太阳能电池原理及发展剖析

LOGO太阳能电池原理及发展现状目录太阳能电池基本原理主要面临问题发展现状太阳能电池•化石能源日渐枯竭,人类对能源需求不断上升，温室效应加剧……促使人类寻找化石燃料之外的新型绿色能源。•太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。硅太阳能电池工作原理制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生内光电效应，将光能转换为电能。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅基太阳能电池和薄膜电池。太阳能电池发电的原理主要是半导体的内光电效应，一般的半导体主要结构如下：硅太阳能电池工作原理图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P型半导体。掺入杂质，如硼、磷等PN结的形成及工作原理零偏负偏正偏当PN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。当P型和N型半导体材料结合时，P型（N型）材料中的空穴（电子）向N型（P型）材料这边扩散，扩散的结果使得结合区形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区。当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：（1）价带电子；（2）自由电子或空穴；（3）存在于杂质能级上的电子。太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。基本原理基本原理由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结（如图梳状电极），以增加入射光的面积。制约光电池转换效率的因素光学损失电学损失串并联电阻损失反射损失短波损失透射损失光生空穴—电子对在各区的复合表面复合（前表面和背表面）材料复合：复合中心复合主要面临问题•在硅太阳能电池的制造历史中已经采用过许多措施来提高太阳能电池的光电转换效率，并且随着能源的不断消耗，高效太阳能的研究正热火朝天地进行。主要针对：1.降低光电子的表面复合，如降低表面态等；2.降低入射光的表面反射，用多种太阳光减反射技术，如沉积减反层、硅片表面织构技术、局部背表面场技术，最大限度地减少太阳光在硅表面的反射；3.电极低接触电阻和集成受光技术，如激光刻槽埋栅技术和表面浓度扩散技术，使电极接触电阻低和增加硅表面受光面积4.降低P-N结的结深和漏电；5.采用高效廉价光电转换材料；发展现状单晶硅太阳能电池（主要）单晶硅太阳能电池转换效率达15%左右,其制造工艺成熟，生产过程耗能高,生产成本高。多晶硅太阳能电池使制造成本大大降低,电池的转换效率达到16%左右，MIT研制电池样品,光电转换效率提高了27%。硅薄膜太阳能电池生产制造技术成熟,大量节省成本和能耗,产品面积有较大增加。转化效率相对较低,目前仅为12%~14%,且光电效率随使用时间的增长而衰退。化合物薄膜太阳能电池化合物薄膜太阳能电池的光转换效率高,理论值可达28%,又易于薄膜化,。2009年10月Sharp研制了光电转换率为35.8%的电池样品薄膜太阳电池简介硅薄膜碲镉系(CdTe)染料薄膜和有机薄膜(TiO2)非晶,非晶/微晶(a-Si,a-Si/c-Si)FirstSolar，USUnitedSolar(~8%),EPV(5~6%)USKaneka,Sharp(8~10%)JapanLG,周星(~9.6%)韩国铜铟系(CIS,CIGS)金属薄膜正泰(~9.0%),天威(6`7%),新奥(8~8.5%),金太阳(~8%%),尚德(6`7%),百世德(8~8.5%)中国LeyboldOptics(~9.5%)GermanJSTGerman山东孚日股份中国131975年Spear等在非晶氢硅中实现可控掺杂，1976年美国RCA实验室制成了世界上第一个非晶硅太阳电池效率2.4%1980年日本三洋电器公司利用非晶硅太阳电池制成袖珍计算器；1987年掺C,掺Ge,光陷阱工艺非晶硅电池转化效率达12%(Initial)；面积从0.1M2发展到0.3M2,Module功率14W(stableEff~5%)1988年与建筑材料相结合的非晶硅太阳能电池投入应二、硅基薄膜太阳电池的发展HistoryToday实验室:Triple电池~15.3%产业化:非晶硅/微晶硅叠层电池G5(1.1*1.3M2)~9.6%G8.5(2.2*2.6M2)~8.5%14硅基薄膜太阳电池的技术发展EPV,Oerlikon,AMATEPVEPV泉州金太阳Unit-solarOerlikonAMATKanakaSharp……..?BestSOLARConfidential三、硅基薄膜电池优缺点优点:耗材少:硅薄膜太阳电池的厚度在2μm左右其厚度只有晶硅电池的1%能耗低:硅薄膜电池制备工艺200OC左右，而晶体硅核心工艺需要1000OC无毒，无污染更多的发电量a.