薄膜太陽能電池知識培訓(xùn)

1、薄膜太陽能電池知識培訓(xùn)薄膜太陽能電池知識培訓(xùn)Outline 一、太陽電池原理一、太陽電池原理 二、薄膜太陽電池分類二、薄膜太陽電池分類 三、薄膜太陽電池制程三、薄膜太陽電池制程 四、生產(chǎn)廠商簡介四、生產(chǎn)廠商簡介一、太陽電池原理一、太陽電池原理電子能級圖電子能級圖E1E2E3晶體中電子的運動情況晶體中電子的運動情況能級 電子處于一系列的運動狀態(tài)，稱為量子態(tài)。每個量子態(tài)中，電子的能量是一定的，稱為能級。 靠近原子核的能級，電子受束縛強，能級低，反之，能級高。 電子只能在這些分裂的能級間躍遷，從低能級躍遷至高能級時，電子要吸收能量，反之，電子要放出能量。晶體能帶的形成原子軌道原子能級原子能帶禁帶禁帶

2、允帶允帶允帶能帶的形成當(dāng)原子排列成晶體時，電子除受到自身勢場外，還受到其他原子勢場作用，能級發(fā)生分裂，分裂能級總數(shù)很大，將構(gòu)成能量相近的能帶。在能量低的能帶中填滿了電子，這些能帶稱為滿帶；能量最高的能帶，往往是半空或全空的，電子沒有填滿，稱為導(dǎo)導(dǎo)帶（導(dǎo)帶底能量為帶（導(dǎo)帶底能量為Ec）；導(dǎo)帶下的那個滿帶，其電子可能躍遷到導(dǎo)帶，稱為價價帶（價帶頂能量為帶（價帶頂能量為Ev）；兩者之間電子不能運動的區(qū)域稱為禁帶禁帶。費米能級 假設(shè)把體系內(nèi)所有電子按能量由低到高逐個占據(jù)能帶中各個能級，則最后一個電子占據(jù)的那個能級即為費米能級。 物理意義：電子占據(jù)的概率為1/2的能級稱為費米能級。只要知道了它的數(shù)值，在

3、一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計分布就完全確定了。 處于熱平衡狀態(tài)下的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費米能級。也就是說，在溫度0K時，費米能以下，填滿電子，費米能以上，沒有電子。 半導(dǎo)體 固體材料按照導(dǎo)電性能可以分為絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體。絕緣體1010cm 如玻璃、水泥、干燥的木頭等。導(dǎo)體10-5cm 如金、銀、銅、鋁等金屬。半導(dǎo)體10-5cm 108cm 如硅、鍺、砷化鎵等等。 半導(dǎo)體材料的電阻率對溫度、光照、磁場、壓力、濕度、雜質(zhì)濃度等因素非常敏感，能夠制成發(fā)光、光電、磁敏、壓敏、氣敏、濕敏、熱電轉(zhuǎn)換等器件，因此用途廣泛。木頭木頭銅線銅線硅硅電導(dǎo)率取決于能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)帶電子的性質(zhì)。金屬材料的導(dǎo)帶和價帶是

4、重合的，中間沒有禁帶，因此，在價帶中存在大量的自由電子，導(dǎo)電能力很強。絕緣體材料的導(dǎo)帶是空的，沒有自由電子，而且禁帶的寬度很寬，價帶的電子不可能穿過禁帶躍遷到導(dǎo)帶上，導(dǎo)帶中始終沒有自由電子，所以，絕緣體材料不導(dǎo)電。半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中沒有自由電子，但在一定得條件下，價帶的電子可以躍遷到導(dǎo)帶上，在價帶中留下空穴，電子和空穴同時導(dǎo)電。因此，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度是一個決定電學(xué)和光學(xué)性能的重要參數(shù)。絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體能帶示意圖重要太陽能半導(dǎo)體材料的禁帶寬度電導(dǎo)率的能帶解釋半導(dǎo)體分類本征半導(dǎo)體 沒有摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料，電子和空穴的濃度相等。N型半導(dǎo)體 在半導(dǎo)體材料中摻入了某種雜質(zhì)(P)，使得電子濃度大于空

