薄膜电池及其逆变器拓扑分析

薄膜电池特性及其电路拓扑分析由于传统能源面临着环境污染、能源枯竭等一系列问题，90年代以来，在可持续发展战略的推动下，可再生能源技术进入了快速发展的阶段。可再生能源主要有风能、地热能、水能、潮汐能及太阳能等，太阳能以其资源丰富、利用方便、洁净无污染越来越受到人们的重视。太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池。一、薄膜电池特性1、太阳能电池发展背景与分类1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，并于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，太阳能电池的年均增长率为35%，是能源技术领域发展最快的行业。按照材料区分，太阳电池有晶硅电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒（CIS）电池、碲化镉（CdTe）电池、砷化稼电池等；其中以晶硅电池为主导。由于硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。⑴单晶硅太阳能电池。人们首先使用高纯硅制造太阳电池，即单晶硅太阳电池。由于材料昂贵，这种太阳电池成本过高，初期多用于空间技术作为特殊电源，供人造卫星使用。七十年代开始，把硅太阳电池转向地面应用。目前单晶硅太阳能电池仍是转换效率最高的太阳电池。⑵多晶硅太阳能电池随着电池制备和封装工艺的不断改进，在硅太阳电池总成本中，硅材料所占比重已由原先的1/3上升到1/2。因此，生产厂家迫切希望在不降低光电转换效率的前提下，找到替代单晶硅的材料。目前，比较适用的材料就是多晶硅。多晶硅制备工艺简单，设备易做，操作方便，耗能较少，辅助材料消耗也不多，尤其是可以制备任意形状的多晶硅锭，便于大量生产大面积的硅片。同时，多晶硅太阳电池的电性能和机械性能都与单晶硅太阳电池基本相似，而生产成本却低于单晶硅太阳电池。多晶硅与单晶硅材料的差别主要是多晶硅内存在许多晶粒间界。这给多晶硅太阳能电池带来以下三方面影响：1、晶粒间界处存在势垒，阻断载流子的通过。2、晶粒间界作为一种晶体缺陷，起着有效复合中心作用。3、在形成pn结的工艺过程中，掺杂的原子会沿着晶粒间界向下择优扩散，形成导电分流路径，增大漏电流。⑶x－Si薄膜与薄膜太阳能电池◆非晶硅薄膜电池。非晶硅太阳电池是最理解的一种廉价电池，它的最大特点就是薄，不同于单晶硅与多晶硅电池需要以硅片为衬底，而是在玻璃或不锈钢等材料的表面镀上一层薄薄的硅膜，其厚度只有单晶硅的1/300；因此，可以大量节省硅材料，加之可连续化大面积生产，能耗也低，成本自然也低。◆多晶硅薄膜电池。由于非晶硅其自身的性能不稳定、转换效率低等缺陷，人们在不断尝试利用多晶硅代替非晶硅制作薄膜电池的可能性。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电池的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点，因此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。有机半导体薄膜电池。为了进一步降低成本，人们对一些新材料进行了研究，较为成熟的主要有CulnSe2、CdTe薄膜。2、太阳能电池的工艺结构及其特性⑴单晶硅与多晶硅太阳能电池单晶硅与多晶硅电池板是国际上研究最早的太阳能电池板，也是目前效率最高、性能最稳定的太阳能电池板；然而受硅材料本身价格的限制，电池板的成本下降空间已越来越小，给它未来的大力发展带来了巨大的障碍。Fig.1是它的基本工艺结构图。日光1日光2日光3日光4日光5PN结Fig.1单晶硅电池的工艺结构这类太阳能电池板转换效率高、寿命长、工作性能稳定，不受其对地电位的极性及其漏电流大小的影响，在太阳能逆变器拓扑方面没有任何限制，这里不做详细介绍。⑵Back-contact太阳能电池板为了提高转换效率及美学效果，在单晶硅、多晶硅电池板的基础上，各大太阳能电池厂家对电池板的工艺结构做了进一步优化，其中以SunPower生产的A-300太阳能电池板最为突出。