光電及光化學(xué)轉(zhuǎn)化原理與應(yīng)用電化學(xué)課件：電化學(xué)課件-李明濤

1、教材及主要參考書教材及主要參考書http:/ miller的書的書課時安排課時安排周次周次日期日期內(nèi)容內(nèi)容1 111.0511.05概論概論- -光伏光伏11.0711.07光伏光伏2 211.1211.12電化學(xué)電化學(xué)1 111.1411.14電化學(xué)電化學(xué)2 23 311.1911.19電化學(xué)電化學(xué)3 311.2111.21電化學(xué)電化學(xué)4 44 411.2611.26電化學(xué)電化學(xué)5 511.2811.28電化學(xué)電化學(xué)6 65 512.0312.03光電化學(xué)光電化學(xué)1 112.0512.05光電化學(xué)光電化學(xué)2 26 612.1012.10光電化學(xué)光電化學(xué)3 312.1212.12燃料電池燃料電

2、池1 1周次周次日期日期內(nèi)容內(nèi)容7 712.1712.17燃料電池燃料電池2 212.1912.19鋰電池鋰電池8 812.2412.24金屬空氣電池金屬空氣電池12.2612.26超級電容器超級電容器9 911.0511.05光催化光催化11.0711.07光催化光催化101011.1211.12光催化光催化11.1411.14光催化光催化111111.1911.19實驗111.2111.21實驗2121211.2611.26實驗311.2811.28復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)考核辦法考核辦法平時成績平時成績 30% 其中考勤其中考勤5% 作業(yè)作業(yè)25%期末考試期末考試 70%聯(lián)系方式聯(lián)系方式李明濤李明濤 講

3、師講師Tel:mail: ADD: 北北二樓二樓15 15樓樓(81517(81517隔壁）隔壁）接收預(yù)約答疑接收預(yù)約答疑為什么要講這門課？為什么要講這門課？講些什么內(nèi)容？講些什么內(nèi)容？Biting down with a filled tooth on a scrap of aluminum foil will cause pain. The foil acts as an active anode (Ealuminum = -1.66 V), saliva as the electrolyte, and the filling as an inactive cat

4、hode as O2 is reduced to H2O.Oxidation half-reaction2H2O(l) 4H+(aq) + O2(g) + 4e-Reduction half-reaction2H2O(l) + 4e- 2H2(g) + 2OH-(aq)Overall (cell) reaction2H2O(l) H2(g) + O2(g)The electrolysis of water.Lead-acid battery.Hydrogen Fuel CellsA small alkaline dry cellA solid-state lithium-iodide batt

5、ery 太陽能太陽能光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換是直接是直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的主要部件是主要部件是太陽電池太陽電池。 太陽電池太陽電池也稱光伏電池，它沒有任何運動的機(jī)械部件，在能也稱光伏電池，它沒有任何運動的機(jī)械部件，在能量轉(zhuǎn)換中具有重要的地位，被認(rèn)為是量轉(zhuǎn)換中具有重要的地位，被認(rèn)為是“最優(yōu)雅的能量轉(zhuǎn)換器最優(yōu)雅的能量轉(zhuǎn)換器”。1839年法國科學(xué)家貝克勒爾貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(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)，成功制備第一塊第一塊太陽電池太陽電池，效率只有1%。1954年美國貝爾實驗室研制成實用型實用型

6、硅太陽電池硅太陽電池，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)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，制成了第一塊薄膜太陽電池第一塊薄膜太陽電池。1958年太陽電池首次在空間應(yīng)用首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。1958年我國開始太陽電池研制，1971年首次發(fā)射用太陽電池作為電池的人造衛(wèi)星。1959年 第一個多晶硅太陽電池多晶硅太陽電池問世，效率達(dá)5%。1978年 美國建成100 kWp太陽地面光伏電站光伏電站。http:/ http:/ 了解詳細(xì)發(fā)展歷史了解詳細(xì)發(fā)展歷史 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是太陽能光電轉(zhuǎn)換的基本過程。太陽光是由光是太陽能光電轉(zhuǎn)換的基本過程。太陽光是由光子組成的，光子

7、的能量和太陽光譜的波長相對應(yīng)。光照射到太陽子組成的，光子的能量和太陽光譜的波長相對應(yīng)。光照射到太陽能電池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就能電池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以產(chǎn)生電能?？梢援a(chǎn)生電能。金屬電阻率：金屬電阻率： 10-8m 絕緣體電阻率：絕緣體電阻率： 1014 1020m 半導(dǎo)體電阻率：半導(dǎo)體電阻率： 10-4107m 半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和非導(dǎo)體之間，其的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和非導(dǎo)體之間，其依靠電子依靠電子-空空穴對導(dǎo)電，穴對導(dǎo)電，導(dǎo)電性能非常獨特。導(dǎo)電性能非常獨特。這些獨特的導(dǎo)電性是由其內(nèi)部的這些獨特的導(dǎo)電性是由其內(nèi)部的微觀物質(zhì)微

8、觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定的。下面結(jié)構(gòu)所決定的。下面以半導(dǎo)體以半導(dǎo)體硅硅為例來進(jìn)行介紹。為例來進(jìn)行介紹。 硅原子有硅原子有1414個電子，其最外層有個電子，其最外層有4 4個電子，稱為個電子，稱為價電價電子子，在光生伏特效應(yīng)中起重要作用。，在光生伏特效應(yīng)中起重要作用。硅的原子結(jié)構(gòu)示意圖硅的原子結(jié)構(gòu)示意圖價電子價電子原子核原子核 大量的硅原子通過價電子結(jié)合在一起，形成大量的硅原子通過價電子結(jié)合在一起，形成晶體晶體。在晶體。在晶體中，每個硅原子通常和鄰近的中，每個硅原子通常和鄰近的4 4個硅原子以共價鍵的形式分別共個硅原子以共價鍵的形式分別共享享4 4個價電子。個價電子。硅晶體結(jié)構(gòu)示意圖硅晶體結(jié)構(gòu)示意圖 在

9、一定溫度或強(qiáng)光的照射下，在一定溫度或強(qiáng)光的照射下，由于熱能或光能轉(zhuǎn)化為電子的由于熱能或光能轉(zhuǎn)化為電子的動能，如果動能足夠大，電子動能，如果動能足夠大，電子就可以掙脫束縛而成為就可以掙脫束縛而成為自由電自由電子子。共價電子掙脫束縛而成為。共價電子掙脫束縛而成為自由電子以后，便留下一個自由電子以后，便留下一個空空穴穴。通常把電子看成帶負(fù)電的。通常把電子看成帶負(fù)電的載流子，把空穴看成帶正電的載流子，把空穴看成帶正電的載流子。載流子。 由光照產(chǎn)生的載流子叫做由光照產(chǎn)生的載流子叫做光光生載流子生載流子。電子電子- -空穴示意圖空穴示意圖 自由電子在電場或熱運動作用下，可能遇到已經(jīng)產(chǎn)生的空穴，自由電子在電

