第二章 硅太陽(yáng)能電池

1、第二章第二章 太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池22.1 太陽(yáng)能電池概述太陽(yáng)能電池概述 太陽(yáng)能太陽(yáng)能是指太陽(yáng)內(nèi)部高溫核聚變反應(yīng)所釋放的輻射能：是指太陽(yáng)內(nèi)部高溫核聚變反應(yīng)所釋放的輻射能：在太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行的由在太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行的由“氫氫”聚變成聚變成“氦氦”的原子核反應(yīng)的原子核反應(yīng) 廣義上的太陽(yáng)能是地球上許多能量的來(lái)源，如廣義上的太陽(yáng)能是地球上許多能量的來(lái)源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢(shì)能勢(shì)能等。等。地球地球上的上的化石燃料化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說(shuō)也是遠(yuǎn)古以來(lái)貯存下（如煤、石油、天然氣等）從根本上說(shuō)也是遠(yuǎn)古以來(lái)貯存下來(lái)的太陽(yáng)能來(lái)的太陽(yáng)能 ） 狹義的太陽(yáng)能則限于太陽(yáng)輻射能的狹義的太陽(yáng)能則限

2、于太陽(yáng)輻射能的光熱光熱、光電光電和和光化學(xué)光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。的直接轉(zhuǎn)換。 3太陽(yáng)能可轉(zhuǎn)換為熱能、機(jī)械能、電能、化學(xué)能等。太陽(yáng)能可轉(zhuǎn)換為熱能、機(jī)械能、電能、化學(xué)能等。 n 我國(guó)幅員廣大，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。據(jù)估算，我國(guó)幅員廣大，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。據(jù)估算，我國(guó)陸地表面每年接受的太陽(yáng)輻射能約我國(guó)陸地表面每年接受的太陽(yáng)輻射能約為為1018kWh，全國(guó)各全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量達(dá)地太陽(yáng)年輻射總量達(dá)335837kJ/cm2a，中值為，中值為586kJ/cm2a。 n 地球每年接受的太陽(yáng)能總量為地球每年接受的太陽(yáng)能總量為l1018 kWh。這相當(dāng)于。這相當(dāng)于51014桶原油，是探明原油儲(chǔ)量的近千

3、倍，是世界年耗總桶原油，是探明原油儲(chǔ)量的近千倍，是世界年耗總能量的一萬(wàn)余倍。能量的一萬(wàn)余倍。 4太陽(yáng)能利用技術(shù)太陽(yáng)能利用技術(shù) 1 1）太陽(yáng)能）太陽(yáng)能熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)；熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)；太陽(yáng)熱水器、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)房、太陽(yáng)能空調(diào)太陽(yáng)熱水器、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)房、太陽(yáng)能空調(diào)2 2）太陽(yáng)能）太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)；光電轉(zhuǎn)換技術(shù)；太陽(yáng)能熱發(fā)電及光伏發(fā)電太陽(yáng)能熱發(fā)電及光伏發(fā)電3 3）太陽(yáng)能）太陽(yáng)能化學(xué)能轉(zhuǎn)化技術(shù)?；瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化技術(shù)。5太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換：太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換：太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池n 太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。 n

4、原理：太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體原理：太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)結(jié)上，形成新的空穴上，形成新的空穴-電子對(duì)，在電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向區(qū)流向p區(qū)，電子由區(qū)，電子由p區(qū)流向區(qū)流向n區(qū)，接通電區(qū)，接通電路后就形成電流。如右圖所示。路后就形成電流。如右圖所示。 6發(fā)展歷程發(fā)展歷程71839年 法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”，即“光伏效應(yīng)”。1883年 Charles Fritts 在鍺半導(dǎo)體上覆上金層形成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，成功制備第一塊太陽(yáng)能電池，效率只有1%1954年 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成實(shí)用型硅太陽(yáng)能電池，效率6%，為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；同年，首次發(fā)

