太阳能光伏电池基础总结

1、当太阳和头顶正上方成一个角度 时，大气光学质量为：AM=1/cos 2、在无法知道 值的情况下，如何估算大气光学质量 AM？AM=1.5 (=48) h s AM 2 1 3、轨道相对应的能级分裂成为能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，称 为能带能带。每层轨道都有一个对应的能带。 4、电子在每个能带中的分布，一般是先填满能量较低的能级，然后逐步填充能 量较高的能级，并且每条能级只允许填充两个两个具有同样能量的电子。 内层电子内层电子能级所对应的能带，都是被电子电子填满的。最外层价电子能级所对应的 能带，有的被电子填满，有的未被填满，主要取决于晶体种类。硅、锗等半导 体晶体的价电子能带全部被电子填满。 5、本征半导体：本征半导体：没有掺杂任何物质，指纯的。硅和锗的单晶称为本征半导体。 6、半导体是依靠自由电子自由电子和空穴两种载流空穴两种载流子子导电的物质。本征激发产生的两种 载流子总是成对出现的。 7、杂质半导体：杂质半导体：在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就成为杂质半导体。 杂质半导体分为 N 型和 P 型两种：掺入五价元素五价元素的杂质（磷、锑或砷等） ，则 可使晶体申的自由电子浓度大大增加，故将这种杂质半导体称为 N 型或电子型 半导体；若掺入三价元素三价元素的杂质(硼、嫁、铜或铝等)，则可使晶体中的空穴浓度 大大增加，故将这种半导体称为 P 型或空穴型半导体。 8、N 型半导体中，将自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。并将五 价元素称为施主杂质施主杂质，它是受晶格束缚的正离子。 9、p 型半导体中，空穴是多数载流子，简称多子，自由电子是少数载流子，简 称少子。三价元素称为受主杂质受主杂质。 10、两种导电机理漂移漂移和扩散扩散 11、自由电子扩散电流方向与浓度减小方向相反，而空穴扩散电流方向与浓度 减小方向一致。 12、有关半导体的几个重要结论 半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。本征激发和复合达到动态 平衡时，热平衡载流子浓度随温度升高而迅速增大。 掺入不同杂质，形成 N 型和 P 型两种杂质半导体。其中，N 型半导体:多子 自由电子，少子空穴，施主杂质正离子。P 型半导体:多子空穴，少子自由电子， 受主杂质负离子。 半导体有两种导电方式:电场作用下产生的漂移电流和非平衡载流子浓度差 作用下产生的扩散电流。前者与电场强度成正比，后者与浓度梯度成正比。 13、PN 结的形成：P 型半导体和型半导体和 N 型半导体相结合型半导体相结合PN 结结 14、PN 结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管晶体二极管就是由 PN 结构成的。 15、p-n 结的制作方法：控制同一块半导体的掺杂,形成 pn 结 (合金法; 扩散法; 离子注入法等) 16、由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的 pn 结-同质结 17、由两种不同的半导体单晶材料组成的结异质结 18、通过空间电荷区的总电流为零，因此通过 PN 结的净电流为零。 （h：物体的高度；s：竖直物体投影的阴影长 度） 19、太阳能电池的量子效率是指太阳能电池的量子效率是指太阳能电池的电荷载流子数目与照射在太阳能 电池表面一定能量的光子数目的比率。 20、外量子效率：外量子效率：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。 21、内量子效率：内量子效率：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（被吸收的） ，一定 能量的光子数目之比。 22、内量子效率通常大于外量子效率 23、太阳能电池的量子效率与光的波长波长或者能量能量有关。 24、短路电流（Isc） ；开路电压（Voc） ；最佳工作电流（Im） ；最佳工作电压 （Vm） 最大输出功率（Pm） ；填充因子（FF） ；转换效率（） FF=Pm/VOCISC=VmIm/VOCISC = 光强：1000W/m2 光谱分布：AM=1.5 电池温度：25 25、E(ev)=1.24/ (um) ；E(ev)=1240/ (nm) 26、太阳光照在半导体 p-n 结上，形成新的空穴-电子对，在 p-n 结电场的作用 下，空穴由 n 区流向 p 区，电子由 p 区流向 n 区，接通电路后就形成电流。这这 就是光电效应太阳能电池的工作原理。