太陽能電池轉(zhuǎn)化率

太陽能電池轉(zhuǎn)化率第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二第1章緒論人類過去過依賴的化石燃料的儲藏量正急劇減少，而且，由于大量利用石油、天然氣和煤炭等化石燃料，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，和全球變暖。太陽能作為一種無污染的可再生能源具有極大的發(fā)展?jié)摿?。太陽能電池是利用太陽能的重要途徑。然而，?dāng)前太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率依然很低，本文就是針對提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率相關(guān)方法進(jìn)行研究與論述。第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二論文主要內(nèi)容

太陽能電池的基礎(chǔ)理論提高晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的方法提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的新發(fā)展結(jié)論第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二第2章太陽能電池的基礎(chǔ)理論2.1太陽能電池的發(fā)電原理

太陽電池發(fā)電的原理是基于光伏效應(yīng)：當(dāng)太陽光或其他光照射到太陽電池上的時候，電池吸收光能，產(chǎn)生電子-空穴對，在電池內(nèi)建電場的作用下光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓，這就是光生伏特效應(yīng)。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，于是負(fù)載中就有電流，從而獲得輸出功率，這樣太陽能就轉(zhuǎn)化成了電能。第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二下圖為太陽能電池的原理圖：第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二2.2太陽電池性能參數(shù)1.短路電流ISCISC=Iph（光生電流）太陽電池的光電流密度Jph由光子流密度F(λ)和光譜響應(yīng)SR(λ)決定：2.開路電壓理論上最大的開路電壓應(yīng)當(dāng)由P-N結(jié)的內(nèi)建勢壘電壓所決定。內(nèi)建勢壘電壓與半導(dǎo)體的禁（2-1）第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二帶寬度Eg、導(dǎo)帶能級Ec、價帶能級Ev及費(fèi)米能級Ef之間的關(guān)系為:

3.填充因子下圖是太陽電池的伏安特性曲線。不同的電壓和電流對應(yīng)不同的輸出功率。太陽電池有一個最大的輸出功率點(diǎn)，對應(yīng)的電壓和電流分別是Vm和Im

。填充因子用“FF”表示：（2-2）（2-3）第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二

圖2—1太陽電池的光照伏安特性曲線其中ISC·VOC是太陽電池的極限輸出功率。4.轉(zhuǎn)換效率

太陽電池的轉(zhuǎn)換效率η的通常定義是：太陽電池的最大輸出功率（Vm·Im）與入射到太陽電池的光總功率之比。即:第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二（2-4）Pin是太陽光輸入功率，其值為：式中：At—太陽電池總的光照面積；F(λ）—波長的單位頻帶寬度內(nèi)每秒投射到單位面積上的光子數(shù)，即光子流密度；hc/λ—光子攜帶的能量；h—普朗克常量；c—光速。（2-5）第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二假設(shè)能量大于禁帶寬度的光子100%地吸收，產(chǎn)生的載流子100%地被收集，而且忽略接觸電阻的影響，接觸電極掩蔽面積的光的反射，那么太陽電池理想的轉(zhuǎn)換效率是：式中nph（Eg）為能量大于的光子流的密度。

（2-6）第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二第3章提高晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的方法3.1影響晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素目前的研究成果表明，影響晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來自兩個方面：(1)光學(xué)損失。主要包括電池前表面反射損失、接觸柵極的陰影損失以及長波段的非吸收損失。(2)電學(xué)損失。它包括半導(dǎo)體表面及體內(nèi)的光生載流子復(fù)合、半導(dǎo)體和金屬柵線的體電阻以及金屬-半導(dǎo)體接觸(歐姆接觸)電阻損失。第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二3.2提高晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率下面用目前正在研究和提高的幾種太陽能電池為例，來介紹提高晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率方法和技術(shù)。3.2.1背接觸電池1.IBC電池（PCC電池）

IBC(正負(fù)極交叉背接觸）電池，其特點(diǎn)是正面無柵狀電極，正負(fù)極交叉排列在背面，量子效率可達(dá)19%～20%。這種把正面金屬柵線去掉的電池結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)減少正面遮光損失；(2)可能大大降低組件裝配成本；(3)從建造結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來看提供了視覺增值。第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二圖2-2普通太陽能電池結(jié)構(gòu)圖2-3IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二2.金屬環(huán)繞穿通（MWT）電池

