太陽能電池原理及發(fā)展

1、LOGO太陽能電池原理及發(fā)展現(xiàn)狀太陽能電池原理及發(fā)展現(xiàn)狀目目 錄錄太陽能電池太陽能電池基本原理基本原理主要面臨問題主要面臨問題發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀太陽能電池 化石能源日漸枯竭化石能源日漸枯竭, ,人類對能人類對能源需求不斷上升，溫室效應(yīng)加源需求不斷上升，溫室效應(yīng)加劇劇促使人類尋找化石燃料促使人類尋找化石燃料之外的新型綠色能源。之外的新型綠色能源。 太陽能是人類取之不盡用之不太陽能是人類取之不盡用之不竭的竭的可再生能源可再生能源。也是。也是清潔能清潔能源源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用中；大陽在太陽能的有效利用中；大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最能光電利用是近些年來

2、發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。其中最受矚目的項(xiàng)目之一。硅太陽能電池工作原理 制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生內(nèi)光電其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)所用材料的不同，效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：太陽能電池可分為：硅基太陽能電池硅基太陽能電池和和薄膜電池薄膜電池。 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的內(nèi)光電太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下：效應(yīng)，一般的半導(dǎo)

3、體主要結(jié)構(gòu)如下：硅太陽能電池工作原理圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪铀膫€(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥兄車挥? 3個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴，個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆]有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子這個(gè)空穴因?yàn)闆]有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成而中和，形成P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。摻入雜質(zhì)，摻入雜質(zhì)，如硼、磷等如硼、磷等PN結(jié)的形成及工作原理 零偏零偏 負(fù)偏負(fù)偏 正偏正偏 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)反偏時(shí)，

4、外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電結(jié)反偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢壘加強(qiáng)；當(dāng)場作用下變寬，使勢壘加強(qiáng)；當(dāng)PNPN結(jié)正偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電結(jié)正偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外加電場作用下變窄，勢壘削弱。場方向相反，耗盡區(qū)在外加電場作用下變窄，勢壘削弱。當(dāng)光當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須處于零偏或反偏狀態(tài)。電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須處于零偏或反偏狀態(tài)。 當(dāng)當(dāng)P型和型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時(shí)，型半導(dǎo)體材料結(jié)合時(shí)，P 型（型（ N型）材料中的空穴型）材料中的空穴（電子）向（電子）向N 型（型（ P 型）材料這邊擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果使得結(jié)合型）材料這邊擴(kuò)散，擴(kuò)散

5、的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)形成一個(gè)勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)區(qū)形成一個(gè)勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，在進(jìn)行，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個(gè)耗盡區(qū)結(jié)兩側(cè)形成一個(gè)耗盡區(qū)。 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光子將能量提供給電子，電子將當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光子將能量提供給電子，電子將躍遷到更高的能態(tài)，在這些電子中，躍遷到更高的能態(tài)，在這些電子中，作為實(shí)際使用的光作為實(shí)際使用的光電器件里可利用的電子有：電器件里可利用的電子有： （1）價(jià)帶電子；）價(jià)帶電子； （2）自由電子或空穴；）自由電子或空穴； （3）存在于雜質(zhì)能級(jí)上的電子。）存在于雜質(zhì)能級(jí)上的電子。 太

6、陽電池可利用的電子主要是價(jià)帶電子太陽電池可利用的電子主要是價(jià)帶電子。由價(jià)帶電子得到。由價(jià)帶電子得到光的能量躍遷到導(dǎo)帶的過程決定的光的吸收稱為本征或光的能量躍遷到導(dǎo)帶的過程決定的光的吸收稱為本征或固有吸收。固有吸收。基本原理基本原理由于半導(dǎo)體不是電的由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過良導(dǎo)體，電子在通過pn結(jié)后如果在半導(dǎo)結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用生，因此一般用金屬金屬網(wǎng)格覆蓋網(wǎng)格覆蓋pn結(jié)結(jié)（如（如圖圖 梳狀電極

7、），以增梳狀電極），以增加入射光的面積。加入射光的面積。制約光電池轉(zhuǎn)換效率的因素 光學(xué)損失 電學(xué)損失 串并聯(lián)電阻損失 反射損失反射損失短波損失短波損失透射損失透射損失光生空穴光生空穴電子對電子對在各區(qū)的復(fù)合在各區(qū)的復(fù)合表面復(fù)合表面復(fù)合 （前表面和背表面）（前表面和背表面）材料復(fù)合：材料復(fù)合： 復(fù)合中心復(fù)合復(fù)合中心復(fù)合主要面臨問題 在硅太陽能電池的制造歷史中已經(jīng)采用過許多措施來提高太陽在硅太陽能電池的制造歷史中已經(jīng)采用過許多措施來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并且隨著能源的不斷消耗，高效太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并且隨著能源的不斷消耗，高效太陽能的研究正熱火朝天地進(jìn)行。主要針對：能的研究正熱火朝

