太阳能电池：基本理论与工艺ppt课件

1、太阳能电池：根本实际与工艺太阳能电池：根本实际与工艺2021-10-11半导体根本概念一2 电池效率决议于每一步，电池效率决议于每一步， 他这一步就是决议要素！他这一步就是决议要素！2021-10-11半导体根本概念一3v工艺学习，讲述要 怎样做？v v v实际学习，讲述 为什么这么做？ 2021-10-11半导体根本概念一4太阳能电池：根本实际与工艺v半导体物理的根本概念2 lecturesv太阳能电池实际、构造设计、工艺技术2 lecturesv太阳能电池相关的光电特性分析2 lectures以后再讲v太阳能电池组件物理问题2 lectures太阳能电池板质量检测红外热成像系统 2021-

2、10-11半导体根本概念一5半导体根本概念一 缺陷 载流子寿命 分散长度，影响分散长度的要素 载流子的传输分散与漂移 硅的晶体构造 电子与空穴 p型，n型， 导带与价带 载流子2021-10-11半导体根本概念一61.1 硅的晶体构造2021-10-11半导体根本概念一7vSi原子最外层有四个电子： 3s2 3p22s2pground state of C atomexcited state4 sp3 hybrid orbitalsthe foramtion of sp3 hybird orbitals硅原子基态3s 3p激发态Sp3杂化态Sp3杂化实际2021-10-11半导体根本概念一83

3、s3pz3py3px杂化前杂化后2021-10-11半导体根本概念一9正四面体构造2021-10-11半导体根本概念一10共价键v半导体资料主要靠的是共价键结合。v共价键的特点：v饱和性：一个原子只能构成一定数目的共价键；v方向性：原子只能在特定方向上构成共价键。2021-10-11半导体根本概念一11共价电子对2021-10-11半导体根本概念一12硅晶体：正四面体构造2021-10-11半导体根本概念一13从不同方向看晶体，原子堆积是不同的，所以不同的面具有不同的物理化学性质。化学腐蚀表现出择优腐蚀，用NaOH+H2O腐蚀，腐蚀后在硅片外表构成很多个111面组成的金字塔。2021-10-1

4、1半导体根本概念一14电池绒面制备2021-10-11半导体根本概念一15v硅的晶格常数：0.54 nmv单位cm3中，硅的原子数：5x1022/cm3v注： 半导体中不用严厉的MKS单位制2021-10-11半导体根本概念一16绝对温度与摄氏温度v什么是温度？v温度是反映物体内部分子运动快慢的量。分子运动愈快,物体愈热,即温度愈高;分子运动愈慢,物体愈冷,即温度愈低。 v绝对温度=摄氏温度+273.15 v室温下：25，300Kv绝对零度：一切原子分子绝对静止。现实上不存在2021-10-11半导体根本概念一171.2 电子与空穴，导带与价带禁带宽度禁带宽度 Eg低温下，价键电子全部在价带。

5、低温时，硅是绝缘体。低温下，价键电子全部在价带。低温时，硅是绝缘体。2021-10-11半导体根本概念一18随着温度的升高，共价键电子被激发，分开共价键位置，随着温度的升高，共价键电子被激发，分开共价键位置，成为自在电子，这样就可以导电了。成为自在电子，这样就可以导电了。空穴的迁移，也会产生空穴导电。空穴的迁移，也会产生空穴导电。禁带宽度禁带宽度 Eg怎样才干导电？怎样才干导电？2021-10-11半导体根本概念一19导带中的电子，价带中的空穴为什么硅可以吸收光？为什么硅可以吸收光？光激发可以打断共价键，产生自在电子；将价电子激发到导带。光激发可以打断共价键，产生自在电子；将价电子激发到导带。

