薄膜太陽能電池知識培訓課件(共39張)(PPT 39頁)

1、薄膜太陽能電池知識培訓第1頁，共39頁。Outline一、太陽電池原理二、薄膜太陽電池分類三、薄膜太陽電池制程四、生產(chǎn)廠商簡介第2頁，共39頁。一、太陽電池原理第3頁，共39頁。電子能級圖E1E2E3晶體中電子的運動情況能級電子處于一系列的運動狀態(tài)，稱為量子態(tài)。每個量子態(tài)中，電子的能量是一定的，稱為能級?？拷雍说哪芗?，電子受束縛強，能級低，反之，能級高。電子只能在這些分裂的能級間躍遷，從低能級躍遷至高能級時，電子要吸收能量，反之，電子要放出能量。第4頁，共39頁。晶體能帶的形成原子軌道原子能級原子能帶禁帶禁帶允帶允帶允帶能帶的形成當原子排列成晶體時，電子除受到自身勢場外，還受到其他原子勢場

2、作用，能級發(fā)生分裂，分裂能級總數(shù)很大，將構成能量相近的能帶。在能量低的能帶中填滿了電子，這些能帶稱為滿帶；能量最高的能帶，往往是半空或全空的，電子沒有填滿，稱為導帶（導帶底能量為Ec）；導帶下的那個滿帶，其電子可能躍遷到導帶，稱為價帶（價帶頂能量為Ev）；兩者之間電子不能運動的區(qū)域稱為禁帶。第5頁，共39頁。費米能級假設把體系內所有電子按能量由低到高逐個占據(jù)能帶中各個能級，則最后一個電子占據(jù)的那個能級即為費米能級。物理意義：電子占據(jù)的概率為1/2的能級稱為費米能級。只要知道了它的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計分布就完全確定了。 處于熱平衡狀態(tài)下的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費米能級。也就是說，

3、在溫度0K時，費米能以下，填滿電子，費米能以上，沒有電子。第6頁，共39頁。 半導體 固體材料按照導電性能可以分為絕緣體、導體和半導體。絕緣體1010cm 如玻璃、水泥、干燥的木頭等。導體10-5cm 如金、銀、銅、鋁等金屬。半導體10-5cm 108cm 如硅、鍺、砷化鎵等等。 半導體材料的電阻率對溫度、光照、磁場、壓力、濕度、雜質濃度等因素非常敏感，能夠制成發(fā)光、光電、磁敏、壓敏、氣敏、濕敏、熱電轉換等器件，因此用途廣泛。木頭銅線硅第7頁，共39頁。電導率取決于能帶結構和導帶電子的性質。金屬材料的導帶和價帶是重合的，中間沒有禁帶，因此，在價帶中存在大量的自由電子，導電能力很強。絕緣體材料的

4、導帶是空的，沒有自由電子，而且禁帶的寬度很寬，價帶的電子不可能穿過禁帶躍遷到導帶上，導帶中始終沒有自由電子，所以，絕緣體材料不導電。半導體的導帶中沒有自由電子，但在一定得條件下，價帶的電子可以躍遷到導帶上，在價帶中留下空穴，電子和空穴同時導電。因此，半導體材料的禁帶寬度是一個決定電學和光學性能的重要參數(shù)。絕緣體、導體和半導體能帶示意圖重要太陽能半導體材料的禁帶寬度電導率的能帶解釋第8頁，共39頁。半導體分類本征半導體 沒有摻入雜質的半導體材料，電子和空穴的濃度相等。N型半導體 在半導體材料中摻入了某種雜質(P)，使得電子濃度大于空穴濃度，稱其為N型半導體，此時電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載

5、流子。相應的雜質被稱為N型摻雜劑（施主雜質）P型半導體 在超高純的半導體材料中摻入了某種雜質(B)，使得空穴濃度大于電子濃度，稱其為P型半導體，此時空穴稱為多數(shù)載流子，電子稱為少數(shù)載流子。相應雜質稱為P型摻雜劑（受主雜質）第9頁，共39頁。 半導體分類 本征半導體費米能級位于禁帶中線附近 N型半導體費米能級靠近導帶P型半導體費米能級靠近價帶EcEFEv本征半導體EcEFEvN型半導體EcEFEvP型半導體第10頁，共39頁。半導體分類N型半導體中靠近導帶底部處存在施主能級，雜質電離時，施主能級上的電子獲得能量ED，躍遷進入導帶，成為自由電子，同時，形成固定不動的正電中心。P型半導體中靠近價帶頂

