L13-太陽能電池

1、113.1 太陽能電池的種類及應(yīng)用太陽能電池的種類及應(yīng)用13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)13.3 描述太陽能電池的參數(shù)描述太陽能電池的參數(shù)13.4 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13.5 提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的途徑提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的途徑13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究13.7 大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)太陽能電池制造大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)太陽能電池制造 13 太陽能電池太陽能電池 2太陽能電池的種類及應(yīng)用太陽能電池的種類及應(yīng)用無機(jī)太陽能電池?zé)o機(jī)太陽能電池 硅半導(dǎo)體（單晶、多晶、非晶、復(fù)合型等）硅半導(dǎo)體（單晶、多晶、非晶、復(fù)合型等）

2、化合物半導(dǎo)體（化合物半導(dǎo)體（GaAsGaAs、InPInP、CdTeCdTe、CuInSeCuInSe2 2等）等）有機(jī)太陽能電池有機(jī)太陽能電池 有機(jī)半導(dǎo)體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對苯乙炔等）有機(jī)半導(dǎo)體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對苯乙炔等）光化學(xué)太陽能電池（納米光化學(xué)太陽能電池（納米TiOTiO2 2等）等）按照所用材料的不同按照所用材料的不同13 13 太陽能電池太陽能電池 13.1 太陽能電池的種類及應(yīng)用太陽能電池的種類及應(yīng)用31.1.單晶硅太陽電池單晶硅太陽電池 SINGLECRYSTAL2.2.多晶硅太陽電池多晶硅太陽電池POLYCRYSTAL 3.3.非晶硅太陽電池非晶硅太陽電池AMORPHO

3、US半導(dǎo)體硅太陽能電池的外觀半導(dǎo)體硅太陽能電池的外觀13 13 太陽能電池太陽能電池 13.1 13.1 太陽能電池的種類及應(yīng)用太陽能電池的種類及應(yīng)用4無機(jī)太陽能電池?zé)o機(jī)太陽能電池?zé)o機(jī)太陽能電池的性能及應(yīng)用無機(jī)太陽能電池的性能及應(yīng)用13 13 太陽能電池太陽能電池 13.1 13.1 太陽能電池的種類及應(yīng)用太陽能電池的種類及應(yīng)用5太陽能電池的應(yīng)用太陽能電池的應(yīng)用太陽能道路警告標(biāo)示太陽能道路警告標(biāo)示太陽能路燈太陽能路燈柏林火車站的光電屋頂柏林火車站的光電屋頂13 13 太陽能電池太陽能電池 13.1 13.1 太陽能電池的種類及應(yīng)用太陽能電池的種類及應(yīng)用6 以單晶硅以單晶硅p-n結(jié)太陽能電池為例

4、，介結(jié)太陽能電池為例，介紹半導(dǎo)體太陽能電池的基本工作原理、特紹半導(dǎo)體太陽能電池的基本工作原理、特性及其制備過程。性及其制備過程。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)7 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)太陽能電池的基本原理太陽能電池的基本原理N區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)E內(nèi)內(nèi)13 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)8 可見，為使半導(dǎo)體光電器件能產(chǎn)生光生電可見，為使半導(dǎo)體光電器件能產(chǎn)生光生電動勢，應(yīng)該滿足以下兩個條件：動勢，應(yīng)該滿足以下兩個條件：

5、1 1、半導(dǎo)體材料對一定波長的入射光有足夠大的半導(dǎo)體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)光吸收系數(shù) ，即要求入射光子的能量，即要求入射光子的能量h Eg時，時，該入射光子能被半導(dǎo)體吸收且激發(fā)出光生非平該入射光子能被半導(dǎo)體吸收且激發(fā)出光生非平衡的電子衡的電子空穴對?？昭▽?。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)9 從下圖可以看到，從下圖可以看到，GaAsGaAs和非晶硅的吸收系數(shù)比單晶和非晶硅的吸收系數(shù)比單晶硅大得多，透入深度只有硅大得多，透入深度只有1m左右，即幾乎全部吸收入左右，即幾乎全部吸收入射光，所以這兩種電池都可

