（光学专业论文）非晶硅太阳能电池的光伏特性.pdf

摘要 l u li i ii i i i i lii i i ll iiiii y 1 7 3 4 4 5 1 本文用a f o r s - h e t 模拟软件通过计算机模拟，优化了非晶硅电池的参数，从而对非 晶硅太阳能电池的生产提供最优化的结构参数。a f o r s - h e t 软件是德国h a h n - m e i t n e r 研究所针对太阳能电池专门研发的模拟软件，可以模拟各种结构因素对太阳电池性能的 影响。 对于n i p 型结构的非晶硅薄膜太阳能电池，我们运用a f o r t h e t 模拟软件，就电池的 各层厚度、光学带隙、电子亲和势、温度对该非晶硅太阳能电池性能的影响进行了模拟。 结果表明，对于n i p 型非晶硅薄膜太阳能电池，p 型层应该做的尽量的厚一点，在其厚 度达到l 1 0 4 n m 时，其效率达到9 7 2 8 ；对于p 型层，其功函数最好选取在4 5 e v 以 内，施主杂质的掺杂浓度不能超过1 1 0 1 6 0 m 刁；对于本征层，插入l r t m 本征层后，电 池效率显著增加，本征层厚度最好在l n m 左右；本征层带隙最好选择在1 2 e v i l 7 e v 之 间。对于发射极，其厚度最好在5 r i m 以内，其功函数最好在3 8 e v 4 2 e v 之间选取。 对于n i p 型结构的非晶硅太阳能电池，模拟结果表明，在其他参数不变情况下，其 最佳厚度在0 2 2 c m 左右，其最高效率为1 9 8 1 ，对于p 型层的功函数最好选取在4 4 e v 以内，对于p 型层施主杂质的掺杂浓度不能超过7 1 0 1 6 0 m 弓；对于本征层，插入l n m 本 征层后电池效率显着增加，随着本征层厚度再增加，太阳能电池转化效率反而又降低， 其厚度最好在5 n m 以内；本征层带隙最好选择在1 3 e v - 1 7 e v 之间，最好选用1 4 e v 的 非晶硅材料，效率最高可以达到2 0 1 8 。对于发射极，其厚度最好在5 r i m ，其功函数 最好在1 o e v 4 2 e v 。 在国内，我们第一个运用a f o r s h e t 数值模拟软件对非晶硅薄膜太阳能电池进行了模 拟，对各参数对太阳能电池的光伏特性的影响进行了研究，得出一系列数据，并对数据 进行了处理，找到了太阳能电池的一些参数对其光伏性能的影响的一些规律，并进行了 理论的分析，为以后太阳能电池的理论研究和实际生产提供了一些有益的参考。 关键词：太阳能电池，非晶硅，a f o r s - h e t a bs t r a c t a f o r s - h e ts o f t w a r ei s d e v e l o p e db y g e r m a n y sh a h n = m e i t n c ri n s t i t u t es p e c i f i c a l l y , t h i s s o f t w a r ec a ns i m u l a t et h ee f f e c to ft h ep e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l l st h r o u g hav a r i e t yo fs t r u c t u r a lf a c t o r s ，8 l o to fw o r kh a sp r o v e nt h er e l i a b i l i t yo ft h er e s u l t ss i m u l a t e db yt h i ss o f t w a r e f o ra m o r p h o u ss i l i c o ns o l a rc e l l so ft h en i p - t y p e ( i t o a - s i ( n y a s i ( i ) a - s i ( p y a l ) s t r u c t u r e ，w e u s e dt h es o f i w a r ea f o r s h e to nt h et h i c k n e s so ft h es o l a rc e l ll a y e r so ft h e o p t i c a lb a n dg a p ，t h ee l e c t r o n a f l m i t yo fe a c hl a y e r , t h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r eo f t h es o l a rc e l lw i t hi n t r i n s i ct i n - f i l mp r o p e r t i e so f t h e s o l a rc e l lw 勰s i m u l a t e di no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to