10、場或熱運動作用下，可能遇到已經(jīng)產(chǎn)生的空穴，與空穴進(jìn)行復(fù)合，從而使載流子消失。空穴載流子的不斷產(chǎn)生與空穴進(jìn)行復(fù)合，從而使載流子消失?？昭ㄝd流子的不斷產(chǎn)生和消失，相當(dāng)于空穴（正電荷）的移動。由于和消失，相當(dāng)于空穴（正電荷）的移動。由于電子和空穴的移電子和空穴的移動動，就使半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性。，就使半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性。電子電子- -空穴移動示意圖空穴移動示意圖 禁帶具有一定的能量，這種能量叫做禁帶具有一定的能量，這種能量叫做禁帶寬度禁帶寬度。實際。實際上，這個能量是導(dǎo)帶的最低能級與滿帶的最高能級的能量差。上，這個能量是導(dǎo)帶的最低能級與滿帶的最高能級的能量差。內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光的照射

11、時，光可能被反射、吸：當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光的照射時，光可能被反射、吸收或透射。有些光子的能量大到足以使電子掙脫原子的束縛，同收或透射。有些光子的能量大到足以使電子掙脫原子的束縛，同時把電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，使半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子時把電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，使半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子- -空穴空穴對。對。實現(xiàn)內(nèi)光電效應(yīng)的實現(xiàn)內(nèi)光電效應(yīng)的條件條件是：是：其中：其中： 為光子的能量，為光子的能量，eVeV； 為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，4.13610-15eVs； 是光的頻率，是光的頻率，1/s1/s； 為禁帶寬度，為禁帶寬度，eVeV。ghEhgE由于由于 有有波長大于截止波長的光不能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。波

12、長大于截止波長的光不能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。cghcE截止材料材料禁帶寬度禁帶寬度/eV截止波長截止波長/m可供利用的太陽能比率可供利用的太陽能比率硅硅6磷化銦磷化銦1.250.970.69砷化鎵砷化鎵1.350.900.65碲化鎘碲化鎘1.450.840.61硒硒1.500.810.58銻化鋁銻化鋁1.550.780.57硒化鎘硒化鎘1.700.720.51磷化鎘磷化鎘2.300.530.28硫化鎘硫化鎘2.400.500.24光子能量通量光子能量通量：單位時間通過單位截面的光子能量。：單位時間通過單位截面的光子能量。其中：其中： 為在深度為在深度x處的光的強(qiáng)度，處的光的強(qiáng)度，

13、W/m2； 為射入正交表面的光強(qiáng)，為射入正交表面的光強(qiáng)，W/m2； 為吸收系數(shù)，為吸收系數(shù)，1/m。 說明說明：太陽能電池對半導(dǎo)體材料的薄膜厚度有一定的要求。：太陽能電池對半導(dǎo)體材料的薄膜厚度有一定的要求。 例：若要吸收例：若要吸收90%以上的光子能量，半導(dǎo)體以上的光子能量，半導(dǎo)體Si的薄膜厚度需的薄膜厚度需超過超過100m，而半導(dǎo)體，而半導(dǎo)體GaAs的薄膜厚度只需的薄膜厚度只需1m。 0 expI xIax I x 0Ia3 半導(dǎo)體的摻雜特性本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全無雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電能力本征導(dǎo)電能力很小，很小，Si在在300K的本征電導(dǎo)率的本征電導(dǎo)率為為

14、2.3105 cm。 具有斷鍵的硅晶體具有斷鍵的硅晶體3 半導(dǎo)體的摻雜特性雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在半導(dǎo)體中加入少量可能改變其導(dǎo)電機(jī)制的雜質(zhì)。 3 半導(dǎo)體的摻雜特性雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在半導(dǎo)體中加入少量可能改變其導(dǎo)電機(jī)制的雜質(zhì)。 Si半導(dǎo)體中摻入半導(dǎo)體中摻入3價元素的半導(dǎo)價元素的半導(dǎo)體（如硼、鎵、鋁等），在晶體體（如硼、鎵、鋁等），在晶體中會出現(xiàn)一個空穴，形成中會出現(xiàn)一個空穴，形成p型半型半導(dǎo)體導(dǎo)體。多數(shù)載流子：空穴多數(shù)載流子：空穴 Si半導(dǎo)體中摻入半導(dǎo)體中摻入5價元素的半導(dǎo)價元素的半導(dǎo)體（如磷、砷、銻等），在共價體（如磷、砷、銻等），在共價鍵之外會出現(xiàn)一個多余的電子，鍵之外會出現(xiàn)一個多余的電子，

15、形成形成n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子：電子多數(shù)載流子：電子4 p-n結(jié)結(jié) n型半導(dǎo)體中含有較多的電子，而型半導(dǎo)體中含有較多的電子，而p型半導(dǎo)體中含有較型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，這樣，當(dāng)多的空穴，這樣，當(dāng)p型和型和n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，就會型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，就會在接觸面形成電勢差形成在接觸面形成電勢差形成p-n結(jié)。結(jié)。電子擴(kuò)散方向電子擴(kuò)散方向空穴擴(kuò)散方向空穴擴(kuò)散方向擴(kuò)散運動擴(kuò)散運動空穴：空穴：p區(qū)區(qū) n區(qū)區(qū)電子：電子：n區(qū)區(qū) p區(qū)區(qū)內(nèi)電場內(nèi)電場4 p-n結(jié) 5 太陽能電池太陽能電池的工作原理的工作原理材料吸收光子后，產(chǎn)生電子材料吸收光子后，產(chǎn)生電子-空穴對空穴對電性相反的光生載流子被半導(dǎo)

16、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)生的靜電場分開結(jié)所產(chǎn)生的靜電場分開光生載流子被太陽能電池的兩極所收集，并在電路中產(chǎn)生電光生載流子被太陽能電池的兩極所收集，并在電路中產(chǎn)生電流，因而獲得電能流，因而獲得電能 太陽能電池的工作原理太陽能電池等效電路太陽能電池等效電路 光照情況下的太陽能電池可以等效為一個理想的電流源、光照情況下的太陽能電池可以等效為一個理想的電流源、一個理想二極管、旁路電阻一個理想二極管、旁路電阻 和串聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻 的組合。的組合。scIDIshILIRRshRLRVshRRR太陽能電池的等效電路圖太陽能電池的等效電路圖太陽能電池等效電路 在沒有光輻射的情況下，太陽

