太阳能电池相关材料.

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1、第七章 太阳能电池相关材料 1.太阳能电池的发展历史 1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应 用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8。1973年世界爆发石油 危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近10几年来，随着世 界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性 、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家制 定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为 太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电池 产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能电 池设备业的发展。在199

2、72006年的10年中，世界光伏产业扩大了20倍 ，今后10年世界光伏产业仍以每年30以上的增长速度发展。 并网发电系统及工作原理 光伏航标灯 去年全球的光伏组件生产量约为10.7G瓦，而中国占40% 以上。最近十年内，光伏产业的产值增长率为年均48.5% ，近5年的增幅高达55%。尽管近3年全球遭遇了金融危机 ，但是光伏行业的增长率依然高达35%，这是其他行业难 以比拟的增速。 2009年，全球十大光伏生产企业中，中国有尚德控股、天 威英利和晶澳太阳能等公司入选，分别名列第三、第五和 第七位。而今年若按发货量看，尚德控股和晶澳太阳能的 座次可能会继续上升，德国Q-cells将被挤出前三位。尚

3、德 控股也有可能仅次于美国First Solar，成为世界第二大生 产企业。 2. 技术发展趋势 2.1 硅基电池: v 硅是地球上丰度第二大元素，资源丰富(以石英砂 形式存在)； v 环境友好； v 电池效率高，性能稳定； v 工艺基础成熟。 v 硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点晶硅 电池的产业化技术 硅基薄膜电池 研究开发方向： 晶硅电池: 提高电池/组件效率 高效钝化技术：TiO2，SiNx, H、SiO2, a-Si 。 高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等， 选择性发射区(前)， 背表面场(BSF)， 细栅或者单面技术， 高效封装技术最佳封装材料的折射率等。 简化、改进

4、工艺自动化、环保、低成本； 如硅片 薄化及其工艺， 材料的国产化和提高性能； 硅基薄膜电池 低温过程(PECVD) 900,多晶硅基薄膜电池，廉价衬底； 2.2 化合物电池 v CIGS 电池：提高效率，大面积重复性，S代Se v CdTe电池：提高效率，大面积重复性 v 燃料敏化电池 高效染料，固体或准固态电 解质 ，提高效率，大面积重复性 v 有机电池 高效电子受体 和给体以及材料，提高 效率 3.新型概念电池：量子点、量子阱电池，中间带 光伏电池，带隙递变迭层电池等，尚处在理论探索 、概念研究和验证阶段。 3.太阳能电池定义和分类 太阳能电池，又称光伏器件，是一种利用光生 伏特效应把光能

5、转变为电能的器件。它是太 阳能光伏发电的基础和核心。 太阳能电池分类 按结构 分类 同质结 太阳电池 异质结 太阳电池 肖特基 太阳电池 按材料 分类 硅太阳 电池 敏化纳米晶 太阳电池 有机化合物 太阳电池 塑料 太阳电池 无机化合物 半导体 太阳电池 按光电转换 机理 传统 太阳电池 激子 太阳电池 太阳能电池可大致分为三代， 第一代为晶体硅电池，又可大致分为单晶硅与多晶硅两种，商业应用历史 最悠久 第二代产品为薄膜太阳能电池，主要有硅薄膜太阳电池和CdTe、CIGS为 代表的化合物薄膜太阳电池。硅薄膜太阳电池包括非晶硅(Amorphous)、 纳米硅、微晶硅和多晶硅等 第三代即为砷化镓三

6、五族太阳能电池，砷化镓(GaAs)被运用于太空作为发 电用途已有很长的历史，主要因为砷化镓具有良好的耐热、耐辐射等特性 ，因此被广泛利用于太空发电。但由于价格过于高昂，在过去未被用于地 面发电。 4.太阳能电池的结构及工作原理 太阳能电池的结构 太阳能电池发电原理 太阳电池的基本特征参数 短路电流 开路电压 输出功率 填充因子 效率 开路电压 短路电流 太阳电池的I-V特性曲线 输出功率：Pm=ImVm 填充因子 ： FF是用以衡量太阳电池输 出特性好坏的重要指之一。 在一定光强下，FF愈大， 曲线愈方，输出功率越高。 对于有合适效率的电池，该 值应在0.70-0.85范围之内 。 效率： 太

7、阳光谱分布 大气层-AMO 地球表面-AM1.5 测试太空用太阳电池 效率时,光源应满足 AM0光谱分布，总能 量135.3mW/cm2; 测试温度25测试地 面用太阳电池效率时, 光源应满足AM1.5光 谱分布，总能量 100mW/cm2，测试温 度25 太阳电池的效率是有理论上限的。 对于硅太阳电池，其禁带宽度为1.12eV。在太阳光谱中，能量小于 1.12eV的光子占有约23%的能量。其次，一个被吸收的光子一般只能产生一 个电子空穴对，因而光子能量超过Eg的部分将被浪费掉。对硅电池而言， 在其可吸收的光谱内，大约有43%的能量因此而损失。仅此两项损失，一个 硅电池能利用的光能只有(1-2

8、3 %)(1-43%)=44%左右。同时，由于电池表面 的反射、光生电子空穴对的复合、串并联电阻的影响等，也会损失部分能 量。实际电池的效率会大大小于理论极限效率。一般的电池效率上限最高接 近30%。 提高电池效率，需要选择合适的基片材料（合适的禁带宽度、掺杂浓度 ）、优化电池设计、提高工艺水平。需要尽量减少光损失，降低复合，减小暗 电流和高掺杂效应，并减小串联电阻，增大并联电阻等。 3.太阳能电池的生产工艺 导电玻璃 膜切割 清洗 检测 镀铝电极 沉积PN结 老化 检测 封装 成品检测 4.太阳能电池的应用 上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术 通信卫星供电，上世纪末，在人

9、类不断自我反省的过程 中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲 切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳 能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光 伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护 、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公 路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及 边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建 筑系统的结合已经形成产业化趋势 v用户太阳能电源 1.小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、 海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、 电视、收录机等 太阳能电源 太阳能逆变器 2.