ft h e s ep a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o wt h a t , f o r a m o r p h o u ss i l i c o ns o l a rc e l l sw i t ht h en i p - t y p es t r u c t u r e ，p - t y p el a y e rs h o u l db et h i c k 鼬m u c ha sp o s s i b l e ， w h e nt h et h i c k n e s si s1 1 0 4 i l m i t se f f i c i e n c yi s9 7 2 8 , t h ew o r kf u n c t i o no ft h epl a y e rs h o u l db el e s s t h a n4 5 e v , f o rp - t y p el a y e r , d o n o rc o n c e n t r a t i o no fi m p u r i t i e sc a nn o te x c e e dl 1 0 1 6 0 m - 3 , o t h e r w i s e ， s h o r t c i r c u i tc u r r e n td e c l i n e ss h a r p l y f o rt h ei n t r i n s i cl a y e r , i n s e r t i n ga ni n t r i n s i cl a y e ro f l n m ，e f f i c i e n c y o ft h es o l a rc e l l s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e ，t h i c k n e s so ft h ei n t r i n s i cl a y e rs h o u l db ea b o u tl n m ，p r e f e r a b l y s e l e c t i n go ft h eb a n dg a po ft h ei n t r i m i cl a y e rf r o m1 2 e vt 0 1 7 e vi st h eb e s tc h o i c e t h et i f f c k n e s so ft h e l a u n c hl a y e ri sp r e f e r a b l yl n m w o r kf u n c t i o no f t h el a u n c hl a y e ri sb e s tt oc h o o s eb e t w e e n 3 8 c v 4 2 e v f o ra m o r p h o u ss i l i c o ns o l a rc e l l so ft h en i p - t y p e ( i t o a - s i ( n ) a - s i ( i ) a - s i ( p y a ds t r u c t u r e ，t h e r e s u l t ss h o wt h a t , i fo t h e rp a r a m e t e r sr e m a i nu n o h a n g e d ，t h eo p t i m u mt h i c k n e s so ft h et h i c k n e s so f p - t y p e l a y e ri sa b o u t0 2 2 c m ，m a x i m u me f f i c i e n c yi s1 9 8 1 ，f o rt h ei n t r i n s i cl a y e r , i n s e r t i n ga ni n t r i n s i cl a y e ro f l u m ，e f f i c i e n c yo ft h es o l a rc e l ls i g n i f i c a n f l yi n c r e a s ea tf i r s t , w i t haf u r t h e ri n c r e a s eo ft h cw i d t ho ft h e i n t r i n s i cl a y e r , c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yr e d u c e so nt h ec o n t r a r y , t h i c k n e s so ft h ei n t r i n s i cl a y e ri sp r e f e r a b l y l e s st h a n5 r i m ，b a n dg a po ft h ei n t r i n s i cl a y e ri s p r e f e