6、部處存在受主能級，雜質電離時，受主能級上的空穴獲得能量EA，躍遷進入價帶，成為導電空穴，同時，形成固定不動的負電中心。EgED+EcEDEvEgEA-EcEAEv第11頁，共39頁。P-N結熱平衡狀態(tài)形成過程內建電場形成擴散漂移平衡態(tài)多子濃度降低濃度梯度存在內建電場擴散和漂移共存PNPNPNPN半導體獨立存在時，都是電中性的。將P型半導體和N型半導體結合在一起，在其二者的接觸面上就形成PN結。平衡時，產(chǎn)生的空穴-電子對和復合的空穴-電子對數(shù)目相同。電子空穴平衡時，產(chǎn)生的空穴-電子對和復合的空穴-電子對數(shù)目相同。第12頁，共39頁。 熱平衡下的PN結 在內建電場的作用下，載流子作漂移運動。相同載

7、流子漂移與擴散方向相反。在無外加電壓的情況下，載流子的擴散和漂移最終將達到動態(tài)平衡。稱這種情況為熱平衡狀態(tài)下的PN結。EcEFEvEvEFEc電子漂移空穴漂移電子擴散空穴擴散p-n結能帶圖EcEFEvN型半導體EcEFEvP型半導體第13頁，共39頁。 太陽能電池原理 光伏效應 當P-N結受光照時，會產(chǎn)生光生載流子，在內建電場作用下，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，產(chǎn)生光生電勢。如果將PN結與外電路相連，則電路中出現(xiàn)電流，稱為光生伏特效應，是太陽能光電池的基本原理。但能引起光伏效應的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結

8、。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結電場附近時能在內建電場作用下漂移過結。 第14頁，共39頁。 非晶硅薄膜電池 非晶硅重參雜缺陷太多，光生載流子大部分被復合，壽命很短，對發(fā)電貢獻太少；輕參雜費米級移動太小，能帶彎曲小,開路電壓受限。因此 非晶硅電池采用的結構與晶硅不同，添加了有源集電區(qū)I層。 EcEFEvEvEFEc電子漂移空穴漂移電子擴散空穴擴散p-n結能帶圖第15頁，共39頁。 非晶硅薄膜電池 P層采用Si C異質結 ，Si C異質結的禁帶寬度很大，通過窗口作用提高透光率，使到達I層的可用光子增多，同時提高了開路電壓 。 第16頁，共39頁。 太陽能電池

9、參數(shù) I = Isexp(qV/kT)-1-IL開路情況：I=0 得 （與內建電場對應）短路情況：短路電流等于光生電流 ISC=IL第17頁，共39頁。太陽能電池參數(shù)第18頁，共39頁。太陽能電池參數(shù)最大輸出功率：最佳工作點，該點的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓Vop和最佳工作電流Iop電壓為0時，電流最大，稱為短路電流；電流為0是時，電壓最大，稱為開路電壓。填充因子：轉換效率：最大輸出功率與入射功率之比。第19頁，共39頁。太陽能電池參數(shù) 由伏安特性曲線上能夠看出，最大輸出功率是與開路電壓和光生電流（短路電流）有關的（矩形面積），因此可以通過提高二者的值來提高電池性能。第20頁，共39頁。

10、太陽能電池參數(shù) 要提高光生電流就要減小禁帶寬度，激發(fā)更多電子，但是問題是高能光子激發(fā)電子后剩余能量轉換為熱能，對電池性能產(chǎn)生負面影響。 要提高開路電壓就要提高光生電流和反響飽和電流的比值，增大禁帶寬度可以減小反向飽和電流，但是同時也減少了光生電流。第21頁，共39頁。 太陽能電池等效電路 實際上，p-n結太陽能電池存在著Rs和Rsh的影響。其中， Rs是由材料體電阻、薄層電阻、電極接觸電阻及電極本身傳導電流的電阻所構成的總串聯(lián)電阻。Rsh是在p-n結形成的不完全的部分所導致的漏電阻及電池邊緣的漏電阻，稱為旁路電阻或漏電電阻。第22頁，共39頁。二、薄膜太陽電池分類第23頁，共39頁。薄膜太陽能

11、電池分類第24頁，共39頁。第25頁，共39頁。 在化合物半導體中，研究最多的是III-V族的GaAs太陽能電池。由于其帶隙比Si大，具有與太陽光光譜相當一致的光譜特性，因而從光譜響應角度來說，更適合做太陽能電池，目前，在所有太陽能電池中，GaAs太陽能電池的轉換效率最高。砷化鎵薄膜太陽電池第26頁，共39頁。砷化鎵薄膜太陽電池 在制備GaAs太陽電池時，一般在N型GaAs襯底上首先生長0.5um左右的N型GaAs緩沖層，再生長N型AlGaAs作為背電場，在此基礎上生長N型GaAs作為基底層，然后生長0.5um左右的P型GaAs作為發(fā)射層，再利用一層P型AlGaAs薄膜作為窗口層，便組成了單結