5、現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，制成了第一塊薄膜太陽(yáng)電池。1958年 太陽(yáng)電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國(guó)先鋒1號(hào)衛(wèi)星電源。1958年 我國(guó)開(kāi)始了太陽(yáng)能電池的研制工作，1971年首次發(fā)射了用太陽(yáng)能電池作為電池的人造衛(wèi)星。1959年 第一個(gè)多晶硅太陽(yáng)電池問(wèn)世，效率達(dá)5%。1978年 美國(guó)建成100 kWp太陽(yáng)地面光伏電站。1980年 單晶硅太陽(yáng)電池效率達(dá)20%，砷化鎵電池達(dá)22.5%，多晶硅電池達(dá)14.5%，硫化鎘電池達(dá)9.15%。1990年 德國(guó)提出“2000個(gè)光伏屋頂計(jì)劃”，每個(gè)家庭的屋頂裝35kWp光伏電池。1997年 日本“新陽(yáng)光計(jì)劃”提出到2010年生產(chǎn)43億Wp光伏電池。100萬(wàn)戶(hù)，每戶(hù)安裝35k

6、Wp。 1998年 單晶硅光伏電池效率達(dá)25%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)光伏屋頂計(jì)劃”，到2020年完成。 2010年，商業(yè)化單晶硅太陽(yáng)能電池效率為18.3%，多晶硅15.8% 2010年，晶體硅電池的價(jià)格下降到2/Wp，電價(jià)達(dá)到11kW h；預(yù)計(jì)2020年晶體硅電池價(jià)格降下降到1/Wp，電價(jià)達(dá)到5.3kW h，達(dá)到與其他發(fā)電方式相當(dāng)?shù)乃健? 輸出功率Wp：是標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照條件下，即：歐洲委員會(huì)定義的101標(biāo)準(zhǔn)，輻射強(qiáng)度1000W/m2，大氣質(zhì)量AM1.5，電池溫度25條件下，太陽(yáng)能電池的輸出功率。 AM(air mass)1.5：地球大氣層外接受到的太陽(yáng)輻射，未受到大氣層的反射和吸收，稱(chēng)

7、為大氣質(zhì)量為0的輻射， 以AM0表示。太陽(yáng)輻射在到達(dá)地球之前，被大氣層中的氣體分子及懸浮微粒所吸收、散射和反射而被削弱，這種削弱還與穿透大氣層的距離有關(guān)，這又決定于太陽(yáng)輻射的方向。 AM1/cos(z)，z為天頂角。 通常，以AM1表示垂直于太陽(yáng)入射方向上單位面積上得到的太陽(yáng)光譜。AM1.5， AM2等分別表示不同方向得到的太陽(yáng)光譜。1.5=光線在大氣走的路程/垂直路程。 AM1.5對(duì)于天頂角48.2，包括中國(guó)，歐洲，美國(guó)在內(nèi)的大部分國(guó)家都處在這個(gè)中緯度區(qū)域。因此一般地表上的太陽(yáng)光譜用都用AM1.5表示，能量取1000W/m2。太陽(yáng)能電池的分類(lèi)太陽(yáng)能電池的分類(lèi)9 1 1、硅硅系太陽(yáng)能電池系太陽(yáng)

8、能電池 2 2、多元化合物多元化合物薄膜太陽(yáng)電池薄膜太陽(yáng)電池 3 3、染料敏化太陽(yáng)能電池染料敏化太陽(yáng)能電池 4 4、有機(jī)有機(jī)/ /聚合物薄膜太陽(yáng)能電池聚合物薄膜太陽(yáng)能電池?fù)?jù)所用材料分據(jù)所用材料分砷化鎵（砷化鎵（III-V族化合物）族化合物）硫化鎘硫化鎘 （II-VI 族化合物）族化合物）銅銦硒銅銦硒（II- III-V 族化合物）族化合物）單晶硅太陽(yáng)電池單晶硅太陽(yáng)電池多晶硅薄膜太陽(yáng)電池多晶硅薄膜太陽(yáng)電池非晶硅薄膜太陽(yáng)電池非晶硅薄膜太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池種類(lèi)太陽(yáng)電池種類(lèi)1011按照結(jié)構(gòu)分類(lèi)： 同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 硅太陽(yáng)能電池、砷化鎵太陽(yáng)能電池 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料界面構(gòu)成，如非晶硅