r a b l y1 3 c 、， 1 7 e v , t h eb e s tc h o i c ei s1 4 e vf o r a m o r p h o u ss i l i c o nm a t e r i a l ，e f f i c i e n c yc a nr e a c h2 0 18 f o rt h et h i c k n e s so ft h el a u n c hl a y e ri sp r e f e r a b l y 5 n m ，r a wm a t e r i a l sc ；na l s ob em o r ce c o n o m i c a i a th o m e ，w ea r et h ef i r s to l l ew h ou s e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e 翻f b 船h e t o n a m o r p h o u ss i l i c o nt h i nf i l ms o l a rc e l l w ew o r k e do nt h ev a r i o u sp a r a m e t e r sw h i c hh a v ee f f e c t so n p h o t o v o l t a i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o l a rc e l l s ，w co b t a i n e das e r i e so fd a t a ，a n dd a t ah a v eb c e nd e a i tw i t i i i l l w eh a v ef o u n d e ds o m er u l e sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sh a v eb e e nd o n e t h i sw o r kw i l lg i v es o m eu s e f u l r e f e r e n c et ot h ef u t u r et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n da c t u a lp r o d u c t i o no fs o l a rc e l l s k e y w o r d s ：a f o r s h e t , a m o r p h o u ss i l i c o n ，s o l a rc e l l s 目录 摘要i a b s t r a c t 目录，l ，r 第一章引言1 1 1 能源危机1 1 2 我国的能源概况3 1 3 太阳能的发展历程5 1 4 我国太阳能电池的发展历程和现状6 1 5 世界太阳能光伏现状及未来展望7 1 6 本课题的研究目的、意义和内容8 第二章太阳电池的工作原理和基本特性。9 2 1 太阳电池工作原理9 2 1 1 半导体的内光电效应9 2 1 2 太阳能电池的光电转换过程1 l 2 2 太阳电池的输出特性1 l 2 2 1 等效电路1 1 2 2 2 输出特性1 3 2 3 太阳能电池的转换效率1 3 2 3 1 转换效率和填充因子的关系1 3 2 3 2 影响太阳能电池转换效率的因素1 4 第三章非晶硅太阳电池1 7 3 1 非晶硅( a s i ) 太阳能技术1 7 3 2 现有非晶硅太阳能电池产业的市场开发1 8 3 3 技求发展的方向1 8 3 4 非晶硅薄膜太阳能电池的潜在优势。1 9 3 5 非晶硅薄膜电池的光谱响应特性研究2 0 3 6 非晶硅薄膜电池的光子转换效率影响因素研究2 l 3 7 非晶硅薄膜电池的光衰退抑制技术2 3 3 8 非晶硅薄膜电池的级联光子转换技术2 3 3 1 0 技术关键2 4 3 1 l 技术路线2 4 第四章a f o r s h e t 物理模型。2 5 v 4 1 在一维情况下的泊松方程，电子和空穴传输方程。2 5 4 1 1 载流子产生2 6 4 1 2 界面载流子漂移扩散模型2 6 4 1 5 载流子复合2 7 4 2i q e 分析模型2 8 4 3 热力学发射极界面数值模型2 8 4 4 金属半导体m s 肖特基电极数值模型2 9 第五章n i p 结构太阳能电池的优化设计3 l 5 1 物理模型3 1 5 2 模拟分析与讨论3 2 5 2 1p 型层对电池性能的影响3 2 5 2 2 本征层对电池性能的影响3 4 5 - 2 3 发射极对太阳能电池性能的影响3 7 5 2 4 温度对n i p 型非晶硅太阳能电池性能的影响4 1 5 3 结论4 l 第六章非晶硅纳米薄膜太阳能电池的光伏特性4 3 6 1 物理模型4 3 6 2 模拟分析与讨论4 4 6 2 1p 型层对电池性能的影响4 4 6 2 2 本征层对电池性能的影响j 4 6 2 3 发射极对太阳能电池性能的影响5 0 6 2 4 温度对n i p 型非晶硅太阳能电池性能的影响5 2 6 3 结论5 2 结束语。