良好的弱光性:使得在阴雨天比晶体硅电池有多10%左右的发电量b.高温性能好:温度系数低,使得薄膜电池在高温工作状况下同样有比晶体硅电池高的发电量美观、大方电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配，美化室内外环境，加上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。应用稳定性更好由于非晶硅太阳电池的电流密度较小,热斑效应不明显，所以，使用起来更加方便、可靠。能源回收期短成本低且下降空间大缺点前期资金投资大光致衰退(S-w效应)效率偏低设备、原材料国产化减薄非晶硅层,改善光衰叠层电池如非晶硅/微晶硅,改善光衰,提高效率改善各层材料间界面性能，提高功率新产品的开发、新材料、新工艺解决方案硅基薄膜太阳电池缺点以及应对四、非晶硅的光照衰退(Staebler-Wronski效应)光致衰退现象：非晶硅电池在强光下照射数小时，电性能下降并逐渐趋于稳定；若样品在160℃下退火，电学性能可恢复原值(S-W效应)非晶硅制造过程中Si-Si弱键的作用薄膜太阳电池LID测试(IEC认证)相对功率80%85%90%95%100%020406080衰减时间（天）Pm(a.u.)9124-22-3-019124-22-3-059124-22-3-09光老化试验测试环境标准条件（STC）•光强：光功率密度为1000W/m2•光谱特征：AM1.5•环境温度：25℃五、电池的光电转换效率计算光谱特征：AM1.5ΘcosΘ=2/3(48.2o)AM1.5=1/cosΘLightEff=Pm/（1000W/m2×组件面积)例如公司电池片输出功率为480W，面积为5.7m2，则效率η=480/(1000*5.7)=8.42%StableEff&InitialEff初始最大输出功率稳定最大输出功率(初始功率-稳定功率)/初始功率组件效率Eff计算InitialEffStableEffLID叠层电池结构SiO2(20~40nm)TCO(700~1000nm)a-si(~300nm)SiO2(100nm)μc-Si(~1.7μm)AZO(~100nm)Ag(130~200nm)ITO(In2O3:Sn)氧化铟(锡)FTO(SnO2:F)掺氟氧化锡ZAO(ZnO:Al)掺铝氧化锌其他(GAO,ATO,…..)TCO(transparentconductiveoxide)[透明导电氧化物]的分类TCO简介ITO(In2O3:Sn)氧化铟(锡)1、应用范围主要平板显示器、液晶显示、触摸屏薄膜太阳能电池(CIGS、HIT)缺点:成本高，热性能较差(耐还原性差,在等离子体下易被还原)2、制备方式DC-磁控溅射RF-磁控溅射电子束蒸发磁控溅射FTO(SnO2:F)掺氟氧化锡1、应用范围薄膜太阳能电池缺点:Sn4+易被氢离子还原2、制备方式:APCVD法在线式APCVD(浮法线)AGC(Asahifloatglass),NSG离线式APCVD(离线式)优点:成本低,制备技术相对成熟,耐热性能好ZnO:Al(ZAO)氧化锌1、应用范围a-si;uc-si;a-si/uc-si优点:稳定性好;近红外高透过率,不受氢离子还原作用2、制备方式磁控溅射+制绒(leyboldoptics,PIANova,信义玻璃)缺点：成本较高,产品有待验证TCO与薄膜太阳能电池的关联薄膜太阳能电池Sunlightglass-AgZnO:Aln:a-sii:a-sip:a-siTCO(SnO2:F)+光生电压VocTCO用于薄膜电池的前电极TCO作为薄膜电池前电极的性能要求透光性:可见光(Transimission)80%4005006007008009002025303540455055606570758085BA透过率（%)波长（nm)AHazeCompensatedTransmissiionBDirectTransmission表面绒面度:(Roughness)12~15%面电阻R□9~13Ω非晶硅/微晶硅电池的未来结构氧化硅(掺磷)夹层非晶硅微晶硅氧化锌(ZnO)/银氧化锌(ZnO)玻璃光捕获(LightTrapping)示意图单位基础常识微米1um＝10-6m（米）纳米1nm＝10-9m（米）埃米1Å＝10-10m（米）赫兹1Hz＝1/T（T为周期，T的单位为秒）兆瓦1MW=1000KW=106W真空单位1Torr=1000mtorr=133Pa1bar＝1000mbar≈1atm=1.03*105Pa1mtorr=0.133Pa1hpa=100Pa=1mbar