9、/晶硅異質(zhì)結(jié)、硫化亞銅/硫化銅肖特基結(jié)太陽(yáng)電池 （MS） 金屬和半導(dǎo)體接觸組成一個(gè)“肖特基勢(shì)壘”的太陽(yáng)能電池，原理為二者接觸時(shí)可產(chǎn)生類(lèi)似于p-n結(jié)可整流接觸的肖特基效應(yīng)，如Al/Si、 Pt/Si異質(zhì)結(jié)電池。目前已發(fā)展為MOS和MIS電池液結(jié)太陽(yáng)電池 利用敏化納米半導(dǎo)體把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。按照工作方式分類(lèi)： 平板太陽(yáng)電池 聚光太陽(yáng)電池各類(lèi)太陽(yáng)能電池的制造方法及研究狀況各類(lèi)太陽(yáng)能電池的制造方法及研究狀況12種類(lèi)種類(lèi)材料材料太陽(yáng)能太陽(yáng)能單電池單電池效率效率太陽(yáng)能太陽(yáng)能電池模電池模塊效率塊效率主要制備方主要制備方法法優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)硅系硅系太陽(yáng)太陽(yáng)能電能電池池單晶單晶硅硅151525%25%1313

10、20%20%表面結(jié)構(gòu)化表面結(jié)構(gòu)化發(fā)射區(qū)鈍化發(fā)射區(qū)鈍化分區(qū)摻雜分區(qū)摻雜效率最高效率最高技術(shù)成熟技術(shù)成熟工藝繁瑣工藝繁瑣成本高成本高多晶多晶硅硅101019%19%101018%18%化學(xué)氣相沉化學(xué)氣相沉積法積法液相外延法液相外延法濺射沉積法濺射沉積法無(wú)效率衰退問(wèn)無(wú)效率衰退問(wèn)題題成本遠(yuǎn)低于單成本遠(yuǎn)低于單晶硅晶硅效率低于效率低于單晶硅單晶硅非晶非晶硅硅8 813%13%5 510%10%反應(yīng)濺射法反應(yīng)濺射法PECVDPECVD法法LPCVDLPCVD法法成本較低成本較低轉(zhuǎn)換效率較高轉(zhuǎn)換效率較高穩(wěn)定性穩(wěn)定性不高不高種類(lèi)種類(lèi)材料材料 單電單電池效池效率率模塊效率模塊效率主要制備主要制備方法方法優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺

11、點(diǎn)缺點(diǎn)多元化合多元化合物薄膜太物薄膜太陽(yáng)能電池陽(yáng)能電池砷化鎵砷化鎵1919 32%32%232330%30%MOVPEMOVPE和和LPELPE技術(shù)技術(shù)效率較高效率較高成本較單成本較單晶硅低晶硅低易于規(guī)模易于規(guī)模生產(chǎn)生產(chǎn)原材料有原材料有劇毒劇毒碲化鎘碲化鎘101015%15%7 710%10%銅銦硒銅銦硒101017%17%8 810%10%真空蒸鍍真空蒸鍍法和硒化法和硒化法法價(jià)格低廉價(jià)格低廉性能良好性能良好工藝簡(jiǎn)單工藝簡(jiǎn)單原材料來(lái)原材料來(lái)源比較有源比較有限限染料敏化染料敏化太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池8 812%12%8%8%溶膠凝膠溶膠凝膠法法水熱反應(yīng)水熱反應(yīng)濺射法濺射法成本低廉成本低廉工藝簡(jiǎn)單工

12、藝簡(jiǎn)單性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定有機(jī)或聚合物有機(jī)或聚合物太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池3 310%10%處于研發(fā)處于研發(fā)當(dāng)中當(dāng)中易制作易制作材料廣泛材料廣泛成本低成本低效率低效率低壽命短壽命短13效率低效率低壽命短壽命短1415太陽(yáng)電池工作原理太陽(yáng)電池工作原理1. Si半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵共價(jià)鍵共用電子共用電子Si禁帶寬度：1.12eV162. 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體： 完全無(wú)雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體；一般指導(dǎo)電主要由材料的本征激發(fā)決定的純凈導(dǎo)體。具有斷鍵的硅晶體 絕對(duì)零度下，半導(dǎo)體電子填滿(mǎn)價(jià)帶，導(dǎo)帶是空的，半導(dǎo)體不導(dǎo)電。 絕對(duì)零度以上，價(jià)電子在熱激發(fā)下可到導(dǎo)帶，形成自由電子，價(jià)帶中形成空穴。外加電

