通过磁场对硅太阳能电池基体材料杂质的能级调控来提高电池的转换效率.ppt

主讲 孙煜,通过磁场对硅太阳能电池基体材料 杂质的能级调控提高电池的转换 效率,上海电力学院太阳能研究所 指导老师：赵雨,各类型光伏电池在市场中的份额（2006年）,各类型硅基电池的优缺点,以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，多晶硅太阳能电池，非晶硅薄膜太阳能电池和薄膜晶体硅电池。 单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高； 非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较严重； 铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率，而且性能价格比最高； 薄膜晶体硅太阳能电池产业化现在还处于起步阶段。,铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；适合大面积推广。 目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。,铸造多晶硅电池的缺点,铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属元属被认为是电池转换效率较低的关键原因，因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究，以及工艺中采用合适的吸杂，钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池效率的关键。,主要杂质,自70年代以来人们一直致力于改进硅太阳电池的转换效率，如改良基体材料、改进加工工艺等，但总无法避免材料中杂质的存在。而研究表明，硅太阳电池中的某些杂质能显著地影响太阳电池的转换效率，这些杂质是Ta、Mo、Nb、W、Zr、Ti、V、Cr、Co、Mn、Fe等。这些过渡族杂质元素能显著降低硅太阳电池的转换效率。如果通过传统的工艺手段对他们进行除杂，则基体材料加工成本将大大增加。,为什么能显著降低硅太阳电池效率大多是这些过渡族元素呢？,理论上可以引入磁场改变这些杂质元素的能级位置而减小杂质元素所形成的复合中心对太阳电池少子载流子的复合率，增大少子寿命，削弱杂质元素对太阳电池转换效率的消极影响。,改进方法,过渡族金属影响电池转换效率的机理,在太阳能电池工作过程中，杂质的主要作用体现在“产生输运复合”的复合阶段。 已确认的复合结构有三种： 直接复合、通过复合中心复合以及表面复合。 杂质和缺陷能够在通过复合中心复合中在禁带中形成附加的能级，这些能级对于电子和空穴在导带和价带间的跃迁来说能起到“台阶”作用。这些台阶不仅有利于复合，还有利于产生，对少子寿命有重大影响。而在硅太阳电池中少子的复合机制中起决定作用的恰好是通过复合中心复合。,Shockley-Read-Hall和C.T.Sha建立的通过复合中心的间接复合理论机制中指出，非平衡条件下一个复合中心与少子复合的净复合率U的表达式为： （1） 式中、 分别为电子和空穴的俘获截面， 为少子热运动平均速度， 为未被电子俘获的复合中心的浓度， 、 分别为n型太阳电池基体材料中的空穴和电子载流子浓度， 为太阳电池基体材料的本征浓度， 为基体材料中复合中心（由于杂质或缺陷产生）的能级， 为禁带中心能级。,复合,当电子和空穴的俘获界面相等时 （2）,净复合率又决定了少子的寿命 （3）,少子寿命,少子寿命的意义,太阳电池的基区少子寿命，不仅关系到太阳电池的结特性暗电流的大小，而且还直接影响收集光生载流子的效率，因此提高基体材料的少子寿命是改进太阳能电池转换效率的一个极重要的方法。,综上所述，想要在改进太阳能电池转换效率可以提高基体材料的少子寿命，减小净复合率U，即可以使Ta、Mo、Nb、W、Zr、Ti、V、Cr、Co、Mn、Fe等杂质的能级远离禁带中心。,塞曼效应,众所周知，原子如果放到磁场中将受到磁场的作用而发生能级分裂。,那么，选择足够大的磁场使太阳能电池基体材料中的过渡族杂质原子发生能级分裂，而使这些杂质能级分裂到远离禁带中心位置，根据（2）式，这样就可以减小杂质原子这些复合中心对少子的复合率从而提高少子寿命，以提高太阳电池转换效率。 （2）,放到磁场中的杂质原子受到磁场的作用，引起附加能量，则： （4） 式中M为杂质原子的磁量子数， ，J为杂质原子的总轨道磁矩数;g为杂质原子的朗德因子； 为玻尔磁子，其值为 ；B为所加磁场的磁感应强度。 下面以硅太阳电池中的杂质元素Fe为例，计算磁场对Fe元素能级的分裂作用情况。,以Fe为例,Fe元素的最外层电子为 ，,以1T大小的磁场为例， 最大值可以达到 ，即 。即外加1T的磁场，可以使硅太阳电池中的杂质元素Fe的能级即复合中心能级 位置移动 的改变。,上述计算表明，磁场可以使Fe元素原子的能级发生变化，利用磁场使杂质能级 偏离禁带中心位置使净复合率U减小，即减小复合中心对少子的复合率，从而增大少子寿命 以提高硅太阳能电池的转换效率。,结论分析,但关于这一磁场杂质能级的调控机制对太阳能电池的转换效率的影响是复杂的，不仅因为硅太阳能电池中并不只一种杂质元素以及各元素的比例也不尽相同，各元素的变化趋向也不是完全一致，而且硅太阳电池转换效率并不唯一由基体材料的少子寿命所决定。,不过，完全可以通过实验进行定量研究，用统计的方法研究在不同磁场强度下制作的