三結(jié)太陽能電池課件

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三結(jié)太陽能電池前言發(fā)現(xiàn)柔性的藝術(shù)FlexiblesolarPV三結(jié)柔性電池一非晶硅合金太陽電池的結(jié)構(gòu)二三疊層太陽電池的設(shè)計三三疊層太陽電池的生產(chǎn)1.1非晶硅合金電池A-Si（一）非晶硅合金太陽電池有很多種不同的結(jié)構(gòu)。單層結(jié)構(gòu)最簡單，在基底上預(yù)先沉積背反射層，再沉積n-i-p三層膜。雙疊層結(jié)構(gòu)有兩種：一種是兩個電池使用相同的非晶硅合金材料；另一種是上層電池使用非晶硅合金，下層電池使用非晶硅鍺合金，以增加對長波光的吸收。三疊層結(jié)構(gòu)與雙疊層結(jié)構(gòu)相似：上層電池用寬帶隙的非晶硅合金作為本征層，吸收藍色光子；中間層用含鍺約10-15％的中等帶隙的非晶硅鍺合金吸收綠光；底層采用鍺含量更高的窄帶隙的非晶硅鍺合金吸收紅光。1.2效率記錄保持者（USSC）太陽電池的活區(qū)最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)換效率是由美國聯(lián)合太陽能系統(tǒng)公司(USSC)取得的。這些數(shù)據(jù)全都是轉(zhuǎn)換效率的最新世界紀錄：單層結(jié)構(gòu)的最高轉(zhuǎn)換效率是9.3％；使用相同帶隙涂層的雙疊層結(jié)構(gòu)最高轉(zhuǎn)換效率為10.1％，底層電池中加入鍺使雙疊層結(jié)構(gòu)最高轉(zhuǎn)換效率增加為11.2％；三帶隙三疊層結(jié)構(gòu)最高轉(zhuǎn)換效率為13％。上述最高轉(zhuǎn)換效率是在小面積(0.25cm2)電池上取得的。將研究開發(fā)室的結(jié)果應(yīng)用到大面積電池時，有很多因素會影響轉(zhuǎn)換效率。陰影和柵格造成的電損失可達7％；封裝損失一般為4％；質(zhì)量最好的電池一般是在約0.1nm／s的沉積速率下制得的，沉積速率增大時，一般會造成10％的效率損失；將小面積電池的結(jié)果應(yīng)用到大面積電池，平均至少要造成10—15％的損失?？梢?，要滿足轉(zhuǎn)換效率最低不低于8％的用戶要求，三疊層結(jié)構(gòu)電池是最有可能的。

二﹑三疊層太陽電池的設(shè)計■三疊層結(jié)構(gòu)太陽電池具有最高轉(zhuǎn)換效率是與其結(jié)構(gòu)分不開的。2.2分層吸收更加科學(xué)上層電池采用光帶隙約為1.8eV的本征層，有利于捕獲藍色光子；中間層使用含鍺約15％的非晶硅鍺合金作為本征層，其光帶隙約為1.6eV，非常適合于吸收綠光；

底層采用鍺含量約40—50％的非晶硅鍺合金作為本征層，其光帶隙約為1.4eV，適合于吸收紅光和紅外光。2.3光子的能量一般用波長（符號為λ）或相對應(yīng)的能量（符號為E）來描述一個光子的特性。光子的能量與波長之間存在反比例關(guān)系，方程如下：E=hc/λ

其中h是普朗克常數(shù)，c表示光速。它們以及其它常用的常數(shù)的數(shù)值都顯示在常數(shù)頁.上面的反比例關(guān)系表示，由光子組成的光的能量越高（比如藍光），波長就越短。能量越低（如紅光），波長越長。在電池中沒有被吸收的光，將從銀／氧化鋅背反射層反射回來。背反射層通常是絨面狀結(jié)構(gòu)，有助于散射光線的多次內(nèi)反射；背反射層必須具有高的反射率，且能以大于總的內(nèi)反射臨界角的角度散射光線。常用銀來得到高的反射率，但由于銀硅兩種元素之間的相互混合，其界面處的反射率并不高，因此沉積氧化鋅緩沖層以防止相互混合。最佳散射效果所需的絨面組織一般通過在100～400℃高溫下沉積銀和氧化鋅得到。

