太阳能电池：基本理论与工艺.ppt

1、太阳能电池：基本理论与工艺,2020/9/12,半导体基本概念（一）,2,电池效率决定于每一步， 你这一步就是决定因素！,2020/9/12,半导体基本概念（一）,3,工艺学习，讲述要 怎么做？ 理论学习，讲述 为什么这么做？,2020/9/12,半导体基本概念（一）,4,太阳能电池：基本理论与工艺,半导体物理的基本概念（2 lectures） 太阳能电池理论、结构设计、工艺技术（2 lectures） 太阳能电池相关的光电特性分析（2 lectures）（以后再讲） 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,2020/9/12,半导体基本概念（一）,

2、5,半导体基本概念（一）,缺陷 载流子寿命 扩散长度，影响扩散长度的因素 载流子的传输（扩散与漂移）,硅的晶体结构 电子与空穴 p型，n型， 导带与价带 载流子,2020/9/12,半导体基本概念（一）,6,1.1 硅的晶体结构,2020/9/12,半导体基本概念（一）,7,Si原子最外层有四个电子： 3s2 3p2,硅原子基态,3s 3p,激发态,Sp3杂化态,Sp3杂化理论,2020/9/12,半导体基本概念（一）,8,3s,3pz,3py,3px,杂化前,杂化后,2020/9/12,半导体基本概念（一）,9,正四面体结构,2020/9/12,半导体基本概念（一）,10,共价键,半导体材料

3、主要靠的是共价键结合。 共价键的特点： 饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键； 方向性：原子只能在特定方向上形成共价键。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,11,共价电子对,2020/9/12,半导体基本概念（一）,12,硅晶体：正四面体结构,2020/9/12,半导体基本概念（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，腐蚀后在硅片表面形成很多个（111）面组成的金字塔。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,14,电池绒面制备,2020/9/12,半导体基本概念（一）,15,硅的晶格常数

4、：0.54 nm 单位cm3中，硅的原子数：5x1022/cm3 注： 半导体中不用严格的MKS单位制,2020/9/12,半导体基本概念（一）,16,绝对温度与摄氏温度,什么是温度？ 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。 绝对温度=摄氏温度+273.15 室温下：25，300K 绝对零度：所有原子分子绝对静止。（事实上不存在）,2020/9/12,半导体基本概念（一）,17,1.2 电子与空穴，导带与价带,禁带宽度 Eg,低温下，价键电子全部在价带。低温时，硅是绝缘体。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,18,随

5、着温度的升高，共价键电子被激发，离开共价键位置，成为自由电子，这样就可以导电了。 空穴的迁移，也会产生空穴导电。,禁带宽度 Eg,怎样才能导电？,2020/9/12,半导体基本概念（一）,19,导带中的电子，价带中的空穴,为什么硅可以吸收光？ 光激发可以打断共价键，产生自由电子；将价电子激发到导带。 硅的禁带宽度1.1eV (1100nm), 吸收可见红外光。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,20,1.4 直接带隙、间接带隙,2020/9/12,半导体基本概念（一）,21,GaAs, Si, Ge 中本征载流子浓度与温度的关系 硅，室温下 1.3x1010cm-3,1.5 本征半导体

6、,2020/9/12,半导体基本概念（一）,22,1.6 掺杂、n型和p型半导体,III V,2020/9/12,半导体基本概念（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,2020/9/12,半导体基本概念（一）,24,Al,Al是受主，空穴是多数载流子,2020/9/12,半导体基本概念（一）,25,掺杂半导体中载流子浓度,室温下： n 型半导体的电子浓度：n=ND， p型半导体的空穴浓度： p=NA,2020/9/12,半导体基本概念（一）,26,在半导体中 np=ni2 Si：ni=1.3x1010cm-3 如果n=ND=1017cm-3，

7、那么p=103cm-3 电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 这类半导体是n型半导体。P型半导体以此类推。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,27,如果既有施主又有受主： 如果是NDNA, n型半导体， n=ND-NA 如果是NAND, p型半导体， p=NA-ND 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。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,28,1.7 费米能级：表示电子空穴浓度的标尺,2020/9/12,半导体基本概念（一）,29,1.7* 允许能态的占有几率,2020/9/12,半导体基本概念（一）,30,费米能级，费米-迪拉克统计分布,N(E)=g(

