晶体硅太阳电池（沈辉）（第二版）课件全套 第1-11章 太阳电池基础知识与应用-太阳电池IV测试

晶体硅太阳电池太阳电池基础知识与应用Basicknowledgeandapplicationofsolar

cellsPART

0101-太阳能概述Solar

Energy太阳是一个充满气体的热球内核：核聚变反应辐射辐射辐射辐射太阳能融化钢太阳能烘干太阳能照明现在广泛开采并使用的石油、天然气和煤炭等矿物燃料，也都是古老的太阳能资源的产物，那是由千百万年前动植物所吸收的太阳辐射能，经过长时期的沉积转换而成的。水能是由水位的高度差所形成的，因为受到太阳辐射的结果，地球表面（包括海洋）上的水分被加热而蒸发，形成雨云在高山地区降水后，由于“水往低处流”，就成为水能的主要来源。通常所谓的太阳能资源，不仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射能，而且还包括像水能、风能和海洋能等间接的太阳能资源，以及包括通过绿色植物的光合作用所固定下来的能量（生物质能）。1、什么是太阳能古代太阳能利用周代，我国人民即能利用凹面镜的聚光焦点向日取火，这是我国和世界上对太阳能的最早利用。《周礼·秋官司寇》说：“司烜氏掌以夫燧取明火于日”。2、我国阳光资源••我国阳光资源较为丰富，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h，年辐射量在5000MJ/m2以上。我国太阳能资源分布的主要特点太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30°～40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。太阳能辐射单位如何换算？MJ/m2、KWh/m23、全球太阳能资源简介全球强太阳辐射地区通常位于大陆西部的热带地区，而不是赤道附近。干旱或半干旱地区的太阳辐射要强于热带或赤道湿热地区。4、温室效应温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。Atmosphereof

EarthFromWikipedia,thefreeencyclopedia(RedirectedfromEarth's

atmosphere)TheatmosphereofEarthisthelayerofgases,commonlyknownasair,thatsurroundstheplanetEarthandisretainedbyEarth's

gravity.《难以忽视的真相》（英文：An

Inconvenient

Truth）是哥伦比亚广播公司、派拉蒙家庭视频公司等七家公司于2006年联合发行的一部环保纪录片。由戴维斯·古根海姆根据同名图书编导，美国前副总统阿尔·戈尔进行讲解。太阳常数：太阳常数指在日地平均距离(D=1.496x108km)上，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积每分钟接受的太阳辐射。5、太阳辐射光谱与大气质量太阳辐射光谱太阳常数：太阳常数指在日地平均距离(D=1.496x108km)上，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积每分钟接受的太阳辐射。LOREMIPSUM

DOLOR为了定量描述太阳能，将在太阳-地球间、地球大气层上方太阳的辐射强度定义为太阳能常数(数值为1353Ｗ/ｍ2)，将大气对地球表面接收太阳光的影响程度定义为大气质量(ＡＭ)。当大气压力Po=1.013Pa，天空无云时，海平面处的大气质量为1。在任何地点，大气质量的值可以从以下公式算出：大气质量=(P/Po)*(1/sinθ)，其中，P为当地的大气压力，以pa表示,Po

=1.013pa,θ为太阳高度角。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。大气质量（Air

Mass

，AM)“大气质量”描绘了太阳光到达地面前所需走过的路程与太阳处在头顶处时的路程的比例，也等于Y/X。大气质量（Air

Mass

，AM)1cos

h

s

2AM

1

太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了方便不同时间和不同地点时太阳能电池的数据比较，人们定义了地球大气层外和地球表面的光谱和功率强度的标准值。AM=1/cosθ，当θ=0.482时，大气质量为AM

1.5，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射总量为1kW/m2，常用于太阳能电池和组件效率测试时的标准。大气质量（Air

Mass

，AM)地球表面的标准光谱称为AM1.5G（G代表总的辐射，包括直接的和分散的辐射）或者AM1.5D（只包含直接的辐射）。AM1.5D的辐射强度近似于减少28%能量后的AM0光谱的光谱强度（18%被吸收，10%被散射）。总的光谱辐射强度要比直射的光谱强度高10%。从上面的计算可得AM1.5G的值近似为970W/m2。然而，由于整数计算比较方便以及入射太阳光存在固有的变化，人们规范了标准的AM1.5G光谱值为1KW/m2。大气质量（Air

Mass

，AM)ID

1.353

0.7

AM

0.678IG

1.1

ID式中ID为垂直平面的太阳光线的功率强度，单位KW/m2。AM为大气质量。数值1.353KW/m2为太阳常数，而数字0.7则源于入射到大气层中的辐射大概有70%能到达地球。请总结太阳能资源的优缺点课堂问答•••aic

effect：光生伏光照射时产生电动势6、光电效应与光伏效应光电效应，photoelctric

effect：电磁辐射照射到物体上并使其发射电子的现象。光电效应现象-实验光电效应（伦琴射线照射金属）光生伏特效应，Photovolt特效应是指半导体在受到的现象。光电效应电子对光的吸收临界频率光子能量高逸出光子能量低无逸出电子获得能量后逸出物理表面自由粒子外光电效应电子脱离原子核束缚自由电子内光电效应光伏效应光电导效应两种可能两个过程

E

hc

h

光伏是一种当半导体受到光子辐照时，可以从半导体产生直流电（DC）的发电技术。只要光照射到太阳电池上，它就能产生电能。当光照停止后，发电也停止。太阳电池从来不像蓄电池一样需要充电。有些太阳电池在地球上或在太空中已经连续工作超过30年。7、什么是光伏？光电材料02-光伏发展历史DevelopmentHistoryof