MWT技術(shù)，即通過激光鉆孔將電池正面收集的能量穿過電池再轉(zhuǎn)移至電池背面。在金屬環(huán)繞穿通（MWT）器件中，較薄的金屬接觸“手指”被移到背面。通過激光鉆微型通孔，將上表面與下表面接觸連接起來。一般MWT每塊硅片需要鉆約200個通孔。圖2-4MWT電池結(jié)構(gòu)第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二3.發(fā)射極環(huán)繞穿通（EWT）電池與MWT電池不同的是，在發(fā)射極環(huán)繞穿通（EWT）器件中，傳遞功率的柵線也被轉(zhuǎn)移至背面，使得上表面完全沒有金屬。與MWT電池類似，EWT電池也是通過在電池上鉆微型通孔來連接上、下表面。相比較于MWT的每塊硅片約200個通孔，EWT要求每塊硅片上大約有2萬個這種通孔。與IBC電池相似，EWT電池由于正面沒有柵線和電極，使模組裝配更為簡便，同時由于避免了遮光損失且實(shí)現(xiàn)了雙面收集載流子，使光生電流有了大幅度的提高。第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二圖2-5EWT電池圖2-6激光鉆孔圖2-7EWT電池結(jié)構(gòu)第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二3.2.2PERL電池

PERL（PassivatedEmitter，RearLocally-Diffused）電池是鈍化發(fā)射極、背面定域擴(kuò)散太陽能電池的簡稱。PERL電池具有高效率的原因在于：(1)雙面鈍化。(2)淡磷、濃磷分區(qū)擴(kuò)散。(3)背面進(jìn)行定域、小面積的硼擴(kuò)散。⑷電池正面采用“倒金字塔”結(jié)構(gòu)。第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二圖2-8PERL電池的結(jié)構(gòu)第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二3.2.3HIT電池該電池以n型晶體硅材料為基底材料，并在兩側(cè)沉淀本征層i和p及n型非晶硅薄膜，形成n型硅和非晶硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（HIT）太陽能電池。非晶硅材料的帶寬在1.7eV左右，遠(yuǎn)大于晶體硅1.1eV的帶寬，因此此種HIT電池結(jié)構(gòu)對于電池表面有很好的鈍化作用。由于非晶硅幾乎沒有橫向?qū)щ娦阅?，因此必須在硅表面淀積一層大面積的透明導(dǎo)電膜（TCO）以有效收集電池的電流。

第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二圖2-9HIT電池結(jié)構(gòu)第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二3.2.4激光刻槽埋柵電池激光刻槽埋柵電池極技術(shù)即利用激光技術(shù)在硅表面上刻槽，然后填入金屬，以起到前表面電接觸柵極的作用。與傳統(tǒng)工藝的前表面鍍敷金屬層相比，激光刻槽埋柵電池所具有的優(yōu)點(diǎn)是：柵電極遮光率小、電流密度高，埋柵電極深入到硅襯底內(nèi)部可增加對基區(qū)光生電子的收集，濃磷擴(kuò)散降低了濃磷區(qū)電阻功耗和柵指電極與襯底的接觸電阻功耗，提高了電池的開路電壓等。第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二圖2-10激光刻槽埋柵電池結(jié)構(gòu)第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二3.2.5OECO電池1.標(biāo)準(zhǔn)OECO電池OECO(Obliquelyevaporatedcontact)電池結(jié)構(gòu)基于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）接觸，利用表面溝槽形貌的遮掩在極薄的氧化隧道層上傾斜蒸鍍低成本的Al作為電極.OECO電池具有高效性的原因包括：(1)幾乎是無遮擋的表面。(2)優(yōu)異的MIS結(jié)構(gòu)設(shè)計。

OECO電池同時也是一種很低成本的電池，這是因?yàn)椋?1)采用特殊的磨具可以使開槽工藝成本大為降低；(2)使用便宜的金屬Al代替昂貴的Ag做前表面電極；(3)制作前表面第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二電極無需掩膜并且蒸鍍金屬幾乎無損失；(4)無需光刻和其他高溫工藝；(5)利用傾斜方式可以一次性蒸鍍大批量電池；(6)適合于大面積和薄的硅片制作電池。

