非晶微晶硅薄膜太陽能電池

1、非晶硅(a-Si)太陽電池是在玻璃(glass)襯底上沉積透明導(dǎo)電膜(TCO)，然后依次用等離子體反應(yīng)沉積p型、i型、n型三層a-Si，接著再蒸鍍金屬電極鋁(Al).光從玻璃面入射，電池電流從透明導(dǎo)電膜和鋁引出，其結(jié)構(gòu)可表示為glass/TCO/pin/Al，還可以用不銹鋼片、塑料等作襯底。 硅材料是目前太陽電池的主導(dǎo)材料，在成品太陽電池成本份額中，硅材料占了將近40%，而非晶硅太陽電池的厚度不到1m，不足晶體硅太陽電池厚度的1/100，這就大大降低了制造成本，又由于非晶硅太陽電池的制造溫度很低(200)、易于實(shí)現(xiàn)大面積等優(yōu)點(diǎn)，使其在薄膜太陽電池中占據(jù)首要地位，在制造方法方面有電子回旋共振法、

2、光化學(xué)氣相沉積法、直流輝光放電法、射頻輝光放電法、濺謝法和熱絲法等。特別是射頻輝光放電法由于其低溫過程(200)，易于實(shí)現(xiàn)大面積和大批量連續(xù)生產(chǎn)，現(xiàn)成為國際公認(rèn)的成熟技術(shù)。在材料研究方面，先后研究了a-SiC窗口層、梯度界面層、C-SiC p層等，明顯改善了電池的短波光譜響應(yīng).這是由于a-Si太陽電池光生載流子的生成主要在i層，入射光到達(dá)i層之前部分被p層吸收，對發(fā)電是無效的.而a-SiC和C-SiC材料比p型a-Si具有更寬的光學(xué)帶隙，因此減少了對光的吸收，使到達(dá)i層的光增加；加之梯度界面層的采用，改善了a-SiC/a-Si異質(zhì)結(jié)界面光電子的輸運(yùn)特性.在增加長波響應(yīng)方面，采用了絨面TCO膜、

3、絨面多層背反射電極(ZnO/Ag/Al)和多帶隙疊層結(jié)構(gòu)，即glass/TCO/p1i1n1/p2i2n2/p3i3n3/ZnO/Ag/Al結(jié)構(gòu).絨面TCO膜和多層背反射電極減少了光的反射和透射損失，并增加了光在i層的傳播路程，從而增加了光在i層的吸收.多帶隙結(jié)構(gòu)中，i層的帶隙寬度從光入射方向開始依次減小，以便分段吸收太陽光，達(dá)到拓寬光譜響應(yīng)、提高轉(zhuǎn)換效率之目的。在提高疊層電池效率方面還采用了漸變帶隙設(shè)計、隧道結(jié)中的微晶化摻雜層等，以改善載流子收集。 為了獲得具有高效率、高穩(wěn)定性的硅基薄膜太陽電池，近年來又出現(xiàn)了微晶、多晶硅薄膜電池。微晶硅薄膜是采用大氫稀釋和微量摻硼技術(shù)制備的。多晶硅薄膜的制

4、造技術(shù)主要有兩種，一種是采用PECVD技術(shù)或熱絲法直接生長；另一種則是通過對a-SiH材料進(jìn)行后退火，實(shí)現(xiàn)低溫固相晶化。薄膜太陽電池的測試薄膜太陽電池或者一般的非晶硅太陽電池的電性測試,和單/多晶硅太陽電池的測試有什么區(qū)別?1.目前市場上的太陽電池多以單晶硅和多晶硅電池為主.這種電池技術(shù)成熟,轉(zhuǎn)換效率高,性能穩(wěn)定,因此成為市場的主流.但因其材料消耗過大,人們正在積極尋找替代品或者改進(jìn)工藝.就目前來講,主要是發(fā)展非晶硅技術(shù).它的主要特點(diǎn)是:用Si少,可沉積在玻璃,塑料甚至柔性材質(zhì)上,并做成大面積的組件.雖然其轉(zhuǎn)換效率偏低,但它的低材耗和可加工為大面積組件的特點(diǎn),可以使它廣泛用于建筑等方面;至于它