Photovoltaic1839年发现液体光伏效应1905年爱因斯坦光电效应光伏阵列用于卫星1958年1877年第一片硒太阳电池1954年贝尔实验室，第一块硅太阳电池，效率4.5%1959年晶体硅太阳电池产业化1963年生产出民用晶体硅光伏组件1970年太阳电池实现规模民用1985年1999年光伏装机达1000MW中国光伏行业“领跑新南威尔士大学研究团队，电池效率〉者计划”：单晶组件效率17%以上、多晶组件效率16.5%以上20%2015年贝克勒尔家族：四代五个物理学家贝克勒尔效应In1839,atage19,experimentinginhisfather'slaboratory,Becquerelcreatedtheworld'sfirstphotovoltaiccell.Inthisexperiment,silverchlorideorsilverbromidewasusedtocoattheplatinumelectrodes;oncetheelectrodeswereilluminated,voltageandcurrentweregenerated.Becauseofthiswork,thephotovoltaiceffecthasalsobeenknownasthe

"Becquerel

e埃f德fe蒙ct·".贝克勒尔19岁时，在其父亲AntoineCésar

Becquerel的实验室工作，用各种不同光源（包括阳光）照射浸入硫酸溶液中的铂金电极，发现了光伏效应。贝克勒尔效应1839年，A.E.贝克勒尔将氯化银放在酸性溶液中，用两片浸入电解质溶液的金属（铂）作为电极，见下图。贝克勒尔发现，如果有阳光照射时，两个电极间会产生额外的电压。这不就是‘光’转换成了‘电’吗？贝克勒尔将此现象称为光生伏特效应，这是历史上最早被发现的半导体的第二个特征。贝克勒尔发现的是液体中的光生伏特效应，也被称为贝克勒尔效应。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下导电性增加，这是半导体又一个与光照有关的特性：光电导效应。1883年，亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应，并制成了第一个“硒光电池”赫兹家族普朗克与爱因斯坦1879年3月14日-1955年4月18日1858年4月23日-1947年10月4日贝尔实验室约翰·巴丁、威廉·肖克利、沃尔特·布拉顿在贝尔实验室贝尔实验室制成的第一批太阳能电池光伏效应实验当研究在铜表面生长氧化亚铜层的光电导效应时，研究者发现了铜-氧化亚铜交界处的整流效应。这一结果引领了大面积整流器的发展，紧接着又促进了大面积光电池的发展。你认为光伏发展历史可如何划分阶段课堂问答光伏领跑者计划什么是光伏领跑者计划？“光伏领跑者计划”是国家能源局拟从2015

年开始，之后每年都实行的光伏扶持专项计划，在“领跑者”计划中所采用技术和使用的组件都是行业技术绝对领先的技术和产品，来建设拥有先进技术的光伏发电示范基地、新技术应用示范工程等方式实施。光伏领跑者分为应用领跑基地和技术领跑基地两大类。加入光伏领跑者计划有什么优势？1、国家部分用电项目将优先采用“领跑者”先进技术产品。如解决无电人口用电、偏远地区缺电问题和光伏扶贫等公益性项目、国家援外项目、国家和各级能源主管部门组织实施的各类光伏发电应用示范项目、各级地方政府使用财政资金支持的光伏发电项目以及在各级政府机构建筑设施上安装的光伏发电项目等。2、政府将在关键设备、技术上给予“光伏领跑者”计划项目市场支持。3、各级地方政府使用财政资金支持的光伏发电项目，应采用“领跑者”先进技术产品指标。4、就整个光伏产业而言，随着一些“领跑企业”成为业内标竿，将带动产业内的其它企业提升产品质量和转换效率，从而推动整个行业的良性竞争与发展。光伏领跑者计划2015第一批领跑者项目光伏组件的技术指标2017第三批领跑者项目光伏组件的技术指标晶体硅太阳能电池产业技术现状与趋势2016年1月2018年5月晶体硅太阳能电池产业技术现状与趋势2016年1月2018年5月03-太阳电池的种类与参数Typesandparametersofsolar

cells晶体硅太阳电池：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池125

R165 156

R200 二栅

156R200

三栅多晶

156

三栅晶体硅太阳电池：125/156晶体硅太阳电池：彩色太阳能电池晶体硅太阳电池：彩色太阳能电池/世博园中国馆晶体-非晶-纳米晶结构非晶硅太阳电池/组件非晶硅薄膜是采用溅射镀膜或是化学气相沉积方式，在玻璃、陶瓷、塑胶或不锈钢基板上所生成的一种薄膜。非晶硅电池可以制备出各种轻便，具有柔性、抗辐射等各种发电产品，可广泛应用于便携式电源及空间电源领域。非晶硅（amorphoussilicon,a-Si）可沉积在柔性衬底上，非晶硅柔性电池具有轻、薄，可卷曲等特点，其厚度是晶体硅电池的1/300，在降低原材料成本方面具有巨大的优势。有研究表明，在同样标称功率的情况下非晶硅薄膜电池组件的发电比晶体硅电池组件多发电10-30%。这主要得益于非晶硅具有较高的光吸收系数和较低的温度系数。非晶硅/晶体硅光伏组件发电量对比统计带状硅太阳能电池EFG(EdgeDefinedFilm-fed