17、能電池在沒有光輻射的情況下，太陽能電池就是一個普通的半導(dǎo)體二極管。恒定的入射就是一個普通的半導(dǎo)體二極管。恒定的入射輻射使太陽能電池內(nèi)部形成穩(wěn)定的從輻射使太陽能電池內(nèi)部形成穩(wěn)定的從n n型區(qū)型區(qū)到到p p型區(qū)的反向光生電流型區(qū)的反向光生電流 ，二極管中的，二極管中的電流電流 是由于空穴、電子擴(kuò)散而形成的正是由于空穴、電子擴(kuò)散而形成的正向電流。向電流。 為為p p型區(qū)和型區(qū)和n n型區(qū)半導(dǎo)體材料的體電阻、型區(qū)半導(dǎo)體材料的體電阻、p-np-n結(jié)擴(kuò)散層的薄層電阻、電結(jié)擴(kuò)散層的薄層電阻、電池電極的歐姆接觸電阻等。池電極的歐姆接觸電阻等。為考慮電流損失而增加的電阻。為考慮電流損失而增加的電阻。 當(dāng)流過負(fù)載

18、當(dāng)流過負(fù)載 的電流為的電流為 ，負(fù)載的端電壓為，負(fù)載的端電壓為 時，有時，有scIDIshRRRLRLIVLscDshIIII負(fù)載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也就是光電池的伏安特性方程。 圖中的曲線是負(fù)載圖中的曲線是負(fù)載從零變到從零變到 無窮大時，太陽能電池的無窮大時，太陽能電池的負(fù)載特負(fù)載特 性曲線。工作點性曲線。工作點（ ， ）界）界 定的矩形面積是定的矩形面積是電池在該工作點電池在該工作點 的輸出功率。使的輸出功率。使 達(dá)到最大值的達(dá)到最大值的 工作點（工作點（ ， ）稱為）稱為最佳工最佳工 作點。作點。 從上圖可見，負(fù)載特性曲線不會超過開路電壓從上圖可見，負(fù)載特性曲線不會超過開路電壓 和短

19、路電流和短路電流 界定的矩形范圍。這就意味著太陽能電池的輸出特性曲線越充滿該矩形界定的矩形范圍。這就意味著太陽能電池的輸出特性曲線越充滿該矩形越好。常用越好。常用填充因子填充因子的大小來評價太陽能電池輸出特性的優(yōu)劣。的大小來評價太陽能電池輸出特性的優(yōu)劣。伏安特性和轉(zhuǎn)換效率伏安特性和轉(zhuǎn)換效率mpImpVmPmVmIocVscIu填充因子填充因子定義定義：電池最大輸出功率與開路電壓與短路電流乘積的比值。：電池最大輸出功率與開路電壓與短路電流乘積的比值。u光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率定義定義：太陽能電池的最大輸出電功率與輸入光功率之比。：太陽能電池的最大輸出電功率與輸入光功率之比。其中：其中： 是太陽能

20、電池單位表面積上的入射太陽總輻射；是太陽能電池單位表面積上的入射太陽總輻射； 為太陽能電池的上表面積。為太陽能電池的上表面積。伏安特性和轉(zhuǎn)換效率mocscPFFV ImgTPAIgTIAu光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率由開路電壓、短路電流和太陽能電池表面的入射太陽輻射的關(guān)由開路電壓、短路電流和太陽能電池表面的入射太陽輻射的關(guān)系，得系，得綜上可得太陽能電池的效率為綜上可得太陽能電池的效率為伏安特性和轉(zhuǎn)換效率scgTImIln/gocsoscEkTVIIeeln/gsoscEFF mkTIIAee開路電壓、短路電流和開路電壓、短路電流和入射輻射強(qiáng)度的關(guān)系入射輻射強(qiáng)度的關(guān)系影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素主要

21、有三類：影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素主要有三類：u太陽能電池半導(dǎo)體材料的性質(zhì)太陽能電池半導(dǎo)體材料的性質(zhì)包括基體材料性質(zhì)和摻雜特性。材料性質(zhì)影響到對光輻射的吸包括基體材料性質(zhì)和摻雜特性。材料性質(zhì)影響到對光輻射的吸收和反射，禁帶寬度，載流子的產(chǎn)生、擴(kuò)散與復(fù)合等光電轉(zhuǎn)換中的基收和反射，禁帶寬度，載流子的產(chǎn)生、擴(kuò)散與復(fù)合等光電轉(zhuǎn)換中的基本微觀物理過程。本微觀物理過程。u太陽能電池的制造工藝太陽能電池的制造工藝制造工藝是否精良直接關(guān)系到電池的等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)制造工藝是否精良直接關(guān)系到電池的等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻。電阻。u太陽能電池的工作條件太陽能電池的工作條件如工作溫度。如工作溫度。影響太陽能

22、電池轉(zhuǎn)換效率的因素影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素光損耗光損耗復(fù)合損失復(fù)合損失電壓因子損失電壓因子損失串聯(lián)電阻上的損失串聯(lián)電阻上的損失本小節(jié)主要介本小節(jié)主要介紹的影響因素紹的影響因素u光損耗光損耗光損耗來自三個方面：光損耗來自三個方面： 入射光在太陽能電池表面受到反射；入射光在太陽能電池表面受到反射； 能量小于能量小于 的光子的能量變?yōu)闊崮軗p耗掉；的光子的能量變?yōu)闊崮軗p耗掉； 光譜中長波一側(cè)的一小部分輻射能量穿透電池片損失掉。光譜中長波一側(cè)的一小部分輻射能量穿透電池片損失掉。光譜因子：受入射光子激發(fā)而產(chǎn)生的光生載流子獲得的能量與光譜因子：受入射光子激發(fā)而產(chǎn)生的光生載流子獲得的能量與入射總光強(qiáng)度的比

23、。入射總光強(qiáng)度的比。影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素gE不同材料的表面對光的反射系不同材料的表面對光的反射系數(shù)不同，可在表面鍍減反射膜數(shù)不同，可在表面鍍減反射膜兩者統(tǒng)稱為量子損失，它依賴兩者統(tǒng)稱為量子損失，它依賴于材料的禁帶寬度。于材料的禁帶寬度。 00ggiiEIdhcSFId 為截止波長為截止波長為入射光強(qiáng)度為入射光強(qiáng)度giIu復(fù)合損失復(fù)合損失半導(dǎo)體電池在接受光照工作時，其內(nèi)部可能同時存在三種機(jī)制半導(dǎo)體電池在接受光照工作時，其內(nèi)部可能同時存在三種機(jī)制的載流子復(fù)合：直接復(fù)合、中心復(fù)合和表面復(fù)合。載流子的復(fù)合導(dǎo)致的載流子復(fù)合：直接復(fù)合、中心復(fù)合和表面復(fù)合。載流子的復(fù)合導(dǎo)致被吸收能量的損失。被吸收能