圖2-11OECO電池結(jié)構(gòu)第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二2.背接觸雙面BACKOECO電池

BACKOECO電池，即將所有的電極設(shè)計在電池的背光面上，與標(biāo)準(zhǔn)OECO電池的不同的是，BACKOECO電池正表面采用PECVD整面鍍制SiN膜，實(shí)現(xiàn)了較好的鈍化效果；而金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）接觸線以波浪形分布在背表面，波脊的一側(cè)是n型接觸線，另一側(cè)是p型接觸線。這樣的設(shè)計使電池兼具有OECO和背接觸電池的優(yōu)點(diǎn)，而其非常突出的一個優(yōu)點(diǎn)是該電池可以十分有效地利用在背面之間來回反射的光，故能顯著提高輸出功率。第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二圖2-12BACKOECO電池結(jié)構(gòu)第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二3.3最大功率點(diǎn)跟蹤最大功率跟蹤(maximupowerpoint-tracking,MPPT)是并網(wǎng)發(fā)電中的一項重要的關(guān)鍵技術(shù)，它是指控制改變太陽電池陣列的輸出電壓或電流的方法使陣列始終工作在最大功率點(diǎn)上，根據(jù)太陽電池的特性，目前實(shí)現(xiàn)的跟蹤方法主要有恒壓法、功率匹配電路、曲線擬合技術(shù)、微擾觀察法和增量電導(dǎo)法。第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二第4章提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的新發(fā)展4.1尋找光電轉(zhuǎn)換新材料以含有銦、鎵和氮的合金(Inl-xGaxN)為基礎(chǔ)的光電池將對所有太陽光譜的輻射從近紅外線一直到紫外線都靈敏。利用這種合金可以研制比較廉價的太陽能電池板，而且新型太陽能電池板將比現(xiàn)有的更結(jié)實(shí)和更高效。近期，科學(xué)家正在研究一種新型金屬納米顆粒材料，與傳統(tǒng)的光學(xué)材料相比，這種物質(zhì)能更好的捕獲太陽光能量。

第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二

根據(jù)美國兩所大學(xué)的研究人員們實(shí)驗(yàn)證實(shí)，一種名為“硅藻”(diatom)的微小海藻有助于使染料敏化太陽能電池(dye-sensitizedsolarcell)的電力輸出提高三倍。

4.2蝶翅結(jié)構(gòu)讓太陽能電池更高效生活在寒帶及高緯度地區(qū)的蝴蝶，其翅膀鱗片所具有的微結(jié)構(gòu)，有助于個體充分、高效地吸收利用太陽能，以保持其體溫，維持其物種的延續(xù)。受此啟發(fā)，研究小組設(shè)計了一種全新的具有高光采集效能的太陽能電池的光陽極構(gòu)件，并對此進(jìn)行了研第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二究和驗(yàn)證?？衫镁哂芯?xì)分級的蝶翅作為模板，來制備染料敏化太陽能電池用的Ti02光采集器件。研究發(fā)現(xiàn)，相對于普通的Ti02薄膜，具有蝶翅結(jié)構(gòu)Ti02的光吸收率可提高2倍以上，以此為光陽極，可以大大提高光采集效率，進(jìn)而有望提高此類太陽能電池的光-電轉(zhuǎn)換效率。4.3可改進(jìn)太陽能電池的新型電特性美國Rutgers大學(xué)的一組物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種材料所具有的特殊電特性，能夠提第三十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二升太陽能電池效率并改善計算機(jī)芯片設(shè)計。這種由鉍、鐵和氧組成的晶體能夠?qū)崿F(xiàn)可逆的二極管，這種二極管在光照條件下就能產(chǎn)生電流。這種晶體在頻譜的藍(lán)色端對光非常敏感，這一特性能夠提升太陽能電池的效率。晶體的鐵電本質(zhì)說明它能表現(xiàn)出電極化。這種極化現(xiàn)象被稱為“體效應(yīng)”，遍布整個晶體，并控制其充當(dāng)二極管的能力。當(dāng)這種鐵電晶體加上外加電壓，其兩極極性就會翻轉(zhuǎn)，與其極性相同的方向電流可