新能源發(fā)電技術(shù)2-太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)3

1、North China Electric Power University28-Jul-22 Email: 新能源發(fā)電技術(shù)第2章 (3)電力工程系Department of Electrical Engineering2.2太陽(yáng)能電池工作原理2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(11)等效電路、輸出功率和填充因數(shù)等效電路太陽(yáng)能電池的理想狀態(tài)等效電路 理想狀態(tài)：只有ISC和Id2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(12)等效電路、輸出功率和填充因數(shù)等效電路太陽(yáng)能電池的實(shí)際狀態(tài)等效電路 非理想狀態(tài)：并聯(lián)一個(gè)旁路電流支路等效電路2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(13)等效電路、輸出功率和填充因數(shù)輸出功率:流進(jìn)負(fù)載的電流為I，

2、負(fù)載端電壓為U2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(14)等效電路、輸出功率和填充因數(shù)輸出功率:流進(jìn)負(fù)載的電流為I，負(fù)載端電壓為U太陽(yáng)能電池的負(fù)載特性曲線（輸出特性） MImUmAUocIscO2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(15)等效電路、輸出功率和填充因數(shù)輸出功率:流進(jìn)負(fù)載的電流為I，負(fù)載端電壓為UPm= ImUm：最大輸出功率M點(diǎn)：太陽(yáng)能電池的最佳工作點(diǎn)或最大功率點(diǎn)Im：最佳工作電流Um：最佳工作電壓Rm:最佳負(fù)載電阻填充因數(shù)(FF)最大輸出功率與（UocIsc）之比四邊形O ImM Um與四邊形O IscA Uoc面積之比填充因數(shù)表征太陽(yáng)能電池的優(yōu)劣，一定光譜幅照度下，F(xiàn)F愈大，曲線愈方，輸出功率愈

3、高。2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(16)等效電路、輸出功率和填充因數(shù)填充因數(shù)(FF)的相關(guān)因素入射光譜輻照度反向飽和電流I0A因子串連電阻Rs并聯(lián)電阻Rsh2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(17)太陽(yáng)能電池的效率效率定義：太陽(yáng)能電池受光照射時(shí)，輸出電功率與入射光功率之比稱為太陽(yáng)能電池的效率，也稱光電轉(zhuǎn)換效率。At 太陽(yáng)能電池總面積Aa 有效面積Pin單位面積入射光功率隨溫度升高太陽(yáng)能電池效率下降 2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(18)太陽(yáng)能電池的效率硅太陽(yáng)能電池的效率分析美國(guó)普林斯理論效率：21.7%1970年代華爾夫20-22(AM0光),后25(AM1.0光)2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(19)1光的反

4、射損失2光的透射損失3光的產(chǎn)生性損失4N+區(qū)產(chǎn)生7N+區(qū)前表面復(fù)合8N+區(qū)復(fù)合5空間電荷區(qū)產(chǎn)生9空間電荷區(qū)復(fù)合6P區(qū)產(chǎn)生10P區(qū)復(fù)合11P區(qū)背表面復(fù)合2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(20)12勢(shì)壘高度損失13結(jié)中產(chǎn)生聲子或微等離子效應(yīng)14正向結(jié)電流15少子復(fù)合17并聯(lián)電阻損耗16串聯(lián)電阻損失18輸出電能2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(21)主要的損失指標(biāo)反射損失3%長(zhǎng)波損失：波長(zhǎng)大于1.1m(hEg激發(fā)出光生載流子多余能量損失，43%光生空穴電子對(duì)在各區(qū)復(fù)合。16%光生載流子被P-N結(jié)分離時(shí)，產(chǎn)生結(jié)區(qū)損失26.3%串并聯(lián)電阻損失，3%在最佳負(fù)載上得到的電功率，25%2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(22)影

5、響效率的因素和提高效率的途徑提高太陽(yáng)能電池的效率要提高：Uoc,Isc和FF主要的影響因素有：基片材料、暗電流、高摻雜效應(yīng)及串并聯(lián)電阻的影響暗電流P-N節(jié)正向電流JD包括注入電流、復(fù)合電流和隧穿電流隧穿電流與溫度無(wú)關(guān)對(duì)于寬禁帶材料或在低溫、低光譜輻照度時(shí)，注入電流的影響大對(duì)于窄禁帶材料或在高溫、高光譜幅照度時(shí)，復(fù)合電流更重要2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(23)影響效率的因素和提高效率的途徑暗電流一般太陽(yáng)能電池的暗電流JD=J0(eqU/AkT-1)曲線因子A與工藝有關(guān),品質(zhì)優(yōu)良的電池中A=1,劣質(zhì)的電池中可能會(huì)A2減小A因子辦法: (1)減小空間電荷區(qū)的復(fù)合能級(jí)(2) 抑制高摻雜效應(yīng)(3) 增加