24、量的損失。l 直接復(fù)合直接復(fù)合在光生電池和熱運動的作用下，有一部分電子少子和空穴少子在光生電池和熱運動的作用下，有一部分電子少子和空穴少子分別向分別向p p型方向和型方向和n n型方向作擴(kuò)散運動，當(dāng)一個少子在擴(kuò)散運動中遇到型方向作擴(kuò)散運動，當(dāng)一個少子在擴(kuò)散運動中遇到一個多子時，就發(fā)生直接復(fù)合，電子從導(dǎo)帶回歸滿帶，實現(xiàn)了電子一個多子時，就發(fā)生直接復(fù)合，電子從導(dǎo)帶回歸滿帶，實現(xiàn)了電子- -空穴對的湮滅，同時釋放出從輻射光獲得的等于禁帶寬度的能量，造空穴對的湮滅，同時釋放出從輻射光獲得的等于禁帶寬度的能量，造成光電轉(zhuǎn)換的能量損失。成光電轉(zhuǎn)換的能量損失。影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素u復(fù)合損失復(fù)合損失l

25、 中心復(fù)合中心復(fù)合在內(nèi)建電場力的作用下，從在內(nèi)建電場力的作用下，從p p型區(qū)和型區(qū)和n n型區(qū)運動到與型區(qū)運動到與p-np-n結(jié)邊界的結(jié)邊界的距離在擴(kuò)散長度以內(nèi)的多子被吸入勢壘區(qū)；在這個區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生的距離在擴(kuò)散長度以內(nèi)的多子被吸入勢壘區(qū)；在這個區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生的少子被掃入勢壘區(qū)；在勢壘區(qū)里有電子少子被掃入勢壘區(qū)；在勢壘區(qū)里有電子- -空穴對生成。此處電子與空空穴對生成。此處電子與空穴的復(fù)合屬于復(fù)合中心的復(fù)合，復(fù)合使電子釋放出能量。穴的復(fù)合屬于復(fù)合中心的復(fù)合，復(fù)合使電子釋放出能量。l 表面復(fù)合表面復(fù)合由于電池的表面結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，形成了大量的表面復(fù)合中心。由于電池的表面結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，形成了大量的表

26、面復(fù)合中心。光的輻照首先在電池表面層激發(fā)產(chǎn)生電子光的輻照首先在電池表面層激發(fā)產(chǎn)生電子- -空穴對，其中一部分少子空穴對，其中一部分少子還來不及向晶體內(nèi)部擴(kuò)散就被表面復(fù)合中心復(fù)合了，導(dǎo)致能量損失。還來不及向晶體內(nèi)部擴(kuò)散就被表面復(fù)合中心復(fù)合了，導(dǎo)致能量損失。影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素u電壓因子損失電壓因子損失 理論上，開路電壓應(yīng)等于理論上，開路電壓應(yīng)等于p-np-n結(jié)的勢壘：結(jié)的勢壘： 實際上，由于電池的實際上，由于電池的p-np-n結(jié)等處存在電流泄漏，使開路電壓降低，結(jié)等處存在電流泄漏，使開路電壓降低，從而造成效率損失。從而造成效率損失。常用電壓損失因子來表示這種損失：常用電壓損失因子來表示這

27、種損失：影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素gocjEVVeocgeVVFEu串聯(lián)電阻上的損失串聯(lián)電阻上的損失 太陽能電池串聯(lián)電阻的存在直接影響填充因子的大小。在運行條太陽能電池串聯(lián)電阻的存在直接影響填充因子的大小。在運行條件下，太陽能電池的填充因子永遠(yuǎn)不可能達(dá)到件下，太陽能電池的填充因子永遠(yuǎn)不可能達(dá)到1 1。對于理想電池，填。對于理想電池，填充因子為充因子為0.80.8，由于串聯(lián)電阻的存在，填充因子為，由于串聯(lián)電阻的存在，填充因子為50.75。故太陽。故太陽能電池的效率遠(yuǎn)小于圖中的值。能電池的效率遠(yuǎn)小于圖中的值。電池的極限轉(zhuǎn)換效率電池的極限轉(zhuǎn)換效率/ /理想理想轉(zhuǎn)換效率可以表示為：

28、轉(zhuǎn)換效率可以表示為：影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素VF FF SF極限不同太陽能電池的理論效率不同太陽能電池的理論效率半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)CBVB導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：(導(dǎo))價帶電子絕緣體：無導(dǎo)帶電子禁帶太寬半導(dǎo)體：價帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵滿帶電子激勵成為導(dǎo)帶電子滿帶留下空穴絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體EcEvEgE9導(dǎo)導(dǎo)帶帶禁禁帶帶價價帶帶半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)導(dǎo)帶 EC價帶 EV電子躍遷帶隙 Eg = 1.1 eV電子態(tài)數(shù)量空穴態(tài)數(shù)量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子電子向?qū)кS遷空穴向價帶反向躍遷本征半導(dǎo)體的能帶圖多余電子多余電子圖圖1.6-2摻雜（

29、n型）施主能級施主能級導(dǎo)帶導(dǎo)帶電離能電離能價帶價帶摻入第V族元素(如磷P, 砷As, 銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能讓它成為自由電子。這個電離過程稱為雜質(zhì)電離。施主能級電子濃度分布空穴濃度分布施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶 電子濃度增加 被施主雜質(zhì)束縛住的多余電子所處的能級稱為施主能級施主能級位于離導(dǎo)帶很近的禁帶施主能級上的電子吸收少量的能量DED后可以躍遷到導(dǎo)帶摻入第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量DEA Eg 就可以產(chǎn)生自由空穴B受主雜質(zhì)非本征半導(dǎo)體材料：p型半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收為了解釋光電效應(yīng)，1905年，

30、愛因斯坦在德國物理學(xué)家普朗克研究電磁輻射的基礎(chǔ)上提出了光子說。他指出：在空間傳播的光不是連續(xù)的，在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子。每個光子所具有的能量而是一份一份的，每一份叫做一個光子。每個光子所具有的能量E跟光跟光的頻率的頻率成正比成正比。E=h其中h是一個常量，叫普朗克常量。h=6.6310-34焦.秒直接帶隙：直接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置位于價帶最高位置的正上方；電子空隙復(fù)合伴隨光子的發(fā)射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。間接帶隙：間接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置不位于價帶最高位置的正上方；電子空隙復(fù)合需要聲子的參與，聲子振動導(dǎo)致熱能，降低了發(fā)光量子效率。pn