6、以做成薄膜，節(jié)省材料。射光，所以這兩種電池都可以做成薄膜，節(jié)省材料。 而硅太陽能電池，對而硅太陽能電池，對太陽光譜中長波長的光，太陽光譜中長波長的光，要求較厚的硅片（約要求較厚的硅片（約100-300 m ）才能充分吸收；）才能充分吸收；對于短波長的光，只在入對于短波長的光，只在入射表面附近射表面附近1 m 區(qū)域內(nèi)區(qū)域內(nèi)就已充分吸收了。就已充分吸收了。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)102 2、具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個內(nèi)建電場所對應(yīng)的具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個內(nèi)建電場所對應(yīng)的勢壘區(qū)。勢壘區(qū)的重要作用是分離兩種不同電勢壘區(qū)。勢壘

7、區(qū)的重要作用是分離兩種不同電荷的光生非平衡載流子，產(chǎn)生一個與平衡荷的光生非平衡載流子，產(chǎn)生一個與平衡pn結(jié)結(jié)內(nèi)建電場相反的光生電場，于是在內(nèi)建電場相反的光生電場，于是在p區(qū)和區(qū)和n區(qū)間區(qū)間建立了光生電動勢（或稱光生電壓）。建立了光生電動勢（或稱光生電壓）。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)11P-SiP-Si 襯底襯底n-Sin-Si1 1 擴(kuò)散擴(kuò)散n n型雜質(zhì)型雜質(zhì)5 5 沉積電極材料沉積電極材料 AgAg4 沉積電極材料沉積電極材料6 6 光刻去除多余的光刻去除多余的電極材料電極材料正極正極+負(fù)極負(fù)極-太陽能電池的結(jié)構(gòu)

8、太陽能電池的結(jié)構(gòu)單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池2 2 沉積減反射膜沉積減反射膜3 3 沉積背面歐姆接觸層沉積背面歐姆接觸層單晶硅太陽電池的基本結(jié)構(gòu)一般采用單晶硅太陽電池的基本結(jié)構(gòu)一般采用p-n結(jié)結(jié)13 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)1213 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)1313 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)1413 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和

9、基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)1513 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)16非晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池 原因：非晶硅的結(jié)原因：非晶硅的結(jié)構(gòu)缺陷使得載流子擴(kuò)構(gòu)缺陷使得載流子擴(kuò)散長度短，散長度短，p區(qū)和區(qū)和n區(qū)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子很產(chǎn)生的光生載流子很難擴(kuò)散到達(dá)結(jié)區(qū)而被難擴(kuò)散到達(dá)結(jié)區(qū)而被掃出。掃出。 非晶硅太陽電池的基本非晶硅太陽電池的基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 一般采用一般采用pin結(jié)結(jié)13 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)1713 13 太陽能電池太陽能電池 13.2

10、 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)1813 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)19 在化合物半導(dǎo)體太陽能電池中，研究的最在化合物半導(dǎo)體太陽能電池中，研究的最多的是多的是III-VIII-V族的族的GaAsGaAs太陽能電池。由于太陽能電池。由于GaAsGaAs的的帶隙比帶隙比SiSi大，具有與太陽光譜相當(dāng)一致的光譜大，具有與太陽光譜相當(dāng)一致的光譜特性，因而從光譜響應(yīng)角度來說，它更適合于特性，因而從光譜響應(yīng)角度來說，它更適合于做太陽能電池。目前，在所有太陽能電池中，做太陽能電池。目前，在所有太陽能電池

11、中， GaAsGaAs太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高。GaAsGaAs太陽能電池太陽能電池13 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)20 GaAsGaAs太陽能電池包括單結(jié)型和多層異質(zhì)結(jié)太陽能電池包括單結(jié)型和多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。更多的是采用多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并利用結(jié)構(gòu)。更多的是采用多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并利用不同帶隙的材料形成疊層電池。不同帶隙的材料形成疊層電池。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.2 13.2 太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)太陽能電池的原理和基本結(jié)構(gòu)21描述太陽能電池的參數(shù)描述太陽能電池的參數(shù) 不論是一般

12、的化學(xué)電池還是太陽能電池，其輸出特不論是一般的化學(xué)電池還是太陽能電池，其輸出特性一般都是用電流電壓曲線來表示。根據(jù)伏安特性曲性一般都是用電流電壓曲線來表示。根據(jù)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)。線，可以得到描述太陽能電池的四個輸出參數(shù)。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.3 描述太陽能電池的參數(shù)描述太陽能電池的參數(shù)22ln(1)BLSk TIIVqIln(1)BLocSk TIVqI開路電壓開路電壓 p-n結(jié)在開路情況下，兩端的電壓即為開路結(jié)在開路情況下，兩端的電壓即為開路電壓電壓 。 這時這時I=0，即，即 IL = IF 。將。將 I=0 代入光代入光電池的電流電壓方