8、天地進(jìn)行。主要針對： 1. 1.降低光電子的表面復(fù)合，如降低表面態(tài)等；降低光電子的表面復(fù)合，如降低表面態(tài)等； 2. 2.降低入射光的表面反射，用多種太陽光減反射技術(shù)，如沉積降低入射光的表面反射，用多種太陽光減反射技術(shù)，如沉積 減反層、硅片表面織構(gòu)技術(shù)、局部背表面場技術(shù)，最大限度減反層、硅片表面織構(gòu)技術(shù)、局部背表面場技術(shù)，最大限度 地減少太陽光在硅表面的反射；地減少太陽光在硅表面的反射； 3. 3.電極低接觸電阻和集成受光技術(shù)，如激光刻槽埋柵技術(shù)和表電極低接觸電阻和集成受光技術(shù)，如激光刻槽埋柵技術(shù)和表 面濃度擴(kuò)散技術(shù)，使電極接觸電阻低和增加硅表面受光面積面濃度擴(kuò)散技術(shù)，使電極接觸電阻低和增加硅表

9、面受光面積 4. 4.降低降低P-NP-N結(jié)的結(jié)深和漏電；結(jié)的結(jié)深和漏電； 5. 5.采用高效廉價(jià)光電轉(zhuǎn)換材料；采用高效廉價(jià)光電轉(zhuǎn)換材料；發(fā)展現(xiàn)狀單晶硅太陽能電池（主要） 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)15% 左右,其制造工藝成熟，生產(chǎn)過程耗能高, 生產(chǎn)成本高。多晶硅太陽能電池 使制造成本大大降低, 電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16%左右，MIT研制電池樣品, 光電轉(zhuǎn)換效率提高了27% 。硅薄膜太陽能電池 生產(chǎn)制造技術(shù)成熟, 大量節(jié)省成本和能耗,產(chǎn)品面積有較大增加。轉(zhuǎn)化效率相對較低, 目前僅為12% 14% , 且光電效率隨使用時(shí)間的增長而衰退。化合物薄膜太陽能電池 化合物薄膜太陽能電池的光轉(zhuǎn)換效率高, 理

10、論值可達(dá)28%, 又易于薄膜化,。2009年10 月Sharp研制了光電轉(zhuǎn)換率為35. 8%的電池樣品薄膜太陽電池簡介硅薄膜硅薄膜 碲鎘系碲鎘系(CdTe) 染料薄膜和有機(jī)薄膜染料薄膜和有機(jī)薄膜(TiO2)非晶非晶,非晶非晶/微晶微晶(a-Si,a-Si/ c-Si)First Solar， USUnited Solar(8%) ,EPV(56%) USKaneka, Sharp ( 810%) JapanLG, 周星周星(9.6%) 韓國韓國銅銦系銅銦系(CIS,CIGS)金屬薄膜金屬薄膜正泰正泰(9.0%),天威天威(67%),新奧新奧(88.5%),金太陽金太陽(8%),尚德尚德(67%

11、),百世德百世德(88.5%) 中國中國Leybold Optics(9.5%) GermanJST German山東孚日股份山東孚日股份 中國中國13 1975年年Spear等在非晶氫硅中實(shí)現(xiàn)可控?fù)诫s，等在非晶氫硅中實(shí)現(xiàn)可控?fù)诫s， 1976年美國年美國RCA實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)非晶硅太陽電池效率實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)非晶硅太陽電池效率2.4% 1980年日本三洋電器公司利用非晶硅太陽電池制成袖珍計(jì)算器；年日本三洋電器公司利用非晶硅太陽電池制成袖珍計(jì)算器； 1987年摻年摻C, 摻摻Ge,光陷阱工藝非晶硅電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)光陷阱工藝非晶硅電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)12%(Initial)；面；面積從積從

12、0.1M2 發(fā)展到發(fā)展到0.3M2 , Module 功率功率14W( stable Eff 5%) 1988年與建筑材料相結(jié)合的非晶硅太陽能電池投入應(yīng)年與建筑材料相結(jié)合的非晶硅太陽能電池投入應(yīng)二 、硅基薄膜太陽電池的發(fā)展HistoryToday 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室: Triple 電池電池 15.3% 產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)業(yè)化: 非晶硅非晶硅/微晶硅疊層電池微晶硅疊層電池 G5 (1.1*1.3M2) 9.6% G8.5(2.2*2.6M2) 8.5% 14 硅基薄膜太陽電池的技術(shù)發(fā)展EPV,Oerlikon,AMATEPVEPV 泉州金太陽泉州金太陽Unit-solar OerlikonAMATKanaka