13、場(chǎng)作用下，電子與空穴定向移動(dòng)形成電流，電子產(chǎn)生的導(dǎo)電稱(chēng)為電子導(dǎo)電；因空穴產(chǎn)生的導(dǎo)電稱(chēng)為空穴導(dǎo)電。電子和空穴稱(chēng)為載流子 半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電能力很小，Si在300K的本征電導(dǎo)率為2.3105 cm。173. p型和型和n型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： Si半導(dǎo)體中摻入3價(jià)元素的半導(dǎo)體（如硼、鎵、鋁等），在晶體中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空穴，形成p型半導(dǎo)體。 Si半導(dǎo)體中摻入5價(jià)元素的半導(dǎo)體（如磷、砷、銻等），在共價(jià)鍵之外會(huì)出現(xiàn)一個(gè)多余的電子，形成n型半導(dǎo)體。p型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體多數(shù)載流子：空穴多數(shù)載流子：電子載流子密度是決定半導(dǎo)體電導(dǎo)率大小的主要因素載流子密度是決定半導(dǎo)體電導(dǎo)率大小的主要因素184. p-n結(jié)：結(jié)： n型半

14、導(dǎo)體中含有較多的電子，而p型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，這樣，當(dāng)p型和n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差形成p-n結(jié) p-n結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。電子擴(kuò)散方向空穴擴(kuò)散方向空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)） 施加正向偏壓（與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反），產(chǎn)生正向電流 施加負(fù)偏壓，產(chǎn)生很小的反向電流p-n結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?9l 材料吸收光子后，產(chǎn)生電子材料吸收光子后，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)空穴對(duì)l 電性相反的光生載流子被半導(dǎo)體中電性相反的光生載流子被半導(dǎo)體中p-n結(jié)所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分開(kāi)結(jié)所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分開(kāi)l 光生載流子被太陽(yáng)能電池的兩極所收集，并在電路中產(chǎn)生電流，因而獲光生載流子被太陽(yáng)能電池的兩極所收集，

15、并在電路中產(chǎn)生電流，因而獲得電能得電能 這個(gè)這個(gè)過(guò)程的的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。過(guò)程的的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。 5.太陽(yáng)電池工作原理太陽(yáng)電池工作原理2021一般為p-n結(jié)型太陽(yáng)能電池，主要由p型半導(dǎo)體/n型半導(dǎo)體、電極、防反射膜、組件封裝材料等梳狀電極：梳狀電極：由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò)pn結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋pn結(jié)，以增加入射光的面積。減反射膜：硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不能被電池利用減反射膜：硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不能被電池利用。因而涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜，將反射損

16、失減小到5甚至更小。太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)22 太陽(yáng)電池一般制成p+/n型結(jié)構(gòu)或n+/p型結(jié)構(gòu)，其中p+和n+表示太陽(yáng)電池正面光照半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型；n和 p表示太陽(yáng)電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型。 下圖為在p型半導(dǎo)體材料上擴(kuò)散磷元素，形成n+/p型結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池。上表面為負(fù)極；下表面為正極。23太陽(yáng)能電池的特性太陽(yáng)能電池的特性24 1）. 開(kāi)路電壓（開(kāi)路電壓（ Voc ）：當(dāng)電勢(shì)增長(zhǎng)到正向電流恰好抵消光致電流時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即電池電流為0時(shí)的電壓值稱(chēng)為開(kāi)路電壓。 2）. 短路電流（短路電流（ Jsc）：為電池電壓為0時(shí)的電流值稱(chēng)為短路電流。 Jsc = I0 q lh inj cc

17、 式中I0為入射光通量，q為元電荷，lh為光捕獲效率，inj為電子注入效率，cc為電子收集效率。 3）. 光電轉(zhuǎn)化效率（光電轉(zhuǎn)化效率（）：指電池的實(shí)際最大輸出功率與入射光功率的比值： =Vop：最佳工作電壓 Jop： 最佳工作電流太陽(yáng)能電池的I-V曲線1. 輸入輸入-輸出特性輸出特性 即電壓-電流特性，簡(jiǎn)稱(chēng)伏安特性，表征太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)的光能 轉(zhuǎn)換成電能的能力。25 4）. 填充因子（填充因子（FF）：電池最大輸出功率與開(kāi)路電壓與短路電流乘積的比值。實(shí)際中為0.6-0.75 。 5）. 單色光電轉(zhuǎn)換效率單色光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE： Monochromatic Incident Photon-t