SunPower的A-300采用了先进的back-contact工艺结构，转换效率比普通的电池板高达50％，而且其外形美观，适合各种场合广泛应用。A-300电池板的基本外形如Fig.2所示，正负极的电气接口都在电池板背面；具体工艺结构如Fig.3所示。Fig.2Back-contact电池板基本外形图Fig.3Back-contact电池板工艺结构图在测试过程中，Back-contact电池板(高效率太阳能电池板)的“表面极化”现象被发现，该现象会使A-300太阳能电池板表面堆积静态电荷，但堆积电荷的过程是非破坏性和可逆的。在使用中，如果电池阿办的电位极性配置不合理，可能会降低电池板的转换效率，但对电池板的寿命不造成影响。SunPowerA-300太阳能电池板提高效率的方法之一就是加了一层专门用于阻止载流子损失的覆料，这一层就像一个关断了的晶体管，能阻止电流流通。如果在电池正面加上足够大的正电压，“晶体管”等效于开通状态，载流子就会在电池正表面复合，使电池输出电流变小。类似于晶体管，表面极化现象是完全可逆的，只要“晶体管”关断，电池的输出电流仍可以达到先前的水平。表面极化发生机理：1.当电池组对地呈正电压时，“表面极化”现象发生。这是因为当电池组对地呈正的高电压时，漏电流会由电池流向大地，电池表面会堆积负电荷，从而开通表面等效“晶体管”。带正电荷的载流子就会在表面与负电荷复合，从而减少电池组的输出电流，如fig.4所示。Fig.4有表面极化现象的A-300太阳能电池组中单元截面图2.当电池组对地呈负电压时，“表面极化”现象不会发生。当电池组对地呈负电压时，漏电流由地流向电池表面，从而表面堆积的是正电荷，在正电荷作用下，表面等效晶体管处断开状态，不会影响电池组工作。事实上，在这种状态下电池组的性能还会略有提高。如Fig.5所示。Fig.5无表面极化现象的A-300太阳能电池组中单元截面图从上述分析可以得出，载流子在电池边缘的复合是效率损失的主要原因。⑶薄膜电池A.非晶硅薄膜电池非晶硅电池之所以受到人们关注和重视，是因为它具有以下优点：①非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在0.3-0.75μm的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因此，它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1μm厚）就能吸收90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它成为低价格太阳能电池的最主要因素。②非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。③制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产。④由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。⑤制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。由于电池本身是薄膜型的，太阳的光可以穿透，所以还可做成叠层式的电池，以提高电池的电压。通常单晶硅太阳电池每个单体只有0.5伏左右的电压，必须几个单体串联起来，才能获得一定的电压。非晶太阳硅电池一个就能做到几伏电压，使用比较方便。非晶硅太阳能电池的结构最常采用的是p-i-n结构，而不是单晶硅太阳能电池的p-n结构。这是因为：轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小，如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻掺杂的另一边用重掺杂的材料，则能带弯曲较小，电池的开路电压受到限制；如果直接用重掺杂的p+和n+材料形成p+-n+结，那么，由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高，少子寿命低，电池的性能会很差。