5、穴濃度，稱其為N型半導(dǎo)體，此時電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子。相應(yīng)的雜質(zhì)被稱為N型摻雜劑（施主雜質(zhì)）P型半導(dǎo)體 在超高純的半導(dǎo)體材料中摻入了某種雜質(zhì)(B)，使得空穴濃度大于電子濃度，稱其為P型半導(dǎo)體，此時空穴稱為多數(shù)載流子，電子稱為少數(shù)載流子。相應(yīng)雜質(zhì)稱為P型摻雜劑（受主雜質(zhì)） 半導(dǎo)體分類 本征半導(dǎo)體費米能級位于禁帶中線附近 N型半導(dǎo)體費米能級靠近導(dǎo)帶P型半導(dǎo)體費米能級靠近價帶EcEFEv本征半導(dǎo)體EcEFEvN型半導(dǎo)體EcEFEvP型半導(dǎo)體半導(dǎo)體分類 N型半導(dǎo)體中靠近導(dǎo)帶底部處存在施主能級，雜質(zhì)電離時，施主能級上的電子獲得能量ED，躍遷進入導(dǎo)帶，成為自由電子，同時，形成固定不動的正電

6、中心。 P型半導(dǎo)體中靠近價帶頂部處存在受主能級，雜質(zhì)電離時，受主能級上的空穴獲得能量EA，躍遷進入價帶，成為導(dǎo)電空穴，同時，形成固定不動的負(fù)電中心。EgED+ +EcEDEvEgEA-EcEAEvP-N結(jié)熱平衡狀態(tài)形成過程內(nèi)建電場形成擴散漂移平衡態(tài)多子濃度降低濃度梯度存在內(nèi)建電場擴散和漂移共存PNPNPNPN半導(dǎo)體獨立存在時，都是電中性的。將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在其二者的接觸面上就形成PN結(jié)。平衡時，產(chǎn)生的空穴-電子對和復(fù)合的空穴-電子對數(shù)目相同。電子空穴平衡時，產(chǎn)生的空穴-電子對和復(fù)合的空穴-電子對數(shù)目相同。 熱平衡下的PN結(jié) 在內(nèi)建電場的作用下，載流子作漂移運動。相同載流子漂

7、移與擴散方向相反。在無外加電壓的情況下，載流子的擴散和漂移最終將達(dá)到動態(tài)平衡。稱這種情況為熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)。EcEFEvEvEFEc電子漂移空穴漂移電子擴散空穴擴散p-n結(jié)能帶圖EcEFEvN型半導(dǎo)體EcEFEvP型半導(dǎo)體 太陽能電池原理 光伏效應(yīng) 當(dāng)P-N結(jié)受光照時，會產(chǎn)生光生載流子，在內(nèi)建電場作用下，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，產(chǎn)生光生電勢。如果將PN結(jié)與外電路相連，則電路中出現(xiàn)電流，稱為光生伏特效應(yīng)，是光生伏特效應(yīng)，是太陽能光電池的基本原理太陽能光電池的基本原理。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻

8、擋而不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結(jié)電場附近時能在內(nèi)建電場作用下漂移過結(jié)。 非晶硅薄膜電池 非晶硅重參雜缺陷太多，光生載流子大部分被復(fù)合，壽命很短，對發(fā)電貢獻太少；輕參雜費米級移動太小，能帶彎曲小,開路電壓受限。因此 非晶硅電池采用的結(jié)構(gòu)與晶硅不同，添加了有源集電區(qū)I層。 EcEFEvEvEFEc電子漂移空穴漂移電子擴散空穴擴散p-n結(jié)能帶圖 非晶硅薄膜電池 P層采用Si C異質(zhì)結(jié) ，Si C異質(zhì)結(jié)的禁帶寬度很大，通過窗口作用提高透光率，使到達(dá)I層的可用光子增多，同時提高了開路電壓 。 太陽能電池參數(shù) I = Isexp(qV/kT)-1-IL 開