Growth)定边喂膜生长法技术，用激光枪把硅管从中切开，硅管可以像纸一样展开。再用印刷技术制备大面积的太阳能电池(EFG)碲化镉太阳能电池/组件目前全世界最大碲化镉薄膜光伏电站CdTe（碲化镉）属于II-VI族化合物半导体材料，具备直接带隙，其带隙宽度为1.45eV，此外还具有很高的光吸收系数（＞5×105cm-1）。理想太阳电池转换效率与带隙宽度关系的计算表明CdTe的光谱响应与太阳光谱非常匹配。这意味着仅2μm厚的CdTe薄膜就已足够吸收AM1.5条件下99%的太阳光。2000-2011年各类薄膜电池占全球光伏电池总产量的比重铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池/组件CIGS是一种Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半导体材料。由于它对可见光的吸收系数非常高，所以是制作薄膜太阳电池的优良材料。汉能美国子公司GSE铜铟镓硒技术介绍砷化镓太阳能电池/组件GaAs（砷化镓）III-V薄膜电池因其具有较高的转换效率和高的抗辐射性能，是非常理想的太阳能电池材料而受到人们的普遍重视。汉能美国子公司Alta

Devices全球最高转化率砷化镓技术介绍燃料敏化太阳能电池/组件

化学法制备太阳电池

柔性太阳电池制备04-硅的性质及其应用Propertiesandapplicationsof

silicon硅物质类别：非金属单质，分为晶体和无定型两种物理性质：有金属光泽、灰黑色固体、熔点高、硬度大、有脆性、半导体化学性质：常温不活泼硅的化合物硅的应用硅的各种化合物太阳光采集及光纤传输照明技术光伏产业中的硅能带理论能带理论是现代固体电子技术的理论基础。晶体中电子的运动规律可以用能带理论来研究。它的出现是量子力学与量子统计在固体中的应用的最直接、最重要的结果。能带论的基本出发点是认为固体中的电子不再是完全被束缚在某个原子周围，而是可以在整个固体中运动的，称之为共有化电子。但电子在运动过程中并也不像自由电子那样，完全不受任何力的作用，电子在运动过程中受到晶格原子势场的作用。自由电子（free

electron）：在化学中是指在分子中与某个特定原子或共价键无关的电子。自由电子就是指不被约束在某一个原子内部的电子。金属中、半导体中的自由电荷及绝缘体中的微量自由电荷都属于自由电子。自由电子的多寡会影响物质的导电性和导热性，自由电子愈多，导电的能力愈强。大部分的金属都有相当数量的自由电子，非金属则相反。能带理论硅晶体结构每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面体结构。这四个原子分别在正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角）109°28′。能带理论世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。容易导电的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电的物体称为绝缘体，常见的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，主要有锗、硅、砷化镓、硫化镉等等。导电的原因：物体中存在自由电子。在外电场作用下，自由电子可以发生定向运动而形成电流。自由电子（free

electron）：在化学中是指在分子中与某个特定原子或共价键无关的电子。自由电子就是指不被约束在某一个原子内部的电子。金属中、半导体中的自由电荷及绝缘体中的微量自由电荷都属于自由电子。自由电子的多寡会影响物质的导电性和导热性，自由电子愈多，导电的能力愈强。大部分的金属都有相当数量的自由电子，非金属则相反。能带理论请用能带理论来解释导体、半导体、绝缘体的导电性课堂问答能带理论Fillingoftheelectronicstatesinvarioustypesofmaterialsatequilibrium.Here,heightisenergywhilewidthisthedensityofavailablestatesforacertainenergyinthemateriallisted.TheshadefollowstheFermi–Diracdistribution(black=allstatesfilled,white=nostatefilled).InmetalsandsemimetalstheFermilevelEFliesinsideatleastoneband.IninsulatorsandsemiconductorstheFermilevelisinsideabandgap;however,insemiconductorsthebandsarenearenoughtotheFermileveltobethermallypopulatedwithelectronsor

holes.能带理论能力和导电到到300

℃，具有正的温微量的不同类型杂质（简称掺杂）能显著的改变半导体的导电掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从

2.14×103Ω⋅m

减小。变化也能改变半导体材料的导电性能。锗的温度从200℃

升高一半左右。半导体的电阻率具有负的温度系数，金属的电阻率的导电能力还会随光照、电场、磁场、压力和气氛的作用而发生变化掺杂特性：掺入类型。在纯硅中0.004Ω⋅m左右温度特性：温度电阻率就要降低度系数。环境特性：半导体（称为光电导现象）。对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是：禁带宽度、能参与导电的自由载流子的数目、当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复合。假设用可见光照射在一块本征硅上，硅的电阻率是否会发生变化？课堂问答05-晶体硅生产工艺与流程Processforproducingcrystalline

silicon晶体与非晶体单、多晶硅片少子寿命对比铸锭单晶：利用单晶硅为籽晶，通过铸锭炉生长的铸造单晶，制备的电池效率较单晶低0.3%以内，具有较高的组件CTM；性价比高于单晶。晶体硅生产流程从沙子到硅从沙子中提炼硅（实验）德国瓦克多晶硅生产视频改良西门子法西门子法开环闭环多晶硅生产流程项目太阳能级硅多晶等级电子级硅多晶等级1级品2级品3级品1级品2级品3级品N型电阻率，Ω·cm≥50≥10≥10≥300≥200≥100P型电阻率，Ω·cm≥500≥100≥10≥3000≥2000≥1000氧浓度，at/cm3≤1.0×1017≤1.0×1017≤5.0×1017碳浓度，at/cm3≤2.5×1016≤5.0×1016≤5.0×1016≤1.5×1016≤2×1016≤2×1016N型少数载流子寿命，μs≥100≥50≥10≥500≥300≥100多晶硅产品国家标准SiH4（电子级）Si（电子级）H2加热、气相沉积硅烷法STC+H2硅（太级）TCSSiH4+硅粉综合电耗14度 多晶/kg 阳能硅烷法（FBR）冶金硅硅锭水平单向区熔去除外表金属杂质聚集粗粉碎、清洗等离子体溶解炉去除硼杂质二次水平单向区熔硅锭再次去除外表金属杂质聚集电子束炉去除磷、碳杂质粗粉碎、清洗太阳能级硅综合电耗22度/kg冶金法备硅烷工艺 制备电子级高纯硅工艺 多晶硅S