6、各區(qū)少子壽命 (4)加強(qiáng)漂移場(chǎng)，減少表面復(fù)合等2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(24)影響效率的因素和提高效率的途徑高摻雜效應(yīng)硅中雜質(zhì)濃度高于1018/cm3高摻雜引起禁帶收縮，雜質(zhì)不能全部電離和少子壽命下降等叫高摻雜效應(yīng)2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(25)影響效率的因素和提高效率的途徑提高效率的途徑紫光電池：克服死層，提高藍(lán)紫光響應(yīng)絨面電池：減少反射損失,增加光生載流子量；增加P-N結(jié)面積背表面的光子反射層：發(fā)射到達(dá)底面的紅光優(yōu)質(zhì)減反射膜的選擇退火和吸雜：提高少子壽命正面高低結(jié)太陽(yáng)能電池：附加結(jié)理想化的太陽(yáng)能電池模型：希望25%的效率2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(26)太陽(yáng)能電池的輻射損傷和耐輻射特性

7、輻射環(huán)境地球磁場(chǎng)俘獲的帶電粒子，電子和質(zhì)子太陽(yáng)耀斑質(zhì)子銀河宇宙射線輻射損傷半導(dǎo)體受到高能粒子輻照后產(chǎn)生缺陷的情況對(duì)材料減少了少子壽命對(duì)太陽(yáng)能電池減少基區(qū)壽命耐輻照性能N-P電池優(yōu)于P-N電池基體電阻率10cm電池優(yōu)于2 cm電池薄電池優(yōu)于厚電池非背場(chǎng)電池優(yōu)于背場(chǎng)電池2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(27)太陽(yáng)能電池的輻射損傷和耐輻射特性相對(duì)損傷系數(shù)定義：某種類型與能量的一個(gè)全向粒子對(duì)帶有一定面密度蓋片太陽(yáng)能電池的損傷相當(dāng)于對(duì)無(wú)蓋片電池產(chǎn)生相同損傷所需的單向垂直入射1.0MeV電子或10MeV質(zhì)子的數(shù)量。輻射損傷可以部分恢復(fù)2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(28)硅太陽(yáng)能電池的溫度特性和光電特性開(kāi)路電壓隨溫

8、度升高而下降短路電流隨溫度升高而升高輸出功率隨溫度升高而下降太陽(yáng)能電池溫度特性和光電特性對(duì)空間應(yīng)用重要2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(29)硅太陽(yáng)能電池的溫度特性和光電特性不同溫度下對(duì)太陽(yáng)能電池I-V曲線的影響 2.2.3同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(30)硅太陽(yáng)能電池的溫度特性和光電特性不同溫度下對(duì)太陽(yáng)能電池P-V曲線的影響2.2.4肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池(1)金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)CIS電池：C導(dǎo)體，I絕緣層，S半導(dǎo)體金屬半導(dǎo)體的逸出功或功函數(shù)：一個(gè)初始能量等于費(fèi)米能級(jí)(EF)m的電子從金屬體半導(dǎo)體內(nèi)逸出到真空(能級(jí)E0)所需要的最小能量Wm=E0-(EF)mWs=E0-(EF)s功函數(shù)標(biāo)志著電子被正離子吸引的

9、強(qiáng)弱金屬名稱AlNiCuAgTiPtMn功函數(shù)Wm4.285.514.654.264.335.654.12.2.4肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池(2)金屬半導(dǎo)體的接觸勢(shì)壘若功函數(shù)WmWs,費(fèi)米能級(jí)(EF)s (EF)m金屬與半導(dǎo)體緊密接觸時(shí)電子由半導(dǎo)體流向金屬出現(xiàn)由半導(dǎo)體指向金屬的電場(chǎng)，直到電流平衡形成接觸電動(dòng)勢(shì)差qUD金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，WmWs，在半導(dǎo)體表面形成表面勢(shì)壘，為高電阻層又稱阻擋層，反之為反阻擋層金屬與P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，WsWm，在半導(dǎo)體表面形成表面勢(shì)壘，為高電阻層又稱阻擋層，反之為反阻擋層。這種金屬與半導(dǎo)體形成的阻擋層叫肖特基勢(shì)壘2.2.4肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池(3)肖特基勢(shì)壘的正反向特性