5 3 参考文献5 5 致谢5 9 攻读学位期间的科研成果6 l 独创性声明6 3 关于论文使用授权的说明6 3 v i 第一章引言 1 1 能源危机 第一章引言帚一早ji 甬 随着人类的经济发展，人们对能源的需求越来越大，从图1 1 f l l 可以看出，从1 9 6 0 年到2 0 0 0 年的4 0 间，人类的总人口从3 0 亿增加到6 1 亿，也就是说，人口在4 0 年间 增加了一倍，但是能源需求却在3 0 年翻了一翻，而电力需求更是有过之而无不及。从 世界平均水平而言，每2 0 年需求就增加一倍。在2 1 世纪，随着人口的不断增加，特别 是在高速信息化的现代社会更是如此。同时，大量化学燃料的利用，导致环境问题和能 源问题成为人们头项的两把达摩克利斯之剑。随着人们对能源和环境问题的日益关注， 清洁和可再生的新能源日益受到人们的关注。随着传统能源的日益枯竭，太阳能已经成 为一种十分具有潜力的新能源，而光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之_ _ 1 2 1 图1 1 世界的人口、总能源需求以及电能 非晶硅太阳能电池的光伏特性 2 图卜218 6 1 - 2 0 0 6 年石油价格的变化 图1 - 319 9 6 2 0 0 7 年石油价格的变化 从图1 2 、图1 - 3 也可以看出各个国家实际上都在为自己的能源安全寻求出路，能 第一章引言 源的安全问题已经影响到了世界的和平与稳定。 1 2 我国的能源概况 从图1 4 【3 1 可以看出，我国目前的能源结构以煤、石油、天然气等天然不可再生资 源为主，但是由于我国的石油储量并不丰富，即使是按照现在的使用速度，在未来不到 一百年内，这些资源也将要枯竭，如图1 5 【4 1 所示。除了量的存储问题，还有一个问题 就是环境污染问题，我们国家已经签订了京都协议书，要为完成世界的节能减排工作做 出自己的贡献，体现出大国的风范来。 石油 3 9 年 霹三 k 一 k 一 - - 一 图1 - 42 0 0 3 年中国的能源消费比例 煤 2 3 0 年 图卜5 世界能源资源的可开采年数 电力也是一个不错的选择，但是我国的发电量中大部分还是火力发电，这显然还是 需要大量的煤来做支撑。尽管我国的三峡水电站已经全部投入使用，从一定程度上缓解 了我国的用电危机，但是并没有从根本上解决问题。除了这些之外，还有核电也是一个 非晶硅太阳能电池的光伏特性 不错的选择，但是由于用于核发电的燃料的元素储量也是非常有限的的，核发电有时会 发生核泄漏事件，造成了对人体和环境的污染。 于是人们开始把眼光转向取之不尽、用之不竭的太阳能，实际上，除了原子能，地 热和火山爆发的能量外，地面的大部分能源都直接或者间接与太阳有关。我们利用的化 石能源也是太阳能转化而来，但是其转换速度非常的缓慢，如何直接快速的利用太阳能 成了人们非常关注的一个话题。在1 8 3 9 年，法国的科学家e b e c q u c r a l 发现了液体的光 生伏特效应( 简称光伏效应) ，随后的这一百多年的时间里，太阳能电池取得了长足的发 展。估计到2 0 3 0 年太阳能电池发电将达到1 0 - 2 0 ，到2 0 6 0 年世界利用太阳能的总 量将占世界能源总能耗的3 0 0 0 - 5 0 的份额【5 】。2 1 0 0 年以后，以煤、石油、天然气为代 表的化石能源基本枯竭，人类主要利用太阳能、氢能、风能和生物能等清洁可再生能源， 人类从利用“昨日阳光”完全过度到利用“今日阳光”。在长期的能源战略中，太阳能 将以其无可比拟的优越性占据重要位置。 我国幅员辽阔，国土面积有9 6 0 万平方公里，南至北纬4 0 附近的曾母暗沙，北到北 纬5 2 5 0 的漠河附近，在我国广袤的土地上有着丰富的太阳能资源。 我国是世界上太阳能资源最丰富的国家之一，特别是西部地区，年日照时间有3 0 0 0 小时之多。我国太阳能最丰富的地区是青藏高原地区，可以与世界上太阳能最丰富的印 度和巴基斯坦地区相比。全国三分之二的地区日照时间在2 0 0 0 小时以上，年平均辐射 量在5 9 0 0 兆瓦每平方米，而我国很多的很多缺电地区也多位于此地。我国的太阳能资 源分布如图1 - 6 所示【6 】： 4 第一章引言 9 矿1 0 0 i i c ri 埘1 3 0 1 4 0 万霸 骓 1 3 太阳能的发展历程 图1 - 6 中国的太阳能资源分布图 在1 8 3 9 年，法国的科学家e b e c q u e r a l 发现了液体的光生伏特效应( 简称光伏效 应) ，太阳能电池已经经历了1 7 0 多年的发展历程，从总的来说，基础科学的研究和科 技进步起到了很好的推动作用。对于太阳能电池的发展起到决定性作用的是美国的b e l l 实验室的三位科学家的单晶硅太阳能电池的研制成功【刀。二十世纪5 0 年代，太阳能利用 领域出现了两项重大技术突破：一是1 9 5 4 年美国贝尔实验室研制出6 的实用型单晶硅 电池，二是1 9 5 5 年以色列t a b o r 提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太 阳吸收涂层。