光電及光化學(xué)轉(zhuǎn)化原理與應(yīng)用電化學(xué)課件：第1章光伏發(fā)電技術(shù)

1、任課教師：任課教師：李明濤李明濤、沈少華、沈少華2015.03.04西安交通大學(xué)西安交通大學(xué)-新能源科學(xué)與工程新能源科學(xué)與工程為什么要講這門課？為什么要講這門課？講些什么內(nèi)容？講些什么內(nèi)容？ 熱能轉(zhuǎn)化利用熱能轉(zhuǎn)化利用 機(jī)械能轉(zhuǎn)化利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化利用 光能轉(zhuǎn)化利用光能轉(zhuǎn)化利用 生物質(zhì)能、化學(xué)能轉(zhuǎn)化利用生物質(zhì)能、化學(xué)能轉(zhuǎn)化利用p光是一種電磁波電子能級躍遷原子核能級躍遷我國液體燃料短缺，我國液體燃料短缺，燃煤造成了嚴(yán)重的燃煤造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。環(huán)境污染。太陽能清潔無污染太陽能清潔無污染可再生，我國大部可再生，我國大部分地區(qū)太陽能較為分地區(qū)太陽能較為豐富。豐富。太陽能電池太陽能電池原理、影響因素、工藝

2、、系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)、現(xiàn)狀水電解與光電化學(xué)分解水制氫水電解與光電化學(xué)分解水制氫原理、關(guān)鍵問題、提高效率的途徑光電化學(xué)與新型太陽能電池光電化學(xué)與新型太陽能電池染料敏化太陽電池量子點(diǎn)太陽電池電化學(xué)方法原理與應(yīng)用電化學(xué)方法原理與應(yīng)用光電化學(xué)與懸浮顆粒體系光電化學(xué)與懸浮顆粒體系光催化分解水制氫光催化污染物降解教材及主要參考書教材及主要參考書 沈輝等主編沈輝等主編，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)出版社，出版社，2005.08，ISBN 7-5025-7535-9； 波利斯科夫著，張?zhí)旄咦g，光電化學(xué)太陽能轉(zhuǎn)換波利斯科夫著，張?zhí)旄咦g，光電化學(xué)太陽能轉(zhuǎn)換，科學(xué)科學(xué)出出版社版社，1994.04；

3、 阿倫阿倫.J. 巴德，巴德， 拉里拉里. R. ?？思{著，電化學(xué)方法原理和應(yīng)用?？思{著，電化學(xué)方法原理和應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社，2005.05，ISBN 7-5025-6704-6； 相關(guān)科技文獻(xiàn)。相關(guān)科技文獻(xiàn)。課時(shí)安排課時(shí)安排周次周次日期日期內(nèi)容內(nèi)容1 103.0403.04概論，光伏概論，光伏1 103.0603.06光伏光伏2 22 203.1103.11光伏光伏3 303.1303.13光電化學(xué)光電化學(xué)1 13 303.1803.18光電化學(xué)光電化學(xué)2 203.2003.20光電化學(xué)光電化學(xué)3 34 403.2503.25光電化學(xué)光電化學(xué)4 403.2703.27光電化

4、學(xué)光電化學(xué)5 55 504.0104.01電化學(xué)方法電化學(xué)方法1 104.0304.03電化學(xué)方法電化學(xué)方法2 26 604.0804.08電化學(xué)方法電化學(xué)方法3 304.1004.10電化學(xué)方法電化學(xué)方法4 4周次周次日期日期內(nèi)容內(nèi)容7 704.1504.15染料敏化電池等染料敏化電池等04.1704.17燃料電池等燃料電池等8 804.2204.22光催化光催化1 104.2404.24光催化光催化2 29 904.2904.29光催化光催化3 305.0105.01光催化光催化4 4101005.0605.06光催化光催化5 505.0805.08光催化光催化6 6111105.1305

5、.13實(shí)驗(yàn)105.1505.15實(shí)驗(yàn)2121205.2005.20實(shí)驗(yàn)3考核辦法考核辦法 平時(shí)成績平時(shí)成績 20% 其中考勤其中考勤5% 作業(yè)作業(yè)15%， 作業(yè)與考勤合格是考試的前提條作業(yè)與考勤合格是考試的前提條件。件。 期末考試期末考試 80%李明濤李明濤電話電話電郵：郵：辦公室辦公室：北二樓：北二樓15樓樓81517旁旁聯(lián)系方式聯(lián)系方式接受預(yù)約答疑接受預(yù)約答疑太陽能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