18、o-Electron Conversion Efficiency)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到外電路的電子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，也稱(chēng)為外部量子效率，其值反映在單色光照射下光子轉(zhuǎn)化為電子的百分率。 262. 溫度溫度特性特性 指太陽(yáng)能電池的工作環(huán)境溫度和電池吸收光子之后使自身溫度 升高對(duì)電池性能的影響。溫度升高，短路電流增加，開(kāi)路電壓減小，總轉(zhuǎn)換效率變小。273.3. 照度特性照度特性 指太陽(yáng)能電池的電氣性能與光照強(qiáng)度的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，隨著光 照強(qiáng)度的減小，電池的光電轉(zhuǎn)化效率增大。不同輻照度下電池的I-V特性曲線標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件光源輻照度：光源輻照度：AM1.5 1000W/m2 ； 測(cè)試溫度：測(cè)

19、試溫度： 2520C ； 28太陽(yáng)電池等效電路太陽(yáng)電池等效電路理想太陽(yáng)電池等效電路： 相當(dāng)于一個(gè)電流為Iph的恒流電源與一只正向二極管并聯(lián)。 流過(guò)二極管的正向電流稱(chēng)為暗電流ID，光生電流Iph 流過(guò)負(fù)載的電流為I，負(fù)載兩端的電壓為V Iph ID V R I29實(shí)際太陽(yáng)電池等效電路： 由于漏電流等產(chǎn)生的旁路電阻Rsh 由于體電阻和電極的歐姆電阻產(chǎn)生的串聯(lián)電阻Rs 在Rsh兩端的電壓為： Vj =(V+IRS) 因此流過(guò)旁路電阻Rsh的電流為： ISh= (V+IRS) / Rsh 流過(guò)負(fù)載的電流： I= Iph ID Ish Rs Iph ID Rsh Ish V R I太陽(yáng)電池材料一般的要求

20、有：太陽(yáng)電池材料一般的要求有： (1) 半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的禁帶禁帶不能太寬；不能太寬；(2) 要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；(3) 材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；(4) 材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。 太陽(yáng)電池材料太陽(yáng)電池材料30設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)在可見(jiàn)區(qū)內(nèi)有強(qiáng)吸收的半導(dǎo)體材料可見(jiàn)區(qū)內(nèi)有強(qiáng)吸收的半導(dǎo)體材料是高效利用太陽(yáng)能的關(guān)是高效利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵性因素。鍵性因素。312.2 硅太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)電池單晶硅太陽(yáng)電池32原料: 高純的單晶硅棒，純度要求純度要求99.999。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅

21、材料和成熟的加工處理工藝基礎(chǔ)上 單晶硅太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)室 最高效率25%（澳大利亞新 南威爾士大學(xué)，馬丁格林 教授組）l單晶硅棒的制備： 坩堝拉直法和懸浮區(qū)熔法多晶硅太陽(yáng)電池多晶硅太陽(yáng)電池33晶硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料晶硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝材料工藝復(fù)雜，電耗很大復(fù)雜，電耗很大，在太陽(yáng)電池生產(chǎn)總成本總成本中己超二分之一二分之一。加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽(yáng)電池也是圓片，組成太陽(yáng)能組件平面圓片，組成太陽(yáng)能組件平面利用率低利用率低。因此，80年代以來(lái)，歐美一些國(guó)家投入了多晶硅太陽(yáng)電池的研制。目前太陽(yáng)電池使用的多晶硅材料， 多半是含有大

22、量單晶顆粒的集合體大量單晶顆粒的集合體， 或用廢棄單晶硅料和冶金級(jí)硅材料廢棄單晶硅料和冶金級(jí)硅材料 熔化澆鑄而成。多晶硅錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽(yáng)電池片方形太陽(yáng)電池片，可提高材制利用率和方便組裝。多晶硅太陽(yáng)電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率稍低于稍低于單晶硅太陽(yáng)電池，但是材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。非晶硅太陽(yáng)電池非晶硅太陽(yáng)電池34非晶硅太陽(yáng)電池非晶硅太陽(yáng)電池是1976年出現(xiàn)的新型薄膜式太陽(yáng)電池年出現(xiàn)的新型薄膜式太陽(yáng)電池，硅硅材料消耗很少，電耗更低材料消耗很少，電耗更低，非常吸引人。制造方法: 輝光放電法，還有反應(yīng)濺射法、