13、程，得開路電壓為電池的電流電壓方程，得開路電壓為ocVI=0VEhRL+-IIFpnIL13 13 太陽能電池太陽能電池 13.3 13.3 描述太陽能電池的參數(shù)描述太陽能電池的參數(shù)23 將將p-n結(jié)短路（結(jié)短路（ V =0），因而），因而IF =0，這時所，這時所得的電流為短路電流得的電流為短路電流Isc 。scLII短路電流短路電流exp() 1LFLsBeVIIIIIk T根據(jù)根據(jù)VEhRL+-IIFpnIL13 13 太陽能電池太陽能電池 13.3 13.3 描述太陽能電池的參數(shù)描述太陽能電池的參數(shù)24 在太陽能電池的伏安特性曲線上，任意工作點的輸在太陽能電池的伏安特性曲線上，任意工作

14、點的輸出功率等于該點所對應(yīng)的矩形面積，其中只有一點的輸出功率等于該點所對應(yīng)的矩形面積，其中只有一點的輸出功率最大，該點稱為最佳工作點，該點的電壓和電流出功率最大，該點稱為最佳工作點，該點的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓分別稱為最佳工作電壓Vop和最佳工作電流和最佳工作電流Iop 。填充因子填充因子FF13 13 太陽能電池太陽能電池 13.3 13.3 描述太陽能電池的參數(shù)描述太陽能電池的參數(shù)25 填充因子定義為填充因子定義為maxopopocscocscV IPFFV IV I 它表示最大輸出功率點所對應(yīng)的矩形面積在它表示最大輸出功率點所對應(yīng)的矩形面積在Voc和和Isc所組成的矩形面積中所占

15、的百分比。所組成的矩形面積中所占的百分比。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.3 13.3 描述太陽能電池的參數(shù)描述太陽能電池的參數(shù)26 特性好的太陽能電池就是能獲得較大輸出特性好的太陽能電池就是能獲得較大輸出功率的太陽能電池，也就是功率的太陽能電池，也就是Voc，Isc和和FF乘積較乘積較大的電池。對于有合適效率的電池，大的電池。對于有合適效率的電池，F(xiàn)F值應(yīng)在值應(yīng)在0.700.700.850.85范范圍之內(nèi)。圍之內(nèi)。maxopopocscocscV IPFFV IV I13 13 太陽能電池太陽能電池 13.3 13.3 描述太陽能電池的參數(shù)描述太陽能電池的參數(shù)27 表示入射的太陽光能

16、有多少轉(zhuǎn)換為有效電表示入射的太陽光能有多少轉(zhuǎn)換為有效電能。即：能。即：太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率 其中其中Pin是入射光的能量密度，是入射光的能量密度，S為太陽能為太陽能電池的面積。當(dāng)電池的面積。當(dāng) S是整個太陽能電池面積時，是整個太陽能電池面積時，稱為實際轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)稱為實際轉(zhuǎn)換效率，當(dāng) S是電池中的有效發(fā)電是電池中的有效發(fā)電面積時，面積時，稱為本征轉(zhuǎn)換效率。稱為本征轉(zhuǎn)換效率。100%opopocscininV IV I FFP SP S13 13 太陽能電池太陽能電池 13.3 13.3 描述太陽能電池的參數(shù)描述太陽能電池的參數(shù)28影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素影響太陽

17、能電池轉(zhuǎn)換效率的因素 太陽能電池在光電能量轉(zhuǎn)換過程中，由于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，實際轉(zhuǎn)換效率比理存在各種附加的能量損失，實際轉(zhuǎn)換效率比理論極限效率低。對于單晶硅太陽能電池而言，論極限效率低。對于單晶硅太陽能電池而言，理論上限是理論上限是27% ，目前研究得到的最大值為，目前研究得到的最大值為24.7% 。下面以下面以pn結(jié)硅電池為例，介紹影響太陽能結(jié)硅電池為例，介紹影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素。電池轉(zhuǎn)換效率的因素。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.4 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29 光生電流的光學(xué)損失光生電流的光學(xué)損失