因此，通常在两个重掺杂层当中淀积一层未掺杂的非晶硅层作为有源集电区。非晶硅太阳能电池内光生载流子主要产生于未掺杂的i层，与晶体硅太阳能电池中载流子主要由于扩散而移动不同，在非晶硅太阳能电池中，光生载流子主要依靠太阳能电池内电场作用做漂移运动。在非晶硅太阳能电池中，顶层的重掺杂层的厚度很薄几乎是半透明的，可以使入射光最大限度地进入未掺杂层并产生自由的光生电子和空穴。而较高的内建电场也基本上从这里展开，使光生载流子产生后立即被扫向n+侧和p+侧。Fig.6是非晶薄膜电池的结构示意。Fig.6非晶Si薄膜电池结构转换效率是限制非晶硅电池板竞争力的主要因素，由其是在电池板是论“瓦”卖的今天（晶体硅电池板的效率是非晶硅电池板的两倍）。但是对建筑集成式太阳能电池板而言，效率并不是一个很重要的指标。目前建筑集成式太阳能电池板应用很小，但该市场最终会变得很大的，在这个应用场合，非晶硅的优势还是很明显的：温度特性好。B.其它薄膜电池除了非晶硅薄膜电池以外，市场上主要有CIS和CdTe类国外有批量生产。根据CIGS太阳能电池的寿命长的特点(有人预测100年)，若以30年寿命计算，并保守地考虑电池板(组件)的光电转化率为13％，目前实际的转换效率比这个要高。若仅考虑电池板，则电的静态成本为0.057RMB／kWh，动态电成本约为0.12RMB／kWh，再考虑系统附加成本，则总成本为约0.24RMB／kWh。此价格可以与普通的民用电价格相当。而且太阳能发电产生的环保效应和社会效益则是巨大的。CIS和CdTe薄膜电池的工艺结构如Fig.7所示。Fig.7CIS和CdTe薄膜电池结构从上面薄膜电池的工艺结构可得，非晶硅与CdTe薄膜电池的结构及其所用材料基本相同，而CIS薄膜电池与它们稍有不同，需要注意。C几种薄膜电池关键参数比较在下面的公式中，J代表总的电流密度，J0代表饱和电流密度，V代表在外部有连接时的电压，Rs和G分别代表集中性的寄生电阻和电导，q是电荷，A是半导体（类二极管）因素，K波尔兹曼常数，T是绝对温度，JL是光生电流（在忽略漏电流的情况下，可以用短路电流Jsc代替）。薄膜电池板电流密度表达式为：()/0[1](1)qVRsJAkTLJJeGVJ薄膜电池板开路电阻表达式为：01(2)LAkTRocRsqJJGVoc薄膜电池板开路电压表达式：0(1)(3)LJAkTVocLnqJ根据上面的公式，几种薄膜电池参数比较分别如Fig.8、Fig.9所示。Fig.8.从图中可以看到，光照越强（短路电流越大）电池的开路电阻越小，多晶硅薄膜电池的开路电阻最小，其次是CIS薄膜电池，CdTe电池开路电阻最大。Roc与1/Jsc近似呈线性关系，由此可推知式(2)中的J0和Gvoc很小，可忽略不计，由曲线的斜率可得到半导体二极管系数A。Fig.9.上图是开路电压与短路电流的对数关系图。光照变化时，多晶硅的Voc在0.48-0.6V之间变化，CdTe电池A和B的开路电压最高，CIS电池A的电压最低。CIS电池B的电压介于多晶硅与CdTe电池之间，而CdTe电池C的开路电压最化范围较大，几乎为图中的整个电压范围。曲线的非线性度主要源自大的旁路阻抗。根据式(3)，由曲线的斜率可以得到二极管品质因数A和饱和电流刻度Jo。D、薄膜电池的现状及未来趋势Fig.10、Fig.11分别是NREL对薄膜电池及其组件目前与未来的年产量估计。HistoricalandProjectedx-Si&ThinFilmModulesMadeintheUS(2004)020406080100120140160180199920002001200220032004200520062007AnnualUSSales(MW/yr)ThinFilmsx-SiFig.10：薄膜电池的年产量Fig.11美国各种薄膜电池组件年产量从上图可以看出，薄膜电池是未来的一种趋势。Table.2是各电池板制造商给出的模块效率及其比较。上表的第一列是市场上太阳能电池板的转换效率，第五列是市场效率/实验室最高效率的比值(c/c值)。从表可以看出不同的太阳能电池c/c值在46%到68%之间。我们认为随着技术发展，c/c值会达到一个比较合理的值：80％，从而可以预估未