非晶硅太阳能电池基础知识

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1、非晶硅太阳能电池基础知识,太阳能电池是能把光能直接转换成电能的半导体器件，主要是半导体材料制造成的。 太阳电池把光能转化成电能，包括下面三个过程； 1、太阳光或其他光照射到太阳能电池的表面。 2、太阳能电池的半导体能吸收光子，并激发出电子空穴对，这些电子空穴对被太阳电池的内建场分离，分离的条件： a、有内建电场； b、电子空穴有足够长的寿命和迁移率，使t足够大， t为在内建场的作用下，在电子空穴的寿命时间内漂移的距离，这个距离保证电子空穴“分开”，电子集中在一边，空穴集中在另一边，太阳电池利用PN结或PIN结势垒区的静电场达到分离电子、空穴的目的。 3、被分离的电子空穴，经电极收集输出到电池体

2、外，形成电池。,第一章、太阳能电池的特性,1、太阳光是以辐射的方式向空间传输能量的，地球每年接受到的阳光的能量相当于现在世界年发电量的14万倍。 太阳光谱的波长： 0.7几百微米 红外光 0.40.75微米 可见光 0.30.4微米 紫外光 0.3微米以下 X射线 2、波长与频率的关系 L / V ：波长， V：频率， L：光速 hvE 光子能量,1.1、光谱分布,1.1、光谱分布,大气层对太阳光吸收、散射: 1）太阳光穿透大气层，峰底波长向长波方向偏移，水气二氧化碳滤掉一部分红外光，臭氧滤掉一部分紫外光。 2）大气层外，太阳光谱的峰值在0.5附近 大气层的厚度在100公里左右。 大气层外“大

3、气质量为0”为：AM0 太阳垂直照射在海平面“大气质量为1”为：AM1 太阳光与海平面的法线夹角60度时它通过大气的质量为：AM2 AM0太阳光谱总投射功率为：135.3mw/cm2 AM1太阳光谱总投射功率为：100mw/cm2 AM2太阳光谱总投射功率为：7275mw/cm2 测试太阳电池的标准光强是：AM1.5 1000W/m2 温度为：25,1.2、大气质量,1.2、大气质量,1、按应用的场合分： a、空间应用：卫星、通讯卫星、间谍卫星、气象卫星、资 源普查卫星、宇宙飞船、空间站。 b、地面应用：太阳能电站、通讯、广播、交通、气象站、 地质勘察、管道保护、道口信号、边防哨所、计算器、手

4、 表、照相机、玩具、水泵、照明、家用电器 2、按使用方式： 干板式、聚光式、自动跟踪式 3、按使用材料分：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非 晶硅太阳电 4、按“结”分：PN结电池、PIN结电池、多结电池、异质结电 池 5、其他薄膜太阳电池：a-Si、CIS 研究中的铜铟硒、及各 种非晶硅基合金电池。,1.3、 太阳电池的分类,1、晶体硅太阳电池 2、非晶硅太阳电池,1.4、太阳电池的结构,1.4、太阳电池的结构,1、短路电流Isc - 在一定的光照下通常取AM1.5=100mw/cm输出端短路时，太阳电池的输出电流。 2、开路电压Voc-在一定的光照(AM1.5)输出端开路时，太阳电池的两端

5、的电压。 3、填充因子 FF 填充因数FF定义为：FF=Pm / (Isc * Voc) =(Im * Vm) / Isc*voc 即最大输出功率与短路电流和开路电压乘积的比，“有时也把Isc称作太阳电池的极限功率”填充因数是太阳电池质量好坏的一个重要标志，FF越大，说明电池的最大输出功率越接近极限输出的功率。 影响FF的重要因素是串联电阻Rsh，Rs越大，FF越小。,1.5、太阳能电池参数,4、最大输出功率Pm-“峰值功率”在一定光照下（AM1.5）太阳电池能够输出的最大功率:Pm=Im*Vm 由太阳电池的输出特性曲线可以看出：虽然在同样的光照下同一块太阳电池负载不同，太阳电池的输出功率也不

6、同， A点：负载电阻RA,RA.VA/Id(1/RA的斜率)此时太阳电池的输出功率为：PA=Id*VA B点：“负载电阻为RB的输出功率为PB=IdVB,显然PBPA P点：输出功率最大，Vm=Im-Vm称作 太阳电池的最大输出功率相对应的 负载电阻Pm称为最佳负载，在设计 太阳电池的应用产品时，一定要注 意选用的负载，使其电阻等于最佳 负载电阻，使其输出功率Pm最大， 即尽量发挥太阳电池的潜力。,1.5、太阳能电池参数,5、温度系数 电压、电流，最大输出功率的温度系数 在某一温度，温度每升一度，参数相对变化。 如：25 （Isc(26)-Isc（25）/Isc(25)100%/ 电池电压温度

7、系数：-0.33%/， 电流温度系数：0.09%/, 输出功率温度系数：-0.23%/ 6、转换效率 -在一定光照下（Am1.5(1000nw)/cm），太阳电池的最大输出功率Pm与入射光能之比。 =Vm.Im/Pin =pm/pin 转换效率是一个太阳电池性能好坏的最主要的标志，显然转换效率越高太阳电池把太阳能转换变成电能越强，太阳能的利用越高，在相同的条件下，输出的电能越大。 目前单晶硅电池，实验室可排到18%，批量生产可达到14%； 非晶硅电池，实验室可达到13.2%，批量生产可达到6-10%；,1.5、太阳能电池参数,非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世纪70年