18、影響光生電流的光學(xué)損失主要有以下三種影響光生電流的光學(xué)損失主要有以下三種:反射損失：從空氣（或真空）垂直入射到反射損失：從空氣（或真空）垂直入射到半導(dǎo)體材料的光反射。半導(dǎo)體材料的光反射。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.4 13.4 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30柵指電極遮光損失：柵指電極遮光面積在太柵指電極遮光損失：柵指電極遮光面積在太陽能總面積中所占的百分比。對一般電池來說，陽能總面積中所占的百分比。對一般電池來說，約為約為4%-15%。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.4 13.4 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31透射

19、損失：如果太陽能電池的厚度不夠大，透射損失：如果太陽能電池的厚度不夠大，某些入射的光子就有可能從電池背面穿出。這某些入射的光子就有可能從電池背面穿出。這決定了半導(dǎo)體材料的最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)決定了半導(dǎo)體材料的最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.4 13.4 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32 光生少子的收集幾率光生少子的收集幾率 太陽能電池是一種少數(shù)載流子工作器件。太陽能電池是一種少數(shù)載流子工作器件。在太陽能電池內(nèi)，由于存在少子的復(fù)合，產(chǎn)生在太陽能電池內(nèi)，由于存在少子的復(fù)合，產(chǎn)

20、生的每一個光生少數(shù)載流子不可能全部被收集。的每一個光生少數(shù)載流子不可能全部被收集。因此，定義光激發(fā)少子中對太陽能電池的短路因此，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。電流有貢獻(xiàn)的百分?jǐn)?shù)為收集幾率。 該參數(shù)取決于電池內(nèi)各區(qū)域的復(fù)合機(jī)理，該參數(shù)取決于電池內(nèi)各區(qū)域的復(fù)合機(jī)理，也與電池結(jié)構(gòu)和空間位置有關(guān)。也與電池結(jié)構(gòu)和空間位置有關(guān)。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.4 13.4 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33 影響開路電壓的因素影響開路電壓的因素 決定開路電壓決定開路電壓Voc大小的主要物理過程是大小的主要物理過程是半半導(dǎo)體的復(fù)合導(dǎo)體的復(fù)合

21、。半導(dǎo)體復(fù)合率越高，少子擴(kuò)散長。半導(dǎo)體復(fù)合率越高，少子擴(kuò)散長度越短即少數(shù)載流子在電池內(nèi)的壽命越低，度越短即少數(shù)載流子在電池內(nèi)的壽命越低，Voc也就越低。也就越低。 影響少數(shù)載流子壽命的因素有：體內(nèi)復(fù)影響少數(shù)載流子壽命的因素有：體內(nèi)復(fù)合；表面復(fù)合；電極區(qū)復(fù)合。合；表面復(fù)合；電極區(qū)復(fù)合。ln(1)BLocSk TIVqI()SCLpnIIqQA LLocscinV I FFP S13 13 太陽能電池太陽能電池 13.4 13.4 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34 輻照效應(yīng)輻照效應(yīng) 應(yīng)用在衛(wèi)星上的太陽能電池受到太空中高應(yīng)用在衛(wèi)星上的太陽能電池受到太空中高能離子輻射，體內(nèi)

22、產(chǎn)生缺陷，這些缺陷相當(dāng)于能離子輻射，體內(nèi)產(chǎn)生缺陷，這些缺陷相當(dāng)于復(fù)合中心，影響其使用壽命。復(fù)合中心，影響其使用壽命。 為了改善其性能，可將為了改善其性能，可將Li摻入太陽能電池?fù)饺胩柲茈姵刂?。中。Li擴(kuò)散到輻射產(chǎn)生的點缺陷中，并與之結(jié)擴(kuò)散到輻射產(chǎn)生的點缺陷中，并與之結(jié)合，可阻止壽命減退。太空應(yīng)用的太陽能電池，合，可阻止壽命減退。太空應(yīng)用的太陽能電池，一般都覆蓋一塊摻鈰薄玻片，減少進(jìn)入電池的一般都覆蓋一塊摻鈰薄玻片，減少進(jìn)入電池的高能粒子。高能粒子。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.4 13.4 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35提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑提

23、高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑 太陽能電池是一種少子工作器件，少數(shù)載太陽能電池是一種少子工作器件，少數(shù)載流子在電池內(nèi)的壽命決定了電池的轉(zhuǎn)換效率。流子在電池內(nèi)的壽命決定了電池的轉(zhuǎn)換效率。因此要提高電池的轉(zhuǎn)換效率，就必須設(shè)法減少因此要提高電池的轉(zhuǎn)換效率，就必須設(shè)法減少少數(shù)載流子在電池內(nèi)的復(fù)合，從而增加少數(shù)載少數(shù)載流子在電池內(nèi)的復(fù)合，從而增加少數(shù)載流子的壽命。流子的壽命。 影響少數(shù)載流子壽命的因素有影響少數(shù)載流子壽命的因素有:13 13 太陽能電池太陽能電池 13.5 提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑36體內(nèi)復(fù)合體內(nèi)復(fù)合 減少晶體硅體內(nèi)的復(fù)合，首先要選用適當(dāng)減少晶體硅體內(nèi)的