8、E)f(E) 对于洁净的半导体材料，费米能级位于禁带中央附近。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,31,费米狄拉克分布函数,2020/9/12,半导体基本概念（一）,32,1.7 电导率，电阻率,电导率： =qnn + qhp 为载流子迁移率 n型半导体：=qnn， 施主，电子是多数载流子 p型半导体：=qpp 受主，空穴是多数载流子 电阻率 =1/ 光照后 n=n0+ n ，p=p0+p, 随光强变化。半导体电导率收光照的影响。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,33,电导率随掺杂浓度的变化,2020/9/12,半导体基本概念（一）,34,1.8 III，V族杂质与其他缺陷,

9、杂质： III-V族：P， B C，O，Fe，Al，Mn等 空位 位错，晶界等,2020/9/12,半导体基本概念（一）,35,2020/9/12,半导体基本概念（一）,36,缺陷能级,不同缺陷占据不同能级,2020/9/12,半导体基本概念（一）,37,不同杂质对太阳能电池的影响,2020/9/12,半导体基本概念（一）,38,1.9 载流子传输：扩散与漂移,浓度梯度，引起载流子扩散,2020/9/12,半导体基本概念（一）,39,漂移电流,n,电场，引起载流子漂移,2020/9/12,半导体基本概念（一）,40,爱因斯坦关系：,扩散长度与寿命关系：,2020/9/12,半导体基本概念（一）

10、,41,谢谢,2020/9/12,半导体基本概念（一）,42,2. 半导体基础知识（二）,2020/9/12,半导体基本概念（一）,43,2.1 光，光与半导体的相互作用,光具有波的性质，也具有粒子（光子）的性质。 E=1.24 / 波长与能量的换算,2020/9/12,半导体基本概念（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。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,45,半导体的光吸收,半导体共价电子被激发为自由电子，正好在紫外、可见光、红外光范围内,E,2020/9/12,半导体基本概念（一）,46,硅吸收光

11、子能量1.12eV, 对应波长1100nm. 能量小于禁带宽度的光子，不能激发产生过剩载流子。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,47,2.2 硅的光吸收,2020/9/12,半导体基本概念（一）,48,E=1.24 / ,2020/9/12,半导体基本概念（一）,49,吸收系数的意义,IIe （-x）,物理意义：光在媒质中传播距离时能量减弱到原来能量的e。一般用吸收系数的来表征该波长的光在材料中的透入深度。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,50,2.3 过剩载流子的产生,激发前，导带电子密度n0，价带空穴密度p0， 激发后： 电子：n=n0+n 空穴：p=p0+p 一个光子

12、只激发一个电子空穴对。 光子能量大于禁带宽度的部分就浪费掉了。 如果光子能量小于禁带宽度，不能被吸收，也浪费掉了。太阳能电池需要选择一个合适的禁带宽度的半导体材料。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,51,2.4 过剩载流子的复合,光激发,1.SRH复合，2.辐射复合，3.俄歇复合，,2020/9/12,半导体基本概念（一）,52,2.5 载流子寿命,2020/9/12,半导体基本概念（一）,53,俄歇复合,硅中载流子寿命,2020/9/12,半导体基本概念（一）,54,表面与界面态,2020/9/12,半导体基本概念（一）,55,表面与界面复合,2020/9/12,半导体基本概念（一

13、）,56,有效寿命,2020/9/12,半导体基本概念（一）,57,2.5 器件方程,太阳能电池中载流子传输，产生与复合：,2020/9/12,半导体基本概念（一）,58,2.6 pn结,2020/9/12,半导体基本概念（一）,59,pn结,内建电场是太阳能电池发电的核心,2020/9/12,半导体基本概念（一）,60,内建电场,内建电场是太阳能电池发电的核心: 电场强度E，空间电荷区宽度W P区和n区，掺杂浓度越高，空间电荷区越窄。,空间电荷区的参数,2020/9/12,半导体基本概念（一）,61,2.7 金属-半导体接触：电极制备,功函数,亲和势,功函数,2020/9/12,半导体基本概

14、念（一）,62,2020/9/12,半导体基本概念（一）,63,对电极下 衬底进行重掺杂 例如：SE电池,势垒高，而且窄，电子通过隧穿的形式传输,2020/9/12,半导体基本概念（一）,64,势垒低，而且宽，电子通过热激发射的形式传输,2020/9/12,半导体基本概念（一）,65,谢谢,2020/9/12,半导体基本概念（一）,66,3. 太阳能电池基本理论,2020/9/12,半导体基本概念（一）,67,3.1 太阳能电池工作原理,光,2020/9/12,半导体基本概念（一）,68,2020/9/12,半导体基本概念（一）,69,3.2 太阳能电池工作的两个要素：,可以吸收光， 产生电子