6、硅的禁带宽度硅的禁带宽度1.1eV (1100nm), 吸收可见红外光。吸收可见红外光。2021-10-11半导体根本概念一201.4 直接带隙、间接带隙2021-10-11半导体根本概念一21GaAs, Si, Ge 中本征载流子浓度与温度的关系硅，室温下 1.3x1010cm-31.5 本征半导体2021-10-11半导体根本概念一221.6 掺杂、n型和p型半导体III V2021-10-11半导体根本概念一23掺杂原子的电离能P导带价带共价电子电离能P是施主：电子是多数载流子 2021-10-11半导体根本概念一24AlAl是受主，空穴是多数载流子2021-10-11半导体根本概念一2

7、5掺杂半导体中载流子浓度v室温下：v n 型半导体的电子浓度：n=ND， v p型半导体的空穴浓度： p=NAv 2021-10-11半导体根本概念一26v在半导体中v np=ni2 Si：ni=1.3x1010cm-3v假设n=ND=1017cm-3，那么p=103cm-3v电子是多数载流子，空穴是少数载流子。v这类半导体是n型半导体。P型半导体以此类推。2021-10-11半导体根本概念一27v假设既有施主又有受主：v假设是NDNA, n型半导体， n=ND-NAv假设是NAND, p型半导体， p=NA-NDv施主和受主杂质同时掺杂，会影响载流子迁移率，从而降低电导率。2021-10-1

8、1半导体根本概念一281.7 费米能级：表示电子空穴浓度的标尺2021-10-11半导体根本概念一291.7* 允许能态的占有几率2021-10-11半导体根本概念一30费米能级，费米-迪拉克统计分布N(E)=g(E)f(E)对于干净的半导体资料，费米能级位于禁带中央附近。2021-10-11半导体根本概念一31费米狄拉克分布函数2021-10-11半导体根本概念一321.7 电导率，电阻率v电导率：v=qnn + qhp 为载流子迁移率 v n型半导体：=qnn， 施主，电子是多数载流子vp型半导体：=qpp 受主，空穴是多数载流子v电阻率 =1/ v光照后 n=n0+ n ，p=p0+p,

9、 随光强变化。半导体电导率收光照的影响。2021-10-11半导体根本概念一33电导率随掺杂浓度的变化2021-10-11半导体根本概念一341.8 III，V族杂质与其他缺陷v杂质： vIII-V族：P， BvC，O，Fe，Al，Mn等v空位v位错，晶界等2021-10-11半导体根本概念一352021-10-11半导体根本概念一36缺陷能级不同缺陷占据不同能级2021-10-11半导体根本概念一37不同杂质对太阳能电池的影响2021-10-11半导体根本概念一381.9 载流子传输：分散与漂移浓度梯度，引起载流子分散浓度梯度，引起载流子分散2021-10-11半导体根本概念一39漂移电流n

10、电场，引起载流子漂移电场，引起载流子漂移2021-10-11半导体根本概念一40爱因斯坦关系：爱因斯坦关系：分散长度与寿命关系：分散长度与寿命关系：2021-10-11半导体根本概念一412021-10-11半导体根本概念一422. 半导体根底知识二2021-10-11半导体根本概念一432.1 光，光与半导体的相互作用v光具有波的性质，也具有粒子光子的性质。v E=1.24 / 波长与能量的换算2021-10-11半导体根本概念一44硅：1.12ev， 波长：1.1m E的单位 eV电子伏特：一个电子在真空中被1v电场加速后获得的能量。2021-10-11半导体根本概念一45半导体的光吸收半

11、导体共价电子被激发为自在电子，正好在半导体共价电子被激发为自在电子，正好在紫外、可见光、红外光范围内紫外、可见光、红外光范围内E2021-10-11半导体根本概念一46v硅吸收光子能量1.12eV, 对应波长1100nm.v能量小于禁带宽度的光子，不能激发产生过剩载流子。2021-10-11半导体根本概念一472.2 硅的光吸收2021-10-11半导体根本概念一48E=1.24 / 2021-10-11半导体根本概念一49吸收系数的意义IIe -xv物理意义：光在媒质中传播间隔时能量减弱到原来能量的e。普通用吸收系数的来表征该波长的光在资料中的透入深度。2021-10-11半导体根本概念一5