10、 3-5KW家庭屋顶并网发电系统； 3.光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉 v 交通领域 如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、 路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无 人值守道班供电等。 v通讯/通信领域 太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通 讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通 信机、士兵GPS供电等。 v石油、海洋、气象领域 石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油 钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水 文观测设备等 风云三号气象卫星的太阳能电池 海洋气象监测标 v家庭灯具电源 如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯 、黑

11、光灯、割胶灯、节能灯等。 v光伏电站 10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种 大型停车厂充电站等。 5.非晶硅太阳电池 5.1 发展历史 1975年, Spear和Lecomber用辉光放电法制备出性能优良的非晶硅（a-Si）薄膜 1976年, RCA 实验室的CarlsonD.E 和WronskiC.R 利用氢化非晶硅制作出了第一个非晶硅 太阳能电池 20世纪80年代, 非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性获得了重要突破，面积0.5m2、转 换效率5以下的非晶硅太阳能电池组件是当时市场主流 20世纪90年代, 低转换效率和稳定性差的问题得到进一步解决，叠层非晶硅太阳能电池得

12、到了发展，面积为1m2和效率为6左右的非晶硅太阳能电池，成为非晶硅太阳能电池市 场的新主流 21世纪初，美国、日本的一些非晶硅太阳能电池制造商开发出具有非晶硅微晶硅和非晶 硅非晶硅锗结构的叠层太阳能电池产品投放市场，产品的单一组件面积超过1m2 ，转换 效率为7 2005年前后，一些制造商研制成功了集成型非晶硅薄膜太阳能电池组件，产品的转换效率 进一步提高到了7.5 8，产品的面积达到1.5m2，成为目前非晶硅太阳能电池产品的 主流 2006年下半年，美国应用材料公司采用8.5 代设备集成了规模为40的单结非晶硅太阳 能电池生产线，所生产的面积为5.72m2 的光伏组件产品，转换效率达到了6

13、a-Si 是Si-H(约10)的一种合金。 5.2 非晶硅制备方法及结构特性 等离子体辅助（PE）CVD、LPCVD、微波电子回旋共振（MW-ECR）CVD 、甚高频（VHF）CVD 反应气体：硅烷（SiH4）、氢气（H2） 长程无序，短程有序 （共价键长度变化约2%，键角变化约10%）； 非晶硅-氫合金（a-SiH），常称为氫化非晶硅 电子迁移率低：a-SiH中电子迁移率的典型值达 到了510 cm2/(V-s)，单晶硅的电子迁移率约为 1400 cm2/(V-s) a-SiH的一个重大缺点就是其性能不稳定，即具 有一种所谓亚稳特性（因为在a-SiH结构中存在 着较弱的Si-Si键（键能约为

14、1eV）、以及悬挂键 和氫键） 5.3 非晶硅太阳电池结构及特点 因为：轻掺杂的非晶硅的费米能级移 动较小，如果两边都是轻掺杂的或一 边是轻掺杂的另一边是重掺杂的材料 ，则能带弯曲较小，电池的开路电压 受到限制； 如果直接用重掺杂的p+和n+材料形成 p+-n+结，那么，由于重掺杂非晶硅材 料中缺陷密度较高，少子寿命低，电 池的性能会很差。因此，通常在两个 重掺杂层当中沉积一层未掺杂的非晶 硅层作为有源层集电区。 非晶硅太阳能电池内光生载流子主 要产生于未掺杂的i层，与晶态硅太阳能 电池中载流子主要由于扩散而移动不同， 在非晶硅太阳能电池中，光生载流子主要 依靠太阳能电池内电场作用作漂移运动。

15、 在非晶硅太阳能电池中，顶层的重 掺杂层的厚度很薄几乎是半透明的，可以 使入射光最大限度地进入未掺杂层并产生 自由的光生电子和空穴。而较高的内建电 场也基本上从这里展开，使光生载流子产 生后立即被扫向n+侧和p+侧。 0.008m厚的 p型顶层， 0.5-1 m的中间本征层， 0.02 m厚的n型底层。 优点： 资源丰富，环境安全； 光的吸收系数高，活性层只需要1m 厚，省材料； 非晶硅的禁带宽度比单晶硅大。随制备条 件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化， 制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。 。 电池/组件一次完成，生产程序简单。 缺点： 效率低； 不稳定 光致衰退(S-W效应)。 非晶硅光吸收特性 非晶硅具有较高的光吸收系数. 特别是在0.3-0.75um 的可见光波段, 它的吸收系数比单晶硅要高出一个数 量级.因而它比单晶硅对太阳能辐射 的吸收率要高40倍左右, 用很薄的非 晶硅膜(约1um厚)就能吸收90%有用 的太阳能.这是非晶硅材料最重要的 特点,也是它能够成为低价格太阳