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1、能源光电子器件设计 钟建 专题三 太阳能电池结构 提纲 一 太阳能电池的分类 按基体材料分 二 硅太阳能电池 按基体材料分 四 有机化合物太阳能电池 按基体材料分 三 无机化合物太阳能电池 按基体材料分 五 按太阳能电池结构分 太阳能电池 硅太阳能电池 单晶化合物太阳能电池 多晶化合物太阳能电池 非晶硅太阳能电池 结晶系太阳能电池 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 无机化合物太阳能电池 有机化合物太阳能电池 一 太阳能电池的分类 按基体材料分 目前各类太阳能电池的实验室转换效率的记录 二 硅太阳能电池 按基体材料分 1 单晶硅 SingleCrystaline Si 太阳能电池单晶硅太阳能电
2、池制造工程由电池片工程和模板工程组成 电池片工程大致可分为如下三部分 从原材料制造单晶硅棒 将单晶硅棒切断 加工成半圆片状 形成pn结 加入电极 制成电池片 2 多晶硅 Polycrystaline Si 太阳能电池在制作多晶硅太阳能电池时 作为原料的高纯硅不是拉成单晶 而是熔化后浇铸成正方形的硅锭 然后使用切割机切成薄片 再加工成电池 多晶硅薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒构成的 其晶粒尺寸一般约在几十至几百nm级 大颗粒尺寸可达 m级 二 硅太阳能电池 按基体材料分 3 非晶硅 Amorphous Si 太阳能电池非晶硅 又称 Si 太阳能电池一般是用高频辉光放电等方法使硅烷
3、 SiH4 气体分解沉积而成的 非晶硅的禁带宽度为1 7eV 通过掺硼或掺磷可得到P型 Si或N型 Si 非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性 缺陷多 因此单纯的非晶硅P N结中 隧道电流往往占主导地位 使其呈现无整流特性 不能制作太阳能电池 二 硅太阳能电池 按基体材料分 4 微晶硅 c Si 太阳能电池为了获得具有高效率 高稳定性的硅基薄膜太阳能电池 近年来又出现了微晶薄膜硅电池 微晶硅可以在接近室温的低温下制备 特别是使用大量氢气稀释的硅烷 可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜 薄膜厚度一般在2 3 m 二 硅太阳能电池 按基体材料分 三 无机化合物太阳能电池 按基体材料分 1 单晶
4、化合物太阳能电池单晶化合物太阳能电池主要有砷化镓 GaAs 太阳能电池 砷化镓的能隙为1 4eV 是很理想的电池材料 这是单结电池中效率最高的电池 多结聚光砷化镓电池的转换效率已超过40 所以早期在空间得到了应用 但是砷化镓电池价格昂贵 而且砷是有毒元素 所以极少在地面应用 三 无机化合物太阳能电池 按基体材料分 2 多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池的类型很多 目前已实际应用的主要有碲化镉 CdTe 太阳能电池 铜铟镓硒 CIGS 太阳能电池等 三 无机化合物太阳能电池 按基体材料分 2 多晶化合物太阳能电池碲化镉太阳能电池 PVD 物理气相沉积 工艺 溅射工艺 三 无机化合物太阳能电
5、池 按基体材料分 铜铟镓硒 CIGS 太阳能电池是近年发展起来的新型太阳能电池 通过磁控溅射 真空蒸发等方法 在基底上沉积铜铟镓硒薄膜 薄膜制作方法主要有多元分步蒸发法和金属预置层后硒化法等 基底一般用玻璃 也可以用不锈钢作为柔性村底 2 多晶化合物太阳能电池 四 有机化合物太阳能电池 按基体材料分 1 有机化合物太阳能电池以酞菁 卟啉 苝 叶绿素等为基体材料的太阳能电池 如有机PN结太阳能电池 有机肖特基太阳能电池等 如聚乙烯太阳能电池 共轭聚合物 C60复合体系太阳能电池等 四 有机化合物太阳能电池 按基体材料分 2 敏化纳米晶太阳能电池以TiO2 ZnO SnO2等宽禁带的氧化物型的纳米