12、02.3 过剩载流子的产生v激发前，导带电子密度n0，价带空穴密度p0，v激发后：v电子：n=n0+nv空穴：p=p0+pv一个光子只激发一个电子空穴对。v光子能量大于禁带宽度的部分就浪费掉了。v 假设光子能量小于禁带宽度，不能被吸收，也浪费掉了。太阳能电池需求选择一个适宜的禁带宽度的半导体资料。EcEv2021-10-11半导体根本概念一512.4 过剩载流子的复合光激发光激发 1.SRH复合，2.辐射复合，3.俄歇复合，2021-10-11半导体根本概念一522.5 载流子寿命2021-10-11半导体根本概念一53俄歇复合俄歇复合硅中载流子寿命2021-10-11半导体根本概念一54外表

13、与界面态2021-10-11半导体根本概念一55外表与界面复合2021-10-11半导体根本概念一56有效寿命2021-10-11半导体根本概念一572.5 器件方程太阳能电池中载流子传输，产生与复合：太阳能电池中载流子传输，产生与复合：2021-10-11半导体根本概念一582.6 pn结2021-10-11半导体根本概念一59pn结内建电场是太阳能电池发电的中心内建电场是太阳能电池发电的中心2021-10-11半导体根本概念一60内建电场内建电场内建电场是太阳能电池发电的中心内建电场是太阳能电池发电的中心: 电场强度电场强度E，空间电荷区宽度，空间电荷区宽度WP区和区和n区，掺杂浓度越高，

14、空间电荷区越窄。区，掺杂浓度越高，空间电荷区越窄。空间电荷区的参数空间电荷区的参数2021-10-11半导体根本概念一612.7 金属-半导体接触：电极制备功函数功函数亲和势亲和势功函数功函数2021-10-11半导体根本概念一622021-10-11半导体根本概念一63对电极下衬底进展重掺杂例如：SE电池势垒高，而且窄，电子经过隧穿的方式传输2021-10-11半导体根本概念一64势垒低，而且宽，电子经过热激发射的方式传输2021-10-11半导体根本概念一652021-10-11半导体根本概念一663. 太阳能电池根本实际2021-10-11半导体根本概念一673.1 太阳能电池任务原理光

15、光2021-10-11半导体根本概念一682021-10-11半导体根本概念一693.2 太阳能电池任务的两个要素： 可以吸收光，可以吸收光， 产生电子空穴对产生电子空穴对2021-10-11半导体根本概念一702. 具有光伏构造，具有光伏构造，可以分开电子和空穴可以分开电子和空穴2021-10-11半导体根本概念一713.3 太阳能电池的输出参数太阳能电池太阳能电池I-V特性特性开路电压、短路电流、填充因子、转换效率开路电压、短路电流、填充因子、转换效率2021-10-11半导体根本概念一72、开路电压：在、开路电压：在p-n结开路情况下结开路情况下，此时，此时pn结两端的电压为开路电结两端

16、的电压为开路电压。即：压。即：、短路电流：、短路电流：如将如将pn结短路结短路(V=0),因此，这时因此，这时所得的电流为短路电流。所得的电流为短路电流。2021-10-11半导体根本概念一73、填充因子、填充因子在光电池的伏安特性曲线任一任务点上的输出功率等于该点所对应的矩形在光电池的伏安特性曲线任一任务点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只需一点是输出最大功率，称为最正确任务点，该点的电压和电流分面积，其中只需一点是输出最大功率，称为最正确任务点，该点的电压和电流分别称为最正确任务电压别称为最正确任务电压max和最正确任务电压和最正确任务电压Vmax。填充因子定义为：填充因子定义为