23、化學(xué)氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法和熱分解硅烷法等。襯底材料一般用玻襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板璃或不銹鋼板。電池結(jié)構(gòu): p-i-n電池電池，它是在襯底上先沉積一層摻磷的摻磷的n型型非晶硅非晶硅，再沉積一層未摻雜的未摻雜的i層層，然后再沉積一層摻硼的摻硼的p型非晶硅型非晶硅非晶硅太陽(yáng)電池很薄很薄，可以制成疊層式目前非晶硅太陽(yáng)電池存在的問(wèn)題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國(guó)際先進(jìn)水平為先進(jìn)水平為10左右左右，且不夠穩(wěn)定不夠穩(wěn)定，所以尚未大量用于作大型太陽(yáng)能電源，而多半用于弱光電源，如袖珍式電子計(jì)算器、電子鐘表及復(fù)印機(jī)等方面。35硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)流程硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)流程 36通常的晶體硅太陽(yáng)能電

24、池是在厚度350450m的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。 上述方法實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來(lái)制備多晶硅薄膜電池。生產(chǎn)過(guò)程大致可分為五個(gè)步驟：生產(chǎn)過(guò)程大致可分為五個(gè)步驟：a、提純過(guò)程、提純過(guò)程 b、拉棒過(guò)程、拉棒過(guò)程 c、切片過(guò)、切片過(guò)程程 d、制電池過(guò)程、制電池過(guò)程 e、封裝過(guò)程。、封裝過(guò)程。 37 硅片切割硅片切割 硅片的表面清洗：化學(xué)清洗硅片的表面清洗：化學(xué)清洗除污除污 表面腐蝕：除去

25、硅片表面的切割損傷表面腐蝕：除去硅片表面的切割損傷 制絨：使硅片表面變粗糙制絨：使硅片表面變粗糙硅太陽(yáng)電池的制備工藝：38 擴(kuò)散制結(jié)：擴(kuò)散制結(jié)：加工太陽(yáng)電池片，首先要在硅片上摻雜和擴(kuò)散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴(kuò)散是在石英管制成的高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn)行。這樣就硅片上形成PN結(jié)。 去背結(jié)去背結(jié) 絲網(wǎng)印刷上下電極絲網(wǎng)印刷上下電極 沉積減反射層：沉積減反射層：減少表面反射，增大折射率。 共燒形成金屬接觸共燒形成金屬接觸 電池片測(cè)試電池片測(cè)試 太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池板板: :用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流和電流。最后用框架和裝材料進(jìn)行封裝。最后用框架和裝材料

26、進(jìn)行封裝。39損耗損耗光學(xué)損耗光學(xué)損耗 反射、電極反射、電極影響、透射影響、透射電損耗電損耗歐姆電阻損耗歐姆電阻損耗載流子復(fù)合損載流子復(fù)合損耗耗單晶硅太陽(yáng)能電池的損耗：40提高晶體硅電池效率的方法提高晶體硅電池效率的方法 背電場(chǎng)(BSF)電池 在常規(guī)電池n+/p或p+/n的硅電池背面增加一層p+或n+層,即形成背電場(chǎng),可以使電池性能提高,并且不受電阻率和一定范圍內(nèi)單晶片厚度變化的影響。 聚光電池聚光電池 通過(guò)聚光器,使大面積聚光器上接收到的太陽(yáng)光會(huì)聚一個(gè)比較小的范圍內(nèi),形成“焦斑”或“焦帶”。位于“焦斑”或“焦帶”處的太陽(yáng)電池可得到較多的光能,使每一片電池能輸出更多的電能。 需要配備一套包括：

27、聚光器,散熱器,跟蹤器及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等的聚光系統(tǒng)。 41絨面電池 采用選擇性腐蝕溶液,使(100)硅片表面形成（111）面微小的金字塔型的小丘,小丘密度大約為108-109個(gè)/厘米2。依靠表面金字塔形的方錐結(jié)構(gòu),對(duì)光進(jìn)行多次反射,不僅減少了反射損失,而且改變了光在硅中的前進(jìn)方向,延長(zhǎng)了光程,增加了光生載流子的產(chǎn)量；曲折的絨面又增加了p-n結(jié)面積,從而增加對(duì)光生載流子的收集率；并改善了電池的紅光響應(yīng)。 42u從轉(zhuǎn)換效率和材料的來(lái)源角度講，多晶硅和非晶硅從轉(zhuǎn)換效率和材料的來(lái)源角度講，多晶硅和非晶硅薄膜電池將最終取代單晶硅電池，成為市場(chǎng)的主導(dǎo)薄膜電池將最終取代單晶硅電池，成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。產(chǎn)品。u