8、代中期开发成功，80年代其生产曾达到高潮，约占全球太阳能电池总量的20左右，但由于非晶硅太阳能电池转化效率低于晶体硅太阳能电池，而且非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点：光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，其发展速度逐步放缓。 目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的10左右。但由于晶体硅的短缺及价格上涨将是长期存在的事实，即使晶体硅瓶颈突破，能源节省优势仍然能保障非晶硅太阳能电池的生存空间。,第二章：非晶硅太阳能电池,自1974年人们得到可掺杂的非晶硅薄膜后，就意识到它在太阳能电池上的应用前景，开始了对非晶硅太阳能电池的研究工作。 1976年：RCA公司的Carlson报道了

9、他所制备的非晶硅太阳能电池，采用了金属-半导体和p-i-n两种器件结构，当时的转换效率不到1%。 1977年：Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。 1978年：集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。 1980年：ECD公司作成了转换效率达6.3%的非晶硅太阳能电池，采用的是金属-绝缘体-半导体（MIS）结构；同年，日本三洋公司向市场推出了装有面积为5平方厘米非晶硅太阳能电池的袖珍计算器。 1981年：开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳能电池的研究。 1982年：市场上开始出现装有非晶硅太阳能电池的手表，充电器、收音机等商品。 1984年：开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能电池

10、组合板。,2.1、非晶硅太阳能电池的发展历史,1、低成本 硅材料用料少，可充分吸收光，单晶要200厚，非晶1厚（非晶硅光吸收系数大） 主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%） 且晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um，相差200多倍，大规模生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太阳电池成本的65-70%，在中国1瓦晶体硅太阳电池的硅材料成本已上升到RMB22以上。 从原材料供应角度分析，人类大规模使用阳光发电，最终的选择只能是非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，别无它法！

11、 2、能量返回期短 转换效率为6%的非晶硅太阳电池，其生产用电约1.9度电/瓦，由它发电后返回的时间约为1.5-2年，这是晶硅太阳电池无法比拟的。,2.2、非晶硅薄膜太阳能电池的优点,3、大面积自动化生产 目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是Switzland Unaxis的KAI-1200 PECVD 设备生产的1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池，起初是效率高于9%。其稳定输出功率接近80W/片。 商品晶体硅太阳电池还是以156mm*156mm和125mm*125mm为主。 4、高温性好 5、弱光响应好(充电效率高) 6、材料用料少 约1厚，不需切片，材料浪费少。 7、工艺简单 C

12、VD法制造，高频辉光放电分解硅烷，掺杂，N型，PH3，P型，B2H6 8、基板种类多 玻璃 、不锈钢 、高分子薄板、陶瓷。,2.1、非晶硅薄膜太阳能电池的优点,1、稳定性问题 非晶硅太阳能电池的光致衰减，所谓的W-S效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%，已具备作为空间能源的基本条件。 2、成本问题 非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右，因此项目投资有一定的资金壁垒。而且，成本回收周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。,2.2、非晶硅太阳能电池存在的问题,2.4、非晶硅太阳能电池结构,2.4、非晶硅太阳能电池结构,非晶硅

13、太阳能电池的结构最常采用的是p-i-n结构，而不是单晶硅太阳能电池的p-n结构。这是因为：轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小，如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻掺杂的另一边用重掺杂的材料，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态密度较高，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淀积一层未掺杂的非晶硅层作为有源集电区。,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做漂移运动。 在非晶

14、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，光生载流子产生后立即被扫向n+侧和p+侧。 由于未掺杂的非晶硅实际上是弱n型材料，因此，在淀积有源集电区时适当加入痕量硼，使其成为费米能级居中的i型，有助于提高太阳能电池的性能。因而在实际制备过程中，常常将淀积次序安排为p-i-n，以利用淀积p层时的硼对有源集电区进行自然掺杂。这一淀积顺序决定了透明导电衬底电池总是p+层迎光，而不透明衬底电池总是n+层迎光。,2.4、非晶硅太阳能电池结构,非晶硅叠层电池对于单结太阳能电池，即便是用晶体材料制备

15、的，其转换效率的理论极限一般在AM1.5的光照条件下也只有25%左右。这是因为，太阳光谱的能量分布较宽，而任何一种半导体只能吸收其中能量比自己带隙值高的光子。其余的光子不是穿过电池被背面金属吸收转变为热能，就是将能量传递给电池材料本身的原子，使材料发热。这些能量都不能通过产生光生载流子变成电能。不仅如此，这些光子产生的热效应还会升高电池工作温度而使电池性能下降。 为了最大程度的有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量。人们把太阳光谱分成几个区域， 用能隙分别与这些区域有最好匹配的材料做成电池， 使整个电池的光谱响应接近与太阳光光谱，如图所示， 具有这样结构的太阳能电池称为叠层电池。,2.4、非晶硅

16、太阳能电池结构,1、太阳电池的等效电路由下列元件构成 1）电流源； 2）二极管 3)串联电阻 4）并联电阻,2.5、太阳电池的等效电路和输出特性,非晶硅等效电路,集成型等效电路,A、电流源光电产生的光电流，在一定光强照射下，产生的光电 流IDh， B、二极管：太阳电池由于本身实际上是一个大面积的二极管 C、串联电阻Rs是太阳电池的接触电阻，电极的体电阻，半导体本身就是电阻引起的； D、并联电阻，Rsh由于制造工艺上的原因，如针孔等造成漏电，相当于和二极管并联一个电阻。 2、太阳电池的伏安特性： Io=Is 其中Is是二极管的反向饱和电流。 e是电子电荷，VD是二极管的电压，K-常数，T绝对温度，n叫二极管指数在12之间。单个电池： IL=ID+Ish+I I = ILIDIsh =ILIs,2.5、太阳电池的等效电路和输出特性,2、理想pn结太阳能电池的等效电路 理想pn结太阳能电池可以用一恒定电流源Iph（光