31、結(jié)的特性與光電壓的產(chǎn)生結(jié)的特性與光電壓的產(chǎn)生由于pn結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在較強(qiáng)的內(nèi)建電場（自n區(qū)指向p區(qū)），結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受該場的作用，各自向相反方向運動：p區(qū)的電子穿過p-n結(jié)進(jìn)入n區(qū)；n區(qū)的空穴進(jìn)入p區(qū)，使p端電勢升高，n端電勢降低，于是在p-n結(jié)兩端形成了光生電動勢，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當(dāng)于在p-n結(jié)兩端加正向電壓V，使勢壘降低為，產(chǎn)生正向電流IF.在pn結(jié)開路的情況下，光生電流和正向電流相等時，p-n結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢差Voc，（p區(qū)相對于n區(qū)是正的），這就是光電池的開路電壓。如將pn結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會有源源不斷的

32、電流通過電路，p-n結(jié)起了電源的作用。這就是光電池的基本原理。半導(dǎo)體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個內(nèi)建電場所對應(yīng)的勢壘區(qū)兩個條件兩個條件太陽電池的特性太陽電池的特性IV特性開路電壓短路電流最大工作點填充因子轉(zhuǎn)換效率量子效率影響效率的因素光譜響應(yīng)特性能量效率光電池的電流電壓特性光電池的電流電壓特性光電池工作時共有三股電流：光生電流IL，在光生電壓V作用下的pn結(jié)正向電流IF，流經(jīng)外電路的電流I。IL和IF都流經(jīng)pn結(jié)內(nèi)部，但方向相反。pn負(fù)載光電流IL結(jié)正向電流IFI根據(jù)p-n結(jié)整流方程，在正向偏壓下，通過結(jié)的正向電流為：IF=Isexp(qV/kT)-1其中：

33、V是光生電壓，Is是反向飽和電流。如光電池與負(fù)載電阻接成通路，通過負(fù)載的電流應(yīng)該是：I = IF-IL = Isexp(qV/kT)-1-IL這就是負(fù)載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也就是光電池的伏安特性方程。1和2分別是無光照和有光照時的光電池的伏安特性曲線。 不論是一般的化學(xué)電池還是太陽能電池，其輸出特性一般都是用如下圖所示的電流電壓曲線來表示。由光電池的伏安特性曲線，可以得到描述太陽能電池的四個輸出參數(shù)。描述太陽能電池的參數(shù)描述太陽能電池的參數(shù)、開路電壓Voc在p-n結(jié)開路情況下（R=），此時pn結(jié)兩端的電壓即為開路電壓Voc。這時，I=0，即：IL=IF。將I=0代入光電池的電流電壓方程，得

34、開路電壓為：Voc kTqln(ILIs+1)2、短路電流Isc如將pn結(jié)短路（V=0），因而IF=0，這時所得的電流為短路電流Isc。顯然，短路電流等于光生電流，即：Isc = IL對于在整個器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示式中GL 為光照電子空穴對的產(chǎn)生率A 為P-N結(jié)面積A（Ln+Lp）為半導(dǎo)體產(chǎn)生光生載流子的體積。由上式可知短路光電流取決于光照強(qiáng)度和P-N結(jié)的性質(zhì)。、填充因子FF在光電池的伏安特性曲線任一工作點上的輸出功率等于該點所對應(yīng)的矩形面積，其中只有一點是輸出最大功率，稱為最佳工作點，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。填充因子定義為：F

35、F = VopIopVocIsc=PmaxVocIsc它表示了最大輸出功率點所對應(yīng)的矩形面積在Voc和Isc所組成的矩形面積中所占的百分比。特性好的太陽能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽能電池，也就是Voc，Isc和FF乘積較大的電池。對于有合適效率的電池，該值應(yīng)在0.70-0.85范圍之內(nèi)。4.太陽電池的轉(zhuǎn)化效率 其中Pin是入射光的能量密度，S為太陽能電池的面積，當(dāng)S是整個太陽能電池面積時，稱為實際轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)S是指電池中的有效發(fā)電面積時，叫本征轉(zhuǎn)換效率。表示入射的太陽光能量有多少能轉(zhuǎn)換為有效的電能。 =（太陽能電池的輸出功率/入射的太陽光功率）x100%= （Vop x Iop/Pin

36、x S）X100%= VocIscFFPin S影響效率的因素影響效率的因素帶隙典型的太陽能電池I-V特性曲線光照強(qiáng)度溫度的影響光生電流的光學(xué)損失反射損失反射損失柵指電極遮光損失柵指電極遮光損失透射損失透射損失表面絨面化表面絨面化太陽電池的能量損失太陽電池的能量損失光生少子的收集幾率在太陽能電池內(nèi)，由于存在少子的復(fù)合，所產(chǎn)生的每一個光生少數(shù)載流子不可能百分之百地被收集起來。定義光激發(fā)少子中對太陽能電池的短路電流有貢獻(xiàn)的百分?jǐn)?shù)為收集幾率。決定開路電壓Voc大小的主要物理過程是半導(dǎo)體的復(fù)合。半導(dǎo)體復(fù)合率越高，少子擴(kuò)散長度越短， Voc也就越低。體復(fù)合和表面復(fù)合都是重要的。體相復(fù)合包括復(fù)合中心復(fù)合、

37、俄歇復(fù)合及直接輻射復(fù)合歐姆損失與漏電損失pn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pn結(jié)形成的不完全的部分所導(dǎo)致的漏電流，稱為旁路電阻或漏電電阻。考慮串聯(lián)電阻PHOTORESPONSIVITYEXTERNAL QUANTUM EFFICIENCYThe photoresponsivity is defined as the photocurrent extracted from the solar cell divided by the incident power of the ligh

38、t at a certain wavelength.The external quantum efficiency is defined as the number of charges Ne extracted at the electrodes divided by the number of photons Nph of a certain wavelength incident on the solar cell太陽電池的光譜響應(yīng)太陽電池的光譜響應(yīng)太陽電池的光譜響應(yīng)太陽電池的光譜響應(yīng)按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分類分類同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)太陽電池太陽電池異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)太陽電池太陽電池肖特基肖特基太陽電池太陽電池

39、按材料按材料分類分類硅太陽硅太陽電池電池敏化納米晶敏化納米晶太陽電池太陽電池有機(jī)化合物有機(jī)化合物太陽電池太陽電池塑料塑料太陽電池太陽電池?zé)o機(jī)化合物無機(jī)化合物半導(dǎo)體半導(dǎo)體太陽電池太陽電池太陽電池的分類太陽電池的分類太陽電池太陽電池體電池體電池太陽電池的分類與發(fā)展薄膜電池薄膜電池鍺硅單晶硅多晶硅帶硅硅微晶硅非晶硅化合物薄膜CISCIGSGaAs染料敏化、量子點CdTe幾種太陽電池效率比較多結(jié)電池薄膜電池塊硅電池有機(jī)太陽電池晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)晶體硅太陽電池的制造工藝晶體硅太陽電池的制造工藝（1） 切片：采用多線切割（2） 清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅

