薄膜太阳能电池知识培训

1、薄膜太阳能电池知识培训,Outline,一、太阳电池原理 二、薄膜太阳电池分类 三、薄膜太阳电池制程 四、生产厂商简介,一、太阳电池原理,电子能级图,E1,E2,E3,晶体中电子的运动情况,能级,电子处于一系列的运动状态，称为量子态。每个量子态中，电子的能量是一定的，称为能级。 靠近原子核的能级，电子受束缚强，能级低，反之，能级高。 电子只能在这些分裂的能级间跃迁，从低能级跃迁至高能级时，电子要吸收能量，反之，电子要放出能量。,晶体能带的形成,能带的形成,当原子排列成晶体时，电子除受到自身势场外，还受到其他原子势场作用，能级发生分裂，分裂能级总数很大，将构成能量相近的能带。 在能量低的能带中填

2、满了电子，这些能带称为满带；能量最高的能带，往往是半空或全空的，电子没有填满，称为导带（导带底能量为Ec）；导带下的那个满带，其电子可能跃迁到导带，称为价带（价带顶能量为Ev）；两者之间电子不能运动的区域称为禁带。,费米能级,假设把体系内所有电子按能量由低到高逐个占据能带中各个能级，则最后一个电子占据的那个能级即为费米能级。 物理意义：电子占据的概率为1/2的能级称为费米能级。只要知道了它的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。 处于热平衡状态下的电子系统有统一的费米能级。,也就是说，在温度0K时，费米能以下，填满电子，费米能以上，没有电子。,半导体,固体材料按照导电性能

3、可以分为绝缘体、导体和半导体。 绝缘体1010cm 如玻璃、水泥、干燥的木头等。 导体10-5cm 如金、银、铜、铝等金属。 半导体10-5cm 108cm 如硅、锗、砷化镓等等。 半导体材料的电阻率对温度、光照、磁场、压力、湿度、杂质浓度等因素非常敏感，能够制成发光、光电、磁敏、压敏、气敏、湿敏、热电转换等器件，因此用途广泛。,木头,铜线,硅,电导率取决于能带结构和导带电子的性质。 金属材料的导带和价带是重合的，中间没有禁带，因此，在价带中存在大量的自由电子，导电能力很强。 绝缘体材料的导带是空的，没有自由电子，而且禁带的宽度很宽，价带的电子不可能穿过禁带跃迁到导带上，导带中始终没有自由电子

4、，所以，绝缘体材料不导电。 半导体的导带中没有自由电子，但在一定得条件下，价带的电子可以跃迁到导带上，在价带中留下空穴，电子和空穴同时导电。 因此，半导体材料的禁带宽度是一个决定电学和光学性能的重要参数。,绝缘体、导体和半导体能带示意图,重要太阳能半导体材料的禁带宽度,电导率的能带解释,半导体分类,本征半导体 没有掺入杂质的半导体材料，电子和空穴的浓度相等。 N型半导体 在半导体材料中掺入了某种杂质(P)，使得电子浓度大于空穴浓度，称其为N型半导体，此时电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。相应的杂质被称为N型掺杂剂（施主杂质） P型半导体 在超高纯的半导体材料中掺入了某种杂质(B)，使得空

5、穴浓度大于电子浓度，称其为P型半导体，此时空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。相应杂质称为P型掺杂剂（受主杂质）,半导体分类,本征半导体费米能级位于禁带中线附近,N型半导体费米能级靠近导带,P型半导体费米能级靠近价带,半导体分类,N型半导体中靠近导带底部处存在施主能级，杂质电离时，施主能级上的电子获得能量ED，跃迁进入导带，成为自由电子，同时，形成固定不动的正电中心。 P型半导体中靠近价带顶部处存在受主能级，杂质电离时，受主能级上的空穴获得能量EA，跃迁进入价带，成为导电空穴，同时，形成固定不动的负电中心。,P-N结热平衡状态形成过程,内建电场形成,扩散,漂移,平衡态,多子浓度降低,浓度梯

6、度,存在内建电场,扩散和漂移共存,P,N,P,N,P,N,P,N,半导体独立存在时，都是电中性的。 将P型半导体和N型半导体结合在一起，在其二者的接触面上就形成PN结。 平衡时，产生的空穴-电子对和复合的空穴-电子对数目相同。,电子,空穴,平衡时，产生的空穴-电子对和复合的空穴-电子对数目相同。,热平衡下的PN结,在内建电场的作用下，载流子作漂移运动。相同载流子漂移与扩散方向相反。在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡。称这种情况为热平衡状态下的PN结。,太阳能电池原理,光伏效应 当P-N结受光照时，会产生光生载流子，在内建电场作用下，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区

