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1、薄膜太阳能电池知识培训 Outline 一、太阳电池原理 二、薄膜太阳电池分类 三、薄膜太阳电池制程 四、生产厂商简介 一、太阳电池原理 电子能级图 E1 E2 E3 晶体中电子的运动情况 能级 电子处于一系列的运动状态，称 为量子态。每个量子态中，电子 的能量是一定的，称为能级。 靠近原子核的能级，电子受束缚 强，能级低，反之，能级高。 电子只能在这些分裂的能级间跃 迁，从低能级跃迁至高能级时， 电子要吸收能量，反之，电子要 放出能量。 晶体能带的形成 原子轨道 原子能级 原子能带 禁带 禁带 允带 允带 允带 能带的形成 当原子排列成晶体时，电子除受到自身 势场外，还受到其他原子势场作用，
2、能 级发生分裂，分裂能级总数很大，将构 成能量相近的能带。 在能量低的能带中填满了电子，这些能 带称为满带；能量最高的能带，往往是 半空或全空的，电子没有填满，称为导 带（导带底能量为Ec）；导带下的那个 满带，其电子可能跃迁到导带，称为价 带（价带顶能量为Ev）；两者之间电子 不能运动的区域称为禁带。 费米能级 假设把体系内所有电子按能量由低到高逐个占据能 带中各个能级，则最后一个电子占据的那个能级即 为费米能级。 物理意义：电子占据的概率为1/2的能级称为费米能 级。只要知道了它的数值，在一定温度下，电子在 各量子态上的统计分布就完全确定了。 处于热平衡状态下的电子系统有统一的费米能级。
3、也就是说，在温度0K时，费米能以下，填满电子，费米能以上，没有电子。 半导体 固体材料按照导电性能可以分为绝缘 体、导体和半导体。 绝缘体1010cm 如玻璃、水泥、干燥的木头等。 导体10-5cm 如金、银、铜、铝等金属。 半导体10-5cm 108cm 如硅、锗、砷化镓等等。 半导体材料的电阻率对温度、光照、 磁场、压力、湿度、杂质浓度等因素 非常敏感，能够制成发光、光电、磁 敏、压敏、气敏、湿敏、热电转换等 器件，因此用途广泛。 木头 铜线 硅 电导率取决于能带结构和导带电子的 性质。 金属材料的导带和价带是重合的，中 间没有禁带，因此，在价带中存在大 量的自由电子，导电能力很强。 绝缘
4、体材料的导带是空的，没有自由 电子，而且禁带的宽度很宽，价带的 电子不可能穿过禁带跃迁到导带上， 导带中始终没有自由电子，所以，绝 缘体材料不导电。 半导体的导带中没有自由电子，但在 一定得条件下，价带的电子可以跃迁 到导带上，在价带中留下空穴，电子 和空穴同时导电。 因此，半导体材料的禁带宽度是一个 决定电学和光学性能的重要参数。 绝缘体、导体和半导体能带示意图 重要太阳能半导体材料的禁带宽度 电导率的能带解释 半导体分类 本征半导体 没有掺入杂质的半导体材料，电子和空穴的浓度相等。 N型半导体 在半导体材料中掺入了某种杂质(P)，使得电子浓度大于空穴浓度，称其 为N型半导体，此时电子称为多
5、数载流子，空穴称为少数载流子。相应的 杂质被称为N型掺杂剂（施主杂质） P型半导体 在超高纯的半导体材料中掺入了某种杂质(B)，使得空穴浓度大于电子浓 度，称其为P型半导体，此时空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子 。相应杂质称为P型掺杂剂（受主杂质） 半导体分类 本征半导体费米能级位于禁带中线附近 N型半导体费米能级靠近导带 P型半导体费米能级靠近价带 Ec EF Ev 本征半导体 Ec EF Ev N型半导体 Ec EF Ev P型半导体 半导体分类 N型半导体中靠近导带底部处存在 施主能级，杂质电离时，施主能 级上的电子获得能量ED，跃迁进 入导带，成为自由电子，同时， 形成固定不动的