17、：2021-10-11半导体根本概念一744、光电转换效率、光电转换效率光电池的光电转换效率定义为最大输出功率与入射的光照强度之比，即：光电池的光电转换效率定义为最大输出功率与入射的光照强度之比，即：2021-10-11半导体根本概念一75量子效率量子效率量子效率光生电流中电子数光生电流中电子数吸收某波长的光子数吸收某波长的光子数量子效率量子效率 =2021-10-11半导体根本概念一763.4 太阳光谱与能量2021-10-11半导体根本概念一773.5 载流子产生数分布不同波长，吸收系数不同，吸收长度不同不同波长，吸收系数不同，吸收长度不同2021-10-11半导体根本概念一78不同波长的

18、太阳光，载流子产生率分布2021-10-11半导体根本概念一79对规范太阳光，硅的载流子产生数2021-10-11半导体根本概念一803.6 太阳能电池对载流子的搜集效率搜集率搜集率2021-10-11半导体根本概念一81有效电流电子=产生数 x 搜集效率2021-10-11半导体根本概念一82量子效率量子效率量子效率2021-10-11半导体根本概念一833*.1 原子分散原理2021-10-11半导体根本概念一842021-10-11半导体根本概念一852021-10-11半导体根本概念一862021-10-11半导体根本概念一872021-10-11半导体根本概念一88浓度梯度是原子分散

19、的驱动力。2021-10-11半导体根本概念一894. 影响效率的要素，太阳能电池设计2021-10-11半导体根本概念一904.1 禁带宽度的影响2021-10-11半导体根本概念一912021-10-11半导体根本概念一922021-10-11半导体根本概念一93效率随禁带宽度的变化Si2021-10-11半导体根本概念一944.2. 太阳能电池效率2021-10-11半导体根本概念一95制约光电池转换效率的要素制约光电池转换效率的要素 光学损失 电学损失 串并联电阻损失3% 反射损失反射损失13%短波损失短波损失43%透射损失透射损失光生空穴光生空穴电子对电子对在各区的复合在各区的复合外

20、表复合外表复合 前外表和背外表前外表和背外表资料复合：资料复合： 复合中心复合复合中心复合2021-10-11半导体根本概念一964.3 光学损失减反射层，减反射层， 陷光构造，栅线变细变稀陷光构造，栅线变细变稀2021-10-11半导体根本概念一974.2.1减反射减反射薄膜的减反射薄膜的最正确折射率和厚度：最正确折射率和厚度：2021-10-11半导体根本概念一98减反射减反射厚度厚度 和折射率：关键参数和折射率：关键参数2021-10-11半导体根本概念一99不同厚度的减反射薄膜，颜色不同2021-10-11半导体根本概念一1004.2.2单晶硅外表绒化2021-10-11半导体根本概念

21、一101单晶硅外表绒化2021-10-11半导体根本概念一102陷光原理1. 减少反射减少反射2. 添加光程添加光程2021-10-11半导体根本概念一103陷光效果2021-10-11半导体根本概念一1044.2.3 背反射since the pathlength of the incident light can be enhanced by a factor up to 4n2 where n is the index of refraction for the semiconductor(Yablonovitch and Cody, 1982). This allows an opti

22、cal path length of approximately 50 times the physical devices thickness and thus is an effective light trapping scheme. 2021-10-11半导体根本概念一105高效单晶硅电池构造2021-10-11半导体根本概念一106厚度对太阳能电池效率的影响GaAsSi2021-10-11半导体根本概念一1074.4 载流子复合的影响v载流子复合影响短路电流和开路电压v复合可分为五个区域：v前外表v发射区(n型区v空间电荷区v基体p型区v反面 2021-10-11半导体根本概念一10