7、，产生光生电势。如果将PN结与外电路相连，则电路中出现电流，称为光生伏特效应，是太阳能光电池的基本原理。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。,非晶硅薄膜电池,非晶硅重参杂缺陷太多，光生载流子大部分被复合，寿命很短，对发电贡献太少；轻参杂费米级移动太小，能带弯曲小,开路电压受限。因此 非晶硅电池采用的结构与晶硅不同，添加了有源集电区I层。,非晶硅薄膜电池,P层采用Si C异质结 ，Si C异质结的禁带宽度

8、很大，通过窗口作用提高透光率，使到达I层的可用光子增多，同时提高了开路电压 。,太阳能电池参数,I = Isexp(qV/kT)-1-IL 开路情况：I=0 得 （与内建电场对应） 短路情况：短路电流等于光生电流 ISC=IL,太阳能电池参数,太阳能电池参数,最大输出功率：最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop 电压为0时，电流最大，称为短路电流；电流为0是时，电压最大，称为开路电压。,填充因子：,转换效率：最大输出功率与入射功率之比。,太阳能电池参数,由伏安特性曲线上能够看出，最大输出功率是与开路电压和光生电流（短路电流）有关的（矩形面积），因此可以通过提

9、高二者的值来提高电池性能。,太阳能电池参数,要提高光生电流就要减小禁带宽度，激发更多电子，但是问题是高能光子激发电子后剩余能量转换为热能，对电池性能产生负面影响。 要提高开路电压就要提高光生电流和反响饱和电流的比值，增大禁带宽度可以减小反向饱和电流，但是同时也减少了光生电流。,太阳能电池等效电路,实际上，p-n结太阳能电池存在着Rs和Rsh的影响。其中， Rs是由材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。Rsh是在p-n结形成的不完全的部分所导致的漏电阻及电池边缘的漏电阻，称为旁路电阻或漏电电阻。,二、薄膜太阳电池分类,薄膜太阳能电池分类,在化合物半导体中，

10、研究最多的是III-V族的GaAs太阳能电池。由于其带隙比Si大，具有与太阳光光谱相当一致的光谱特性，因而从光谱响应角度来说，更适合做太阳能电池，目前，在所有太阳能电池中，GaAs太阳能电池的转换效率最高。,砷化镓薄膜太阳电池,砷化镓薄膜太阳电池,在制备GaAs太阳电池时，一般在N型GaAs衬底上首先生长0.5um左右的N型GaAs缓冲层，再生长N型AlGaAs作为背电场，在此基础上生长N型GaAs作为基底层，然后生长0.5um左右的P型GaAs作为发射层，再利用一层P型AlGaAs薄膜作为窗口层，便组成了单结GaAs薄膜太阳电池。,CuInSe2薄膜太阳电池,CuInSe2薄膜太阳电池是由以

11、玻璃或氧化铝作为衬底，以Mo薄膜作为导电层，以厚度约为2um的N型CdS薄膜作为窗口层，和P型CuInSe2薄膜材料组成的。另外，为了增加光的入射率，在电池表面制备一层SiO2或MgF2作为减反射层，最后，电池利用梳齿状镀铝层作为电极。,II-VI族半导体化合物太阳能电池中，目前转化效率最高的是n型硫化镉（CdS）和p型碲化镉（CdTe）组成的太阳能电池。这种电池的优点是从pn结到电极全部可以用丝网印刷和烧结制成，方法简单，成本低，转化效率可达13%左右，但同其他许多化合物太阳能电池一样，有（镉）引起的公害问题，所以至今不能广泛普及。,CdTe薄膜太阳电池,CdTe薄膜太阳电池,CdTe薄膜太

12、阳电池结构示意图,CdTe薄膜太阳电池一般制备在玻璃衬底上，首先沉积一层SnO2薄膜，再沉积一层n型CdS薄膜，最后制备金属接触层，形成完整的CdTe薄膜太阳电池。,有机太阳能电池,有机半导体太阳能电池也是目前研究较多的太阳能电池之一。虽然现在 其转换效率还不够高，但由于有机薄膜制造过程极其简单，生产成本低廉，易于大面积化，所以有望成为新的一种低成本太阳能电池。 有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应产生的电压形成电流。,三、薄膜太阳电池制程,薄膜太阳电池制程,Deposition Line,TCO LPCVD,Laser Scribe,PIN Deposition (CVD),Laser Scribe,ZnOAl Sputtering,Laser Scribe,Encapsulation,1,2,3,4,5,6,Al,EVA,Glass,Zine Oxide,a-S