歧化法

CVD

法

电子级高端，N-型电化铝钠法 FBR

法

电子级低端，N-型电无产能

TCS

西门子

CVD

法

电子级高纯，N-型电无产能

TCS

西门子

CVD

法

电子级高纯，N-型电产能

TCS

西门子

CVD

法

电子级高纯，N-型电厂商制产品等级美国

RECTC阻率﹥3000美国

MEMC氢阻率

500

左右美国

Hemlock阻率＜3000德国

Wacker阻率＜3000日本德山无阻率＜3000多晶硅企业生产工艺汇总请问如果要实现平价上网，在晶体硅制造环节有哪些改进措施？课堂问答定向凝固法/DSS铸锭多晶硅生产直拉单晶硅生产区熔单晶硅生产06-硅片生产Loremipsumdolorsitamet,consecteturadipisicing

elit.金刚线切片技术：成本下降是最强的驱动力硅片加工技术金刚线切片技术金刚线切片技术金刚线切片技术两种金刚线结构：电镀金刚线与树脂金刚线利用电镀或树脂粘结的方法将高硬度高耐磨性的金刚石砂粒牢固的粘结在钢线基线上金刚线切片技术金刚线切割与砂浆切割硅片的表面形貌对比砂浆切割：表面粗糙，没有硅片的切割方向锯痕痕迹；碳化硅摩擦硅片距离较短，产生随机的凸凹；金刚线切割：表面相对平滑，可见由于金刚线的摩擦产生平行的沟槽；沟槽中有不规则金刚石摩擦产生的沿着沟槽方向的凸凹坑；金刚线切片技术短时间内，两种硅表面差异比较明显。更长的时间后，腐蚀长时间金字塔尺寸将变得相同腐蚀时间增加金刚线切片技术金刚线切片技术单晶硅片生产多晶硅片生产“直接法硅片”技术突破能源革命即将到来对比传统切片技术，1366科技首席执行官弗兰克•范•米尔洛指出：“直接硅片法突破性的进展在于消除切片过程，这点是最本质的区别。毋容置疑的是传统的切片工艺是在不断地进步，但是我们更加大胆创新，直接删除了这一过程。通过舍弃这一传统过程，我们成功将成本降低了50%。”直接法硅片技术如图所示，蓝色的线就是多晶金刚线切割所达到的成本极限，1366科技认为，当产量达到3GW时采用直接法硅片技术，硅成本可达＄0.158／片，当产量达到7GW时，硅成本达到＄0.099／片。直接法硅片技术为延续多晶的市场主导地位提供了一种成本极低的选择。直接法硅片技术直接法硅片技术直接法硅片的技术优势：1）漂移电场对少子更有效的利用2）通过局部温度控制实现硅片3D生长，通过局部温度控制决定生长厚度,在硅片内部行成3D结构，从而实现电池产线可接受的薄片化。3）优异的柔性，可以使用更薄的玻璃封装，进一步降低成，提高良率，减少碎片直接法硅片技术07-光伏发电原理Photovoltaicgeneration

principle.光伏产业与应用光伏效应光生伏特效应是指光子入射到半导体的

p-n

结后，从

p-n

结的二端电极产生可输出功率的电压伏特值。这一过程包括①光子入射到半导体内产生电子-空穴对，②电子和空穴因半导体

p-n

结形成的内建电场作用而分离，③电子和空穴往相反的方向各自传输至二端电极来输出。所以，光生伏特效应一般是和

p-n

结的特征有关。以硅晶体为例，n-型硅是指加入V族元素(如磷)作为施主(donor)，提供导带电子。p-型硅则是指加入III族元素(如硼)作为受主(acceptor)，提供价带空穴。如此半导体便可以有四种带电荷的粒子：带负电荷的电子，带正电荷的空穴，带负电荷的受主离子，和带正电荷的施主离子。前二者是可动的，而后二者是不可动的。光伏效应哪四种带电荷的粒子？光伏效应-PN结形成未接触前

，

n

-

型和 p

-

型半导体都是维持各自的电中性 (charge

neutrality)，也就是说，n-型半导体中，施主离子所带正电荷，约等于电子(n-型之多子)

所带负电荷。p-型半导体中，受主离子所带负电荷，约等于空穴(p-型之多子)

所带正电荷。一旦

n-型和

p-型半导体接触，则形成

p-n

结区

(junction)。在结区附近，电子会从浓度高的

n-型区扩散至浓度低的

p-型区，相对地，空穴会从浓度高的

p-型区扩散至浓度低的

n-型区。这样，在结附近的区域，电中性便会被打破。光伏效应n-型区在结附近会有受主负离子负电荷区就总称和受主负离子都形成一个内建n-型区指向 p-型-PN结会有施主正离子裸露而产生正电荷区，而

p-型区在结附近裸露而产生负电荷区。n-型产生的正电荷区和

p-型产生的为空间电荷区

(space

charge

region)。因为施主正离子固定于晶格中，因此

n-型正电荷区和

p-型负电荷区就会(built-in)

