太陽能光電池的研究

1、太陽能光電池的研究 影響效率的因素、改善方法以及發(fā)展現(xiàn)狀等一 摘要太陽能光電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏打效應(yīng)”，因此太陽能電池又稱為“光伏電池”。本文通過對(duì)太陽能光電池轉(zhuǎn)換效率的研究，提出了提高轉(zhuǎn)換效率的方法，并對(duì)太陽能價(jià)格以及產(chǎn)業(yè)化的調(diào)查，深入思考其發(fā)展現(xiàn)狀。二 太陽能轉(zhuǎn)換效率A 太陽能電池的理論效率 太陽能電池的理論效率由下式?jīng)Q定： 當(dāng)入射太陽光譜AM0或AM1.5確定以后，其值就取決于開路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF的最大值。接下來分別考慮開路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF的最大值。（1）

2、短路電流Isc的考慮：假設(shè)在太陽光譜中波長大于長波限的光對(duì)太陽能電池沒有貢獻(xiàn)，其中長波限滿足： 而其余部分的光子，因其能量h大于材料的禁帶寬度Eg，被材料吸收而激發(fā)電子-空穴對(duì)。假設(shè)其量子產(chǎn)額為1，而且被激發(fā)出的光生少子在最理想的情況下，百分之百地被收集起來。在上述理想的假設(shè)下，最大短路電流值顯然僅與材料帶隙Eg有關(guān)，其計(jì)算結(jié)果如圖所示在AMO和AM1.5光照射下的最大短路電流值(2)開路電壓Voc的考慮 開路電壓Voc的最大值，在理想情況下有下式?jīng)Q定： 式中IL是光生電流，在理想情況即為上圖所對(duì)應(yīng)的最大短路電流。Is是二極管反向飽和電流，其滿足： 顯然， Is取決于Eg、Ln、Lp、NA、N

3、D和絕對(duì)溫度T的大小，同時(shí)也與光電池結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了提高Voc，常常采用Eg大，少子壽命長及低電阻率的材料.(3)填充因子FF的考慮： 在理想情況下，填充因子FF僅是開路電壓Voc的函數(shù)，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示： 這樣，當(dāng)開路電壓Voc的最大值確定后，就可計(jì)算得到FF的最大值。綜合上述結(jié)果，可得到作為帶隙Eg的函數(shù)的最大轉(zhuǎn)換效率，其結(jié)果示于下圖中。對(duì)于單晶硅太陽能電池，理論上限是27%，目前研究得到的最大值為24%左右。GaAs 太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的理論上限為28.5%，現(xiàn)在獲得的最大值是24.7%。太陽能電池在光電能量轉(zhuǎn)換過程中，由于存在各種附加的能量損失，實(shí)際效率比上述的理論極限效率低，這些

4、理論值都是在B.影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的一些因素以及改善方法(1)光生電流的光學(xué)損失：太陽能電池的效率損失中，有三種是屬于光學(xué)損失，其主要影響是降低了光生電流值。a. 反射損失任何兩種折射率不同的介質(zhì)間的界面上都會(huì)發(fā)生光反射。反射系數(shù)為： R = 對(duì)于硅，600 nm處 n 3.8,外界介質(zhì)為大氣時(shí)，n0= 1 R 34%改善方法：減反射膜薄膜干涉原理：當(dāng)n2>n1>n0時(shí)，膜層材料與基體（硅）和外界媒質(zhì)間的兩個(gè)界面上的反射光將互相干涉，從而抑制基體表面的光反射。反射系數(shù) R() 為膜層折射率及厚度的函數(shù)。當(dāng) 時(shí)，反射最小。n1d1=0/4時(shí)，R為極小值: R1 (0 ) =R2