6、级半导体为电极 使用染料敏化 无机窄禁带宽度半导体敏化 过渡金属离子掺杂敏化 有机染料 无机半导体复合敏化以及TiO2表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池 五 按太阳能电池结构分 1 同质结太阳能电池指由同一种半导体材料所形成的P N结称为同质结 用同质结构成的太阳能电池称为同质结太阳能电池 2 异质结太阳能电池指由两种禁带宽度不同的半导体材料形成的结称为异质结 用异质结构成的太阳能电池称为异质结太阳能电池 五 按太阳能电池结构分 3 肖特基结太阳能电池指利用金属 半导体界面上的肖特基势垒而构成的太阳能电池称为肖特基结太阳能电池 简称MS电池 目前已发展为金属 氧化物 半导体 MOS 金属 绝
7、缘体 半导体 MIS 太阳能电池等 五 按太阳能电池结构分 4 薄膜太阳能电池指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料铺在非半导体的村底上面构成的光伏电池 这种电池可大大地减少半导体材料的消耗 薄膜厚度以 m计 从而大大地降低了光伏电池的成本 可用于构成薄膜光伏电池的材料有很多种 主要包括多晶硅 非晶硅 碲化镉以及CIGS等 五 按太阳能电池结构分 5 叠层太阳能电池指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池 鉴于波长短的光子能量大 在硅中的穿透深度小的特点 充分利用太阳光中不同波长的光 通常是让波长最短的光线被最上边的宽禁带材料电池吸收 波长较长的光线能够透射进去让下边禁带较窄
8、的材料电池吸收 这就有可能最大限度地将光能变成电能 专题四 太阳能电池的主要参数 主讲 光电学院钟建 提纲 一 太阳能电池的等效电路 二 太阳能电池的主要技术参数 一 太阳能电池的等效电路 1 理想的太阳电池等效电路理想的太阳电池等效电路如图所示 当连接负载的太阳电池受到光照射时 太阳电池可看做是产生光生电流Iph的恒流源 与之并联的有一个处于正偏置下的二极管 通过二极管P N结的漏电流ID称为暗电流 是在无光照时 由于外电压作用下P N结内流过的电流 其方向与光生电流方向相反 会抵消部分光生电流 一 太阳能电池的等效电路 1 理想的太阳电池等效电路暗电流ID表达式为 式中I0 反向饱和电流
9、在黑暗中通过P N结的少数载流子的空穴电流和电子电流的代数和 U 等效二极管的端电压 q 电子电量 T 绝对温度 A 二极管曲线因子 取值在1 2之间 因此 流过负载两端的工作电流为 一 太阳能电池的等效电路 2 实际的太阳电池等效电路太阳电池本身还有电阻 一类是串联电阻 另一类是并联电阻 又称旁路电阻 串联电阻主要是由于半导体材料的体电阻 金属电极与半导体材料的接触电阻 扩散层横向电阻以及金属电极本身的电阻四个部分产生的Rs 其中扩散层横向电阻是串联电阻的主要形式 串联电阻通常小于1 一 太阳能电池的等效电路 2 实际的太阳电池等效电路太阳电池本身还有电阻 一类是串联电阻 另一类是并联电阻
10、又称旁路电阻 并联电阻是由于电池表面污染 半导体晶体缺陷引起的边缘漏电或耗尽区内的复合电流等原因产生的旁路电阻Rsh 一般为几千欧 实际的太阳电池等效电路如图所示 一 太阳能电池的等效电路 2 实际的太阳电池等效电路在旁路电阻Rsh两端的电压为Uj U IRs 因此流过旁路电阻Rsh的电流为Ish U IRs Rsh而流过负载的电流为 一 太阳能电池的等效电路 2 实际的太阳电池等效电路 显然 太阳电池的串联电阻越小 旁路电阻越大 越接近于理想的太阳电池 该太阳电池的性能也越好 目前的太阳电池制造工艺水平 在要求不很严格时 可以认为串联电阻接近于零 旁路电阻趋近于无穷大 也就可当做理想的太阳电
11、池看待 二 太阳能电池的主要技术参数 伏安特性曲线由上式可知 当负载R从0变到无穷大时 负载R两端的电压U和流过的电流I之间的关系曲线 即为太阳电池的负载特性曲线 通常称为太阳电池的伏安特性曲线 以前也按习惯称为I V特性曲线 二 太阳能电池的主要技术参数 2 开路电压在一定的温度和辐照度条件下 太阳电池在空载 开路 情况下的端电压 也就是伏安特性曲线与横坐标的交点所对应的电压 通常用Uoc来表示 二 太阳能电池的主要技术参数 2 开路电压对于一般的太阳电池 可近似认为接近于理想的太阳电池 即太阳电池的串联电阻值为零 旁路电阻为无穷大 当开路时 I 0 电压U即为开路电压Uoc 太阳电池的开路