40、片表面切割損傷層除去3050um。（3） 制備絨面：用堿溶液對硅片進(jìn)行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。（4） 磷擴(kuò)散：采用涂布源（或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源）進(jìn)行擴(kuò)散，制成PN結(jié)，結(jié)深一般為0.30.5um。（5） 周邊刻蝕：去除周邊擴(kuò)散層。（7） 制作上下電極：用真空蒸鍍、化學(xué)鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝，先制作下電極，然后制作上電極。（8） 制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2 、SiO2 、Al2O3 、Si3N4 、TiO2 、Ta2O5等。（9） 燒結(jié)：將電池芯片燒結(jié)于鎳或銅底板上。（10）測試分檔：按規(guī)定參數(shù)規(guī)范，測試分類。晶

41、體硅電池的現(xiàn)代發(fā)展晶體硅電池的現(xiàn)代發(fā)展太陽電池的新發(fā)展太陽電池的新發(fā)展疊層太陽電池中間帶太陽電池?zé)彷d流子太陽電池染料敏化太陽電池量子點太陽電池多結(jié)（疊層）太陽電池Cell 1Cella 2Cella 3Eg1Eg2Eg1Eg3Eg2Eg=1.9eVEg=1.42eVEg=0.7eV染料敏化太陽電池基本原理Dye Molecules on TiO2Glass Substrate Electrolyte I-/I-3Catalyst (Platinum, graphite)Glass Substrate Transparent Conducting Oxide (ITO or SnO2:F) Tr

42、ansparent Conducting Oxide (ITO or SnO2:F) nanocristalline TiO2柔性太陽電池 封閉系統(tǒng)航標(biāo)燈光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉太陽能無人值守微波中繼站、太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播光纜維護(hù)站、廣播/ /通訊通訊/ /尋尋呼電源系統(tǒng)呼電源系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)3-5KW3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光伏電站光伏電站10KW-50MW10KW-50MW獨立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)獨立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車廠充電站等。電站、各種大型停車廠充電站等。集成方式整體屋頂跟蹤方式框架固定太陽能

43、電池的利用情況太陽能電池的利用情況日本、歐洲、日本、歐洲、美國一直是美國一直是發(fā)展和利用發(fā)展和利用太陽能電池太陽能電池的主要國家的主要國家和地區(qū)。和地區(qū)。太陽能電池的利用情況 新千年開始，世界其他國家和地區(qū)的太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展新千年開始，世界其他國家和地區(qū)的太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度明顯加快了。速度明顯加快了。第四章第四章 太陽能光電轉(zhuǎn)換太陽能光電轉(zhuǎn)換第1節(jié)概論第2節(jié)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)第第3節(jié)節(jié)太陽能電池的基本特性太陽能電池的基本特性第第4節(jié)節(jié)幾種典型的太陽能電池幾種典型的太陽能電池第第5節(jié)節(jié)太陽能光伏系統(tǒng)太陽能光伏系統(tǒng)第四章第四章 太陽能光電轉(zhuǎn)換太陽能光電轉(zhuǎn)換第1節(jié)概論第第2節(jié)節(jié)光電轉(zhuǎn)換的理論基

44、礎(chǔ)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)第第3節(jié)節(jié)太陽能電池的基本特性太陽能電池的基本特性第4節(jié)幾種典型的太陽能電池第第5節(jié)節(jié)太陽能光伏系統(tǒng)太陽能光伏系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分類分類同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)太陽電池太陽電池異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)太陽電池太陽電池肖特基肖特基太陽電池太陽電池按材料按材料分類分類硅太陽硅太陽電池電池敏化納米晶敏化納米晶太陽電池太陽電池有機(jī)化合物有機(jī)化合物太陽電池太陽電池塑料塑料太陽電池太陽電池?zé)o機(jī)化合物無機(jī)化合物半導(dǎo)體半導(dǎo)體太陽電池太陽電池太陽電池的分類與發(fā)展幾種太陽電池效率比較多結(jié)電池薄膜電池塊硅電池有機(jī)太陽電池晶體硅太陽能電池晶體硅太陽能電池晶體硅太陽能電池是典型的晶體硅太陽能電池是典型的p-n結(jié)型太陽電結(jié)型太

45、陽電池，它的研究最早、應(yīng)用最廣。池，它的研究最早、應(yīng)用最廣。分類：單晶硅電池和多晶硅電池。分類：單晶硅電池和多晶硅電池。u單晶硅太陽電池單晶硅太陽電池原料原料: 高純的單晶硅棒，高純的單晶硅棒，純度要求純度要求99.999。單晶硅太陽能電池的實驗單晶硅太陽能電池的實驗室最高效率為室最高效率為25%（澳大利亞新（澳大利亞新南威爾士大學(xué)，馬丁南威爾士大學(xué)，馬丁格林教授組）格林教授組）單晶硅棒的制備：單晶硅棒的制備：坩堝拉直法和懸浮區(qū)熔法坩堝拉直法和懸浮區(qū)熔法硅的基本性質(zhì)金屬硅金屬硅石英砂（石英砂（SiO2）多晶硅多晶硅單晶硅單晶硅晶體硅太陽能電池u多晶硅太陽電池多晶硅太陽電池目前太陽電池使用的多晶

46、硅目前太陽電池使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶顆粒材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢棄單晶硅料和的集合體，或用廢棄單晶硅料和冶金級硅材料熔化澆鑄而成。冶金級硅材料熔化澆鑄而成。多晶硅太陽電池的制作工藝多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，其光與單晶硅太陽電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率稍低于單晶硅太陽電電轉(zhuǎn)換效率稍低于單晶硅太陽電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。到大量發(fā)展。晶體硅太陽能電池u非晶硅與單晶硅、多晶硅非晶硅與單晶硅、多晶硅非晶硅的禁帶寬度為非晶硅的禁帶寬度為1.6eV，非常

47、接近最優(yōu)值，非常接近最優(yōu)值1.5eV。其吸收系數(shù)比單晶硅高其吸收系數(shù)比單晶硅高12個數(shù)量級。個數(shù)量級。非晶硅的晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，通過滲入氫，可以彌補(bǔ)大非晶硅的晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，通過滲入氫，可以彌補(bǔ)大部分的晶體缺陷，同時氫又相當(dāng)于硅中的雜質(zhì)。部分的晶體缺陷，同時氫又相當(dāng)于硅中的雜質(zhì)。由于制造工藝簡單，非晶硅受到了科學(xué)家和制造商的由于制造工藝簡單，非晶硅受到了科學(xué)家和制造商的關(guān)注。關(guān)注。晶體硅太陽能電池u硅太陽電池的生產(chǎn)流程硅太陽電池的生產(chǎn)流程生產(chǎn)過程大致可分為五個步驟：生產(chǎn)過程大致可分為五個步驟：a a、提純過程、提純過程 b b、拉、拉棒過程棒過程 c c、切片過程、切片過程 d d、制電池過程、