电场，这个空间电荷区的内建电场的方向是从区。如果入射光子在空间电荷区被吸收产生电子-空穴对，电子会因为内建电场的影响而向

n-型区漂移

(drift)，相对地，空穴会因为内建电场的影响而向

p-型区漂移。也就是说，入射光子在空间电荷区被吸收产生电子和空穴，因为内建电场的作用而产生从

n-型区向

p-型区的漂移电流，就是所谓的光电流(photocurrent)。光生伏特效应中的光电流，是从

n-型区流向

p-型区，对

p-n

二极管而言，这刚好是反向偏压

(reverse

bias)

的电流方向。光伏效应-光电流的产生光伏效应-光电流形成的物理机制当然，入射光并不只有在空间电荷区内被吸收才会产生光电流。光子在

p-

n二极管的其它区域中被吸收，就是所谓的准电中性

(quasi-neutral)

区域，也能贡献光电流。只是准电中性区的光电流是扩散电流，而不是漂移电流，这种扩散电流是由少数载流子决定的，多数载流子并不参与。也就是说，n-型准电中性区域的少数载流子空穴，其在接近空间电荷区的地方会趋向到

p-型区而浓度降低，形成浓度梯度，因此

n-型准电中性区域内的空穴就会形成往

p-型区方向的扩散电流。同理，p-型准电中性区域的少数载流子电子，其在接近空间电荷区的地方会趋向

n-型区而浓度降低，因此

p-型准电中性区域内的电子就会形成往

n-型区方向的扩散电流。所以，p-n

二极管的光生伏特效应中的光电流，主要来自于三个物理机制：

空间电荷区内电子和空穴的漂移电流，

n-型准电中性区域少数载流子空穴的扩散电流，和

p-型准电中性区域的少数载流子电子的扩散电流。光伏效应-开路与短路在光生伏特效应中，p-n

结的空间电荷区的内建电场的作用，就是使入射光子被吸收产生电子-空穴对，在复合

(recombination)

前被分开，产生光电流。光电流再经由

p-n

二极管的金属接触

(metal

contact)

传输至负载，这就是光生伏特电池(photovoltaic

cell或PV

cell)

的基本工作原理。如果将光照的p-n二极管二端的金属接触用金属线直接连接，就是所谓的短路(short

circuit)，金属线的短路电流

(short-circuit

current)

就等于光电流。若光照的p-n二极管二端的金属不相连，就是所谓的开路

(open

circuit)，则光电流会在

p-型区累积额外的空穴，n-型区累积额外的电子，造成

p-端金属接触较n-端金属接触有一较高的电位势，也就是开路电压

(open-circuit

voltage)，这个开路电压也被称为光电压(photovoltage)，也是光生伏特

(photovoltaics)

这一词的由来。光伏效应-太阳电池工作的三个必要条件1、入射光子被吸收产生电子-空穴对。对

p-n

半导体二极管而言，入射光子被吸收产生电子-空穴对取决于导带和价带间的带间光吸收系数

(interband

absorption

coefficient)2、电子-空穴对在复合前被分开。空间电荷区内施主正离子和受主负离子形成的内建电场，是提供电子-空穴对分开的物理条件。3、分开的电子和空穴传输至负载。半导体的金属接触则将分开的电子和空穴传输至负载。请尝试制作关于光伏效应的知识图谱课堂练习08-太阳电池结构Solarcell

structure太阳电池的基本结构在不同的材料和制造工艺程序下，会产生不同结构的太阳电池。但归纳而言，太阳电池最基本的结构可分为基板、p-n

二极管、抗反射层、和金属电极四个主要部分。基板(substrate)

是太阳电池的主体；p-n二极管是光生伏特效应的来源；抗反射层乃在减少入射光的反射来增强光电流；金属电极则是连接器件和外部负载。太阳电池的基本结构-基板1、硅片 (wafer) 当基板，硅片本身就是光生伏特的作用区。通常使用扩散 (diffusion)工艺技术，在

p-型硅片上进行

n-型扩散，或在

n-型硅片上进行

p-型扩散，形成

p-n

二极管。工业界使用的太阳电池硅片，大都是

p-型。当然硅片的制造，不一定非由切割不可，也有其它特殊的方式，如

ribbon

或

sheet

制造方式。2、使用玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板，非晶或多晶薄膜光生伏特器件则沉积在基板上，基板本身并不参与光生伏特作用。在薄膜太阳电池制造上，可使用各式各样的沉积技术，一层又一层地把

p-

型或

n-

型材料沉积上去。常见的薄膜太阳电池有非晶硅、CuInSe2

(CIS)

、

CuInGaSe2

(CIGS)

、和

CdTe

薄膜。随着薄膜技术的发展，microcrystalline，甚至

nanocrytalline

硅薄膜也被研究开发。薄膜太阳电池最大优点就是生产成本较低，但其效率和稳定性较差。太阳电池的基本结构-基板3、III-V

族

(如

GaAs、InP、GaN)

太阳电池，则是使用不同的外延（epitaxy） 技术，如metal-organicchemicalvapordeposition(MOCVD)，或molecularbeam

epitaxy(MBE)