24、復(fù)合，首先要選用適當(dāng)?shù)膿诫s濃度的襯底材料。一般太陽能電池制造的摻雜濃度的襯底材料。一般太陽能電池制造所用的硅片的電阻率在所用的硅片的電阻率在0.5到到1 cm 左右。左右。 提高晶體的質(zhì)量，減少缺陷和雜質(zhì)，是提提高晶體的質(zhì)量，減少缺陷和雜質(zhì)，是提高少數(shù)載流子壽命的重要手段。吸雜工藝能有高少數(shù)載流子壽命的重要手段。吸雜工藝能有效的提高材料的質(zhì)量。鈍化工藝能有效地減少效的提高材料的質(zhì)量。鈍化工藝能有效地減少晶體缺陷對少數(shù)載流子壽命的影響。晶體缺陷對少數(shù)載流子壽命的影響。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.5 13.5 提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑37表面復(fù)合表面

25、復(fù)合 硅表面存在不飽和的懸掛鍵，它常作為缺硅表面存在不飽和的懸掛鍵，它常作為缺陷中心吸附其他原子，使載流子的壽命降低。陷中心吸附其他原子，使載流子的壽命降低。 為減少表面復(fù)合通常在硅表面生成一層介為減少表面復(fù)合通常在硅表面生成一層介質(zhì)膜，如二氧化硅質(zhì)膜，如二氧化硅(SiO2)和氮化硅和氮化硅(SiN)。這種。這種介質(zhì)膜完善了晶體表面的懸掛鍵，從而達(dá)到表介質(zhì)膜完善了晶體表面的懸掛鍵，從而達(dá)到表面鈍化的目的。面鈍化的目的。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.5 13.5 提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑38電極區(qū)復(fù)合電極區(qū)復(fù)合 減少電極區(qū)的復(fù)合可將表面電極下面的摻減

26、少電極區(qū)的復(fù)合可將表面電極下面的摻雜濃度提高，獲得良好的歐姆接觸雜濃度提高，獲得良好的歐姆接觸; 同時降低少同時降低少數(shù)載流子在電極區(qū)的濃度，從而減少載流子在數(shù)載流子在電極區(qū)的濃度，從而減少載流子在此區(qū)域的復(fù)合。此區(qū)域的復(fù)合。 除了減少少數(shù)載流子的復(fù)合外，還可通過除了減少少數(shù)載流子的復(fù)合外，還可通過增加減反射膜以及某些特殊的工藝設(shè)計來減少增加減反射膜以及某些特殊的工藝設(shè)計來減少光學(xué)損失，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。光學(xué)損失，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.5 13.5 提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑39 基于以上提高電池轉(zhuǎn)換效率的途徑，

27、派生基于以上提高電池轉(zhuǎn)換效率的途徑，派生了多種高效晶體硅太陽能電池。其中包括：了多種高效晶體硅太陽能電池。其中包括： 新結(jié)構(gòu)高效電池新結(jié)構(gòu)高效電池PESC電池（發(fā)射結(jié)鈍化太陽電池）電池（發(fā)射結(jié)鈍化太陽電池）表面刻槽絨面表面刻槽絨面PESC電池電池背面點接觸電池（前后表面鈍化電池）背面點接觸電池（前后表面鈍化電池）PERL電池（發(fā)射結(jié)鈍化和背面點接觸電池）電池（發(fā)射結(jié)鈍化和背面點接觸電池）高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究40 這些電池的轉(zhuǎn)換效率均高于這些電池的轉(zhuǎn)換效率均高于20%，其中，其中保持世界記錄（