这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础，这在太 阳能电池的研究和应用过程中起了里程碑的作用，时至今日，太阳能电池工作的基本原 理和基本结构没有大的变化，太阳能电池后来发展了薄膜电池，如非晶硅薄膜电池、c i s 太阳能电池、c d t e 太阳能电池、纳米敏化太阳能电池、异质结太阳能电池等。此外由于 生产技术的不断进步，如丝网印刷，磁控溅射，等离子沉积和多晶硅太阳能电池生产工 艺的改进，特别是减反射和钝化技术的应用及其高度的自动化，这些技术都为太阳能电 池的发展做出了不可磨灭的贡献。 非晶硅太阳能电池的光伏特性 1 4 我国太阳能电池的发展历程和现状 1 9 5 8 年我国开始研制太阳能电池，1 9 5 9 年有中国科学院半导体研究所研制出第一 块有使用价值的太阳能电池，自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生 能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发 展。四十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长 足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一，随后这些年，我国的太阳能电池产 业取得了长足的发展，到2 0 世纪8 0 年代后期，我国已经形成了自己的太阳能产业，年 生产能力达到1 5 兆瓦，2 0 0 4 年，我国的太阳能电池生产能力超过印度，达到5 0 m w 年。 随着我国的“可再生能源法”的颁布，我国的太阳能产业有了较大发展，目前在我 国的东南沿海地区已经初步形成了一个世界级的太阳能产业链条，将在国际太阳能行业 扮演重要的角色。 2 0 世纪7 0 年代，由于石油危机，使人们对于可再生能源的兴趣越来越浓，太阳能 电池也进入了快速发展的阶段。近几年太阳能电池市场以每年3 0 的速度递增 s , 1 6 1 我国对太阳能电池的研究工作高度重视，早在“七五 期间，非晶硅半导体的研究 就已经列入国家重大课题；“八五”和“九五”期间，我国把研究开发的重点放在大面积 太阳能电池板的研究等方面【1 0 】。2 0 0 3 年1 0 月，国家发改委、科技部制定出了未来5 年 我国的太阳能资源开发计划，国家发改委“光明工程”将筹资1 0 0 亿元用于推进太阳能 发电技术的应用 i h 。据专家预测，目前我国光伏市场需求量为每年5 m w ，从2 0 1 1 年开始， 我国光伏市场年需求量将大于2 0 m 1 】l 【1 厶1 3 。尤其是2 0 0 9 年1 2 月2 6 日， 的颁布，也将为光伏产业发展进入快车道提供法律保障 1 4 1 。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着几条光伏电池生产线的引进，光伏电池价格大幅度下降， 产量大大提高，应用领域不断开辟，市场大为拓展。9 0 年代以来，光伏电池已不再是仅 仅作为小功率电源来使用，而是扩展到通信、交通、石油、气象、国防、农村电气化以 及民用等国民经济的各类不同领域，光伏电池用量每年以2 0 以上的速度递增。到2 0 0 3 年底，中国光伏发电的累计装机容量约达5 5 m w 。其中农村电气化及农户家用光伏系统 约2 8 m w ，占5 1 通信及其它工业交通等应用2 0 m w ，占3 6 ：太阳能应用产品5 m w ， 占9 ，并网发电2 m w ，占4 6 第一章引言 1 5 世界太阳能光伏现状及未来展望 7 0 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起 了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。太阳能光伏发电及其应用是集开发利用绿色可 再生能源改善生态环境和改善人民生活条件于一体而面向2 1 世纪人类发展的重大课题， 1 9 7 3 年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1 9 8 0 年又正式将光伏发电列入公共电力 规划，累计投入达8 亿多美元。1 9 9 2 年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏 伟的发展目标。日本在7 0 年代制定了“阳光计划”，1 9 9 3 年将“月光计划”( 节能计 划) 、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些 发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划【”】。