6、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。 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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)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(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，在能也稱光伏電池，它沒有任何運(yùn)動(dòng)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

7、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(shí)驗(yàn)室研制成實(shí)用型實(shí)用型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(gè)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。 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)

8、換的基本過程。太陽光是由光子組成的，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。光電效應(yīng) 愛因斯坦的光電效應(yīng)（金屬的光電效應(yīng)） 在光的照射下，從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象 對于不同物體，存在不同的極限頻率，當(dāng)光子的頻率大于這個(gè)極限頻率時(shí)才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。 光強(qiáng)越強(qiáng)，產(chǎn)生的電子越多 光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光的頻率的增大而增大 應(yīng)用：光電倍增管 光電效應(yīng)方程W逸出功，對應(yīng)極限頻率初動(dòng)能h

9、v光電子數(shù)的光電子數(shù)的最大初動(dòng)能最大初動(dòng)能隨入射光的隨入射光的頻率頻率增大增大而線性增大，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)而線性增大，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)單位時(shí)間從金屬表面逸出的單位時(shí)間從金屬表面逸出的光電子數(shù)目光電子數(shù)目與入與入射光強(qiáng)射光強(qiáng)IS成正比。成正比。當(dāng)光照射到某一給定的金屬時(shí)，無論光的強(qiáng)當(dāng)光照射到某一給定的金屬時(shí)，無論光的強(qiáng)度如何，度如何，小于極限小于極限頻率的入射光都不能產(chǎn)生頻率的入射光都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。光電效應(yīng)。光子能量hcE光電效應(yīng)的應(yīng)用光電倍增管光電倍增管固體的光吸收的基本過程固體中的光吸收過程以半導(dǎo)體為代表，吸收區(qū)主要可以劃分為六個(gè)區(qū)。 基本吸收區(qū) 吸收邊緣界限 自由載流子吸收 晶體振

10、動(dòng)引起的吸收 雜質(zhì)吸收 自旋波或回旋共振吸收吸收系數(shù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束光照射到某一固體上時(shí)，可能被反射、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束光照射到某一固體上時(shí)，可能被反射、吸收或透過。吸收或透過。常用吸收率常用吸收率A、反射率、反射率R和透過率和透過率T表示它們之間的關(guān)系表示它們之間的關(guān)系即即A+R+T=1實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，光在固體中傳播時(shí)，其強(qiáng)度一般要發(fā)生衰實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，光在固體中傳播時(shí)，其強(qiáng)度一般要發(fā)生衰減，而且遵從指數(shù)衰減律。即當(dāng)光在物質(zhì)中傳播減，而且遵從指數(shù)衰減律。即當(dāng)光在物質(zhì)中傳播d距離后，距離后，光強(qiáng)的變化可以簡單地表示為光強(qiáng)的變化可以簡單地表示為I=I0e-d式中式中叫做吸收系數(shù)，常用的單位為叫做吸收系數(shù)，

11、常用的單位為cm-1，表示光在固體，表示光在固體中傳播距離中傳播距離d=1/ 時(shí)，光強(qiáng)衰減到原來的時(shí)，光強(qiáng)衰減到原來的1/e。對于電導(dǎo)率。對于電導(dǎo)率不為零的耗散介質(zhì)，也就是吸收介質(zhì)，吸收系數(shù)相當(dāng)大不為零的耗散介質(zhì)，也就是吸收介質(zhì)，吸收系數(shù)相當(dāng)大光生伏打效應(yīng) 光生伏打效應(yīng)是一種重要的光電效應(yīng)，是光能轉(zhuǎn)化的重要方式。 一般使用半導(dǎo)體材料來構(gòu)成的器件來實(shí)現(xiàn)。因此我們有必要先復(fù)習(xí)半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，載流子生成、遷移和復(fù)合，再學(xué)習(xí)pn結(jié)的電學(xué)特性，從而了解太陽電池的基本工作規(guī)律和影響因素，得到太陽電池的電流電壓曲線，及相關(guān)工作參數(shù)。金屬電阻率：金屬電阻率： 10-8m 絕緣體電阻率：絕緣體電阻率： 1