10、與P-N結(jié)的正反向特性相似外加正向電壓，形成正向電流外加反向電壓，形成反向電流反向電流有一個(gè)飽和值2.2.4肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池(4)實(shí)際的肖特基勢(shì)壘表面態(tài)的影響晶體硅表面上的一個(gè)硅原子只與三個(gè)硅原子有共價(jià)鍵，存在一個(gè)未配對(duì)的價(jià)電子，稱為懸掛鍵。懸掛鍵對(duì)應(yīng)的能態(tài)叫表面態(tài)懸掛鍵可以與體內(nèi)交換電子，形成表面勢(shì)壘表面態(tài)密度很高時(shí)，金屬半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘與金屬功函數(shù)及半導(dǎo)體摻雜度無(wú)關(guān)鏡像力的影響離開(kāi)金屬表面的電子對(duì)金屬中感應(yīng)出的正電荷的吸引力。2.2.4肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池(5)實(shí)際的肖特基勢(shì)壘隧道效應(yīng)的影響能量低于勢(shì)壘的電子也有一定幾率穿過(guò)這個(gè)勢(shì)壘，穿過(guò)的幾率與電子能量和勢(shì)壘厚度有關(guān)2.2.4肖特基結(jié)太陽(yáng)能

11、電池(6)肖特基太陽(yáng)能電池的構(gòu)造和工作原理外形與P-N結(jié)太陽(yáng)能電池相同結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單在半導(dǎo)體表面敷一層透明金屬層金屬上金屬電極半導(dǎo)體背表面覆蓋金屬底電極透明金屬層上涂覆一層減反射膜光照后，產(chǎn)生由金屬指向半導(dǎo)體的光生電壓，肖特基電池的光生伏達(dá)效應(yīng)可以看作P+區(qū)摻雜濃度很高，寬度很小的P+結(jié)太陽(yáng)能電池2.2.4肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池(7)光電流、光電壓和光電轉(zhuǎn)換效率光電流可以采用P-N結(jié)光電流公式，但是只需考慮耗盡區(qū)和基區(qū)的光電流即可：IL=Ic+In耗盡區(qū)就在半導(dǎo)體表面，紫光吸收好,無(wú)死層屬多子器件其暗電流由半導(dǎo)體發(fā)射到金屬的多子貢獻(xiàn)其開(kāi)路電壓隨基區(qū)濃度增加而減小開(kāi)路電壓較低是肖特基電池的不足之處光電壓：

12、金屬指向半導(dǎo)體2.2.4肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池(8)光電流、光電壓和光電轉(zhuǎn)換效率效率可以沿用P-N結(jié)太陽(yáng)能電池的分析方法和術(shù)語(yǔ)金屬硅太陽(yáng)能電池效率最多22%金屬砷化鎵太陽(yáng)能電池效率最多25%實(shí)際上，肖特基太陽(yáng)能電池的效率一般比較低2.2.4肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池(9)MOS或MIS太陽(yáng)能電池在金屬M(fèi)和半導(dǎo)體S之間夾進(jìn)一層極薄的氧化物O或絕緣體S構(gòu)成MOS或MIS電池具有比MS肖特基太陽(yáng)能電池更高的開(kāi)路電壓和轉(zhuǎn)換效率2.2.5異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(1)異質(zhì)結(jié)的構(gòu)成及其能帶圖形成半導(dǎo)體的兩種材料不同：如硫化亞銅和硫化鎘，硅和磷化鎵等突變結(jié):兩種材料的過(guò)渡區(qū)只有幾個(gè)原子層(復(fù)合電流隧道電流異質(zhì)結(jié)電池：隧道電流復(fù)

13、合電流擴(kuò)散電流（注入電流）2.3太陽(yáng)能電池制造工藝硅材料來(lái)源優(yōu)質(zhì)石英砂，也稱硅砂，以大量的硅酸鹽礦和石英礦存在于自然界中硅砂（焦炭電爐）硅鐵(冶金鐵,含硅97%-99%) 鹽酸 三氯氫硅(CH4硅烷) 還原氫氣 多晶硅硅在地殼中的含量為27.7%，在所有的元素中居第二位，地殼中含量最多的元素氧和硅結(jié)合形成的二氧化硅SiO2，占地殼總質(zhì)量的87%。由于硅易于與氧結(jié)合，自然界中沒(méi)有游離態(tài)的硅存在硅有晶態(tài)和無(wú)定形兩種同素異形體。2.3.1 硅材料制備(1)硅材料來(lái)源晶態(tài)硅分為單晶硅和多晶硅，它們均具有金剛石晶格，晶體硬而脆，具有金屬光澤，能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率不及金屬，且隨溫度升高而增加，具有半導(dǎo)體性質(zhì)。