方法，将

p-型和

n-型晶体直接长在芯片基板上，而基板本身通常也不参与光生伏特作用。这样的

epitaxy

方式生长晶体的优点，使得电池结构多样化，例如：异质结、多结、量子井、量子点、和超晶格等结构。正因如此，III-V

族太阳电池通常具有较高的效率，但其生产成本也相对的偏高。太阳电池的基本结构-减反射结构太阳电池的光照面一般都会有抗反射层或

texture

结构，来减少入射阳光的反射。如果没有的话，入射阳光会有约

30%

的反射损失，这对太阳电池而言是相当严重的。晶硅太阳电池一般是使用氮化硅

(SiN)

来形成抗反射层，它不仅能有效地减少入射光的反射，而且还有钝化（passivation）的作用，甚至能保护太阳电池，有防刮伤、防湿气等功能。除了使用抗反射层外，一般单晶硅太阳能电池，其光照的表面都会先经过

texture 处理，来更进一步地减少入射阳光的反射。这个

texture

处理，会在表面形成大小不等的金字塔(pyramid)

结构，

让入射光至少要经过芯片表面的二次反射，因此就大大地降低了入射光经过第一次反射就折回的几率。需要注意的是，因

texture

金字塔的大小约几个μm，

而一般

n-型扩散的深度只有

0.5μm左右，所以

p-n

二极管实际上是形成于texture

金字塔的表面。太阳电池的基本结构-减反射结构太阳电池的基本结构-金属电极太阳电池需要金属电极来连接外部的电路。通常，光入射的表面有二条平行条状金属电极field (BSF)(finger)。来提供外界连接的焊接处。背表面通常会全部涂上一层所谓的back surface金属层，在光入射的表面，会从条状金属电极，伸展出一列很细的金属手指BSF

金属层可以增加载流子的收集，还可回收没有被吸收的光子。金属finger的设计，除了要能有效地收集载流子，而且要尽量减少金属线遮蔽入射光的比例

，因光照面的金属线通常会遮蔽

3~5%

的入射光。太阳电池金属电极用的材料通常是铝和其它金属的合金，但在薄膜太阳电池中，为了实现一体成型(monolithically)的要求，上层金属电极则会使用透明导电的氧化物transparent

conducting

oxide

(TCO)。请在下列太阳能电池结构示意图中找出“四部分”课堂练习太阳电池结构示意N型电池结构示意PERL电池结构示意澳大利亚新南威尔士大学研发钝化发射区和背面局部扩散（PERL）单晶硅电池

＝24.7%IBC电池结构示意非晶硅电池结构示意CIGS电池结构示意HIT电池结构示意09-光吸收Photon

Absorption光吸收系数-The

absorption

coefficient光在介质中传播时，光的强度随传播距离(穿透深度)而衰减的现象称为光的吸收。光的吸收遵循吸收定律（比尔-朗伯定律）。吸收系数是比尔-朗伯定律（Beer–Lambert

law）中的一个常数，符号位α，被称为介质对该单色光的吸收系数。用透射法测定光在介质中传播的衰减情况时，发现介质中光的衰减率与光的强度成正比，引入比例系数得：dxdI

I

xI

I

e0对上式积分反映出吸收系数α的物理含义是：当光在介质中传播1/α距离时，其能量减弱到原来的1/e。光吸收系数不同半导体材料的光吸收系数与波长的关系曲线硅锗磷化铟砷化镓吸收系数决定着一个给定波长的光子在被吸收之前能在材料走多远的距离。如果某种材料的吸收系数很低，那么光将很少被吸收，并且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透明的。吸收系数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。在半导体的吸收系数曲线图中出现了一个很清晰的边缘，这是因为能量低于禁带宽度的光没有足够的能量把电子从价带转移到导带。因此，光线也就没被吸收了。光吸收系数一个光子被吸收的概率还取决于这个光子与电子作用（即把电子从价带转移到导带）的可能性。对于一个能量大小非常接近于禁带宽度的光子来说，其吸收的概率是相对较低的，因为只有处在价带边缘的电子才能与之作用并被吸收。当光子的能量增大时，能够与之相互作用并吸收光子的电子数目也会增大。然而，对于光伏应用来说，比禁带宽度多出的那部分光子能量是没有实际作用的，因为运动到导带后的电子又很快因为热作用回到导带的边缘。光吸收系数硅锗磷化铟砷化镓Eph<EGPhotonswithenergyEphlessthanthebandgapenergyEGinteractonlyweaklywiththesemiconductor,passingthroughitasifitweretransparent.Eph<Eg

光子能量Eph小于禁带宽度Eg，光子与半导体的相互作用很弱，只是穿过，似乎半导体是透明的一样。材料的光吸收

光不被吸收会怎么样？Eph>EGPhotonswithenergymuchgreaterthanthebandgaparestronglyabsorbed.Eph>Eg 光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。材料的光吸收Eph=EGhavejustenoughenergytocreateanelectronholepairandareefficiently

absorbed.Eph=Eg 光子的能量刚刚好足够激发出一个电子-空穴对，能量被完全吸收。材料的光吸收吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被完全吸收之前进入半导体的深度的不同。吸收深度，它与吸收系数成反比例关系，即为α-1。吸收深度它显示了在光在其能量下降到最初强度的大概36%（或者说1/e）的时候在材料中的深度。因为高能量光子的吸收系数很大，所以它在距离表面很短的深度就被吸收了（例如硅太阳能电池就在几微米以内），而红光在这种距离的吸收就很弱。即使是在几微米之后，也不是所有的红光都能被硅吸收。吸收深度=α-1吸收深度=α-1波长小于400nm的光在厚度0.01um的硅中，就被全部吸收；波长大于1000nm的光在175um的硅中没有被完全吸收；50100150200250300Wavelength1umSiliconThickness