9 0 年代以来联合国召开了一系列有各国 领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际 太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能 源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容 【1 6 ，1 7 1 9 l 目前，许多国家正在制订中长期太阳能开发计划，准备在2 1 世纪大规模开发太阳能， 美国能源部推出的是国家光伏计划，日本推出的是阳光计划。全世界总共有2 3 万座光 伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。 目前国际市场光伏电池组件售价在3 5 3 9 美f r , w p 。美国光伏系统电价的成本目标 是：2 0 0 5 年安装成本3 美元w p ，成本电价1 l 美分k w * h ；2 0 1 0 年成本下降为1 5 美元w p ， 成本电价6 美分k w * h 以下。印度的光伏产业在发展中国家发展快速。目前有8 0 多个 公司从事光伏产品生产，其中有6 个光伏电池制造厂、1 2 个光伏组件封装厂，1 9 9 7 年 至1 9 9 8 年间生产光伏电池8 2 m w ，生产光伏组件l l m w ，预计2 0 2 。年将达到年生产 光伏电池及组件5 0 m w 能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了实现能源和 环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。在各国政府的大力支持下， 光伏产业发展迅速，最近l o 年太阳电池及组件生产的年平均增长率达到3 3 ，最近5 年的年平均增长率达到4 3 ，2 0 0 6 年世界太阳电池产量达到2 5 0 0 m w p ，累计发货量达 到8 5 0 0 m w p 。值得注意的是，中国2 0 0 6 年太阳电池的产量达到3 6 9 5 m w p ，紧随日本 和德国之后，位居世界第三大光伏电池生产国【2 们。 7 非晶硅太阳能电池的光伏特性 1 6 本课题的研究目的、意义和内容 通过详细研究a s i 薄膜电池载流子的传输机理，提高a s i 薄膜电池的光电转换效率； 最终实现a - s i 薄膜电池的光电转换效率大于1 0 ，电池的长期稳定性大于8 年；利用 a f o r s h e t 数值模拟软件，模拟优化太阳能电池结构，模拟研究太阳能电池各个参数对太 阳能电池性能的影响。 本项目研发内容将包括三个方面：非晶硅薄膜的光谱响应特性研究、非晶硅薄膜电 池的光子转换效率影响因素研究、非晶硅纳米薄膜太阳能电池的光伏特性。 本项目研发的意义：非晶硅( a s i ) 薄膜太阳能电池成本低，重量较轻，转换效率 较高，便于大规模生产，有极大的市场潜力。但受制于其材料引发的光致衰退效应，稳 定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性及提高转换率问题，那 么，非晶硅太阳能电池无疑将是太阳能电池的主要发展产品之一。目前，太阳能电池的 应用已从军事、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器及公用设施等部门， 尤其是其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输 电线路。但在目前阶段，成本还很高，发出l k w 电要投资上万美元，因此大规模使用仍 然受到经济的限制。但是，从长远看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转 换装置的发明，各国对环境的保护和对可再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池将是利 用太阳辐射比较切实可行的方法，可为人类未来大规模利用太阳能开辟广阔的前景【1 1 1 。 第二章太阳电池的工作原理和基本特性 第二章太阳电池的工作原理和基本特性 太阳能是一种辐射能，必须通过一定的工具才能将其转化为电能。太阳能电池就是 这样的一种工具。太阳能电池的工作原理是基于半导体的光生伏特效应，将太阳辐射能 转换为电能。光生伏特效应简称为光伏效应【2 ，指光照使不均匀半导体或半导体与金属 组合的不同部位之间产生电位差的现象。 2 1 太阳电池工作原理 2 1 1 半导体的内光电效应 太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过 程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。 图2 1 太阳能电池结构原理 9 非晶硅太阳能电池的光伏特性 卜一空穴扩敷方高 电子扩技方向- 西西西每每西b b b 勺b 每西西西西西b 白白b b b 每宙每每每西bb bb 岛 西亩每宙每西b bb 白b9 删墨p墨 图2 2 形成p n 结前，载流子的扩散过程 内建电塌方向 每西每为- 囝。