非晶硅薄膜太阳能电池基础知识

北京中锦阳电子科技有限公司2009年11月03日非晶硅薄膜太阳能电池基础知识顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精目录1.非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景2非晶硅电池的基本原理及特性3.非晶硅薄膜太阳能电池的应用顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景第一章非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景一、发展背景•能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战，开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。据世界能源委员会和国际应用系统分析研究所预测，全球化石燃料不足100年，而且，由于燃烧化石燃料的CO2等气体随能耗指数增加，已严重破坏了生态平衡。造成了诸如温室效应，酸雨等一系列问题。寻求一种可再生，无污染的清洁能源成为了一项迫切任务。太阳能电池正是在这种形势下发展起来的。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精二、不同新型能源的优缺点1）原子能发电未来应用的主要技术，需解决安全性、选点唯一性2）核聚变二十一世纪采用的技术，需解决安全性，选点难3）地热发电资源位于局部地区，难于选环境地4）风力发电可靠性差5）海水发电效率低、成本高6）氢能需要觖决安全性，输送方法等问题7）太阳能光发电的优缺点：优点：a、无机械部分，无危害b、易在需要的地方发电，无输电线，c、利用静区发电，d、易于维修，可实现自动化，无人化e、寿命半永久性f、制作材料易得，地壳中26.3%的Si元素仅次于O元素缺点：a、只能在光照时发电b、大功率电力需要大面积c、目前发电成本昂贵，这也是太阳能发电的实际应用受到限制的主要原因非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景三、太阳能电池分类1、晶体硅1、）单晶硅单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成P/FONTN结。然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，最后用框架和封装材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15％左右，实验室成果也有20％以上的。用于宇宙空间站的还有高达50%以上的太阳能电池板。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景2）、多晶硅单晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中己超二分之一，加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。因此，80年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳电池的研制。目前太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为100～300欧姆•厘米的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1：5的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放人浇铸炉，在真空状态中加热熔化。熔化后应保温约20分钟，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材质利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12％左右，稍低于单晶硅太阳电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。随着技术得提高，目前多晶硅的转换效率也可以达到14%左右。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景2、非晶硅单结多结（双结、多结）柔性优点：低成本、可大面积自动化生产、高温性好、弱光响应好、可镀在不同介质表面缺点：转化效率相对较低，批量生产6%-10%，实验室可达13%左右，衰减（SW效应，si-si弱键,si-h弱键）3、微晶硅介于晶体和非晶之间，双结电池也有作成一结使用非晶硅另一结使用微晶，吸收光谱不同，效率更高。4、化合物铜铟錫、砷化镓等顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精第二章非晶硅太阳能电池的基本原理及特性一、非晶硅太阳能工作原理1、PN结1）基本概念半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的一类物质。靠电子－空穴对传导电流。大多数半导体由硅和锗组成。本征半导体：纯净的、不含其他杂质的半导体。自由电子与空穴浓度相等。P型半导体：在半导体中掺杂低价态物质。（如＋4价硅中掺＋3价硼）空穴浓度远大于电子浓度。N型半导体：在半导体中掺杂高价态物质。（如＋4价硅中掺＋5价磷）自由电子浓度远大于空穴浓度。非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2）PN结的形成非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理P型半导体和N型半导体结合在一起后，P区的空穴向N区扩散；N区的自由电子向P区扩散。这使得两者都无法保持电中性，P区一侧带负电，N区一侧带正电。从而形成一电场，称为内建电场。内建电场由N区指向P区。在内建电场的作用下，空穴从N区向P区漂移，电子从P区向N区漂移，与扩散方向相反。当电子－空穴的扩散速率与漂移速率相等时，扩散与漂移达成一动态平衡，此条件下的PN结，称为平衡PN结，此时P区与N区的电压差称为PN结的内建电压差。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精3）PN结的特性非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理正向导通：向PN结施加正向偏压时，外加电压削弱了内建电场，有利于扩散运动，不利于漂移运动。