175umPenetrationDepth

(

m)0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

m

吸收概率（Collection

Probability）“吸收概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被p-n结收集并参与到电流流动的概率，它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。在耗散区的所有光生载流子的吸收概率都是相同的，因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的区域，其吸收概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的吸收概率是相当低的。相应的，如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合。吸收概率（Collection

Probability）吸收概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。回忆光电流来源的三个物理机制收集概率很低。强钝化的太阳能电池弱钝化的太阳能电池低扩散长度的太阳能电池在高复合率的情况下，其表面的对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝线代表基区的扩散长度参考新南威尔士课件Recombination

Losses部分光谱响应SR光谱响应指光阴极量子效率与入射波长之间的关系。表示太阳能电池对不同波长入射光能转换成电能的能力，其单位为安培/瓦(Amp/Watt)。太阳能电池并不能把任何一种光都同样地转换成电。由于光的颜色（波长）不同，转变为电的比例也不同，这种特性称为光谱响应特性。光谱响应特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳电池，测量此时电池的短路电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量以得到在各个波长下的短路电流，即反映了电池的光谱响应特性。光谱响应SR因为任何材料的折射率

n(λ)

和光吸收系数α(λ)

都是波长的函数，因此入射光中不同的波长对光电流就有不同的贡献。公式：λ-波长nm，h-普朗克常数，c-光速，e-电荷。

e

QE

R

hc

R

1240W

nm

/

A

光谱响应SR而光谱响应(spectral

response)Sr

(λ)

的定义，通常只是用来描述

p-n

二极管对不同波长的光电流贡献，因此必须除去入射光的光子强度 (λ)

和其反射系数

R(λ)的效应。和来表示。其中

hν代表光子的能量。

in

适用于晶体硅电池光谱响应SR式中：η-量子效率，q-电子电量，f-入射光频率，h-普朗克常数。hc简化公式：SR

光谱响应

q

QE

量子效率

hf 1.23985

m

W/A

R

q

m

量子效率QE（Quantum

efficiency）所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例。外量子效率(External

Quantum

Efficiency,

EQE)，太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表面的一定能量的光子数目之比。内量子效率(Internal

Quantum

Efficiency,

IQE)，太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表面的没有被太阳能电池反射回去的，没有透射过太阳能电池的，一定能量的光子数目之比。量子效率QE（Quantum

efficiency）对于一定的波长的光，假设太阳能电池能完全吸收了所有的光子，并搜集到由此产生的少数载流子，那么太阳能电池在此波长的量子效率为1；对于能量低于能带隙的光子，太阳能电池的量子效率为0；理想的量子效率是一个正方形，也就是说，对于测试的各个波长的太阳能电池量子效率是一个常数。量子效率QE（Quantum

efficiency）在175um厚度电池中，波长小于1000nm的光基本没有透射，IQE和EQE

的差别反映的是前表面减反射膜和硅表面陷光结构状况差异；波长大于1000nm的光有透射，IQE和EQE

的差别反映的是前表面减反射膜，硅表面陷光结构状况，电池背表面的钝化情况差异。量子效率QE影响因素电池表面钝化情况会影响靠近表面的载流子的生成，而蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以电池表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分的量子效率。同理，绿光在电池体内被吸收，但是过低的扩散长度将影响吸收概率并减小绿光的量子效率。硅太阳能电池中，“外部量子效率”包括光的损失，如透射和反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下的光的量子效率还是非常有用的。“内部量子效率”指的是那些没有被反射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。通过测量电池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。LOREMIPSUM

DOLOR总量子效率的减小是由反射效应和过短的扩散长度引起的。理想量子效率曲线能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。量子效率前端表面复合导致蓝光响应的减小。红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度10-太阳电池电路模型CircuitModelofSolar

Cells开路电压与短路电流一个太阳电池没有光照时，它的特性就是一个

p-n 结二极管。而一个理想的二极管其电流-电压关系可表为sTV

/VI

I

e

1

其中

I

代表电流，

V

代表电压，Is是饱和电流(saturation

current)

，VT

KBT/

q0其中kB代表

Boltzmann

常数，

q0

是单位电量，

T

是温度。在室温下，

VT=0.026V

。需注意的是，p-n

二极管电流的方向是定义在器件内从

p型流向

n型，而电压的正负值，则是定义为

p

型端电势减去

n

型端电势。因此若遵循此定义，太阳电池工作时，其电压值为正，电流值为负，I-V

曲线在第四象限。开路电压与短路电流当太阳电池受到光照时，p-n

二极管内就会有光电流。因为

p-n

结的内建电场方向是从

n

型指向

p

型，光子被吸收产生的电子-空穴对，电子会往

n

型端跑，而空穴会往

p

型端跑，则电子和空穴二者形成的光电流会由

n

型流到p

型。一般二极管的正电流方向是定义为由

p

型流到

n

型。这样，相对于理想二极管，太阳电池光照时产生的光电流乃一负向电流。而太阳电池的电流-电压关系就是理想二极管加上一个负向的光电流

IL

，其大小为：s LTI

I

e

1

IV

/V没有光照的情况，

IL

=0

，太阳电池就是一个普通的二极管。太阳电池短路

(short

circuit)

时，也就是V

=

0

，其短路电流

(short-circuit

current)则为

Isc=

-IL

。也就是说当太阳电池短路，短路电流就是入射光产生的光电流

。太阳电池开路

(open

circuit)

时，也就是

I=

0

，其开路电压(open-circuit

voltage)