就是光电效应太阳能电池的工作原理。 27、半导体是依靠自由电子和空穴由电子和空穴两种载流子导电的。本征激发和复合达到动 态平衡时，热平衡载流子浓度随温度升高而迅速增大。 28、掺入不同杂质，形成 N 型和 P 型两种杂质半导体。其中，N 型半导体型半导体:多子 自由电子，少子空穴，施主杂质正离子。P 型半导体型半导体:多子空穴，少子自由电子， 受主杂质负离子。 29、半导体有两种导电方式:电场作用下产生的漂移电流漂移电流和非平衡载流子浓度差 作用下产生的扩散电流扩散电流。前者与电场强度成正比，后者与浓度梯度成正比前者与电场强度成正比，后者与浓度梯度成正比。 30、由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的 pn 结-同质结 31、由两种不同的半导体单晶材料组成的结异质结 32、禁带宽度减小时，短路电流密度增加。 33、温度每升高 1，硅太阳能电池的 VOC 将下降 0.4%。输出功率将减少 0.4- 0.5%。 34、制绒作用：减少反射，增强对太阳光的吸收。单晶制绒：用碱腐蚀 （NaOH） 多晶制绒：用酸腐蚀 （HNO3） 第三章第三章 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 1、晶体：是质点（原子、离子或分子）在空间按一定规律周期性重复排列构成 的固体物质。 2、单晶的概念： 所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着 的晶体。 3、多晶：由许多小单晶按不同取向聚集而成的晶体。 4、表面织构化可以减少光的反射，增加光的透射。 5、PN 结：是产生光伏效应的来源，由高温扩散制成。在 p 型硅极板上作 n 型扩散，或是在在 n 型硅极板上作 p 型扩散。 6、太阳能电池的主要控制工艺： 六大工艺：清洗、织构化、扩散、制备 SiN、丝印、烧结； 四大特性：表面钝化特性、结特性、电极接触特性、减反射特性 三个参数：短路电流、开路电压、填充因子 织构化所起的三点作用：钝化、减反结果、电极接触 7、背电场太阳能电池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。 8、太阳能电池片生产工艺流程： 一次清洗（制绒）扩散等离子刻蚀印 二次清洗（去磷硅玻璃） 刷电极烧结分选测试检验入库 清洗：热的 NaOH 溶液去除硅片表面机械损伤层、HF 去除硅片表面氧化层、 HCl 去除硅片表面金属杂质 扩散的目的：形成 PN 结，在 P 型半导体表面掺杂五价元素磷在硅片表面形成 PN 结。PN 结太阳电池的心脏 等离子刻蚀目的：去除边缘 PN 结，防止上下短路 PECVD（等离子增强化学气相沉积）作用：在太阳电池表面沉积深蓝色减反膜 SiNxHy 膜。 印刷电极：使用浆料是银铝浆；在太阳电池背面丝网印刷铝浆；在太阳电池正 面丝网印刷银浆，形成负电极。 9、太阳能电池是一种少数载流子工作器件，少数载流子在电池内的寿命决定了 电池的转换效率。 少数载流子寿命定义为从其产生到其与空穴复合之间所生存的时间。 要提高电池的转换效率， 就必须设法减少少数载流子 在电池内的复合，从而 增加少数载流子的寿命。 10、单晶硅太阳能电池（如何提高效率）： 体内复合；表面复合；电极区复合 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池 1、目前，对于太阳能电池， 提高光电转换效率，降低生产成本提高光电转换效率，降低生产成本是研究的核心 问题。 2、生产多晶硅的关键问题是： 如何更好的吸收太阳光； 如何使金属化电极与电池的设计参数相匹配； 如何生成 pn 结使更有效的生成光生载流子，并更好的分离。 3、多晶硅太阳电池： 按结构可分为两种，一种是块状；另一种是薄膜状（多 采用化学气相沉积法(CVD)和液相外延法、溅射沉积法制备） 4、多晶硅的质量指标： 一般要求纯度达到 99.999999.9999999%或以上， 杂质含量要降到 10-9的水平 5、多晶硅的制备：石英砂金属硅多晶硅 单晶硅基太阳能电池制程：原矿石石英砂金属硅三氯化硅多晶硅单晶 硅铸造切片太阳能电池太阳能电池组件 6、多晶硅的纯度主要指标分六项： 受主杂质总含量，施主杂质总含量，体金属杂质含量，氧含量，碳 含量，面金属杂质含量 7、多晶体硅太阳能电池： 优点：材料利用率高、能耗小、成本低，而且其晶体生长简便，易于大尺寸生 长。 缺点：含有高密度晶界、高密度的微错、微缺陷和相对较高的杂质浓度。 8、对于铸造多晶硅来说， 晶粒越大越好晶粒越大越好，这样晶界的面积和作用都可以减少， 这主要是由晶体生长过程决定的。实际工业上，铸造多晶硅的晶粒尺寸一般为晶粒尺寸一般为 1-10mm，高质量的多晶硅晶粒大小平均可以达到 10-15mm。 