5、的衰減性,目前也有很大的改觀. 2.對于非晶硅薄膜太陽電池的測試,相對于單晶/多晶硅來講,如果光譜和光強(qiáng)相同,那么,它只不過需要更長的光照時間.通過大量的實(shí)際測試和理論,比較公認(rèn)的是至少在60ms以上,這比單/多晶硅電池只需要幾毫秒的時間相比延長了不少.在實(shí)現(xiàn)光源長脈寬的過程中,主要是要克服在次過程中光強(qiáng)的穩(wěn)定性和光的重復(fù)性. 3.在電池的測試設(shè)備上,國際的知名廠商如SPIRE等早已實(shí)現(xiàn)了100ms準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光源,但國內(nèi)起步較晚.目前大多數(shù)廠家只能做到20ms35ms,雖然有些電池廠商在測試的時候也注意到這一點(diǎn),并用乘以一定系數(shù)的方法來校正,但不能得到較準(zhǔn)確的電池參數(shù).上海赫爽太陽能科技有限公司是

6、國內(nèi)薄膜電池設(shè)備的領(lǐng)先者,已有2年多的研發(fā)制造經(jīng)驗(yàn),其生產(chǎn)的薄膜電池測試設(shè)備在光強(qiáng)的穩(wěn)定度和重復(fù)度上可以達(dá)到國際水平,被國內(nèi)外數(shù)家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)選用.如果您對這方面感興趣,可以相互討論一下.我對這方面的了解也比較欠缺. 非晶硅太陽能電池的優(yōu)勢: 1. 非晶硅對可見光的吸收比晶體硅的要強(qiáng),也就是說以陰雨天或者說月光較強(qiáng)的晚上,非晶硅電池也可以產(chǎn)生較少量的電流. 甚至有測得,同樣功率的非晶硅和晶體硅太陽能電池, 按一年的發(fā)電量計算, 非晶硅要比晶體硅發(fā)的電多. 2. 非晶硅價格便宜, 因?yàn)榉蔷Ч璨皇芄璨牧蟽r格的限制, 在生產(chǎn)過程中, 用硅烷氣體通過輝光放電法,在玻璃等襯底上沉積成一層薄膜. 因其材

7、料較便宜, 可以大規(guī)模生產(chǎn)和推廣. 3. 高溫性能好：當(dāng)太陽能電池工作溫度高于標(biāo)準(zhǔn)測試溫度25時，其最佳輸出功率會有所下降；非晶硅太陽能電池受溫度的影響比晶體硅太陽能電池要小得多。 4. 能量回收周期短, 在生產(chǎn)過程中的每瓦用電能耗較小,1.5-2年即可返回. 由于上述這些優(yōu)勢,令薄膜硅電池在民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如光伏建筑一體化、大規(guī)模低成本發(fā)電站、太陽能照明光源。 由于非晶硅薄膜電池的良好前景，包括Sharp、Q-Cells、無錫尚德等在內(nèi)的諸多企業(yè)正大規(guī)模進(jìn)入非晶硅薄膜太陽能電池領(lǐng)域，整個行業(yè)的統(tǒng)計數(shù)字不斷翻新。一、太陽能電池的原理 太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對

8、，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。 太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式 一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。 二、太陽能電池的分類 太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。 按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機(jī)膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、V族(GaAs,InP等)、族(Cds系)和磷化鋅 (Zn 3 p 2 )等。 太陽能電池根據(jù)所用材料

9、的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。 （1） 硅太陽能電池 硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。 （2） 多元化合物薄膜太陽能電池 多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。 （3） 聚合物多層修飾電極型太陽能電池 以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而

10、對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。 （4） 納米晶太陽能電池 納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10壽命能達(dá)到2O年以上。首先，數(shù)據(jù)采集儀器應(yīng)采用低功能耗的。 其次，選擇的太陽能發(fā)電板和蓄電池應(yīng)是經(jīng)濟(jì)、可靠性的。既要防止太陽能發(fā)電板在陰雨期容量不夠，達(dá)不到測量目的，又要避免容量過大，造成浪費(fèi)。 一、關(guān)于硅太

