太阳电池原理以及结构.ppt
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1、关于太阳电池的原理及结构第一张,PPT共四十二页,创作于2022年6月3.1 太阳能电池的原理及结构3.1.1 太阳电池原理光生伏特效应半导体材料的本征光吸收:光照到半导体材料上半导体材料的本征光吸收:光照到半导体材料上时,价带中的电子吸时,价带中的电子吸收的能量大于禁带宽度,那么电子会由价带跃迁到导带,产生电子空穴收的能量大于禁带宽度,那么电子会由价带跃迁到导带,产生电子空穴对,称为本征吸收。对,称为本征吸收。光电导现象光电导现象光吸收:光照射到物体上,有一部分会被物体吸收,如果入射光光吸收:光照射到物体上,有一部分会被物体吸收,如果入射光的能量为的能量为I I0 0,则在距离物体表面,则在
2、距离物体表面x x处的光的能量为:处的光的能量为:本征吸收条件:本征吸收条件:本征吸收限:本征吸收限:第二张,PPT共四十二页,创作于2022年6月p-n结光生伏特效应:第三张,PPT共四十二页,创作于2022年6月PNEFqV0q(V0-V)光生电流正向电流第四张,PPT共四十二页,创作于2022年6月正向电流输出电流电流电压特性等效电路:R第五张,PPT共四十二页,创作于2022年6月上图分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线开路电压:短路电流:第六张,PPT共四十二页,创作于2022年6月入射光子被吸收产生电子-空穴对 h Eg电子-空穴对在复合之前被分开 p-n结存在内建电场分开
3、的电子和空穴传输至负载 连接导线 从上面的分析可以看出,任何光伏组件如要成功运作,其必须具有以下三个条件:第七张,PPT共四十二页,创作于2022年6月3.1.2 表征太阳能电池的参数I=IF-IL由光电池的伏安特性曲线,可以得到描述太阳能电池的四个输出参数。第八张,PPT共四十二页,创作于2022年6月 在p-n结开路情况下(R=),此时pn结两端的电压即为开路电压Voc。这时,I=0,即:IL=IF。将I=0代入光电池的电流电压方程,得开路电压为:.开路电压Voc2.短路电流Isc 如将pn结短路(V=0),因而IF=0,这时所得的电流为短路电流Isc。显然,短路电流等于光生电流,即:第九
4、张,PPT共四十二页,创作于2022年6月.填充因子FF 在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积,其中只有一点是输出最大功率,称为最佳工作点,该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop。填充因子定义为:FF=VopIop/VocIsc=Pmax/VocIsc 它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池,也就是Voc,Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池,该值应在0.70-0.85范围之内。第十张,PPT共四十二页,创作于2022年6月.太
5、阳能电池的光电转化效率=(太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率)x100%=(Vop x Iop/Pin x S)X100%=VocIscFF/Pin S 其中Pin是入射光的能量密度,S为太阳能电池的面积.表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即:第十一张,PPT共四十二页,创作于2022年6月 能量h大于材料的禁带宽度Eg,被材料吸收而激发电子-空穴对,最大短路电流值显然仅与材料带隙Eg有关,其关系如图所示。短路电流Isc的考虑:在AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值影响太阳能电池转化效率的因素:第十二张,PPT共四十二页,创作于2022年6月开路电压Voc的考虑:开路电压
6、Voc的最大值,在理想情况下有下式决定:式中IL是光生电流,在理想情况即为上图所对应的最大短路电流。I0是二极管反向饱和电流,其满足:I0=Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2 ni2=NcNvexp(-Eg/kT)显然,Is随Eg增大而减小,Voc随Eg增大而增大。第十三张,PPT共四十二页,创作于2022年6月填充因子FF的考虑:在理想情况下,填充因子FF仅是开路电压Voc的函数,可用以下经验公式表示:FF=Uoc-ln(Uoc+0.72)/(Uoc+1)Uoc=Voc(kT/q)1/2 这样,当开路电压Voc的最大值确定后,就可计算得到FF的最大值。第十四张,PPT共四十二页,创
7、作于2022年6月综合上述结果,可得到作为带隙Eg的函数的最大转换效率,其结果示于右图中。对于单晶硅太阳能电池,理论上限是27%,目前研究得到的最大值为24%左右。GaAs 太阳能电池的转换效率的理论上限为28.5%,现在获得的最大值是24.7%。如何进一步提高太阳能电池的转换效率是当前的研究课题。第十五张,PPT共四十二页,创作于2022年6月实际太阳电池的等效电路图Rsh:并联电阻Rs:串联电阻第十六张,PPT共四十二页,创作于2022年6月3.1.3 硅太阳电池制备及结构 晶体硅太阳能电池是典型的p-n结型太阳电池,它的研究最早、应用最广,是最基本且最重要的太阳电池。在实际工艺中,一般利