12、014 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(dú)特。導(dǎo)電性能非常獨(dú)特。這些獨(dú)特的導(dǎo)電性是由其內(nèi)部的這些獨(dú)特的導(dǎo)電性是由其內(nèi)部的微觀物質(zhì)微觀物質(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(gè)電子，其最外層有個(gè)電子，其最外層有4 4個(gè)電子，稱為個(gè)電子，稱為價(jià)電價(jià)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(jià)電子價(jià)電子原

13、子核原子核 大量的硅原子通過價(jià)電子結(jié)合在一起，形成大量的硅原子通過價(jià)電子結(jié)合在一起，形成晶體晶體。在晶體。在晶體中，每個(gè)硅原子通常和鄰近的中，每個(gè)硅原子通常和鄰近的4 4個(gè)硅原子以共價(jià)鍵的形式分別共個(gè)硅原子以共價(jià)鍵的形式分別共享享4 4個(gè)價(jià)電子。個(gè)價(jià)電子。硅晶體結(jié)構(gòu)示意圖硅晶體結(jié)構(gòu)示意圖 在一定溫度或強(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(dòng)能，如果動(dòng)能足夠大，電子動(dòng)能，如果動(dòng)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(jià)電子掙脫束縛而成為。共價(jià)電子掙脫束縛而成為自由電子以后，便留下一個(gè)自由電子以后，便留下一個(gè)空

14、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(yùn)動(dòng)作用下，可能遇到已經(jīng)產(chǎn)生的空穴，自由電子在電場或熱運(yùn)動(dòng)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(dòng)。由于和消失，相當(dāng)于空穴（正電荷）的移動(dòng)。由于電子和空穴的移電子和空穴的移動(dòng)動(dòng)，就使半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性。，就使半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性

15、。電子電子- -空穴移動(dòng)示意圖空穴移動(dòng)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(shí)際。實(shí)際上，這個(gè)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(gè)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時(shí)，光可能被反射、吸：當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光的照射時(shí)，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(shí)把電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，使半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子時(shí)把電子由價(jià)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(shí)現(xiàn)內(nèi)光

16、電效應(yīng)的實(shí)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，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(gè)光子。每個(gè)光子所具有的能量而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子。每個(gè)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(gè)常量，叫普朗克常

17、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(jià)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(jià)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(dòng)導(dǎo)致熱能，降低了發(fā)光量子效率。由于由于 有有波長大于截止波長的光不能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。波長大于截止波長的光不能實(shí)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1.121.100.76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

18、.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(shí)間通過單位截面的光子能量。：單位時(shí)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，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，

19、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的本征電阻率的本征電阻率為為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

20、3價(jià)元素的半導(dǎo)價(jià)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)空穴，形成中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(jià)元素的半導(dǎo)價(jià)元素的半導(dǎo)體（如磷、砷、銻等），在共價(jià)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，鍵之外會(huì)出現(xiàn)一個(gè)多余的電子，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(shí)，就會(huì)型半導(dǎo)體結(jié)合

21、在一起時(shí)，就會(huì)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(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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 太陽能電池的工作原理太陽能電池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)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

22、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(gè)理想的電流源、光照情況下的太陽能電池可以等效為一個(gè)理想的電流源、一個(gè)理想二極管、旁路電阻一個(gè)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，太陽能電池在沒有光輻射的情況下，太陽能電池就是一個(gè)普通的半導(dǎo)體二極管。恒定的入射就是一個(gè)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，

23、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(shí)，有時(shí)，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。伏安特性和轉(zhuǎn)換效率伏安特性和轉(zhuǎn)換效率圖中的曲線是負(fù)載從零變圖中的曲線是負(fù)

24、載從零變到無窮到無窮大大時(shí)，時(shí)，太陽能電池太陽能電池的的負(fù)載特性負(fù)載特性曲曲線。工作點(diǎn)線。工作點(diǎn)（V V，I I）界定）界定的矩形的矩形面積是電池在該面積是電池在該工作點(diǎn)的工作點(diǎn)的輸出功輸出功率。率。使達(dá)到使達(dá)到最大值最大值的工作點(diǎn)的工作點(diǎn)（VmpVmp，ImpImp）稱為最佳稱為最佳工作點(diǎn)工作點(diǎn)。負(fù)載特性負(fù)載特性曲線不會(huì)超過曲線不會(huì)超過開路電壓開路電壓VocVoc和短路電流和短路電流IscIsc界定界定的矩形的矩形范圍。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。常用好。常用填充因子填充因子的大小來評價(jià)太陽能電池輸出特性的優(yōu)劣。的