23、8爱因斯坦关系：爱因斯坦关系：分散长度与寿命关系：分散长度与寿命关系：载流子分散长度与寿命光生载流子在空间电荷区两侧光生载流子在空间电荷区两侧 一个分散长度范围内产生，才能够被搜集。一个分散长度范围内产生，才能够被搜集。其被搜集的几率受载流子复合几率载流子寿命的倒数的限制。其被搜集的几率受载流子复合几率载流子寿命的倒数的限制。2021-10-11半导体根本概念一109 为了更有限地搜集p-n结的光生载流子，硅电池的外表和体复合必需最大限制的降低。通常，电流搜集所要求的两个条件：光生载流子必需在结的两侧，一个载流子分散长度范围内。在局域高复合区未被钝化的外表或者多晶器件的晶界，载流子必需产生于近

24、结的地方而不是近复合区；在局域较为轻的复合区钝化的外表，载流子可以产生于近复合区，可以不被复合而分散到结的区域。4.3.1复合对电流的影响2021-10-11半导体根本概念一110v蓝光有着高的吸收系数和能在近前外表得到吸收；但是当近前外表是高复合区的话，它不能产生少数载流子。2021-10-11半导体根本概念一111电荷搜集电荷搜集 电池的量子效率可以作为评价光生载流子复合效应的手段。2021-10-11半导体根本概念一112基体中载流子寿命对开路电压的影响2021-10-11半导体根本概念一113掺杂浓度对开路电压的影响2021-10-11半导体根本概念一114并联电阻由并联电阻呵斥的器件

25、效率严重损失主要是资料和器件制备中的缺陷，而不是器件设计问题。小的并联电阻提供了光生电流的另一个通道，而不再经过负载。这样就降低了电池的开路电流和短路电压. 在弱光下，并联电阻的影响尤为显著。2021-10-11半导体根本概念一115降低外表与界面复合2021-10-11半导体根本概念一116背场电池2021-10-11半导体根本概念一117背外表复合速率对电池参数的影响外表复合外表复合2021-10-11半导体根本概念一1184.4 串联电阻2021-10-11半导体根本概念一1194.4.1体电阻2021-10-11半导体根本概念一1204.4.2 薄层电阻2021-10-11半导体根本概

26、念一121发射层电阻2021-10-11半导体根本概念一1224.4.3 接触电阻2021-10-11半导体根本概念一123栅线设计2021-10-11半导体根本概念一1244.4.4 串联电阻的来源与影响发射区基区接触电阻降低填充因子，特别大的串联电阻还降低短路电流。2021-10-11半导体根本概念一125短路电流依赖于v电池面积电池面积v太阳能光强度太阳能光强度v光谱分布光谱分布v光生载流子搜集率。光生载流子搜集率。2021-10-11半导体根本概念一1264.5 串联电阻和并联电阻的分辨2021-10-11半导体根本概念一1274.6 影响量子效率的要素2021-10-11半导体根本概

27、念一1284.7 电池构造与效率2021-10-11半导体根本概念一129v对于一个单结太阳能电池，假设外表反射、载流子搜集、以及串并联电阻，都得到优化，他的实际最高效率：25%2021-10-11半导体根本概念一1304.7.1 资料选择 (普通是硅) v原料丰富v工艺成熟v禁带宽度略低，v间接禁带半导体，光吸收系数小，但经过陷光构造可以抑制。v目前还没有找到其他资料可以替代硅。2021-10-11半导体根本概念一1314.7.2 电池厚度电池厚度 (100-500微米微米)v具有陷光和良好外表反射层的电池，其厚度100微米，就可以了。v目前市场上，电池厚度 200 500微米之间，目的是消

28、费中容易操作。2021-10-11半导体根本概念一1324.7.3 电阻率电阻率(1欧姆厘米欧姆厘米)v高的掺杂浓度，可以产生高的开路电压，并降低电池串联电阻。v但是过高的掺杂浓度会降低载流子分散长度，反过来影响载流子搜集。2021-10-11半导体根本概念一1334.7.4 分散层分散层 (n-type)v分散层：负极v基底：正极 2021-10-11半导体根本概念一1344.7.5 分散层厚度分散层厚度(1微米微米)v大量的太阳光是在分散层被吸收的，这一层比较薄，使得更多的光生载流子在一个分散长度范围内产生，从而被pn结搜集。2021-10-11半导体根本概念一1354.7.6 分散层掺杂