9、铸造多晶硅中的杂质和缺陷-氧、碳、氮、氢、金属杂质 铸造多晶硅中的氧也是以间隙态存在；如果氧浓度过高，就很容易在原生铸造 多晶硅中产生氧施主和氧沉淀氧施主和氧沉淀。 为了降低晶界、位错等缺陷的作用， 氢钝化氢钝化已经成为铸造多晶硅太阳能电池制 备工艺中必不可少的步骤，可大大降低晶界两侧的界面态大大降低晶界两侧的界面态，从而降低晶面复合， 也可降低位错的复合作用降低位错的复合作用，改善开路电压。 氢原子与杂质、缺陷的未饱和的悬挂键结合，导致杂质、缺陷电学性能的钝化 对于铸造多晶硅太阳能电池需要进行金属吸杂金属吸杂，以减少这些杂质的负面作用 吸杂技术：内吸杂、外吸杂、磷吸杂、铝吸杂 多晶硅薄膜电池多晶硅薄膜电池 1、对于上衬底结构上衬底结构的电池来说，既可以用 p 型也可以用 n 型基层。相反，对于 底衬底电池来说， p 型常常被用作基层。 2、多晶硅薄膜太阳电池的研究重点有两个方面，其一是电池衬底的选择，其二 是制备电池的工艺和方法，但无论是哪一方面的研究都应满足制备多晶硅薄膜 电池的一些基本要求： 多晶硅薄膜太阳电池基本要求：低成本、高效率、易于产业化 衬底的选择：低成本、导电（或绝缘，依结构设计而定） 、热膨胀系数与硅匹配、 非毒性、有一定机械强度 比较合适的衬底材料为一些硅或铝的的化合物，如 SiC，Si3N4，SiO2，Si，Al2O3， SiAlON，Al 等， 制备多晶硅薄膜的工艺方法：化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、 液相外延法、等离子体溅射沉积法 3、多晶硅薄膜太阳能电池衬底材料应满足以下条件： 低成本、有一定的机械强度、热膨胀系数与硅匹配、非毒性、机械强度高及化 学 性质稳定高温下与硅不发生反应、不应向形成的硅薄膜中渗入，成为有害杂质 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池 1、非晶太阳能电池的优缺点 优点： 1）材料和制造工艺成本低 2）易于形成大规模生产能力。 3）多品种和多用途。 4）易实现柔性电池。 缺点： 1）效率较低 2）在太阳光的长期照射下会有严重的衰减，到目前为止根本无法解决。 2、 一般将非晶态材料描述为：“长程无序，短程有序。 ” 3、 非晶硅太阳能电池的结构最常用的是 p-i-n 结构，而不是单晶硅太阳能电池的 p- n 结构。 4、单结非晶硅太阳能电池 硅基薄膜电池的 p-i-n 结构， p 层和 n 层分别是 B 掺杂和 P 掺杂的材料， i 层 是本征材料 无光照时无光照时，处于热平衡。光照下光照下，光生载流子主要产生在本征层中。在内建势 的作用下，光生电子流向 n 层，光生空穴流向 p 层。 5、单结非晶硅太阳能电池通常分为两种，以沉积顺序而得：p-i-n 型、型、n-i-p 型型 6、p-i-n 型电池一般沉积在玻璃衬底上，太阳光透过玻璃入射到电池。玻璃衬 底上首先要沉积一层透明导电膜。在透明导电膜上依次沉积 p 层、 i 层和 n 层， 而后背电极。背电极是蒸发 Al 和 Ag。 7、n-i-p 型电池一般沉积在不透明衬底上，如不锈钢和塑料。 8、n-i-p 型电池特点： 1）首先在背反射膜上沉积 n 层，背反射膜通常为金属/ZnO， ZnO 相对稳定，不易被等离子体中的氢离子刻蚀，所以 n 层可以是非晶硅或微晶硅。 2）电子的迁移率比空穴的迁移率高很多，所以 n 层的沉积参 数范围比较宽。 3） p 层沉积在本征层上，所以 p 层可以用微晶硅。 n-i-p 型电池缺点： 1）由于要在顶电极 ITO 上加金属栅电极来增加其电流的收 集率，所以电池的有效受光面积会减小。 2）由于 ITO 的厚度很薄， ITO 本身很难具有粗糙的绒面结构， 所以这种电池的光散射效应主要取决于背反射膜的绒面 结构，因此对背反射膜的要求比较高。 9、 10、提高非晶硅薄膜电池效率措施： （1）提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收； （2）薄膜硅电池叠层技术； （3）中间层技术的研究。 第四章第四章 CdTe 薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 1、获得较高的能量转换效率太阳能电池组件的条件： (1)主要的光吸收层其能隙值在 1.5eV 附近； (2)p-n 结面的安排，最好以 n-type 层迎着照光的方向； (3)薄膜太阳电池因材料的光吸收系数高故常利用异质结的设计，让迎光的 n- type 层选用具较大能隙的材料； (4)各层的厚度搭配与各层的电性如能隙、载子扩散长度等有密切关系，必须予 以适当的设计。 2、CdTe 薄膜制备技术 物理气相沉积法、密闭空间升华法、气相传