48、制電池過程 e e、封裝過程。、封裝過程。 晶體硅晶體硅太陽能電池制造工藝太陽能電池制造工藝6.2 6.2 冶金級硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級硅冶金級硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級硅6.4 6.4 單晶硅片制成太陽能電池單晶硅片制成太陽能電池6.3 6.3 半導(dǎo)體級多晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ч杵雽?dǎo)體級多晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ч杵?.1 6.1 由砂還原為冶金級硅由砂還原為冶金級硅6.5 6.5 太陽能電池封裝成太陽能電池組件太陽能電池封裝成太陽能電池組件6.6 6.6 能量收支結(jié)算能量收支結(jié)算太陽能電池材料太陽能電池材料l禁帶寬度1.1eV1.7eV，以直接帶隙半導(dǎo)體為佳；l組成的材料不具有毒性；l材料易取得，成本低；l有良好的光電轉(zhuǎn)

49、換效率；l有長期的穩(wěn)定性；硅太陽能電池的種類硅太陽能電池的種類單晶硅多晶硅非晶硅6.1 由砂還原為冶金級硅由砂還原為冶金級硅 提煉硅的原始材料是SiO2，是砂的主要成分。 在電弧爐中加入碳，利用氧化還原反應(yīng)提取硅： 所得到的硅為冶金級硅（MG-Si），純度為98%99%。2SiO +2CSi+2CO 將液態(tài)硅倒入鑄模內(nèi)進(jìn)行凝固，用壓碎機(jī)壓成小塊。生產(chǎn)冶金級多晶硅原料的電弧爐生產(chǎn)冶金級多晶硅原料的電弧爐電能加熱石墨電極產(chǎn)生電弧 焦炭、煤炭和木屑為還原劑電弧爐外觀液態(tài)硅倒入鑄模鋁和鐵為主要雜質(zhì)冶金級硅中雜質(zhì)的濃度冶金級硅中雜質(zhì)的濃度 可在液化硅中加入氧化氣體，與比硅活性強(qiáng)的元素（Al，Ca，Mg等

50、）發(fā)生反應(yīng)，形成爐渣，從而移除雜質(zhì)。只有很少的一部分用于半導(dǎo)體行業(yè)，用于制作太陽能電池的更少。 生產(chǎn)的冶金級硅中，大部分被用于鋼鐵與鋁工業(yè)上。6.2 冶金級硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級硅冶金級硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級硅 將冶金級硅轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性的化合物，采用分餾的方法將它冷凝、提純，然后提取超純硅。23HSiHCl3HClSi3HClSiHSiHCl23 1. 利用HCl將冶金級硅原料轉(zhuǎn)換為液態(tài)的三氯硅烷SiHCl3。 2. SiHCl3為無色易燃液體，沸點為31.9 ，通過多重的分餾法可將它與其他鹵化物分離，提高純度。 3. 采用西門子化學(xué)沉積法，將SiHCl3及H2通入1100反應(yīng)爐內(nèi)，進(jìn)行200300小時：S

51、i被還原，以細(xì)晶粒的多晶硅形式沉積到電加熱的硅棒上。這一過程中，F(xiàn)e、Al、B等雜質(zhì)也形成了各自的鹵化物。在600三氯硅烷的制造與純化三氯硅烷的制造與純化13013023HSiHCl3HClSi600 時， 低溫保存，避免日照，防止SiHCl3發(fā)生急速氣化而爆炸。Siemens方法生產(chǎn)多晶硅方法生產(chǎn)多晶硅3HClSiHSiHCl231100反應(yīng)爐：將晶種固定在電極上，加熱電極H2還充當(dāng)了SiHCl3的運輸氣體被還原的Si將沉積在晶種上多晶硅原料多晶硅原料多晶棒塊狀多晶原料 硅多晶棒經(jīng)過敲打成為塊狀，通過酸洗、干燥、包裝等程序后，成為CZ硅單晶生長或鑄造多晶硅使用的塊狀原料。半導(dǎo)體級硅原料制備流

52、程圖半導(dǎo)體級硅原料制備流程圖1331336.3 半導(dǎo)體級多晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ч杵雽?dǎo)體級多晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ч杵?單晶硅片通常都擁有比較好的材料性能，但因為需要精確和緩慢的制造過程，但成本較高，是最為昂貴的硅材料。單晶硅原子的價帶結(jié)構(gòu)。每個硅原子的最外層都有四個電子，與相鄰原子共享電子對。單晶硅通常被制成大的圓筒形硅錠，然后切割成圓形或半方的太陽能電池。還需將邊緣切掉，便于裝入模塊。單晶硅片的制備單晶硅片的制備生長單晶硅的方法：CZ法（Czochralski） FZ法（Float Zone 浮融法）CZ 拉晶法： Czochralski于1917年發(fā)明。在石英坩堝中加入半導(dǎo)體級多晶硅，熔融。加入微量摻

53、雜劑?？刂茰囟?，籽晶能夠從熔融硅中拉出圓柱形單晶硅。電池理論轉(zhuǎn)換效率24.7%。CZ拉晶設(shè)備137 石英坩堝（SiO2）是最為重要的熱場組件。 石英坩堝內(nèi)裝有熔融態(tài)的硅熔液，兩者會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生SiO,將影響長出晶棒的質(zhì)量。降低成本：設(shè)計熱場，提高長晶的良率（生產(chǎn)不含任何位錯的硅單晶棒的能力）重復(fù)加料，增加出產(chǎn)率CZ拉晶爐設(shè)備的外觀拉晶爐內(nèi)部石英坩堝2SiOSi+2O石英坩堝溶解反應(yīng)：SiO易揮發(fā)，通入Ar2將其帶走CZ拉晶流程a.加料b.熔化c.穩(wěn)定化 在石英坩堝中加入多晶硅原料和摻雜物。P型摻雜B，N型摻雜P。 長晶爐關(guān)閉并抽成真空，使其保持一定的壓力值。打開石墨加熱器電源，將原料加熱