9、路情況：I=0 得 （與內(nèi)建電場對應(yīng)） 短路情況：短路電流等于光生電流 ISC=ILln(1)LocsIkTVqI太陽能電池參數(shù)長度。分別為電子空穴的擴散和為空間電荷區(qū)的寬度；空穴對產(chǎn)生速率；電子為光照時，結(jié)面積，為光生電流：pnpnLLALWLqAGIWGN-P1為光生電壓。為反向飽和電流，：光照時外加負(fù)載的電流Vexp0001IIkTqVIII1ln01IIqkTVoc開路電壓：1IIsc短路電流：太陽能電池參數(shù)最大輸出功率：最佳工作點，該點的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓Vop和最佳工作電流Iop電壓為0時，電流最大，稱為短路電流；電流為0是時，電壓最大，稱為開路電壓。填充因子：maxo

10、popocscocscV IPFFVIVI轉(zhuǎn)換效率：最大輸出功率與入射功率之比。太陽能電池參數(shù) 由伏安特性曲線上能夠看出，最大輸出功率是與開路電壓和光生電流（短路電流）有關(guān)的（矩形面積），因此可以通過提高二者的值來提高電池性能。 太陽能電池參數(shù) 要提高光生電流就要減小禁帶寬度，激發(fā)更多電子，但是問題是高能光子激發(fā)電子后剩余能量轉(zhuǎn)換為熱能，對電池性能產(chǎn)生負(fù)面影響。 要提高開路電壓就要提高光生電流和反響飽和電流的比值，增大禁帶寬度可以減小反向飽和電流，但是同時也減少了光生電流。 太陽能電池等效電路 實際上，p-n結(jié)太陽能電池存在著Rs和Rsh的影響。其中， Rs是由材料體電阻、薄層電阻、電極接觸電

11、阻及電極本身傳導(dǎo)電流的電阻所構(gòu)成的總串聯(lián)電阻。Rsh是在p-n結(jié)形成的不完全的部分所導(dǎo)致的漏電阻及電池邊緣的漏電阻，稱為旁路電阻或漏電電阻。二、薄膜太陽電池分類二、薄膜太陽電池分類薄膜太陽能電池分類 在化合物半導(dǎo)體中，研究最多的是III-V族的GaAs太陽能電池。由于其帶隙比Si大，具有與太陽光光譜相當(dāng)一致的光譜特性，因而從光譜響應(yīng)角度來說，更適合做太陽能電池，目前，在所有太陽能電池中，GaAs太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高。砷化鎵薄膜太陽電池砷化鎵薄膜太陽電池 在制備GaAs太陽電池時，一般在N型GaAs襯底上首先生長0.5um左右的N型GaAs緩沖層，再生長N型AlGaAs作為背電場，在此基礎(chǔ)上

12、生長N型GaAs作為基底層，然后生長0.5um左右的P型GaAs作為發(fā)射層，再利用一層P型AlGaAs薄膜作為窗口層，便組成了單結(jié)GaAs薄膜太陽電池。CuInSe2薄膜太陽電池 玻璃襯底 Mo導(dǎo)電膜 CuInSe2 CdSSiO2減反射層Al電極典型的CuInSe2單結(jié)薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖 CuInSe2薄膜太陽電池是由以玻璃或氧化鋁作為襯底，以Mo薄膜作為導(dǎo)電層，以厚度約為2um的N型CdS薄膜作為窗口層，和P型CuInSe2薄膜材料組成的。另外，為了增加光的入射率，在電池表面制備一層SiO2或MgF2作為減反射層，最后，電池利用梳齒狀鍍鋁層作為電極。 II-VI族半導(dǎo)體化合物太陽能電池