14、晶態(tài)硅的熔點(diǎn)1410C,沸點(diǎn)2355C,密度2.322.34g/cm3，莫氏硬度為7。單晶硅和多晶硅的區(qū)別是，當(dāng)熔融的單質(zhì)硅凝固時(shí),硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶硅。如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。如在力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等方面，多晶硅不如單晶硅。2.3.1 硅材料制備(2)硅材料來(lái)源硅元素2.3.1 硅材料制備(3)2.3.1 硅材料制備(4)多晶硅錠制造杜邦法：SiCl4鋅還原法三氯氫硅法（西門(mén)子法）制作三氯氫硅(TCS)分餾TCS達(dá)到PPb級(jí)超純化學(xué)氣相沉積法還原成多晶硅硅烷法成

15、本和質(zhì)量都比三氯氫硅法高2.3.1 硅材料制備(5)多晶硅錠制造多晶硅基片（鑄造型、硅帶型）的生產(chǎn)鑄造法硅帶法或膜片法鑄錠多晶硅制備加工費(fèi)用降低2.3.1 硅材料制備(6)單晶硅錠的制造切可勞斯基法把籽晶引向熔融的硅液，然后旋轉(zhuǎn)提拉，粒大的單晶硅棒按照籽晶生長(zhǎng)熔化硅前摻雜可以拉制直徑大于6英寸，重達(dá)百千克的大型單晶硅區(qū)熔法高頻線圈環(huán)繞單晶硅棒加熱，局部熔化，反復(fù)提純也稱浮區(qū)熔法，是目前制造高效和超高效單晶硅太陽(yáng)能電池唯一方法2.3.1 硅材料制備(7)片狀硅制造減少了切割損失定邊喂膜法、硅筒法等，未大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)2.3.1 硅材料制備(8)非晶或微晶硅膜制造熱化學(xué)氣相沉積法硅烷熱分解得到非晶

16、硅膜輝光放電法硅烷在高壓交流或直流輝光放電條件下分離目前的非晶硅電池多利用此法2.3.1 硅材料制備(9)非晶或微晶硅膜制造光化學(xué)氣相沉積法用激光束或微波束切割硅氫鍵制作非晶硅膜濺射法在低壓氣體中射頻或直流放電，通過(guò)高能電離粒子撞擊硅，使部分硅原子脫落電子束蒸發(fā)法用高能電子束照射硅，局部熔化、蒸發(fā)形成非晶硅前三種屬于化學(xué)氣相沉積法，后兩種屬于物理氣相沉積法2.3.1 硅材料制備(10)太陽(yáng)級(jí)硅每噸單晶硅制造0.3-0.4MW太陽(yáng)能電池一般認(rèn)為效率為10%的太陽(yáng)能電池的廉價(jià)硅材料稱為太陽(yáng)級(jí)硅用于制造集成電路的硅稱“電路級(jí)硅”不同的雜質(zhì)的摻雜濃度對(duì)太陽(yáng)能電池效率有影響2.3.2多晶硅太陽(yáng)能電池制造

17、工藝(1)多晶硅產(chǎn)量占世界太陽(yáng)能電池48.8%,效率達(dá)到19生產(chǎn)四個(gè)技術(shù)階段:原料、基片、電池、組件工藝流程：切片清洗腐蝕制結(jié)去邊制減反射膜電極制備燒結(jié)檢測(cè)硅片的表面處理硅片的化學(xué)處理表面污染的雜質(zhì)：油脂、松香等有機(jī)物質(zhì)，金屬離子等無(wú)機(jī)化合物，塵埃等可溶性物質(zhì)高純水、甲苯三氯乙烯等有機(jī)溶劑和高純中性洗滌劑等清洗硅片的表面腐蝕利用酸性或堿性腐蝕液對(duì)硅切片損傷腐蝕2.3.2多晶硅太陽(yáng)能電池制造工藝(2)擴(kuò)散制結(jié)制結(jié)過(guò)程是在一塊基體材料上生成導(dǎo)電類型不同的擴(kuò)散層，與表面處理是兩個(gè)關(guān)鍵工序。制結(jié)方法：熱擴(kuò)散法、離子注入法、外延法、激光法、高頻電注入法等熱擴(kuò)散方法制結(jié)，是利用加熱方法使V族雜質(zhì)（一般用磷）摻入P型硅，或III族雜質(zhì)（一般用硼）摻入N型硅要求獲得太陽(yáng)能