28、今后研究的重點(diǎn)除繼續(xù)開(kāi)發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中今后研究的重點(diǎn)除繼續(xù)開(kāi)發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中在如何降低成本上來(lái)，近來(lái)國(guó)外曾采用某些技術(shù)制在如何降低成本上來(lái)，近來(lái)國(guó)外曾采用某些技術(shù)制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的基片，以達(dá)得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的基片，以達(dá)到降低成本的目的，效果還是比較理想的到降低成本的目的，效果還是比較理想的。硅系太陽(yáng)能電池的研究趨勢(shì)硅系太陽(yáng)能電池的研究趨勢(shì)43442.3 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池Thin Film Photovoltaic （TFPV）45按材料來(lái)分：按材料來(lái)分：46II-VI 族化合物族化合物 如如CdTeIII-V族化合物

29、族化合物 如如GaAs多元化合物體系：多元化合物體系：CIS (Cu-In-S, Cu-In-Se) CIGS (Cu-In-Ga-Se) CZTS (Cu-Zn-Sn-S)47 GaAs，禁帶寬度是，禁帶寬度是1.43 eV，是理想的太陽(yáng)能電池材料。，是理想的太陽(yáng)能電池材料。 GaAs 的優(yōu)勢(shì)：的優(yōu)勢(shì)： GaAs高效聚光電池在國(guó)外被認(rèn)為是低成本規(guī)模建造太陽(yáng)能電高效聚光電池在國(guó)外被認(rèn)為是低成本規(guī)模建造太陽(yáng)能電站的有效途徑站的有效途徑 1. GaAs太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池： 高的能量轉(zhuǎn)換效率高的能量轉(zhuǎn)換效率：處于最佳的能隙為1.41.5eV之間 吸收系數(shù)大吸收系數(shù)大：吸收：吸收95%的太陽(yáng)光厚度僅

30、為的太陽(yáng)光厚度僅為510um 耐高溫性耐高溫性；200度下效率仍有10% 抗輻射性能好抗輻射性能好：直接帶隙，少數(shù)載流子壽命短，抗輻射性能好，更適合空間能源領(lǐng)域； 開(kāi)路電壓大，短路電流小，不易受串聯(lián)電阻影響開(kāi)路電壓大，短路電流小，不易受串聯(lián)電阻影響48 GaAs電池結(jié)構(gòu)：由單結(jié)向多結(jié)轉(zhuǎn)變電池結(jié)構(gòu)：由單結(jié)向多結(jié)轉(zhuǎn)變單結(jié)單結(jié) GaAs電池極限效率：電池極限效率：27%；雙結(jié)：；雙結(jié)：30%；三結(jié)：；三結(jié)：38%；四結(jié)：；四結(jié)：41%49Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)能電池空間用電池，平均效率28%50 GaAs材料材料的缺點(diǎn)的缺點(diǎn)資源稀缺資源稀缺，Ga價(jià)格昂貴，約Si材料的10倍；

31、污染環(huán)境污染環(huán)境，砷化物有毒物質(zhì)，對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染；機(jī)械強(qiáng)度較弱機(jī)械強(qiáng)度較弱，易碎；密度大密度大（5.318 g/cm3），質(zhì)量大。 GaAs太陽(yáng)能電池的制備方法：太陽(yáng)能電池的制備方法： 液相外延技術(shù)（液相外延技術(shù)（LPE）、）、MOCVD、分子束外延技術(shù)（、分子束外延技術(shù)（MBE）51 CdS，室溫下禁帶寬度是，室溫下禁帶寬度是2.42 eV，是重要的，是重要的n型窗口材料，具型窗口材料，具有良好的光電導(dǎo)率和光的通透性。有良好的光電導(dǎo)率和光的通透性。 CdS作為窗口層的厚度約為作為窗口層的厚度約為50100 nm，可使波長(zhǎng)小于，可使波長(zhǎng)小于500 nm的光透過(guò)。的光透過(guò)。Cu2S/CdS是一