54、至熔融。 將硅溶液的溫度調(diào)節(jié)到適合拉晶的穩(wěn)定狀態(tài)。CZ拉晶流程f.晶冠和晶肩生長e.晶頸生長d.晶種浸入 一般使用方向的硅晶片，將該方向的晶種浸入硅熔液。 降低拉速與溫度，使得晶體直徑漸漸增大到所需大小。 將晶種快速向上提升，使長出的晶體直徑縮小到一定的大?。?6mm）。CZ拉晶流程g.晶身生長h.晶尾生長i.單晶棒 直徑固定的部分為晶身。硅晶片取自晶身。將晶棒直徑慢慢縮小，直到成一個尖點再與液面分開。 長完后的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出。修邊與切片修邊與切片 在整個太陽能電池級單晶硅片的制造中，成本構(gòu)成為：多晶硅原料：40%；CZ拉晶：30%；晶圓加工成型：30%，切片最為重要。修邊

55、 圓形的單晶硅片浪費了許多面積 使用方形的硅晶片可以有效的吸收太陽能修邊切片切片 在切割中，對鋼線施加適當(dāng)?shù)膹埩Γ逛摼€來回拉動。使用線切割機(jī)進(jìn)行切片 鋼 線 帶 動 漿 料 （ 油 及SiC），使其對晶棒進(jìn)行切割。漿料不僅是研磨劑，還帶走研磨中的熱量。占整個切片成本的25%35%。 太 陽 能 電 池 厚 度 為200280m。鋼線直徑1 8 0 m ， 碳 化 硅 為530m 。蝕刻清洗蝕刻清洗 在切割中，硅片表面會有一層因機(jī)械應(yīng)力所造成的結(jié)構(gòu)損失層，影響了太陽能電池效率，所以需去掉。 通常用化學(xué)蝕刻的方法，加入HF和HNO3調(diào)配的混酸，去除10m 20m厚的表層。單晶硅太陽電池的制造與結(jié)

56、構(gòu) 制備多晶硅的技術(shù)相對要簡單一些，成本也因此比單晶硅更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能不如單晶硅材料。多晶硅的制備多晶硅的制備1. 在石英坩堝中放入純硅；2. 加熱坩堝，直至硅熔融；3. 打開底部散熱開關(guān)，硅從坩堝底部往上緩慢固化，從而得到多晶硅錠。 鑄造多晶硅一般采用定向凝固定向凝固的方式?？梢蚤L出寬度約數(shù)毫米到數(shù)厘米的柱狀排列晶粒。熱交換法布里基曼法布里基曼法Si3N4防止多晶硅與坩堝粘結(jié)在一起。凝固速度1cm/h，完成一次鑄造需要23天。將坩堝緩慢移出加熱器，硅從坩堝底部往上緩慢固化，從而得到多晶硅錠。晶界降低了電池的性能多晶硅的晶界多晶硅的晶界 1.晶界將額外的能級

57、缺陷引入到了禁帶中，導(dǎo)致了局部高復(fù)合，減少了少數(shù)載流子壽命。2.晶界還阻礙了載流子的流動，為穿過pn結(jié)的電流提供分流路徑，這也降低太陽能電池的性能。方形切片切片151151多晶硅太陽電池的制造方法與結(jié)構(gòu)6.4 單晶硅片制成太陽能電池單晶硅片制成太陽能電池（2 2）金屬電極的制作）金屬電極的制作（1 1） NN型雜質(zhì)的摻入型雜質(zhì)的摻入(1) N型雜質(zhì)的摻入型雜質(zhì)的摻入154154 在標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池工藝中，通常將硼（B）加入到熔料中，生產(chǎn)出p型硅片。 為制造pn結(jié)，需在P型硅片表面制備一層薄的、重?fù)诫s的n型區(qū)。將硅片置入石英爐管將硅片置入石英爐管磷擴(kuò)散制作工藝磷擴(kuò)散制作工藝石英爐管石英爐管1.P型

58、半導(dǎo)體為基板，三氯氧磷（POCl3）通過載氣進(jìn)入被加熱的爐管；2.在高溫擴(kuò)散作用下（800900），硅片表面形成含磷的氧化層，磷原子進(jìn)入硅晶格內(nèi)，；3.硅片表面區(qū)域，磷雜質(zhì)濃度超過硼雜質(zhì)；322524POCl +3O2P O +6Cl2522P O +5Si4P+6SiO4.硅片表面區(qū)域，會產(chǎn)生一層SiO2，需用氫氟酸HF來去除。2262SiO6HFH SiF +2H O邊緣絕緣處理邊緣絕緣處理NPN 需把邊緣的N型摻雜區(qū)移除，不然將出現(xiàn)正面與背面電極的導(dǎo)通。 采用低溫干蝕刻方法： 將晶片堆棧在一起； 放入反應(yīng)爐； 用CF4和O2的等離子進(jìn)行干蝕刻；（2）金屬電極的制作）金屬電極的制作 金屬電

59、極位于太陽能電池結(jié)構(gòu)的表面，通過它，可以取出帶電的光生載流子，進(jìn)而在半導(dǎo)體與外電路之間產(chǎn)生流通。 太陽能電池正面與背面，會有兩條平行的金屬電極(Bus Bar)，提供了與外界線路的接焊。寬度在500 m左右。 正面的金屬電極向側(cè)面伸展出一系列的細(xì)金屬線，稱為格子線格子線。用于收集載流子。為了防止遮光，寬度在50m以下。 金屬電極材料通常以鋁或者銀合金為主。正面電極的網(wǎng)印正面電極的網(wǎng)印太陽能電池對正面金屬電極的要求：與硅接觸時電阻低金屬線寬小：與硅之間的黏著力強(qiáng)可焊性高；可以大量生產(chǎn)、制造成本低等。網(wǎng)印技術(shù)是目前最為普遍的正面電極制造技術(shù)。正面電極的網(wǎng)印正面電極的網(wǎng)印涂覆了感光膠的絲印網(wǎng)板正面電

60、極的網(wǎng)印正面電極的網(wǎng)印金屬膏：有機(jī)溶劑，使金屬膏呈現(xiàn)流體狀態(tài)，有利于印刷的進(jìn)行；有機(jī)結(jié)合劑，用于固定金屬粉末；導(dǎo)電金屬材料，一般是銀的粉末，顆粒大小約為數(shù)十微米，質(zhì)量約占整個金屬膏的6080%；玻璃粉，由低熔點、高活性氧化物粉末組成。可對硅表面進(jìn)行蝕刻反應(yīng)，幫助硅表面與銀粉接合。正面電極的網(wǎng)印正面電極的網(wǎng)印 將金屬膏添加到印刷板上面，用滾輪對金屬膏施壓，從一端滑倒另一端，金屬膏就會依據(jù)印刷板上的圖案印制到晶片上。 將晶片置于100200的環(huán)境下，進(jìn)行干燥處理，去除有機(jī)揮發(fā)物。背面電極的網(wǎng)印背面電極的網(wǎng)印 背面金屬電極也采用網(wǎng)印技術(shù)制造。 與正面制造情況不同點在于，金屬膏成分同時含有Ag粉和Al