29、浓度v分散层的掺杂浓度要在一个适当的程度。v掺杂浓度偏高，有利于降低电阻损耗，传输光生载流子。但是会增大分散层中光生载流子的复合，影响载流子搜集。2021-10-11半导体根本概念一1364.7.7 栅线栅线v搜集电流。 2021-10-11半导体根本概念一1374.7.8 反面电极. v反面电极和前面相比，不那么重要。但是随着电池效率的升高和电池厚度变薄，降低反面复合也是非常必要的。2021-10-11半导体根本概念一1384.8 效率测试2021-10-11半导体根本概念一1392021-10-11半导体根本概念一1404.9 电池效率受温度的影响2021-10-11半导体根本概念一141

30、4.10 光强的影响2021-10-11半导体根本概念一1424.11 晶体硅电池制备2021-10-11半导体根本概念一143太阳电池产业链太阳电池产业链硅砂硅砂SiO2冶金级硅冶金级硅3N太阳级硅太阳级硅6N硅棒硅棒硅锭硅锭切方切方破锭破锭切片切片制备电池制备电池封装封装2021-10-11半导体根本概念一144太阳能电池的研讨任务简介2021-10-11半导体根本概念一145太阳能电池的研讨任务v实验制备太阳能电池，v包括寻觅新技术，新手段。提高电池效率，降低太阳能电池本钱。技术的突破，给产业的开展，往往是跨越式的。v表征分析，v太阳能电池研讨过程中，遇到的技术和科学问题，必需进展测试和

31、实际分析。v实际分析也是太阳能电池研讨不可或缺的部分。2021-10-11半导体根本概念一146新技术的突破v实验研讨：v提高效率 +1%v进一步降低本钱 -1%， -10%，-50%v薄膜、薄、多晶硅、颗粒带硅等等。2021-10-11半导体根本概念一147表征分析v串联电阻、并联电阻缘由分析v复合在什么位置？多大？什么缘由引起的复合？v缺陷分布？什么缺陷？v等等。v 凡是实验和消费提出的问题，都是我们研讨的对象。2021-10-11半导体根本概念一1482021-10-11半导体根本概念一1492021-10-11半导体根本概念一150v变波长，v变光强v变温度v瞬态信号分析2021-10

32、-11半导体根本概念一1512021-10-11半导体根本概念一152太阳能电池：根本实际与工艺v半导体物理的根本概念v太阳能电池实际、构造设计、工艺技术v太阳能电池相关的光电特性分析v太阳能电池组件物理问题2021-10-11半导体根本概念一1532021-10-11半导体根本概念一1547. 太阳能电池组件2021-10-11半导体根本概念一155组件的资料2021-10-11半导体根本概念一1562021-10-11半导体根本概念一157组件的设计2021-10-11半导体根本概念一1582021-10-11半导体根本概念一1592021-10-11半导体根本概念一1602021-10-

33、11半导体根本概念一1612021-10-11半导体根本概念一1622021-10-11半导体根本概念一1632021-10-11半导体根本概念一1642021-10-11半导体根本概念一1652021-10-11半导体根本概念一1662021-10-11半导体根本概念一1672021-10-11半导体根本概念一1682021-10-11半导体根本概念一1692021-10-11半导体根本概念一1702021-10-11半导体根本概念一1712021-10-11半导体根本概念一1722021-10-11半导体根本概念一1732021-10-11半导体根本概念一1742021-10-11半导体根本概念一1752021-10-11半导体根本概念一1762021-10-11半导体根本概念一177世界最高纪录的世界最高纪录的PERL电池电池n+p- si l i con t hi n oxi de ( 200)oxi der ear cont actf i nger i nver t ed pyr ami dsp+p+p+doubl e l ayerant i r e