8、用200500m厚的掺硼的p型硅材料作为基质材料,通过扩散形成0.25 m厚的n型掺杂剂,形成p-n结,通常选用磷作为n型掺杂剂。第十七张,PPT共四十二页,创作于2022年6月第十八张,PPT共四十二页,创作于2022年6月p-n结的制备技术:磷扩散分为:气态、固态和液态扩散。气态磷扩散:在扩散系统内,引入含磷气体P2H2,通过高温分解,磷原子扩散到硅片中去,反应式为:P2H2=2P+H2第十九张,PPT共四十二页,创作于2022年6月固态磷扩散:利用与硅片相同形状的固态磷源材料Al(PO3)3,即所谓的磷微晶玻璃片,与硅片紧密相贴,一起放入热处理炉内,在一定温度下,磷源材料表面挥发出磷的化
9、合物,通常是P2O5,与硅反应生成磷原子及其它化合物,导致磷源子不断向硅片体内扩散。Al(PO3)3=AlPO4+P2O52 P2O5+5Si=5SiO2+4P固态磷扩散法还可以利用丝网印刷、喷涂、旋涂、化学气相沉积等技术,在硅片表面沉积一层磷的化合物,通常是P2O5。第二十张,PPT共四十二页,创作于2022年6月液态磷源扩散可以得到较高的表面浓度,在硅太阳电池工艺中更为常见。通常利用的液态磷源为三氯氧磷,通过保护气体,将磷源携带进入反应系统,在8001000之间分解,生成P2O5,沉积在硅片表面形成磷硅玻璃,作为硅片磷扩散的磷源,其反应式为:5POCl3=3PCl5+P2O52P2O5+5
10、Si=5SiO2+4P对于晶体硅太阳电池,为使p-n结处有尽量多的光线到达,p-n结的结深要尽量浅,一般为250nm,甚至更浅。磷扩散时,表面会形成磷硅玻璃,影响太阳电池正常工作,需要去除。用稀释的HF中侵蚀。第二十一张,PPT共四十二页,创作于2022年6月金属电极的制备技术:现现今今主主要要采采用用丝丝网网印印刷刷技技术术,将将金金属属浆浆料料(银银浆浆+有有机机溶溶剂剂)按按照照所所设设计计的的图图形形,印印刷刷在在硅硅的的表表面面,然然后后在在适适当当气气氛氛下下,通通过过高高温温烧烧结结,使使有有机机溶溶剂剂挥挥发发,金金属属与与硅硅表表面面形形成成良良好好的的欧欧姆姆接接触触。一般
11、而言,金属电极的膜厚为一般而言,金属电极的膜厚为10102525mm,金属栅线的宽度为,金属栅线的宽度为150150250 m250 m。第二十二张,PPT共四十二页,创作于2022年6月 背电场技术:背电场技术:为防止在衬底的背面附近由于载流子的复合引起效率的减少,在背面实现与衬底同类型的高浓度掺杂的太阳能电池。例如在p-Si衬底背面进行铝合金掺杂,在背面形成p-p+高低结势垒,即存在背电场。第二十三张,PPT共四十二页,创作于2022年6月 由于背面的高低结势垒与硅片正面形成的p-n结势垒方向一致,能够提高电池的开路电压;另外,高低结势垒对p区少子-电子有阻挡和反射作用,既减少了背表面之复
12、合作用,又提高了pn结对光生少子的收集几率,也能提高电池的短路电流。背电场技术是一项极为有效的措施,它对高电阻率衬底的硅太阳能电池效率的提高更为明显。太阳能电池的转换效率可达15%-20%左右。第二十四张,PPT共四十二页,创作于2022年6月减反射技术:减反射技术:硅对入射太阳光的反射损失高达30%以上。为了提高转换效率,就必须减少反射损失。第一类是采用减反膜技术。第一类是采用减反膜技术。硅太阳能电池常用的单层减反膜有SiO2、Ta2O5、TiOx等。双层减反膜可以用Ta2O5、TiO2等薄膜。减反膜的制备一般采用物理气相沉积(PVD),或化学气相沉积(CVD)等技术。减反膜的厚度,为1/4
13、波长时,两束反射光“光程差”就为1/2波长,发生反射的两束反射光抵消。在照射光的能量不变的前提下,增透膜减少反射光的光强(能量)根据能量守恒,透射光的能量必然增加。例如用TaOx和MgF2的双层减反膜,光学反射损失可减少到4%。第二十五张,PPT共四十二页,创作于2022年6月 第第二二类类是是在在硅硅片片的的进进光光面面上上,采采用用各各向向异异性性化化学学腐腐蚀蚀,制制得得特特殊殊表表面面结结构构:如如绒绒面面、微微槽槽面面等等。下图是绒面结构和V型槽结构的示意图。绒面或V型槽结构是用化学腐蚀方法在电池表面上得到许多有极小(1-2微米)的金字塔状或V型的凹凸层,在这种微结构表面上,入射光受
14、表面第一次反射后,又得到第二次入射进硅衬底的机会,提高了光能利用率。第二十六张,PPT共四十二页,创作于2022年6月表面钝化技术:表面钝化技术:通常的电池光电流收集电极金属与半导体直接结合,这样,在半导体表面复合几率增大。在结构中引入了2-3纳米厚的极薄SiO2层,使得在n+表面的光生电子-空穴对的复合减少。同时,由于氧化膜很薄,电流可以通过隧穿效应流过,所以对短路电流的影响很小。第二十七张,PPT共四十二页,创作于2022年6月为了避免隧穿效应的影响,在钝化层中利用光刻技术刻出一个个接触微窗(小于接触电极面积),使金属与n+-Si直接接触以提高光电流的收集效率。同时也可减少金属电极的覆盖率
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