11、陽能發(fā)電板容量 硅太陽能發(fā)電板容量是指平板式太陽能板發(fā)電功率WP。太陽能發(fā)電功率量值取決于負(fù)載24h所能消耗的電力 H(WH)，由負(fù)載額定電源與負(fù)載24h所消耗的電力，決定了負(fù)載24h消耗的容量P(AH)，再考慮到平均每天日照時數(shù)及陰雨天造成的影響，計算出太陽能電池陣列工作電流IP(A)。 由負(fù)載額定電源，選取蓄電池公稱電壓，由蓄電池公稱電壓來確定蓄電池串聯(lián)個數(shù)及蓄電池浮充電壓VF (V)，再考慮到太陽能電池因溫度升高而引起的溫升電壓VT (v)及反充二極管P-N結(jié)的壓降VD(V)所造成的影響，則可計算出太陽能電池陣列的工作電壓VP(V)，由太陽電池陣列工作電源IP(A)與工作電壓VP(V)，

12、便可決定平板式太陽能板發(fā)電功率WPW，從而設(shè)計出太陽能板容量，由設(shè)計出的容量WP與太陽能電池陣列工作電壓VP，確定硅電池平板的串聯(lián)塊數(shù)與并聯(lián)組數(shù)。 太陽能電池陣列的具體設(shè)計步驟如下： 1.計算負(fù)載24h消耗容量P。 P=H/V V負(fù)載額定電源 2.選定每天日照時數(shù)T(H)。 3.計算太陽能陣列工作電流。 IP=P(1+Q)/T Q按陰雨期富余系數(shù)，Q=0.211.00 4.確定蓄電池浮充電壓VF。 鎘鎳(GN)和鉛酸(CS)蓄電池的單體浮充電壓分別為1.41.6V和2.2V。 5.太陽能電池溫度補(bǔ)償電壓VT。 VT=2.1/430(T-25)VF 6.計算太陽能電池陣列工作電壓VP。 VP=V

13、F+VD+VT 其中VD=0.50.7 約等于VF 7.太陽電池陣列輸出功率WP平板式太陽能電板。 WP=IPUP 8.根據(jù)VP、WP在硅電池平板組合系列表格，確定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的串聯(lián)塊數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。 二、關(guān)于蓄電池的容量計算 蓄電池的容量由下列因素決定： 1.蓄電池單獨(dú)工作天數(shù)。在特殊氣候條件下，蓄電池允許放電達(dá)到蓄電池所剩容量占正常額定容量的20%。 2.蓄電池每天放電量。對于日負(fù)載穩(wěn)定且要求不高的場合，日放電周期深度可限制在蓄電池所剩容量占額定容量的80%。 3.蓄電池要有足夠的容量，以保證不會因過充電所造成的失水。一般在選蓄電池容量時，只要蓄電池容量大于太陽能發(fā)電板峰值電流的25倍，則蓄電池

14、在充電時就不會造成失水。 4.蓄電池自身漏掉的電能。隨著電池使用時間的增長及電池溫度的升高，自放電率會增加。對于新的電池自放電率通常小于容量的5%，但對于舊的質(zhì)量不好的電池，自放電率可增至每月10%15%。 在水情遙測系統(tǒng)中，連續(xù)陰雨天的長短決定了蓄電池的容量，由遙測設(shè)備在連續(xù)陰雨天中所消耗能量安時數(shù) 加上20%因子，再加上10%電池自放電能安時數(shù)，便可計算出蓄電池的容量源。 按照兩種容量方案的計算，作者計算完成了太陽能電源的設(shè)計： 1.測站的主要參數(shù)： 每隔5min發(fā)射一次數(shù)據(jù)，發(fā)射時間2Sec； 發(fā)射機(jī)輸入電壓DC13.8V，輸出電流5A； 當(dāng)?shù)厝照諘r數(shù)78h。 2.測站蓄電池容量經(jīng)計算得出為38AH。 3.測站太陽能電池容量陣列輸出功率WP W為2535w。 綜合以上結(jié)果，太陽能電源設(shè)計值