12、电压Uoc与电池面积大小无关 一般单晶硅太阳电池的开路电压约为450 600mV 最高可达700mV左右 二 太阳能电池的主要技术参数 3 短路电流在一定的温度和辐照度条件下 太阳电池在端电压为零时的输出电流 也就是伏安特性曲线与纵坐标的交点所对应的电流 通常用Isc来表示 由下式可知 当U 0时 Isc Iph 太阳电池的短路电流Isc与太阳电池的面积大小有关 面积越大 Isc越大 一般1cm2的单晶硅太阳电池Isc 16 30mA 二 太阳能电池的主要技术参数 4 填充因子 曲线因子 填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数 定义为太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流的乘积之比 通常
13、用FF 或CF 表示 式中IscUoc 极限输出功率 ImUm 最大输出功率 二 太阳能电池的主要技术参数 5 最大功率点调节负载电阻RL到某一值Rm时 在曲线上得到一点M 对应的工作电流Im和工作电压Um的乘积为最大 即则称M点为该太阳电池的最佳工作点 或最大功率点 Im为最佳工作电流 Um为最佳工作压 Rm为最佳负载电阻 Pm为最大输出功率 二 太阳能电池的主要技术参数 5 最大功率点不同的工作点输出功率也不一样 但总可以找到一个工作点 其包围的矩形 OImMUm 面积最大 也就是其工作电压U和电流I的乘积最大 因而输出功率也最大 该点即为最佳工作点 即在此最大功率点 有dPm dU 0
14、因此有 二 太阳能电池的主要技术参数 5 最大功率点实际工作时 往往并不是在标准测试条件下工作 而且一般也不一定符合最佳负载的条件 再加上一天中太阳辐照度和温度也在不断变化 所以真正能够达到额定输出功率的时间很少 有些光伏系统采用 最大功率跟踪器 可在一定程度上增加输出的电能 二 太阳能电池的主要技术参数 6 太阳电池的转换效率太阳电池接受光照的最大功率与入射到该电池上的全部辐射功率的百分比称为太阳电池的转换效率 即 二 太阳能电池的主要技术参数 6 太阳电池的转换效率式中Um Im 最大输出功率点的电压 电流 At 包括栅线面积在内的太阳电池总面积 也称全面积 Pin 单位面积入射光的功率
15、专题五 有机小分子太阳能电池的制备 主讲 光电学院钟建 提纲 一 有机小分子太阳能电池的器件结构设计及原理 二 有机小分子太阳能电池的制备工艺及设备 三 有机小分子太阳能电池的参数及测试 四 实验数据及数据处理 一 有机小分子太阳能电池的器件结构设计及原理 一 有机小分子太阳能电池的器件结构设计及原理 1 单层Schottky器件HOMO是最高电子占据轨道 LUMO是最低电子未占据轨道 两个电极功函数的不同 传输空穴的 轨道能级与具有较低功函数的电极之间将形成Schottky势垒 能带弯曲W区域 即内建电场 这是有机单层光伏器件电荷分离的驱动力 一 有机小分子太阳能电池的器件结构设计及原理 2
16、 双层异质结器件阳极功函数要与给体HOMO能级匹配 阴极功函数要与受体LUMO能级匹配 这样有利于电荷收集 双层异质结器件中电荷分离的驱动力是给体和受体的最低空置轨道 LUMO 能级差 即给体和受体界面处电子势垒 在界面处 如果势垒较大 大于激子的结合能 激子的解离就较为有利 电子会转移到有较大电子亲和能的材料上 一 有机小分子太阳能电池的器件结构设计及原理 3 本体异质结器件在本体异质结器件中 给体和受体在整个活性层范围内充分混合 D A界面分布于整个活性层 本体异质结可通过将含有给体和受体材料的混合溶液以旋涂的方式制备 也可通过共同蒸镀的方式获得 一 有机小分子太阳能电池的器件结构设计及原理 4 级联结构器件级联电池是一种串联的叠层电池 是将两个或以上的器件单元以串接的方式做成一个器件 以便最大限度地吸收太阳光谱 提高电池的开路电压和效率 二 有机小分子太阳能电池的器件结构设计 实验方案 ITO CuPc 200 C60 400 BCP 25 Ag 1000 二 有机小分子太阳能电池的器件结构设计 实验方案 ITO CuPc 200 C60 400 BCP 25 Ag 1000 三