32、種廉價(jià)太陽(yáng)電池，它具有成本低、制備工藝十是一種廉價(jià)太陽(yáng)電池，它具有成本低、制備工藝十分簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。分簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。制備方法：制備方法：a) 在多種襯底上使用直接和間接加熱源的方法沉在多種襯底上使用直接和間接加熱源的方法沉積多晶積多晶CdS薄膜；薄膜；b) 用噴涂法制備用噴涂法制備CdS薄膜，將含有薄膜，將含有S和和Cd的的化合物水溶液，用噴涂設(shè)備噴涂到玻璃或具有化合物水溶液，用噴涂設(shè)備噴涂到玻璃或具有SnO2導(dǎo)電膜的導(dǎo)電膜的玻璃及其它材料的襯底上，經(jīng)熱分解沉積成玻璃及其它材料的襯底上，經(jīng)熱分解沉積成CdS薄膜。薄膜。 2. CdS薄膜太陽(yáng)能電池薄膜太陽(yáng)能電池： 52在薄膜光伏材料中，在薄膜光伏材

33、料中，CdTe為人們公認(rèn)的高效、穩(wěn)定、廉價(jià)為人們公認(rèn)的高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的薄膜光伏器件材料。的薄膜光伏器件材料。室溫下室溫下CdTe多晶薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率理論值為多晶薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率理論值為27，目前已制成面積為目前已制成面積為l cm2，效率超過(guò)，效率超過(guò)15的的CdTe太陽(yáng)能電池；太陽(yáng)能電池；面積為面積為706 cm2的組件效率超過(guò)的組件效率超過(guò)10，小面積，小面積16.5% (NERL公司）公司）制備方法：電鍍、絲網(wǎng)印刷，化學(xué)氣相沉積制備方法：電鍍、絲網(wǎng)印刷，化學(xué)氣相沉積CVD，物理氣相，物理氣相沉積沉積PVD， MOCVD，分子束外延，分子束外延MBE，噴涂，濺射，真，噴涂，濺

34、射，真空蒸發(fā)，電沉積等?？照舭l(fā)，電沉積等。 3. 多晶多晶薄膜薄膜CdTe太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池：TCO：導(dǎo)電性和透明性兼?zhèn)鋘型半導(dǎo)體，厚度決定短路電流（吸光問(wèn)題）吸收層通常大于1微米增加厚度以降低晶粒界面的密度，減少載流子復(fù)合的幾率53CdS：n型，堿性下型，堿性下 CBDCdTe：p型，電沉積法，陽(yáng)極型，電沉積法，陽(yáng)極空氣中，空氣中，450C煅燒，煅燒，n p型型激光切割激光切割A(yù)l金屬濺射金屬濺射再次切割再次切割EVA封裝封裝CdTe電池的制備方法54一種含銅銦硒三元素（簡(jiǎn)稱(chēng)CIS），一種含銅銦鎵硒四元素（簡(jiǎn)稱(chēng)CIGS）。 優(yōu)點(diǎn)： a）高消光系數(shù)高消光系數(shù)，104105cm-1，CuInS

35、e2高達(dá)高達(dá)106cm-1的吸收系數(shù)，這是的吸收系數(shù)，這是到目前為止所有半導(dǎo)體材料中的最高值。到目前為止所有半導(dǎo)體材料中的最高值。CIGS隨著銦鎵含的同，其光吸收范圍可從1.04ev至1.70ev。 活性材料厚度不需超過(guò)1m，99以上的光子均可被吸收，因此降低成本，所需半導(dǎo)體原可能僅US$0.03/W。4. CIS薄膜薄膜太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池55黃銅礦黃銅礦b)轉(zhuǎn)化效率高轉(zhuǎn)化效率高, 在實(shí)驗(yàn)室完成的CIGS電池，光電效率最高可達(dá)19.88%，就模塊而言，最高亦可達(dá)約13(CIS約10%)。c)電池電池穩(wěn)定穩(wěn)定耐用，耐用，抗干擾，無(wú)光致衰退效應(yīng)，壽命長(zhǎng)d)CIGS的的Na效應(yīng)：效應(yīng)：微量Na摻雜可以?xún)?yōu)化其性能，尤其能提高p型CIGS 的傳導(dǎo)率，可使用鈉鈣玻璃做基板e(cuò))抗抗輻射性強(qiáng)且輕便輻射性強(qiáng)且輕便f)p型導(dǎo)電型導(dǎo)電g) 制造成本低制造成本低C