e 。! b 白bb 亩弗每西boe 。ib b 岛 西苗西园b0e 。；勺bbb 西够西够b 囝o 。；bb bb i 图2 3 空i 司电荷区和内建电势场 太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应，太阳能电池的原理如图2 - 1 ，当p 型材料和1 1 型材料相接，将在晶体中p 型和n 型材料之间形成界面，集一个p - n 结。这 时在界面层n 型材料中的自由电子和p 型材料中的空穴相对应，由于正负电荷之间的相 互吸引，在界面附近的1 1 型层材料的电子就扩散到p 型层材料中，并且在原子力的范围 内，与p 型材料的电子缺乏相平衡。同样的道理，在界面附近的p 型层材料的电空穴就 扩散到n 型层材料中，与自由电子相复合。这样在界面层附近形成一个无电荷的区域，与 之前的p 型层和n 型层都是电中性相比，这样通过界面层的电荷交换，在界面处形成了 一个电荷 空穴到1 1 池厂家都 太阳能电 从而在结 1 0 第二章太阳电池的工作原理和基本特性 2 1 2 太阳能电池的光电转换过程 本节以普通的硅p i i 结太阳能电池为例，首先研究太阳能电池工作时，外部观测到 的特性。图2 - 4 表示无光照时的电流电压特性。当有光照到这个太阳能电池上时，将产 生光电流i p h 。 i 庐 ji 戮二工作点 光电流 i p h h 短路电流一i s c v = 一i r 图2 - 4 无光照和有光照时电流一电压特性 当负载电阻r ，有光照时，负载电阻r 上的电流i m 和电压v m 值将由图2 - 6 中有光 照时的电流- 电压特性曲线和v = - i r 所示的直线的交点确定。此时负载电阻上有p 。t _ 融2 m 的功率消耗，它表明了正在进行着的光电能量转换。通过调整负载电阻r 的大小，可以 在最佳的工作点上得到一个最大输出功率。输出功率与输入功率之比称为太阳能电池的 能量转换效率【2 3 1 。 2 2 太阳电池的输出特性 2 2 1 等效电路 为了方便描述太阳能电池的工作状态，往往将太阳能电池及负载系统用等效电路来 模拟陟2 7 1 。在恒定光照条件下，一个处于工作状态的太阳能电池在等效电路中可以看成 恒流源。光电流一部分流过负载电阻r l ，在耽两端有端电压v ，反过来它又正向偏置 于p n 结二极管，产生一股暗电流i b k ，这样，一个理想的p n 同质结太阳电池的等效电路 非晶硅太阳能电池的光伏特性 被绘制成如图2 5 ( a ) 所示。由于不可避免地引入了附加电阻，电流经过附加电阻时，必 然引起相应的损耗，用一个串联电阻飚来等效表示附加电刚2 引。由于金属桥漏电等原 因，使部分本应通过负载i h 的电流短路，这种作用的效果可用一并联电阻h 来等效。 其等效电路就被绘制成图2 - 5 ( b ) 的形式，这时的结电压不再等于负载r l 的端电压， 由图2 - 5 可见 2 9 , 3 1 = 原s + v( 2 1 ) ( a ) 一 1 2 ( b ) 一 图2 5p n 同质结太阳能电池的等效电路 ( a ) 不考虑串并联电阻( b ) 考虑串并联电阻 第二章太阳电池的工作原理和基本特性 2 2 2 输出特性 根据图2 - 5 就可以写出输出电流i 和输出电压v 之间的关系 一生r s + r s h 卜i v 吨彤) ( 2 - 2 ) 其中暗电流i b k 为结电压v i 的函数，而v j 又通过式( 2 1 ) 与输出电压v 相联系。 当负载电阻r l 从0 变化到无穷大时，输出电压v 则从0 变为v o c ，同时输出电流 便从i s c 变为到0 ，由此可以得到太阳能电池的输出特性曲线，如图2 - 6 所示，曲线上任 何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横坐标的乘积p = i v 即为太阳能电池的输出 功率 2 9 , 3 1 1 。 i l 窝c i 印 0 沥p坛船 图2 - 6 太阳能电池的输出特性 2 3 太阳能电池的转换效率 2 3 1 转换效率和填充因子的关系 转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻时，得到的最大的转换效率，其定义为： 伏特性 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) v 。和i 。的乘积之比，故转换效率可 ( 2 5 ) 因素进行了研究3 3 l 如有：热损失、电 和接触电压损失引起的能量损失，当 的增大而减小，结果是在某一个确定 随温度的增加，太阳能电池转换效率下降。短路电流对温度很敏感，温度还对开路 电压起主要作用。 ( 3 ) 复合寿命 载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做短路电流会很大。做到长寿命的 关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成新的复合中心，从而延长寿命。 ( 4 ) 光强 将太阳光聚焦于太阳能电池，可使一个小小的太阳能电池产生出大量的电能。