6、正电中心。 P型半导体中靠近价带顶部处存在 受主能级，杂质电离时，受主能 级上的空穴获得能量EA，跃迁进 入价带，成为导电空穴，同时， 形成固定不动的负电中心。 Eg ED + + Ec ED Ev Eg EA - Ec EA Ev P-N结热平衡状态形成过程 内建电场形成 扩散 漂移平衡态 多子浓度降低浓度梯度存在内建电场扩散和漂移共存 PNPNPNPN 半导体独立存在时，都是电中性的。 将P型半导体和N型半导体结合在一起，在其二者的接触面上就形成PN结 。 平衡时，产生的空穴-电子对和复合的空穴-电子对数目相同。 电子空穴 平衡时，产生的空穴-电子对和复合的空穴-电子对数目相同。 热平衡下
7、的PN结 在内建电场的作用下，载流 子作漂移运动。相同载流子 漂移与扩散方向相反。在无 外加电压的情况下，载流子 的扩散和漂移最终将达到动 态平衡。称这种情况为热平 衡状态下的PN结。 Ec EF Ev Ev EF Ec 电子漂移 空穴漂移 电子扩散 空穴扩散 p-n结能带图 Ec EF Ev N型半导体 Ec EF Ev P型半导体 太阳能电池原理 光伏效应 当P-N结受光照时，会产生光生载流子，在内建电场作用下，光 生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，产生光生电势。如果将 PN结与外电路相连，则电路中出现电流，称为光生伏特效应，是 太阳能光电池的基本原理。但能引起光伏效应的只能是本征吸收
8、 所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电 子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区 的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能 在内建电场作用下漂移过结。 非晶硅薄膜电池 非晶硅重参杂缺陷太多， 光生载流子大部分被复合 ，寿命很短，对发电贡献 太少；轻参杂费米级移动 太小，能带弯曲小,开路电 压受限。因此 非晶硅电池 采用的结构与晶硅不同， 添加了有源集电区I层。 Ec EF Ev Ev EF Ec 电子漂移 空穴漂移 电子扩散 空穴扩散 p-n结能带图 非晶硅薄膜电池 P层采用Si C异质结 ，Si C异质结的禁带 宽度很大，通过窗口作用提
9、高透光率，使 到达I层的可用光子增多，同时提高了开路 电压 。 太阳能电池参数 I = Isexp(qV/kT)-1-IL 开路情况：I=0 得 （与内建电场对应） 短路情况：短路电流等于光生电流 ISC=IL 太阳能电池参数 太阳能电池参数 最大输出功率：最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最 佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop 电压为0时，电流最大，称为短路电流；电流为0是时，电压 最大，称为开路电压。 填充因子： 转换效率：最大输 出功率与入射功率 之比。 太阳能电池参数 由伏安特性曲线上能够 看出，最大输出功率是与 开路电压和光生电流（短 路电流）有关的（矩形面 积），因此可以通过提
10、高 二者的值来提高电池性能 。 太阳能电池参数 要提高光生电流就要减小禁带宽度，激发更多 电子，但是问题是高能光子激发电子后剩余能量 转换为热能，对电池性能产生负面影响。 要提高开路电压就要提高光生电流和反响饱和 电流的比值，增大禁带宽度可以减小反向饱和电 流，但是同时也减少了光生电流。 太阳能电池等效电路 实际上，p-n结太阳能电池存在着Rs和Rsh的影 响。其中， Rs是由材料体电阻、薄层电阻、电极 接触电阻及电极本身传导电流的电阻所构成的总 串联电阻。Rsh是在p-n结形成的不完全的部分所 导致的漏电阻及电池边缘的漏电阻，称为旁路电 阻或漏电电阻。 二、薄膜太阳电池分类 薄膜太阳能电池分