12、GaAs薄膜太陽電池。第27頁，共39頁。CuInSe2薄膜太陽電池 玻璃襯底 Mo導電膜 CuInSe2 CdSSiO2減反射層Al電極典型的CuInSe2單結薄膜太陽電池結構示意圖 CuInSe2薄膜太陽電池是由以玻璃或氧化鋁作為襯底，以Mo薄膜作為導電層，以厚度約為2um的N型CdS薄膜作為窗口層，和P型CuInSe2薄膜材料組成的。另外，為了增加光的入射率，在電池表面制備一層SiO2或MgF2作為減反射層，最后，電池利用梳齒狀鍍鋁層作為電極。第28頁，共39頁。 II-VI族半導體化合物太陽能電池中，目前轉化效率最高的是n型硫化鎘（CdS）和p型碲化鎘（CdTe）組成的太陽能電池。這種

13、電池的優(yōu)點是從pn結到電極全部可以用絲網(wǎng)印刷和燒結制成，方法簡單，成本低，轉化效率可達13%左右，但同其他許多化合物太陽能電池一樣，有（鎘）引起的公害問題，所以至今不能廣泛普及。CdTe薄膜太陽電池第29頁，共39頁。CdTe薄膜太陽電池背面接觸 玻璃 CdTe CdS SnO2CdTe薄膜太陽電池結構示意圖 CdTe薄膜太陽電池一般制備在玻璃襯底上，首先沉積一層SnO2薄膜，再沉積一層n型CdS薄膜，最后制備金屬接觸層，形成完整的CdTe薄膜太陽電池。第30頁，共39頁。 有機太陽能電池 有機半導體太陽能電池也是目前研究較多的太陽能電池之一。雖然現(xiàn)在 其轉換效率還不夠高，但由于有機薄膜制造過

14、程極其簡單，生產(chǎn)成本低廉，易于大面積化，所以有望成為新的一種低成本太陽能電池。 有機太陽能電池以具有光敏性質的有機物作為半導體的材料，以光伏效應產(chǎn)生的電壓形成電流。第31頁，共39頁。三、薄膜太陽電池制程第32頁，共39頁。薄膜太陽電池制程Deposition LineTCO LPCVDLaser ScribePIN Deposition(CVD)Laser ScribeZnOAl SputteringLaser ScribeEncapsulation123456AlEVA GlassZine Oxidea-Si：Ha-Si：HTin OxideHeat-Strengthened Glass1

15、2345第33頁，共39頁。 鐳射：IR LASER:10W及GREEN (LASER:250500mW ) 鐳射主要用途：玻璃先鍍上TCO薄膜，用IR LASER劃線絕緣，再鍍上鋁后用 GREEN LASER移除鋁，但能傷到TCO薄膜及玻璃的部份。Thin Film Solar CellsGlass SubstrateAbsorberBack-ContactFront-Contact (TCO)第34頁，共39頁。四、生產(chǎn)廠家介紹第35頁，共39頁。設備廠家資料分類名稱 產(chǎn)能（MW）占地面積（m2）人員配備（人）組件尺寸（m2）大尺寸設備商Oerlikon206,0001301.11.3AM

16、AT4020,0001202.22.6ULVAC2525,0001501.11.4XsunX25無資料無資料1.01.6小尺寸設備商NanoPV52,5001201.3970.635華基光電53,3001001.2450.635北儀創(chuàng)新54,000無資料1.2450.635EnergSolar57,900801.2450.635EPV512,0001201.2450.635思博露524,0001701.2520.642普樂525,0001101.2450.635第36頁，共39頁。組件廠家資料所屬地區(qū)設備商公司名稱電池類型中國大陸普樂普樂a-SiAMAT新奧a-SiOerlikon正泰a-Si

17、/c-SiEPVZuKinga-SiULVAC杜邦a-SiAMAT尚德a-SiEPV津能a-Si/a-SiOerlikon天威a-SiEPV慈能a-SiXsunX強生a-SiAMAT百事德a-Si/c-Si自制拓日a-Si/a-SiEPV鈞石a-Si/a-Si國電a-SiEPV中玻a-Si/a-Si所屬地區(qū)設備商公司名稱電池類型美洲First solarCdS /CdTeTerraa-SiEPVEPV solara-Si歐洲AMATSun filma-Si/c-SiOerlikonInventux a-Si/c-SiOerlikonSCHOTT a-Si/a-SiEPVHELIODOMIa-SiEnergoHelioGr