25、大小來評價(jià)太陽能電池輸出特性的優(yōu)劣。u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

26、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，

27、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(gè)方面：光損耗來自三個(gè)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

28、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。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

29、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(shí)，其內(nèi)部可能同時(shí)存在三種機(jī)制半導(dǎo)體電池在接受光照工作時(shí)，其內(nèi)部可能同時(shí)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。被吸收能量的損失。l 直接復(fù)合直接復(fù)合在光生電池和熱運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，當(dāng)一個(gè)少子在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中遇到型方向作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一個(gè)少子在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中遇到一個(gè)多子時(shí)，就發(fā)生直接復(fù)

30、合，電子從導(dǎo)帶回歸滿帶，實(shí)現(xiàn)了電子一個(gè)多子時(shí)，就發(fā)生直接復(fù)合，電子從導(dǎo)帶回歸滿帶，實(shí)現(xiàn)了電子- -空穴對的湮滅，同時(shí)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(shí)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 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(yùn)動(dòng)到與型區(qū)運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)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

31、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

32、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(shí)際上，由于電池的實(shí)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種損失：影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素gocjEVVeocgeVVFE影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素u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(yùn)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(yùn)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，

33、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0.70.70.750.75。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：轉(zhuǎn)換效率可以表示為：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pn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(gè)內(nèi)建電場所對應(yīng)的勢壘區(qū)兩個(gè)條件兩個(gè)條件太陽電池的特性太陽

34、電池的特性IV特性開路電壓短路電流最大工作點(diǎn)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PHOTORESPONSIVITYEXTERNAL QUANTUM EFFICIENCYThe photoresponsivity is defined as the photocurrent extracted from the solar cell divided by the incident power of the light at a certain wavelength.The external qu

35、antum 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

36、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(diǎn)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)太陽電池各種太陽電池市場份額比較1998年以前，單晶硅電池占世界光伏生產(chǎn)的主導(dǎo)地位，其次是多晶硅電池。從1998年開始，多晶硅電池開始超過單晶硅躍居第一。非晶硅從20世紀(jì)80年代初開始商業(yè)化生產(chǎn)，但由于效率低和光衰減問題，市場份額增加不快。CdTe電池從20世紀(jì)80年

37、代中期開始商業(yè)化生產(chǎn)，市場份額增加緩慢，除技術(shù)因素外，人們對Cd的毒性的疑慮也是原因之一。 CIS電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程比較緩慢，原因是生產(chǎn)過程中化學(xué)劑量比難以控制，大面積均勻性和重復(fù)性較差。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單晶硅多晶硅非晶硅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)換效率；l有長期的穩(wěn)定性；太陽能電池材料太陽能電池材料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)型太陽電池，它的研究最早、應(yīng)用最廣。池，它的研究最早、

38、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(shí)驗(yàn)單晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)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

39、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(gè)數(shù)量級。個(gè)數(shù)量級。非晶硅的晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則

40、，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(shí)氫又相當(dāng)于硅中的雜質(zhì)。部分的晶體缺陷，同時(shí)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(gè)步驟：生產(chǎn)過程大致可分為五個(gè)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、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2 2 冶金級硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級硅

41、冶金級硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級硅4 4 單晶硅片制成太陽能電池單晶硅片制成太陽能電池3 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 由砂還原為冶金級硅由砂還原為冶金級硅5 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 能量收支結(jié)算能量收支結(jié)算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

42、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）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。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

43、. SiHCl3為無色易燃液體，沸點(diǎn)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(shí)：Si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858523HSiHCl3HClSi600 時(shí)， 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(yùn)輸

44、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)體級硅原料制備流程圖半導(dǎo)體級硅原料制備流程圖88883 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?yàn)樾枰_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(jià)帶結(jié)構(gòu)。每個(gè)硅原子的最外層都有四個(gè)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

45、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。加入微量摻雜劑。控制溫度，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92 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(huì)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(jì)熱場，提高長晶的良率（生產(chǎn)不含任何位錯(cuò)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

46、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小（36mm）。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(gè)尖點(diǎn)再與液面分開。 長完后的晶

47、棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出。修邊與切片修邊與切片 在整個(gè)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 圓形的單晶硅片浪費(fèi)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(dòng)。使用線切割機(jī)進(jìn)行切片 鋼 線 帶 動(dòng) 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(gè)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