2.4Back-Reflecting背反射層2.6疊層結(jié)構(gòu)電池的本征層和摻雜層多層疊層結(jié)構(gòu)電池要求組成電池具有高的轉(zhuǎn)化效率，這就需要高質(zhì)量的本征層和摻雜層。對氣體混合物進行氫稀釋是改善本征層質(zhì)量的有效方法，用氫稀釋硅烷生長的薄膜對防止光誘導(dǎo)退化有改善作用。沉積過程中過量的氫會鈍化生長表面，沉積下來的粒子不能立即找到合適的位置，在合并之前會在表面上移動，這有助于改善膜的結(jié)構(gòu)，提高材料的質(zhì)量。目前，世界上很多實驗室都采用這種方法制備用于太陽電池的非晶硅合金和非晶硅鍺合金。非晶硅鍺合金通常由硅烷和鍺烷沉積。由于硅烷和鍺烷在射頻等離子體中的分解速率很不一樣，USSC采用Si2H6和GeH4的氣體混合物沉積非晶硅鍺合金，這雖然改善了材料的質(zhì)量，但非晶硅鍺合金的傳輸性能仍低于非晶硅合金。為克服這一缺點，包括帶隙剖面在內(nèi)的加工技術(shù)已成功地用于促進空洞的輸運。摻雜層的作用是為本體材料提供自建高勢場和減少相鄰電池之間的電阻損失。就光電轉(zhuǎn)換而言，摻雜層是非活性的，因此，在光學(xué)上要求它應(yīng)透明。通常，硼摻雜的非晶硅合金對光的吸收很強，電導(dǎo)率很低，在p型和n型層之間引起很大的連續(xù)損失。USSC開發(fā)的低光學(xué)損失微晶p型層，具有高的電導(dǎo)率，可提供內(nèi)建高勢壘和低的隧道連接損失。三﹑疊層太陽電池的生產(chǎn)三疊層結(jié)構(gòu)太陽電池是用卷到卷沉積過程生產(chǎn)的。主要有以下步驟：一卷804.67m、35.56cm、0.127mm的不銹鋼帶，以0.01m／s的速度連續(xù)通過四部機器，進行清洗經(jīng)過幾次技術(shù)生產(chǎn)工藝調(diào)整，現(xiàn)在是在130微米厚，0.36米寬，2.6千米長的不銹鋼襯底上以1cm/S的速度。3.2濺射生產(chǎn)中一般使用濺射銀和氧化鋅作為背反射層，但銀很昂貴且質(zhì)軟，在后續(xù)加工中易產(chǎn)生問題，因此，采用鋁代替銀，但遇到的問題是能否獲得最好性能的鋁／氧化鋅背反射層。有兩種方法得到鋁／氧化鋅背反射層，一種是使用大氣環(huán)境下沉積的特定鋁與厚(1μm）的氧化鋅，另一種是使用絨面結(jié)構(gòu)的鋁和薄氧化鋅（＜0.5μm）。前者的效果較好，但氧化鋅越厚，產(chǎn)量越低，故目前的工作集中在改進絨面結(jié)構(gòu)的鋁和落薄氧化鋅的連接上。3.3沉積速度最好的太陽電池是在約0.1nm／s的沉積速度下獲得的，但這會影響產(chǎn)量的提高，它是各種不同沉積工藝的“瓶頸”問題?？梢酝ㄟ^增加反應(yīng)室的長度來提高卷到卷沉積工藝的產(chǎn)量，但這會增加設(shè)備成本，因此目前改用0.3nm／s的速度進行沉積。但沉積速度增大，材料的微觀結(jié)構(gòu)變差，電池的效率降低，穩(wěn)定性也變差。造成材料微觀組織變差的原因是：(1)提高沉積速度常用的方法是增加射頻濺射的功率密度，使等離子體中產(chǎn)生大量的硅烷聚合物，這些聚合物在生長表面有著很大的粘附力，從而造成微觀組織變差；(2)在不形成聚合物情況下，高的沉積速度使得沉積下來的粒子沒有足夠的時間移動到合適的位置，以致引起內(nèi)在的生長缺陷。對高沉積速度下電池生產(chǎn)工藝的優(yōu)化才剛剛開始，隨著對等離子體化學(xué)和生長動力學(xué)理解的加深，這種優(yōu)化效果會進一步得到提高。3.4氣體的利用率提高氣體的利用率也是降低成本的一個重要方面，尤其在使用更為昂貴的鍺烷和乙硅烷時更是如此。USSC采用多陰極系統(tǒng)沉積本征層，一些陰極有幾英尺(1英尺=0.3048m)長，為提高氣體的利用率，將入口和出口設(shè)計在陰極的兩端，使所需的氣體流量最小。研究表明，質(zhì)量好一些的涂層只有在不引起氣體缺乏的適量流量時才能獲得。這是一個非常有助于進一步降低成本的研究課題。另外，是否可以用含氫量少的微晶或非晶硅合金替代非晶硅鍺合金以降低能隙的研究得到了廣泛的關(guān)注。采用微晶方法面臨的最大挑戰(zhàn)是要在高沉積速度下獲得高質(zhì)量的電池。在三疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)中，下層電池中非晶