耗尽层变小，等效电阻小。反向关闭：向PN结施加反向偏压时，外加电压加强了内建电场，不利于扩散运动，有利于漂移运动。耗尽层变大，等效电阻大。PN结具有单向导电性和整流作用。正向偏压反向偏压顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、光伏效应•光照半导体吸收一个能量大于Eg的光子，使产生一个电子--空穴对，如果电子空穴对有足够的寿命，则在P区产生的电子，扩散到势垒区边界，然后势垒区内电场的作用下，拉到过势垒区后被势垒区内的自建电场拉过势垒区，积累在边界A，因此形成一个电压，此电场的电压，用Vｏｃ表示，称为光生电压，这就是所谓“光伏效应”。非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精3、太阳能电池发电太阳能电池能产生电能，需具备两个条件：1、光吸收非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数α，即要求入射光子的能量hν大于或等于半导体材料的带隙Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。左图为一些材料的光吸收系数。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、PN结PN结的重要作用在于具有一个内建电场所对应的势垒区，可分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在p区内积累了非平衡空穴，而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场，于是在p区和n区间建立了光生电动势（或称光生电压）。非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精二、非晶硅薄膜太阳能电池的基本特性1、非晶硅电池的结构非晶硅太阳能电池的基本特性典型非晶硅电池结构：TCO/ｐ/ｉｎ/Alfilm采用激光刻线分割子电池工作原理：太阳光透过TCO被非晶硅ｐ/ｉ/ｎ三层吸收，ｉ层吸收光后电子跃迁产生大量的空穴-电子对，ｐｎ层间产生光生电动势，ｉ层的空穴-电子对在ｐｎ层间的内建电池作用下迁移运动，并由正极TCO和负极Al膜导出构成回路，此过程即非晶硅太阳能电池发电。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、太阳能电池的电流电压特性非晶硅太阳能电池的基本特性根据PN结整流方程，在一定的入射光下，通过外接负载的电流是：I=IF-IL=IS[EXP(qV/kT)-1]-IL输出电流随着负载的增大而减小，输出电压随着外接负载的增大而增大。左图为有光照时典型的伏安特性曲线。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精1）开路电压Voc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：Voc＝(kT/q)×ln(IL/Is+1)2）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：Isc=IL3）最大功率Pｍ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Vｍ和最佳工作电流Iｍ。即：Pｍ＝Iｍ×Vｍ非晶硅太阳能电池的基本特性顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精3）填充因子FF填充因子定义为：FF=VｍIｍ/VocIsc=Pm/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一定时，FF越大，输出功率越大。4）转换效率η表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即：η=（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100%=(Vm•Im/Pin•S)×100%=Voc•Isc•FF/Pin•S其中，Pin是入射光的强度，S为太阳能电池的面积。非晶硅太阳能电池的基本特性顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精３、非晶硅电池的等效电路1）等效电路图非晶硅太阳能电池的基本特性非晶硅等效电路集成等效电路1）电流源2）二极管3）串联电阻Rs4）并联电阻顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2）Rs与Rsh•串联电阻Rs是太阳电池的接触电阻，电极的体电阻，半导体本身就是电阻引起的。•并联电阻，Rsh由于制造工艺上的原因，如针孔或激光未刻断等造成漏电，相当于和二极管并联一个电阻。②Rsn的影响Rsh1＜Rsh2“RS=0”a.Isc不变b.FF1＜FF2c.Voc1＜Voc2d.Rsh减小，最大输出功率Pm,效率η减小③Rs影响Rs1＜Rs2＜Rs3“Rsh=∞a.Voc不变b.Isc3＜Isc2＜Isc1,Rs增加，Isc下降c.FF3＜FF2＜FF1Rs增加填充因数下降d.由于Rs增加，使最大输出功率Pm及转换效率η下降。非晶硅太阳能电池的基本特性顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精4、环境影响因素1）辐照度•辐照度越大，电流越大。当辐照度大于500W/ｍ2，辐照度与短路电流呈良好的线性关系。•辐照度越大，电压越大。但电压随辐照度的变化较小，测试标准AM1.5,光强1000W/ｍ22）温度•温度升高，电流增大，电压降低，呈现出功率下降,测试标准温度25℃•非晶硅太阳能电池的温度系数一般为电压温度系数：-0.33%/℃，电流温度系数：0.09%/℃,输出功率温度系数：-0.23%/℃3）光谱不同的电池对各波长的光吸收系数不一样.非晶硅太阳能电池的基本特性顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精非晶硅太阳能电池的应用第三章非晶硅太阳能电池的应用•1、组合板的应用•无电地区：边防哨所、微波站、输气管道静电保护、家庭照明、电视。•城市亮化工程：警示灯、路灯、景观装饰。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精非晶硅太阳能电池