则为：开路电压与短路电流s LTI

I

e

1

IV

/V

1

s

oc

TI

IL

V

V

In由前面的公式来看，太阳电池的开路电压是由光电流与饱和电流来决定。从半导体物理的观点，开路电压就等于空间电荷区中电子和空穴间的Fermi能差。而电子和空穴间的Fermi

能差就是由载流子产生率与复合率来决定。至于理想

p-n

二极管的饱和电流，则可以用上式来表达。其中

q0

代表单位电量，

ni代表半导体的

intrinsic

载流子浓度，

ND和

NA

各代表施主和受主的浓度，

Dn

和

Dp

各代表电子和空穴的扩散系数，τ

n

和τ

p各代表电子和空穴的复合时间。上面的表达式是假设

n-型区和

p-型区都很宽的情况。一般使用

p-型基板的太阳电池，n-型区都非常浅，上面的表达式是须要修改的。饱和电流

D P A n

N

N

1 DP

1

Dn

2J

s

q0

ni前面我们提到，当光照太阳电池时产生光电流，而光电流就是太阳电池电流-电压关系中的闭路电流，这里我们就光电流的由来，做一简单叙述。载流子在单位时间单位体积中的产生率(单位

m-3s-1)

是由光吸收系数来决定，也就是上式。其中α

代表光吸收系数，

ϕinc

是入射光子强度

(或称为光子流量密度)，

R

指反射系数，因此ϕinc

(1-

R)

代表没有被反射的入射光子强度。而产生光电流的主要三个机制为：少数载流子电子在

p-型区的扩散电流、少数载流子空穴在

n-型区的扩散电流、电子和空穴在空间电荷区的漂移电流。因此光电流约可表达为：其中

Ln

和

Lp

各代表

p-型区电子和

n-型区空穴的扩散长度，

W

是空间电荷区的宽度。饱和电流g

x

1

R

e

xL incJ

q g

L

L

W

J

L

Jn

Jp sc

0

L

n

p归纳这些结果，可得到开路电压的简单表达式：其中

rrec代表电子-空穴对的单位体积的复合率。当然这是很自然的结果，因为开路电压就等于空间电荷区中电子和空穴间的

Fermi

能差，而电子和空穴间的Fermi

能差就是由载流子产生率与复合率来决定。开路电压

VT

In

IL

/

Is

1

VT

In

gL

/

rrec

1

Voc太阳电池输出的功率就是电流和电压的乘积：很明显，太阳电池输出的功率并非是个固定值，它在某个电流-电压工作点达到最大值，而这最大输出功率

Pmax

，则可由dP

/dV

=

0来决定。我们可以推导得出最大输出功率

Pmax时的输出电压为：Pmax=IPmax×VPmax太阳电池输出功率s LTP

IV

I

e

1

I

VV

/V

T

P

maxTIL/Is

1

V

InVP

maxTsVVP

maxP

maxeVP

max

/VT

I

IV /V

1太阳电池的效率

(efficiency)

就是指太阳电池将入射光的功率

Pin

转换成最大输出电功率的比例；一般的太阳电池的效率测量，都是使用

Pin

=1000

W

/m2

的类似太阳光的灯光光源。太阳电池效率

PmaxPin论描述，这是因为光生伏特器件本身esistance)。避免的都会有或多或少的电阻，它由理想

p-n

二极管的其它电流的通如器件中的产生-

复合(gener

ation

-流，器件的边缘隔离

(edge

isolation)太阳电池的电流-电压关系并没有完全地遵循上述的理存在所谓的串联电阻(series

resistance)

和分流电阻(shunt

r对于任何半导体材料，或是半导体与金属的接触，不可们就会形成光生伏特器件的串联电阻。另一方面，光生伏特器件的正负电极间，存在任何非经道，

都会造成所谓的漏电流(

leakage current)

，例recombination)

电流，表面复合

(surface

recombination)电不完全，和金属接触穿透

p-n

结。串联电阻与分流电阻通常，我们用分流电阻

(shunt

resistance)

来定义太阳电池的漏电流大小，也就是

Rsh≡

V

/Ileak。分流电阻越大，就表示漏电流越小。如果考虑串联电阻Rs 和分流电阻

Rsh ，太阳电池的电流-电压关系则可写成：串联电阻与分流电阻LshsRs TI

I

e

1

V

IRs

I

V

IR

/V我们还可以只用一个参数，就是所谓的填充因子

(fill

factor)，来同时概括串联电阻与分流电阻这两个效应。定义为：很明显，如果没有串联电阻，且分流电阻无穷大

(没有漏电流)

时，填充因子最大。任何串联电阻的增加或分流电阻的减少，都会减少填充因子。如此一来，太阳电池的效率就可以由三个重要参数：开路电压Voc

、短路电流

I

sc

、和填充因子

FF

来表达。显然，要提高太阳电池的效率，则要同时增加其开路电压、短路电流

(亦即光电流)，和填充因子

(亦即减少串联电阻与漏电流)。填充因子sc

ocPmaxFF

I VFF

I

V

sc oc

Pin请查阅相关电池或组件参数资料认识IV测试曲线与数据课堂练习11-太阳电池IV测试IVTestofSolar

CellsIV

测试原理示意图IV曲线（IV

curve）是在AM1.5，光强密度1000W/m2，温度25℃条件下，通过不断改变外电路负载的大小得到的曲线。如图所示，红色的为IV曲线，蓝色的通过计算得到的输出功率曲线。短路电流Isc（Short-Circuit

Current）短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。Theshort-circuitcurrentisthecurrentthroughtheso