13、中，目前轉(zhuǎn)化效率最高的是n型硫化鎘（CdS）和p型碲化鎘（CdTe）組成的太陽能電池。這種電池的優(yōu)點是從pn結(jié)到電極全部可以用絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)制成，方法簡單，成本低，轉(zhuǎn)化效率可達(dá)13%左右，但同其他許多化合物太陽能電池一樣，有（鎘）引起的公害問題，所以至今不能廣泛普及。CdTe薄膜太陽電池CdTe薄膜太陽電池背面接觸 玻璃 CdTe CdS SnO2CdTe薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖 CdTe薄膜太陽電池一般制備在玻璃襯底上，首先沉積一層SnO2薄膜，再沉積一層n型CdS薄膜，最后制備金屬接觸層，形成完整的CdTe薄膜太陽電池。 有機太陽能電池 有機半導(dǎo)體太陽能電池也是目前研究較多的太陽能電池之一。

14、雖然現(xiàn)在 其轉(zhuǎn)換效率還不夠高，但由于有機薄膜制造過程極其簡單，生產(chǎn)成本低廉，易于大面積化，所以有望成為新的一種低成本太陽能電池。 有機太陽能電池以具有光敏性質(zhì)的有機物作為半導(dǎo)體的材料，以光伏效應(yīng)產(chǎn)生的電壓形成電流。三、薄膜太陽電池制程三、薄膜太陽電池制程薄膜太陽電池制程Deposition LineTCO LPCVDLaser ScribePIN Deposition(CVD)Laser ScribeZnOAl SputteringLaser ScribeEncapsulationAlEVA GlassZine Oxidea-Si：Ha-Si：HTin OxideHeat-Strengthen

15、ed Glass 鐳射：IR LASER:10W及GREEN (LASER:250500mW ) 鐳射主要用途：玻璃先鍍上TCO薄膜，用IR LASER劃線絕緣，再鍍上鋁后用 GREEN LASER移除鋁，但能傷到TCO薄膜及玻璃的部份。Glass SubstrateAbsorberBack-ContactFront-Contact (TCO)四、生產(chǎn)廠家介紹四、生產(chǎn)廠家介紹設(shè)備廠家資料分類名稱 產(chǎn)能（MW）占地面積（m2）人員配備（人）組件尺寸（m2）大尺寸設(shè)備商Oerlikon206,0001301.11.3AMAT4020,0001202.22.6ULVAC2525,0001501.11

16、.4XsunX25無資料無資料1.01.6小尺寸設(shè)備商NanoPV52,5001201.3970.635華基光電53,3001001.2450.635北儀創(chuàng)新54,000無資料1.2450.635EnergSolar57,900801.2450.635EPV512,0001201.2450.635思博露524,0001701.2520.642普樂525,0001101.2450.635組件廠家資料所屬所屬地區(qū)地區(qū)設(shè)備商設(shè)備商公司公司名稱名稱電池類型電池類型中國大陸普樂普樂a-SiAMAT新奧a-SiOerlikon正泰a-Si/c-SiEPVZuKinga-SiULVAC杜邦a-SiAMAT尚德a-SiEPV津能a-Si/a-SiOerlikon天威a-SiEPV慈能a-SiXsunX強生a-SiAMAT百事德a-Si/c-Si自制拓日a-Si/a-SiEPV鈞石a-Si/a-Si國電a-SiEPV中玻a-Si/a-Si所屬所屬地區(qū)地區(qū)設(shè)備商設(shè)備商公司名稱公司名稱電池類型電池類型美洲First solarCdS /CdTeTerraa-SiEPVEPV solara-Si歐洲AMATSun filma-Si/c-SiOerlikonInventux a-Si/c-SiOerlikonSCHOTT a