制备；生产技术简单，成本较低；难以实现外延层参数的精确控制和异质外延生长；只吸收特定波长的太阳光谱，而且同质的GaAs界面的表面复合几率较大；第36页，课件共67页，创作于2023年2月解决方法：将两种或两种以上的不同禁带宽度的薄膜材料叠加在一起，可以形成双结、三结或四结叠层的异质结太阳电池结构（见教材图3.13），吸收更多的太阳能光谱，从而提高太阳能电池的光电转换效率；但是，LPE技术难以实现多结叠层薄膜太阳能电池结构。第37页，课件共67页，创作于2023年2月20实际80年代以后，MOCVD薄膜生长技术出现，为多结叠层薄膜太阳能电池的应用创造了可能！第38页，课件共67页，创作于2023年2月两种结构：双结AlGaAs/GaAs薄膜太阳能电池双结GaInP/GaAs薄膜太阳能电池（界面复合速率低，电池抗辐射性能好，具有更好的光电性能和更长的寿命）新提出三结、四结薄膜太阳能电池结构。第39页，课件共67页，创作于2023年2月非晶硅薄膜太阳能电池特点：重量轻、工艺简单、成本低、能耗少；用途：电子计算器、手表、路灯等消费产品；结构：pin结构（i：绝缘层）第40页，课件共67页，创作于2023年2月非晶硅薄膜电池第41页，课件共67页，创作于2023年2月原因：非晶硅晶体原子无周期性排列，对载流子具有很强的散射作用；载流子扩散长度很短，使得光生载流子在太阳能电池中只有漂移运动而无扩散运动；隧道电流占主导地位，使其呈电阻特性，而无整流特性；不能制作太阳能电池；第42页，课件共67页，创作于2023年2月在P层和N层之间加入较厚的本征层i，以抑制其隧道电流；为解决光生载流子由于扩散限制而很快复合的问题，非晶硅薄膜太阳能电池一般被设计成pin结构；

p：入射光层

i：本征吸收层

n：基底层第43页，课件共67页，创作于2023年2月光生伏特原理：入射光穿过P型入射光层，在本征吸收层中产生电子-空穴对，很快被内建电场分开，空穴漂移到P层，电子漂移到N层，形成光生电流和光生电压。pin+++++++++－－－－－－－

第44页，课件共67页，创作于2023年2月结构单结；在玻璃、不锈钢、陶瓷、塑料等柔性衬底上，制备pin非晶硅层。玻璃衬底：玻璃／ＴＣＯ／ｐ－ａ－ＳｉＣ：Ｈ／ｉ－ａ－Ｓｉ：Ｈ／ｎ－Ｓｉ：Ｈ／ＴＣＯ／Ａｌ不锈钢衬底：不锈钢/ZnO/n-a-Si：H/i-a-Si（Ge）：H/p-Si：H/ITO（氧化铟锡）第45页，课件共67页，创作于2023年2月制备工艺流程：清洗和烘干玻璃衬底生长透明导电膜（TCO）激光切割生长pin非晶硅结构蒸发、溅射铝膜切割制成电极（或直接掩膜蒸发铝膜）第46页，课件共67页，创作于2023年2月玻璃/TCOAl（金属接触层）第47页，课件共67页，创作于2023年2月问题：为了增加光电转换效率，一般尽量增加光敏区i层的厚度；非晶硅中载流子的迁移率很低，因此，需要有足够电场强度的内建电场将光生载流子输送到电极。为了保证内建电场的强度，本征i层又尽量薄；所以，pin结构的非晶硅薄膜太阳能电池的i层厚度设计在500nm左右；p层、n层的厚度要尽量薄，一般设计在10nm数量级；第48页，课件共67页，创作于2023年2月非晶硅薄膜制备化学气相淀积辉光放电溅射真空溅射热丝蒸发等离子体化学气相淀积第49页，课件共67页，创作于2023年2月常用淀积反应式：

SiH4Si+2H2掺杂剂：磷烷（PH5），获得n型非晶硅；硼烷（B2H6），获得p型非晶硅；第50页，课件共67页，创作于2023年2月非晶硅薄膜电池光电转换效率低非晶硅带隙较宽，但实际可以利用的太阳光谱主要光谱段是0.05~0.7μm，相对较窄；掺杂杂质离化形成的电子或空穴仅有一定比例的部分成为自由电子，而且，非晶硅缺陷多，载流子扩散长度很短，电流很小；因此，非晶硅薄膜太阳能电池的开路电压比预期值要小；第51页，课件共67页，创作于2023年2月解决这些问题比较困难，可通过利用不同光学带隙的材料通过改善非晶硅薄膜电池的设计以增加电池的效率。第52页，课件共67页，创作于2023年2月解决方式将太阳能电池窗口材料的p型的a-Si薄膜改为带隙更宽的材料，如p型的a-SiC：H或p型的a-SiN：H薄膜材料，以减少光线在表面的吸收；多级带隙材料结构，即利用多层不同宽带隙材料的叠加以替代p型的a-Si薄膜，尽量增加长波长光线的吸收，使得非晶硅薄膜太阳电池的吸收光谱最大地接近太阳光谱；第53页，课件共67页，创作于2023年2月第54页，课件共67页，创作于2023年2月多晶硅薄膜太阳能电池单晶硅太阳能电池成本较高，非晶硅薄膜电池效率较低，而且存在光衰减现象；在廉价衬底上制备多晶硅薄膜太阳能电池成为目前国际上研究的重点；多晶硅薄膜电池优势：衬底便宜、硅用料少；无光的衰减现象；结合单晶硅和非晶硅的优点；第55页，课件共67页，创作于2023年2月多晶硅薄膜电池缺陷：晶粒较小，光电转换效率依然较低；到目前为止，依然未有大规模的工业生产；第56页，课件共67页，创作于2023年2月多晶硅薄膜电池结构与单晶硅电池结构相似，区别在于材料的形式不同；衬底材料：玻璃、晶体硅、多晶硅、SiC等；减反层n-Sip-Si衬底第57页，课件共67页，创作于2023年2月制备工艺：基底选择p型多晶硅薄膜制备（等离子体化学气相淀积、溅射、液相外延）扩磷，形成n型多晶硅薄膜减反层制备。。。。。。。第58页，课件共67页，创作于2023年2月CdTe薄膜太阳能电池优势：禁带宽度宽（1.45ev）；生产成本低；相对光电转换效率高；可大面积生产；是一种具有重要应用前景的薄膜太阳能电池；第59页，课件共67页，创作于2023年2月CdTe薄膜太阳能电池结构纯的SnO2是透明的n型半导体材料，禁带宽度在3.6ev，透光率在80%以上；掺入1%的Sb等杂质，可使SnO2的导电能力大大提高，变为良好的导体；玻璃（衬底）SnO2（透明导电膜）CdS（n型窗口层）CdTe（p型电池材料）背面接触金属层第60页，课件共67页，创作于2023年2月SnO2的制备常压化学气相淀积低压化学气相淀积磁控溅射（原料：SnO2和Sb2O3）热分解成膜（原料：SnO4或SnCl4）磁控溅射和热分解已在工业中得到广泛的应用。反应式：

SnCl4+2H2O

SnO2+4HCl第61页，课件共67页，创作于2023年2月如何提高SnO2的光透率及电导率？为了增加电导率，在制备过程中，通常需要加入NHF4、SbCl3的材料；掺锑的SnO2薄膜简称ATO，掺氟的SnO2薄膜简称FTO；除SnO2薄膜以外，ZnO、In2O3薄膜也常被用作导电膜；第62页，课件共