11、类 在化合物半导体中，研究最多的是III-V族 的GaAs太阳能电池。由于其带隙比Si大 ，具有与太阳光光谱相当一致的光谱特 性，因而从光谱响应角度来说，更适合 做太阳能电池，目前，在所有太阳能电 池中，GaAs太阳能电池的转换效率最高 。 砷化镓薄膜太阳电池 砷化镓薄膜太阳电池 在制备GaAs太阳电池时，一 般在N型GaAs衬底上首先生长 0.5um左右的N型GaAs缓冲层 ，再生长N型AlGaAs作为背电 场，在此基础上生长N型GaAs 作为基底层，然后生长0.5um 左右的P型GaAs作为发射层， 再利用一层P型AlGaAs薄膜作 为窗口层，便组成了单结 GaAs薄膜太阳电池。 CuIn
12、Se2薄膜太阳电池 玻璃衬底 Mo导电膜 CuInSe2 CdS SiO2减反射层Al电极 典型的CuInSe2单结薄膜太阳电池结构示意图 CuInSe2薄膜太阳电池是由以 玻璃或氧化铝作为衬底，以 Mo薄膜作为导电层，以厚度 约为2um的N型CdS薄膜作为 窗口层，和P型CuInSe2薄膜 材料组成的。另外，为了增 加光的入射率，在电池表面 制备一层SiO2或MgF2作为减 反射层，最后，电池利用梳 齿状镀铝层作为电极。 II-VI族半导体化合物太阳能电池中，目前 转化效率最高的是n型硫化镉（CdS）和 p型碲化镉（CdTe）组成的太阳能电池 。这种电池的优点是从pn结到电极全部 可以用丝网
13、印刷和烧结制成，方法简单 ，成本低，转化效率可达13%左右，但 同其他许多化合物太阳能电池一样，有 （镉）引起的公害问题，所以至今不能 广泛普及。 CdTe薄膜太阳电池 CdTe薄膜太阳电池 背面接触 玻璃 CdTe CdS SnO2 CdTe薄膜太阳电池结构示意图 CdTe薄膜太阳电池一般制备 在玻璃衬底上，首先沉积一 层SnO2薄膜，再沉积一层n 型CdS薄膜，最后制备金属 接触层，形成完整的CdTe薄 膜太阳电池。 有机太阳能电池 有机半导体太阳能电池也是目前研究较多 的太阳能电池之一。虽然现在 其转换效率 还不够高，但由于有机薄膜制造过程极其 简单，生产成本低廉，易于大面积化，所 以有
14、望成为新的一种低成本太阳能电池。 有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物 作为半导体的材料，以光伏效应产生的电 压形成电流。 三、薄膜太阳电池制程 薄膜太阳电池制程 Deposition Line TCO LPCVD Laser Scribe PIN Deposition (CVD) Laser Scribe ZnOAl Sputtering Laser Scribe Encapsulation 1 2 3 4 5 6 Al EVA Glass Zine Oxide a-Si：H a-Si：H Tin Oxide Heat-Strengthened Glass 1 2 3 4 5 镭射：IR L
15、ASER:10W及GREEN (LASER:250500mW ) 镭射主要用途：玻璃先镀上TCO薄膜，用IR LASER划线绝缘，再镀上铝后用 GREEN LASER移除铝，但能伤到TCO薄膜及玻璃的部份。 Thin Film Solar CellsThin Film Solar Cells Glass Substrate Absorber Back-Contact Front-Contact (TCO) 四、生产厂家介绍 设备厂家资料 组件厂家资料 所属 地区 设备商 公司 名称 电池类型 中国 大陆 普乐普乐a-Si AMAT新奥a-Si Oerlikon正泰a-Si/c-Si EPVZuKinga-Si ULVAC杜邦a-Si AMAT尚德a-Si EPV津能a-Si/a-Si Oerlikon天威a-Si EPV慈能a-Si XsunX强生a-Si AMAT百事德a-Si/c-Si 自制拓日a-Si/a-Si EPV钧石a-Si/a-Si 国电a-Si EPV中玻a-Si/a-Si 所属 地区 设备商公司名称电池类型 美洲First solarCdS /CdTe Terraa-Si EPVEPV solara-S