15、空穴对,2020/9/12,半导体基本概念（一）,70,2. 具有光伏结构， 可以分开电子和空穴,2020/9/12,半导体基本概念（一）,71,3.3 太阳能电池的输出参数,太阳能电池I-V特性,开路电压、短路电流、填充因子、转换效率,2020/9/12,半导体基本概念（一）,72,、开路电压：在p-n结开路情况下（），此时pn结两端的电压为开路电压。即： 、短路电流： 如将pn结短路(V=0),因而，这时所得的电流为短路电流。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,73,、填充因子 在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形 面积，其中只有一点是输出最大功率，称为

16、最佳工作点，该点的电压和电流分 别称为最佳工作电压max和最佳工作电压Vmax。 填充因子定义为：,2020/9/12,半导体基本概念（一）,74,4、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：,2020/9/12,半导体基本概念（一）,75,量子效率,量子效率,光生电流中电子数,吸收某波长的光子数,量子效率 =,2020/9/12,半导体基本概念（一）,76,3.4 太阳光谱与能量,2020/9/12,半导体基本概念（一）,77,3.5 载流子产生数分布,不同波长，吸收系数不同，吸收长度不同,2020/9/12,半导体基本概念（一）,78,不同波长的太阳光

17、，载流子产生率分布,2020/9/12,半导体基本概念（一）,79,对标准太阳光，硅的载流子产生数,2020/9/12,半导体基本概念（一）,80,3.6 太阳能电池对载流子的收集效率,收集率,2020/9/12,半导体基本概念（一）,81,有效电流电子=产生数 x 收集效率,2020/9/12,半导体基本概念（一）,82,量子效率,量子效率,2020/9/12,半导体基本概念（一）,83,3*.1 原子扩散原理,2020/9/12,半导体基本概念（一）,84,2020/9/12,半导体基本概念（一）,85,2020/9/12,半导体基本概念（一）,86,2020/9/12,半导体基本概念（一

18、）,87,2020/9/12,半导体基本概念（一）,88,浓度梯度是原子扩散的驱动力。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,89,4. 影响效率的因素，太阳能电池设计,2020/9/12,半导体基本概念（一）,90,4.1 禁带宽度的影响,2020/9/12,半导体基本概念（一）,91,2020/9/12,半导体基本概念（一）,92,2020/9/12,半导体基本概念（一）,93,效率随禁带宽度的变化,Si,2020/9/12,半导体基本概念（一）,94,4.2. 太阳能电池效率,2020/9/12,半导体基本概念（一）,95,制约光电池转换效率的因素,光学损失 电学损失 串并联电阻损失

19、3%,反射损失13% 短波损失43% 透射损失,光生空穴电子对 在各区的复合,表面复合 （前表面和背表面） 材料复合： 复合中心复合,2020/9/12,半导体基本概念（一）,96,4.3 光学损失,减反射层， 陷光结构，栅线变细变稀,2020/9/12,半导体基本概念（一）,97,4.2.1减反射,减反射薄膜的 最佳折射率和厚度：,2020/9/12,半导体基本概念（一）,98,减反射,厚度 和折射率：关键参数,2020/9/12,半导体基本概念（一）,99,不同厚度的减反射薄膜，颜色不同,2020/9/12,半导体基本概念（一）,100,4.2.2单晶硅表面绒化,2020/9/12,半导体

20、基本概念（一）,101,单晶硅表面绒化,2020/9/12,半导体基本概念（一）,102,陷光原理,1. 减少反射 2. 增加光程,2020/9/12,半导体基本概念（一）,103,陷光效果,2020/9/12,半导体基本概念（一）,104,4.2.3 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). T

21、his allows an optical path length of approximately 50 times the physical devices thickness and thus is an effective light trapping scheme.,2020/9/12,半导体基本概念（一）,105,高效单晶硅电池结构,2020/9/12,半导体基本概念（一）,106,厚度对太阳能电池效率的影响,2020/9/12,半导体基本概念（一）,107,4.4 载流子复合的影响,载流子复合影响短路电流和开路电压 复合可分为五个区域： 前表面 发射区(n型区） 空间电荷区 基体

22、（p型区） 背面,2020/9/12,半导体基本概念（一）,108,爱因斯坦关系：,扩散长度与寿命关系：,载流子扩散长度与寿命,光生载流子在空间电荷区两侧 一个扩散长度范围内产生，才可能被收集。 其被收集的几率受载流子复合几率（载流子寿命的倒数）的限制。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,109,为了更有限地收集p-n结的光生载流子，硅电池的表面和体复合必须最大限度的降低。 通常，电流收集所要求的两个条件： 光生载流子必须在结的两侧，一个载流子扩散长度范围内。 在局域高复合区（未被钝化的表面或者多晶器件的晶界），载流子必须产生于近结的地方而不是近复合区；在局域较为轻的复合区（钝化的表面