5、(0 ), R (0 ) =0 對(duì)于硅，最佳的減反射膜折射率應(yīng)為：外界介質(zhì)為大氣時(shí)，n0= 1: 1.95外界介質(zhì)為EVA時(shí)，n0 1.5: 2.39供選擇的減反射膜(ARC): SiOx, TiOx, Si3N4, Ta2O5等b柵指電極遮光損失c定義為柵指電極遮光面積在太陽能總面積中所占的百分比（見右圖）。對(duì)一般電池來說，c約為4%-15%。改進(jìn)措施: 主柵寬2 mm，細(xì)柵寬0.12 mm: “陰影”率7% 細(xì)柵寬0.15 mm: “陰影”率8% 細(xì)柵寬0.20 mm: “陰影”率10%由以上數(shù)據(jù)可知細(xì)柵越寬，陰影率越大。所以可以通過提高細(xì)柵的高/寬比，柵線鍍銀加厚來減小陰影率，從而減小損

6、失。b. 透射損失如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。這決定了半導(dǎo)體材料之最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。如圖為對(duì)硅和砷化鎵的計(jì)算結(jié)果。c. 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(gè)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(duì)太陽能電池的短路電流有貢獻(xiàn)的百分?jǐn)?shù)為收集幾率。該參數(shù)決定于電池內(nèi)個(gè)區(qū)域的復(fù)合機(jī)理，也與電池結(jié)構(gòu)與空間位置有關(guān)。（2）電學(xué)損失電池的最大輸出功率：Pm = Isc · Voc · FFa. 電流損失：光生載流子在被pn結(jié)收集前復(fù)合（1）體復(fù)合：少數(shù)載流子（光

7、生載流子）的壽命是有限的。高質(zhì)量的硅單晶可達(dá)ms級(jí)，但通常只有幾十s。晶體中存在各種復(fù)合中心，會(huì)俘獲少數(shù)載流子，使之復(fù)合。晶體材料中原有的缺陷高溫工序引起的缺陷深能級(jí)雜質(zhì)（重金屬雜質(zhì)，工藝過程中的環(huán)境或人為污 染）重?fù)诫s層（發(fā)射區(qū)）內(nèi)的晶格收縮、俄歇復(fù)合等重?fù)叫?yīng)使少子壽命大大率降。（2）表面復(fù)合：硅片表面的懸掛鍵構(gòu)成表面態(tài)。不同的表面狀態(tài)，表面復(fù)合速度不同。金屬-半導(dǎo)體接觸處復(fù)合速度無窮大。當(dāng)晶體厚度足夠薄時(shí)，少子壽命將受限于表面復(fù)合。改善措施：表面鈍化 最有效的表面鈍化是熱生長SiO2鈍化層，用O原子將硅表面的懸掛鍵“封”接起來。優(yōu)良的SiNx也有相近的鈍化作用，且沉積過程中產(chǎn)生的H離子對(duì)

8、硅片體內(nèi)的缺陷（包括多晶的晶界）也有鈍化作用。b.電壓損失 Voc = q/KT Ln( Jsc/J0 )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。通常，電池表面還存在表面復(fù)合，表面復(fù)合也會(huì)降低Voc值要提高Voc并減小Vmp與Voc的差值，以降低電壓損失，除改進(jìn)結(jié)特性、提高FF值外，最根本的仍然在于最大限度地減少電池結(jié)構(gòu)各部分的復(fù)合或減小復(fù)合對(duì)光生載流子收集的影響。改善措施：選用電阻率較低的硅材料，降低基區(qū)J0分量，降低發(fā)射區(qū)摻雜濃度并鈍化發(fā)射區(qū)表面b. 串連、并聯(lián)電阻引起的損失實(shí)際表現(xiàn)為電壓損失，使Voc 下降或使Vpm與Voc的差增大。對(duì)于優(yōu)良的結(jié)特性， 避免工藝操作過程中對(duì)pn結(jié)造成的損傷，Rsh的影響將很小。但由Rs引起的焦耳損失是無法完全避免的。在構(gòu)成Rs的各項(xiàng)因素中，硅片體電阻和下電極的影響可忽略，主要由發(fā)射區(qū)薄層電阻、上電極與硅之間的接觸電阻和柵線電阻決定。低成本絲網(wǎng)印刷工藝的代價(jià)之一是高Rs，低FF。三