48、表面會(huì)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)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。可以長出寬度約數(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

49、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(dòng)，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106106多晶硅太陽電池的制造方法與結(jié)構(gòu)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109109 在標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池工藝中，通常將硼（B）加

50、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?cái)U(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(huì)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

51、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(huì)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

52、接觸時(shí)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(gè)金屬膏的6080%；玻璃粉，由低熔點(diǎn)、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(huì)依據(jù)印刷板上的圖案印制到晶片上。 將晶

53、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(diǎn)在于，金屬膏成分同時(shí)含有Ag粉和Al粉。這是由于： 銀粉本身無法與P型硅形成歐姆接觸； 鋁粉可形成歐姆接觸，但焊接性差。 由于一整層連續(xù)背面電極銀和晶片具有不同的熱膨脹系數(shù)，使得晶片在高溫處理時(shí)將發(fā)生撓曲變形，所以背面電極結(jié)構(gòu)也為網(wǎng)狀。歐姆接觸：相對于半導(dǎo)體器件總電阻而言，可以忽略的金屬-半導(dǎo)體接觸電阻?；鹂净鹂?將晶片置于高溫爐內(nèi)進(jìn)行火烤，燒掉金屬膏里的有機(jī)化合物，并將金屬顆粒燒結(jié)在一起。需控制好溫度，令電極與N區(qū)接觸。120120太陽能電池的絲網(wǎng)印刷

54、流程5 太陽能電池封裝成太陽能電太陽能電池封裝成太陽能電池組件池組件1215.2 電池的工作溫度電池的工作溫度5.3 組件的耐久性組件的耐久性5.1 組件結(jié)構(gòu)組件結(jié)構(gòu)5.4 組件電路設(shè)計(jì)組件電路設(shè)計(jì)6.5.1 組件結(jié)構(gòu)組件結(jié)構(gòu)太陽能電池可用20年以上，其模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的因素：l可承受機(jī)械負(fù)載；l避免環(huán)境污染；l電絕緣；l紫外穩(wěn)定性（過濾紫外光）；l在高低極限溫度及熱沖擊下，不因應(yīng)力而破裂；l自凈能力；l維持電池低溫以將功率損失最小化的能力；l成本低廉，等。組件結(jié)構(gòu)組件結(jié)構(gòu)l強(qiáng)化玻璃：有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和透光性（阻止紫外）。lEVA高分子塑料（乙烯乙烯醋酸酯共聚物），作為保護(hù)層。（紫外光加速E

55、VA老化，變黃，龜裂）l背面層：復(fù)合塑料，防水汽和腐蝕。組件結(jié)構(gòu)組件結(jié)構(gòu) 當(dāng)晶片焊上互聯(lián)條，再與EVA及鐵質(zhì)強(qiáng)化玻璃堆棧好后，放入層壓機(jī)做真空封裝。互聯(lián)條 通常，電池之間的連接線是成圓形的，以盡量減小周期應(yīng)力（收縮與膨脹）。互聯(lián)條一般為雙層以防止被這種應(yīng)力破壞。 溫度上升時(shí)，電池與電池的間隙將擴(kuò)大。所以用互聯(lián)條來調(diào)節(jié)電池之間的膨脹。5.2 電池的工作溫度電池的工作溫度 電池性能因溫度升高而變差。12126 6 安裝在露天框架上的組件，在充足的陽光照射下（100mW/cm2）,大多數(shù)的電池溫度大約高于環(huán)境溫度30。T電池()= T環(huán)境()+0.3陽光強(qiáng)度(mW/cm2) 對于典型工作條件下，每種

56、組件將有一個(gè)特定的溫度，即電池額定工作溫度（NOCT）。在非標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，電池溫度的近似表達(dá)式可寫為：5.3 組件的耐久性組件的耐久性造成組件損失的類型：（1）電池由于熱波動(dòng)，或更直接地由于冰雹引起的過度機(jī)械應(yīng)力所造成的損失；（2）金屬化區(qū)域（電極）受腐蝕；（3）封裝中層與層之間的剝離；（4）密封材料變色；（5）灰塵堆積在組件的上表面；（6）由于應(yīng)力未能充分釋放，引起互聯(lián)條的損壞。新組件設(shè)計(jì)的加速老化試驗(yàn)新組件設(shè)計(jì)的加速老化試驗(yàn)128128（1）熱循環(huán)；（2）高濕度；（3）長時(shí)間紫外線照射；（4）周期性的壓力負(fù)載。組件損壞鑒定試驗(yàn)組件損壞鑒定試驗(yàn)（1）沖擊試驗(yàn)；（2）耐磨損試驗(yàn)；（3）自凈特