13、Sharp. ?BestSOLAR Confidential三、硅基薄膜電池優(yōu)缺點(diǎn) 美觀、大方美觀、大方 電池組件的顏色與建筑物的顏色比較容易匹配，美化室內(nèi)外電池組件的顏色與建筑物的顏色比較容易匹配，美化室內(nèi)外 環(huán)境，加環(huán)境，加 上精細(xì)、整齊的激光切割線，使建筑物更加美觀、大方，更有魅力。上精細(xì)、整齊的激光切割線，使建筑物更加美觀、大方，更有魅力。 應(yīng)用穩(wěn)定性更好應(yīng)用穩(wěn)定性更好 由于非晶硅太陽電池的電流密度較小由于非晶硅太陽電池的電流密度較小, ,熱斑效應(yīng)不明顯，所以，使用起來更加熱斑效應(yīng)不明顯，所以，使用起來更加方便、可靠。方便、可靠。 能源回收期短能源回收期短 成本低且下降空間大成本低且下

14、降空間大缺點(diǎn) 前期資金投資大 光致衰退(S-w效應(yīng)) 效率偏低 設(shè)備、原材料國產(chǎn)化設(shè)備、原材料國產(chǎn)化 減薄非晶硅層減薄非晶硅層, 改善光衰改善光衰 疊層電池如非晶硅疊層電池如非晶硅/微晶硅微晶硅,改善光衰改善光衰,提高效率提高效率 改善各層材料間界面性能，提高功率改善各層材料間界面性能，提高功率 新產(chǎn)品的開發(fā)、新材料、新工藝新產(chǎn)品的開發(fā)、新材料、新工藝解決方案解決方案硅基薄膜太陽電池缺點(diǎn)以及應(yīng)對四 、非晶硅的光照衰退(Staebler-Wronski效應(yīng)) 光致衰退現(xiàn)象：非晶硅電池在強(qiáng)光下照射數(shù)小時(shí)，電性能下降并逐漸趨于穩(wěn)定；若樣品在160下退火，電學(xué)性能可恢復(fù)原值(S-W效應(yīng)) 非晶硅制造過

15、程中Si-Si弱鍵的作用薄膜太陽電池LID測試 ( IEC認(rèn)證)光老化試驗(yàn)測試環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)條件（STC） 光強(qiáng)：光功率密度為1000W/m2 光譜特征：AM1.5 環(huán)境溫度：25五、電池的光電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算光譜特征：AM1.5cos=2/3 (48.2=2/3 (48.2o o) )AM1.5=1/cosLight Eff =Pm/（1000W/m2組件面積) 例如公司電池片輸出功率為480W，面積為5.7m2 ， 則效率=480/(1000*5.7)=8.42% Stable Eff & Initial Eff 初始最大輸出功率 穩(wěn)定最大輸出功率 (初始功率-穩(wěn)定功率)/初始功率組件效率Eff計(jì)算

16、Initial EffStable EffLID疊層電池結(jié)構(gòu)SiO2(2040nm)TCO(7001000nm)a-si(300nm)SiO2(100nm)c-Si(1.7m)AZO(100nm)Ag (130200nm)ITO(In2O3:Sn) 氧化銦氧化銦(錫錫)FTO( SnO2:F) 摻氟氧化錫摻氟氧化錫ZAO (ZnO: Al) 摻鋁氧化鋅摻鋁氧化鋅其他其他 (GAO,ATO, .) TCO( transparent conductive oxide) 透明導(dǎo)電氧化物的分類 TCO簡介ITO(In2O3:Sn) 氧化銦(錫) 1、應(yīng)用范圍、應(yīng)用范圍主要平板顯示器、液晶顯示、觸摸屏主

17、要平板顯示器、液晶顯示、觸摸屏薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池(CIGS、HIT)缺點(diǎn)缺點(diǎn): 成本高，熱性能較差成本高，熱性能較差 (耐還原性差耐還原性差, 在等離子體下易被還原在等離子體下易被還原)2、制備方式、制備方式DC-磁控濺射磁控濺射RF-磁控濺射磁控濺射電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)磁控濺射磁控濺射FTO( SnO2:F) 摻氟氧化錫1、應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池缺點(diǎn)缺點(diǎn): Sn4+易被氫離子還原易被氫離子還原2、制備方式、制備方式: APCVD法法在線式在線式APCVD(浮法線浮法線) AGC (Asahi float glass) , NSG離線式離線式APCVD(離線式離

18、線式)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 成本低成本低,制備技術(shù)相對成熟制備技術(shù)相對成熟,耐熱性能好耐熱性能好ZnO:Al(ZAO)氧化鋅 1 、應(yīng)用范圍a-si; uc-si; a-si/uc-si優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好;近紅外高透過率近紅外高透過率,不受氫不受氫離子還原作用離子還原作用2、制備方式、制備方式磁控濺射磁控濺射+制絨制絨 ( leybold optics, PIA Nova, 信義玻璃信義玻璃 ) 缺點(diǎn)：成本較高缺點(diǎn)：成本較高,產(chǎn)品有待驗(yàn)證產(chǎn)品有待驗(yàn)證TCO與薄膜太陽能電池的關(guān)聯(lián)薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池Sunlightglass-AgZnO:Aln:a-sii:a-sip:a-siTCO(SnO2:F)+光生電壓VocTCO用于薄膜電池的前電極用于薄膜電池的前電極TCO作為薄膜電池前電極的性能要求 透光性: 可見光 (Transimission)