28、保持世界記錄（24.7%）的單晶硅和多晶硅電）的單晶硅和多晶硅電池（池（19.8%）的轉(zhuǎn)換效率均是由）的轉(zhuǎn)換效率均是由PERL電池實電池實現(xiàn)的?，F(xiàn)的。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究41澳大利亞新南威爾斯大學(xué)設(shè)計和制造的澳大利亞新南威爾斯大學(xué)設(shè)計和制造的PERLPERL電池示意圖電池示意圖PERL電池（發(fā)射結(jié)鈍化和背面點接觸電池）電池（發(fā)射結(jié)鈍化和背面點接觸電池）表面采用了倒金字塔結(jié)構(gòu)表面采用了倒金字塔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小光在前表面的進(jìn)一步減小光在前表面的反射，有效地將光限制在反射，有效地將光限制在電池之內(nèi)。電池之內(nèi)。前表面電極窄前表面電

29、極窄，這，這使使得前表面遮光面積降得前表面遮光面積降低，并減少低，并減少n- -型區(qū)橫型區(qū)橫向?qū)щ婋娮璧膿p失。向?qū)щ婋娮璧膿p失。電池的前后表面電極電池的前后表面電極采用高濃度擴(kuò)散以減小電極采用高濃度擴(kuò)散以減小電極區(qū)復(fù)合并形成良好的歐姆接觸；區(qū)復(fù)合并形成良好的歐姆接觸； 采用采用SiOSiO2 2和點接觸的方法以和點接觸的方法以減少電池的表面復(fù)合減少電池的表面復(fù)合兩層減反射膜將前兩層減反射膜將前表面反射降到最低表面反射降到最低前表面電極采用鈦，鈀，前表面電極采用鈦，鈀，銀的金屬組合進(jìn)一步減小銀的金屬組合進(jìn)一步減小電極與硅的接觸電阻。電極與硅的接觸電阻。結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點13 13 太陽能電池太陽能

30、電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究42 目前這種電池技術(shù)是制造實驗室高效太陽目前這種電池技術(shù)是制造實驗室高效太陽能電池的主要技術(shù)之一，能電池的主要技術(shù)之一，24.7的電池就是由的電池就是由此技術(shù)制造的。但是，這種電池的制造過程相此技術(shù)制造的。但是，這種電池的制造過程相當(dāng)煩瑣，其中涉及到好幾道光刻工藝，所以不當(dāng)煩瑣，其中涉及到好幾道光刻工藝，所以不是一個低成本的生產(chǎn)工藝，很難將其應(yīng)用于大是一個低成本的生產(chǎn)工藝，很難將其應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究43清洗清洗表面腐

31、蝕表面腐蝕表面制絨表面制絨 實用高效太陽能電池的生產(chǎn)工藝實用高效太陽能電池的生產(chǎn)工藝襯底：襯底：P P型（型（100100）單晶硅片，電阻率）單晶硅片，電阻率0.50.52cm2cm擴(kuò)散擴(kuò)散邊緣結(jié)刻蝕邊緣結(jié)刻蝕 絲網(wǎng)印刷正背絲網(wǎng)印刷正背面電極漿料面電極漿料 共燒形成共燒形成金屬接觸金屬接觸 電池片測試電池片測試沉積沉積SiNSiN沉積沉積TiOTiO2 213 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究44表面腐蝕的目的：表面腐蝕的目的：切割后的硅片表面有一層切割后的硅片表面有一層1020 m厚的切割厚的切割損壞層，在電池制備前必須去除。損壞層，在

32、電池制備前必須去除。表面腐蝕的方法：酸性腐蝕和堿性腐蝕表面腐蝕的方法：酸性腐蝕和堿性腐蝕目前單晶硅的硅片主要使用的是堿性腐蝕的方目前單晶硅的硅片主要使用的是堿性腐蝕的方法。堿性腐蝕常用的腐蝕劑為加熱到法。堿性腐蝕常用的腐蝕劑為加熱到8090的的20% 30%的的NaOHNaOH或或KOHKOH溶液。溶液。表面腐蝕表面腐蝕13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究45單晶硅片清洗制絨工藝：單晶硅片清洗制絨工藝：去損傷層：去損傷層：NaOH+H2O 3%(質(zhì)量百分比質(zhì)量百分比) 70 3 min (分鐘分鐘)漂洗：漂洗：去離子水去離子水 40 3

33、 min 制絨：制絨：1%NaOH6%異丙醇異丙醇3NaSiO3 H2O 70 30 min漂洗：漂洗： 去離子水去離子水 室溫室溫 3 min噴淋：噴淋：去離子水去離子水室溫室溫 3 min去氧化物：去氧化物： 2.5%HF 室溫室溫 1 min漂洗：漂洗： 去離子水去離子水 室溫室溫 3 min去金屬離子：去金屬離子： 5% HCl 室溫室溫 6 min漂洗：漂洗： 去離子水去離子水 室溫室溫 3 min噴淋：噴淋：去離子水去離子水室溫室溫 3 min13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究46制絨的目的制絨的目的:金字塔形的角錐體組成