57、性；（4）柔韌性；（5）電絕緣性能。5.4 組件電路設(shè)計(jì)組件電路設(shè)計(jì) 串聯(lián)電池組的開路電壓VOC是每個(gè)電池開路電壓的和和太陽電池并聯(lián)太陽電池并聯(lián) 并聯(lián)電池組的短路電流ISC是每個(gè)電池短路電流的和和。串聯(lián)、并聯(lián)串聯(lián)、并聯(lián)N個(gè)電池串聯(lián)、M個(gè)電池并聯(lián)的電路I-V曲線。scTotalscIIMmpTotalmpIIMocTotalocVVNmpTotalmpVVN一塊硅光伏電池板是通常是由多塊太陽能電池互相串聯(lián)而成。 光伏組件的輸出電壓通常被設(shè)計(jì)成12V。在25和AM1.5條件下，單個(gè)硅太陽能電池的輸出電壓只有0.6V。 考慮到一些電壓損失，大多數(shù)光伏組件由36塊電池片組成。 單晶硅電池的面積通常為1

58、00cm2，總的輸出電流大約為3.5A。組件電路設(shè)計(jì)失配損失失配損失 失配是互聯(lián)的電池沒有相同的性能或者在不同的條件下工作(如樹蔭遮擋)造成的。 失配是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的問題，因?yàn)檎麄€(gè)光伏組件的輸出是決定于表現(xiàn)最差的電池的輸出。這會(huì)導(dǎo)致局部電能的嚴(yán)重?fù)p失，而由此產(chǎn)生的局部加熱也可能引起組件無法挽回的損失。主要失配方式主要失配方式1.串聯(lián)電池開路電壓Voc失配2.串聯(lián)電池短路電流Isc失配3.并聯(lián)電池短路電流Isc失配4.并聯(lián)電池開路電壓Voc失配1. 串聯(lián)電池的開路電壓失配串聯(lián)電池的開路電壓失配 對于串聯(lián)電池，開路電壓Voc失配是一種不太嚴(yán)重的失配類型。 由于: Vmp2Vmp1 ， Imp2 =

59、 Imp1 且有: Pmp-Total = Pmp2 + Pmp1 。 所以 Vmp2 Imp2 Vmp1 Imp1。2.串聯(lián)電路的短路電流失配串聯(lián)電路的短路電流失配 對于串聯(lián)電池，短路電流失配Isc對光伏組件有重大影響。 當(dāng)電路電流I大于Isc2時(shí)，電池2的電壓為負(fù)，將消耗電池1產(chǎn)生的功率。 所以：好電池1輸出的電流決定于差電池2的輸出電流大小，好電池1輸出的額外電流被電池2以熱能形式消耗。短路電流失配短路電流失配短路電流估算短路電流估算將兩個(gè)電池短路，則總電壓為：V1+V2=0 發(fā)現(xiàn)此時(shí)電池2工作在反向偏置反向偏置情況。反向偏置是由電池1導(dǎo)致的，那么電池2消耗了電池1產(chǎn)生的功率，表現(xiàn)為電池

60、電池2溫度上升溫度上升。滿足V1+V2=0Isc Isc2遮蔽對遮蔽對Isc、Voc的的 影響影響遮蔽對遮蔽對Isc、Voc的的 影響影響遮蔽對遮蔽對Isc、Voc的的 影響影響熱斑現(xiàn)象熱斑現(xiàn)象 好電池產(chǎn)生的額外電流將變成好電池的前置偏壓。如果串聯(lián)電池被短路，則所有好電池的前置偏壓都將變成問題電池的反向電壓。當(dāng)數(shù)量很多的串聯(lián)電池一起把前置偏壓變成問題電池的反向電壓時(shí)，在問題電池處將會(huì)有大的能量耗散，這就是熱斑加熱現(xiàn)象。解決失配的方法解決失配的方法 1.串并聯(lián)法 在組件中串聯(lián)旁路二極管。當(dāng)串聯(lián)模塊處在反方向偏置時(shí)，旁路二極管則成為正向偏置，這就限制了此模塊中的功率消耗，并為組件或分支電路的電流提