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第四章非晶硅太阳能电池结构 1101030121 4 2 2非晶硅太阳电池结构 1 单结非晶硅太阳电池 2 多结叠层电池 三种晶硅太阳电池的区别 三种晶硅太阳电池的应用 1 非晶硅 非晶硅双结结构 2 非晶硅 非晶硅锗双结结构 2 多结叠层电池 1 非晶硅 非晶硅双结结构 2 非晶硅 非晶硅锗双结结构 3 非晶硅 微晶硅双结结构 4 非晶硅 非晶硅锗 非晶硅锗三结结构 5 非晶硅 非晶硅锗 微晶硅锗三结结构 6 非晶硅 微晶硅锗 微晶硅锗三结结构 单晶硅 硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核 晶粒晶面取向相同 多晶硅 硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核 晶粒晶面取向不同 非晶硅 硅原子按照一定的键长和键角相互间以无序方式结合形成四面体结构 由于不饱和或悬挂键而出现微孔 氢原子可以与悬挂键结合 1 三种太阳能电池的区别 2 非晶硅与单晶硅 多晶硅的区别及应用 物理性能 一般我们熟悉的单晶硅 多晶硅都是晶态半导体材料 原子或分子具有周期性排列 这种周期性排列被称为长程有序 而非晶硅在微观结构上完全不同 它们缺乏构成原子周期性的长程有序性 如图非晶硅的网络模型图 问题 目前广泛使用的太阳能电池材料都是晶态硅 非晶硅使用在什么方面 P77图4 1常用太阳能电池的光吸收系数 纵坐标为光吸收系数 越大光敏性越好 横坐标为太阳光谱辐射的能量 图中吸收峰分布与太阳光谱峰分布相近 有利于太阳光的吸收 故适合制作薄膜太阳电池 1 单结非晶硅太阳电池 有两种结构 P I N结构和N I P结构 P I N 通常沉积在透明性较好的玻璃或耐高温塑料衬底上 N I P 通常沉积在不透明或透光性较差的聚酯或不锈钢衬底上 I 太阳能电池的本征层 光生载流子主要在这一层 现以P I N为例 第一层为普通玻璃 是电池载体 第二层为绒面的TCO 光从它穿过被电池吸收 所以要求它的透过率高 作为电池的一个电极 所以要求它导电 TCO制成绒面起到减少反射光的作用 太阳能电池就是以这两层为衬底成长的 第三层为太阳能电池的P层 即窗口层 第四层为I层 即太阳能电池的本征层 光生载流子主要在这一层产生 第五层为N层 起到连接I层和背电极的作用 第六层为背电极和Al Ag电极 目前制备背电极通常采用掺铝ZnO Al 或简称AZO 非晶态与晶态太阳电池的优缺点 1 具有成本低 回收快 易产生 2 对弱光响应好 3 适用范围广 应用前景好 缺点 2 光的吸收性不高 稳定性差 1 光的转换效率不高 优点 氢化非晶硅光吸收系数相对较大 有很强的光敏性 但是非晶硅的带隙为1 7eV左右 因此导致光电子能量低于1 7eV的光子直接透过非晶硅层 这一带隙材料只能吸收可见光范围内的太阳光 长波段的太阳光不能被本征层所吸收 对光生电流基本上无贡献 这限制了非晶硅太阳电池的转换效率提高 光的转换效率不高的原因 另外 受到光致衰减的限制 本征层不可能太厚 因此导致能量接近于带隙宽度的那部分光子 在有限的本征层之内并不能被充分地吸收 稳定性较差 光的吸收率不高 稳定性差的原因 非晶硅太阳能电池发展趋势 作为低成本太阳能电池 未来发展重点是开发新的结构 解决光至衰减问题 提高效率的同时 解决稳定性问题是非晶硅电池的研究重点 如果突破该技术 则非晶硅太阳能电池在民用及独立电源系统中将被大量使用 2 多结叠层电池 由于太阳光光谱中的能量分布较宽 现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子 用能带宽度与太阳光谱有最好匹配的材料做成电池 并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来 让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用 波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用 这就有可能最大限度地将光能变成电能 这样的电池结构就是叠层电池 思考题 薄膜电池为什么需要做成多层膜 这种结构在制备过程中 通过调节顶电池与底电池中本征层的沉积参数 主要为温度和氢稀释度 使禁带宽度有所不同 由于非晶硅的禁带宽度调整范围较小 为了使底电池有足够的电流 底电池的本征层要比顶电池厚得多 顶电池与底电池的厚度分别为100nm与300nm左右 带隙分别为1 8eV 1 7eV左右 1 非晶硅 非晶硅双结结构 量子效率 是指太阳能电池产生的电子 空穴对数目与入射到太阳能电池表面的光子数目之比 通常 我们所说的太阳能电池量子效率QE都是指外量子效率EQE 也就是说太阳能电池表面的光子反射损失是不被考虑的 量子效率 QE 曲线 为了提高底电池的长波相应 非晶硅锗合金是理想的本征材料 掺入锗可降低非晶硅薄膜的带隙 可通过调节等离子体中硅烷与锗烷的比例来调节材料的禁带宽度 对于非晶硅锗双叠层结构的底电池 其