34、的絨面具金字塔形的角錐體組成的絨面具有受光面積大，反射率低的特點。有受光面積大，反射率低的特點。單晶硅片絨面形狀單晶硅片絨面形狀表面制絨表面制絨13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究47 增加受光面積增加受光面積a 如右圖，金字塔形角錐體的表面積如右圖，金字塔形角錐體的表面積S S0 0等于四等于四個邊長為個邊長為a a正三角形正三角形S S之和之和20214sin604231.732SaSSSSa絨面光面 由此可見，有絨面的受光面積比原來光面由此可見，有絨面的受光面積比原來光面面積提高了，是原來面積的面積提高了，是原來面積的1.7321

35、.732倍。倍。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究48 降低反射率降低反射率 當(dāng)一束強(qiáng)度為當(dāng)一束強(qiáng)度為E E0 0的光投射到圖中的的光投射到圖中的A A點，產(chǎn)生反射點，產(chǎn)生反射光光 1和進(jìn)入硅中的折射光和進(jìn)入硅中的折射光 2 2。反射光。反射光 1 1可以繼續(xù)投射到可以繼續(xù)投射到另一方錐的另一方錐的B B點，產(chǎn)生二次反射光點，產(chǎn)生二次反射光 3 3和進(jìn)入半導(dǎo)體的折和進(jìn)入半導(dǎo)體的折射光射光 4 4；而對光面電池就不產(chǎn)生這第二次的入射。；而對光面電池就不產(chǎn)生這第二次的入射。 A AB B 1 1 2 2 4 4 3 313 13 太陽能電

36、池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究49 機(jī)械刻槽法是利用機(jī)械刻槽法是利用V V形刀在硅表面摩擦以形成形刀在硅表面摩擦以形成規(guī)則的規(guī)則的V V形槽，從而形成反射率低的表面織構(gòu)。形槽，從而形成反射率低的表面織構(gòu)。 化學(xué)腐蝕法是利用氫氧化鈉溶液對單晶硅片化學(xué)腐蝕法是利用氫氧化鈉溶液對單晶硅片進(jìn)行各向異性腐蝕來制備絨面的。進(jìn)行各向異性腐蝕來制備絨面的。制絨的方法：機(jī)械刻槽法和化學(xué)腐蝕法制絨的方法：機(jī)械刻槽法和化學(xué)腐蝕法13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究50 采用三氯氧磷氣體攜帶源方式，這個工藝采用三氯氧

37、磷氣體攜帶源方式，這個工藝的特點是生產(chǎn)率高，有利于降低成本。的特點是生產(chǎn)率高，有利于降低成本。8 8吋硅片吋硅片擴(kuò)散爐、石英管口徑達(dá)擴(kuò)散爐、石英管口徑達(dá)270270mm，可以擴(kuò)散，可以擴(kuò)散156156156156（mm）的硅片。）的硅片。 由于石英管口徑大，恒溫區(qū)長，提高了擴(kuò)由于石英管口徑大，恒溫區(qū)長，提高了擴(kuò)散薄層電阻均勻性，有利于降低太陽電池的串散薄層電阻均勻性，有利于降低太陽電池的串聯(lián)電阻，從而提高太陽電池填充因子聯(lián)電阻，從而提高太陽電池填充因子FF。 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散發(fā)射區(qū)擴(kuò)散13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究51 在襯底表面附近，

38、除電極下有一個重?fù)诫s在襯底表面附近，除電極下有一個重?fù)诫s的的n n+ +區(qū)外，其余的部位都是一般濃度的摻雜。區(qū)外，其余的部位都是一般濃度的摻雜。 這是因為電極下的重?fù)诫s區(qū)不僅可以降低這是因為電極下的重?fù)诫s區(qū)不僅可以降低接觸電阻，獲得好的填充系數(shù)，也可以降低電接觸電阻，獲得好的填充系數(shù)，也可以降低電極帶來的表面復(fù)合損失；而電極之間的低摻雜極帶來的表面復(fù)合損失；而電極之間的低摻雜發(fā)射區(qū)具有較低的界面態(tài)，可以得到較好的光發(fā)射區(qū)具有較低的界面態(tài)，可以得到較好的光譜響應(yīng)和較高的開路電壓。譜響應(yīng)和較高的開路電壓。擴(kuò)散結(jié)應(yīng)具有以下結(jié)構(gòu)：擴(kuò)散結(jié)應(yīng)具有以下結(jié)構(gòu)：13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.