如果 光强被浓缩了n 倍，输出功率的增加将大大超过n 倍，而且聚光的结果也会使太阳能电 池的光电转换效率提高。 ( 5 ) 掺杂浓度及剖面分布 对开路电压有明显的影响的另一个因素就是掺杂浓度。掺杂浓度愈高， 重掺杂效应近年来已引起很多的关注。 1 4 第二章太阳电池的工作原理和基本特性 ( 6 ) 表面复合速率 低的表面复合速率有利于提高i s c ，i o 的减小使v o c 提高。前表面的复合速率测量 起来一般比较困难，常常被假设为无穷大。一种称为背表面场( b s f ) 的电池设计为， 在沉积金属接触之前，电池的背面先扩散一层p + 层，这种结构能有效的改善电池的性 能。 ( 7 ) 串联电阻 在实际的太阳能电池中，都存在着串联电阻。通常情况下，串联电阻主要来自于 扩散层，p n 结收集的电流必经过表面薄层再流入最靠近的金属导线，这就是一条存在电 阻的线路，通过金属线的密布可以使串联电阻减小。串联电阻i b 的影响会改变i v 曲 线的位置。 ( 8 ) 金属栅和光反射 由于在前表面上的金属栅线不能透过阳光，为了使短路电流最大，金属栅线占有的 面积应最小。为了使串联电阻小，通常是把金属栅线做成又密又细的形状。因为有太阳 光反射的存在，使用减反射膜可降低反射率。对于垂直地投射到电池上的单波长的光， 用一种厚度为波长四分之一、折射率玎( n 为硅的折射率) 的涂层能使反射率降为零。 对太阳光，采用多层涂层会得到更好的效果。 因此一个太阳能电池的转换效率是其输出功率占输入功率的百分比。为获取较高的 光电转换效率，希望有较大的短路电流i 刚较高的开路电压v o 。和较大的填充因子f f ， 如果太阳能电池用禁带宽度较小的材料做成，则短路电流较大。好的制造工艺及好的电 池设计会使载流子复合率较小，从而能使短路电流提高。如果太阳能电池用禁带宽度大 的材料做成，就会具有较高的开路电压。填充因子f f 是i v 曲线拐点处坡度的量度， 串联电阻凡可使它变小。通常开路电压较高时，f f 也会较大。转换效率随光强的增大 而增大，随温度的降低也增大。用禁带宽度值介于1 2 1 6 e v 的材料做成太阳能电池， 可达得到最高的转换效率。薄膜太阳能电池用直接带隙半导体更为可取 3 0 , 3 5 。 第三章非晶硅太阳电池 第三章非晶硅太阳电池 3 1 非晶硅( a - si ) 太阳能技术 光伏太阳能发电板将太阳能转换成电力，晶体硅技术是光伏工业使的原始材料技 术，传统的晶体硅太阳能发电板首先被广泛应用于太空卫星上。这种太阳能发电板是用 逐步反复，批量生产之工序从单晶硅或多晶硅的小晶片制造而成。虽然这种技术的开发 已取得很大的进展，但是晶体光伏发电组件的成本还是因为材料的成本以及生产这种发 电组件所需的烦琐工艺而持续居高不下。晶体硅太阳能发电组件体积庞大，容易破碎而且 生产耗能更多。 生产太阳能发电板的另一种薄膜技术使用到金属镉，这种技术损害环境而且在生产 过程中及售后服务上都需极多的管理维护。这些薄膜技术以及晶体硅技术都使用逐步反 复的批量生产工艺，而不是像非晶硅技术所用的连续性卷到卷的生产工艺。 通过使用独一无二的薄膜型，蒸汽镀膜非晶硅合金材料，已开发出独有的技术来降低 太阳能发电板的成本，由于非晶硅比晶体硅更有效地吸收光线，非晶硅太阳能发电板的 厚度比其它产品小1 0 0 倍，因而将材料成本显著降低通过使用柔韧的不锈钢基片以及聚 合物密封材料，所产生出来的光伏发电产品具有十分轻便，柔韧及耐久的性能。产品在运 输过程中不会破碎而且可轻易地运送到偏远的地区，因而可以节省运输费用，在安装时可 做到丝毫无损。 众多的具有不同的光吸收性能的非晶硅发电板连续地一个镀在另一个上，使之能够 更为有效地捕获太阳极为广阔的光谱。这样既增加了这些多元发电板装置的能量转换效 率也改变了其稳定性能。独有的多结方法使得非晶硅技术具有创世界记录的高效率，保持 着经美国能源部国家可再生能源试验室测试认可大面积及小面积非晶硅太阳能发电板 能量转换效率的当今世界记录。为了进一步降低光伏发电组件的制造成本，率先开发了独 有的连续卷到卷太阳能发电板镀膜技术。并拥有这个领域最主要的专利。这种技术是用 一个高产且自动化的机器在一卷半里长1 4 英寸宽的柔韧的不锈钢上先后镀在九层的非 晶硅薄膜而制成一卷连续的，由三层太阳能发电板重叠在一起的结构产品。这卷太阳能发 电板被进一步加工成各种各样的光伏产品。这种领先方法在本行业中是独一无二，并且有 1 7 非晶硅太阳能电池的光伏特性 重要的制造成本优越性。我们相信，随着技术及大规模生产方面的不断改进，光伏发电组 件的成本将会显著地比传统的晶体硅以及其它的玻璃结构的薄膜太阳能发电组件更为 低廉，价格将可与石油媲美。 3 2 现有非晶硅太阳能电池产业的市场开发 非晶硅太阳电池无论在学术上还是在产业上都已取得巨大的成功，全世界的生产能 力超过5 0 m w 。据预测，若太阳电池寿命在2 0 年以上，发电系统成本低于每瓦2 美元， 则光伏发电电力将可与常规电力竞争。与其它品种太阳电池相比，非晶硅太阳电池更接 近这一目标。非晶硅太阳电池目前虽不能与常规电力竞争