39、6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究52SiN的作用：可的作用：可作為減反射膜，同時具有表面作為減反射膜，同時具有表面鈍化和體鈍化的雙重作用。鈍化和體鈍化的雙重作用。SiN的制備：的制備： PECVDPECVD法法 SiN薄膜中含有大量的氫，可以很好的鈍化薄膜中含有大量的氫，可以很好的鈍化硅中的位錯和表面懸掛鍵，使硅表面趨于穩(wěn)定。硅中的位錯和表面懸掛鍵，使硅表面趨于穩(wěn)定。這樣就減少了發(fā)射區(qū)表面復(fù)合，增加了短路電這樣就減少了發(fā)射區(qū)表面復(fù)合，增加了短路電流密度流密度J Jscsc，提高了太陽電池開路電壓，提高了太陽電池開路電壓V Vococ。SiN13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6

40、 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究53 如果沒有這層如果沒有這層SiNSiN，直接淀積，直接淀積TiOTiO2 2薄膜，硅薄膜，硅表面上會出現(xiàn)陷阱型的滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致太陽電表面上會出現(xiàn)陷阱型的滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致太陽電池短路電流衰減，從而降低光電轉(zhuǎn)換效率。故池短路電流衰減，從而降低光電轉(zhuǎn)換效率。故要先生長要先生長SiNSiN鈍化再生長鈍化再生長TiOTiO2 2減反射膜。減反射膜。 經(jīng)驗顯示，用經(jīng)驗顯示，用PECVD SiNPECVD SiN作為減反膜的單作為減反膜的單晶硅太陽電池效率較高于傳統(tǒng)的由晶硅太陽電池效率較高于傳統(tǒng)的由APCVD TiOAPCVD TiO2 2作為減反膜單晶

41、硅太陽電池。作為減反膜單晶硅太陽電池。13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究54 TiO TiO2 2減反射膜是用減反射膜是用APCVDAPCVD設(shè)備生長的設(shè)備生長的,它通它通過鈦酸異丙脂與純水產(chǎn)生水解反應(yīng)來生長過鈦酸異丙脂與純水產(chǎn)生水解反應(yīng)來生長TiOTiO2 2薄膜。薄膜。 TiOTiO2 2Ti(OCTi(OC3 3H H7 7) )4 4+2H+2H2 2O O TiOTiO2 2+4(C+4(C3 3H H7 7)OH)OH 加熱加熱13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究5

42、5 銀漿、銀鋁漿、鋁漿印刷過的硅片，通過銀漿、銀鋁漿、鋁漿印刷過的硅片，通過烘干，有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，膜層收縮成為固狀烘干，有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，膜層收縮成為固狀物緊密粘附在硅片上，這時可視為金屬電極材物緊密粘附在硅片上，這時可視為金屬電極材料層和硅片接觸在一起。料層和硅片接觸在一起。 所謂共燒工藝是在銀所謂共燒工藝是在銀- -硅的共晶溫度，單晶硅的共晶溫度，單晶硅原子溶入到金屬電極材料里，冷卻后形成再硅原子溶入到金屬電極材料里，冷卻后形成再結(jié)晶層，這個再結(jié)晶層是較完美單晶硅的晶格結(jié)晶層，這個再結(jié)晶層是較完美單晶硅的晶格點陣結(jié)構(gòu)。點陣結(jié)構(gòu)。共燒形成金屬接觸共燒形成金屬接觸 13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究56電池片測試后，其IV曲線如圖：電池片測試電池片測試13 13 太陽能電池太陽能電池 13.6 13.6 高效太陽能電池的研究高效太陽能電池的研究57 激光埋沿式電池激光埋沿式電池 八十年代中期，新南威爾斯大學(xué)發(fā)明了八十年代中期，新南威爾斯大學(xué)發(fā)明了“激光埋沿式電池制造工藝激光埋沿式電池制造工藝”，這一電池技術(shù)，這一電池技術(shù)采納了高效太陽能電池的優(yōu)點，簡化了高效太采納了高效太陽能電池的優(yōu)點，簡化了高效太陽能電池的制造工藝，使之成為