23、），载流子可以产生于近复合区，可以不被复合而扩散到结的区域。,4.3.1复合对电流的影响,2020/9/12,半导体基本概念（一）,110,蓝光有着高的吸收系数和能在近前表面得到吸收；但是当近前表面是高复合区的话，它不能产生少数载流子。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,111,电荷收集,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。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,112,基体中载流子寿命对开路电压的影响,2020/9/12,半导体基本概念（一）,113,掺杂浓度对开路电压的影响,2020/9/12,半导体基本概念（一）,114,并联电阻,由并联电阻造成的器件效率严重

24、损失主要是材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，而不再通过负载。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。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,115,降低表面与界面复合,2020/9/12,半导体基本概念（一）,116,背场电池,2020/9/12,半导体基本概念（一）,117,背表面复合速率对电池参数的影响,表面复合,2020/9/12,半导体基本概念（一）,118,4.4 串联电阻,2020/9/12,半导体基本概念（一）,119,4.4.1体电阻,2020/9/12,半导体基本概念（一）,120,4.4

25、.2 薄层电阻,2020/9/12,半导体基本概念（一）,121,发射层电阻,2020/9/12,半导体基本概念（一）,122,4.4.3 接触电阻,2020/9/12,半导体基本概念（一）,123,栅线设计,2020/9/12,半导体基本概念（一）,124,4.4.4 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。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,125,短路电流依赖于,电池面积 太阳能光强度 光谱分布 光生载流子收集率。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,126,4.5 串联电阻和并联电阻的分辨,2020/9/12,半导体基本

26、概念（一）,127,4.6 影响量子效率的因素,2020/9/12,半导体基本概念（一）,128,4.7 电池结构与效率,2020/9/12,半导体基本概念（一）,129,对于一个单结太阳能电池，假如表面反射、载流子收集、以及串并联电阻，都得到优化，他的理论最高效率：25%,2020/9/12,半导体基本概念（一）,130,4.7.1 材料选择 (一般是硅),原料丰富 工艺成熟 禁带宽度略低， 间接禁带半导体，光吸收系数小，但通过陷光结构可以克服。 目前还没有找到其他材料能够代替硅。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,131,4.7.2 电池厚度 (100-500微米),具有陷光和良好

27、表面反射层的电池，其厚度100微米，就可以了。 目前市场上，电池厚度 200 500微米之间，目的是生产中容易操作。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,132,4.7.3 电阻率(1欧姆厘米),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。 但是过高的掺杂浓度会降低载流子扩散长度，反过来影响载流子收集。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,133,4.7.4 扩散层 (n-type),扩散层：负极 基底：正极,2020/9/12,半导体基本概念（一）,134,4.7.5 扩散层厚度(1微米),大量的太阳光是在扩散层被吸收的，这一层比较薄，使得更多的光生载流子在一个扩散长

28、度范围内产生，从而被pn结收集。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,135,4.7.6 扩散层掺杂浓度,扩散层的掺杂浓度要在一个适当的程度。 掺杂浓度偏高，有利于降低电阻损耗，传输光生载流子。但是会增大扩散层中光生载流子的复合，影响载流子收集。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,136,4.7.7 栅线,收集电流。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,137,4.7.8 背面电极.,背面电极和前面相比，不那么重要。但是随着电池效率的升高和电池厚度变薄，降低背面复合也是非常必要的。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,138,4.8 效率测试,2020/9/12,半导

29、体基本概念（一）,139,2020/9/12,半导体基本概念（一）,140,4.9 电池效率受温度的影响,2020/9/12,半导体基本概念（一）,141,4.10 光强的影响,2020/9/12,半导体基本概念（一）,142,4.11 晶体硅电池制备,2020/9/12,半导体基本概念（一）,143,太阳电池产业链,硅砂（SiO2）,冶金级硅（3N）,太阳级硅（6N）,硅棒,硅锭,切方,破锭,切片,制备电池,封装,2020/9/12,半导体基本概念（一）,144,太阳能电池的研究工作简介,2020/9/12,半导体基本概念（一）,145,太阳能电池的研究工作,实验制备太阳能电池， 包括寻找新

30、技术，新手段。提高电池效率，降低太阳能电池成本。技术的突破，给产业的发展，往往是跨越式的。 表征分析， 太阳能电池研究过程中，遇到的技术和科学问题，必须进行测试和理论分析。 理论分析也是太阳能电池研究不可或缺的部分。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,146,新技术的突破,实验研究： 提高效率 +1% 进一步降低成本 -1%， -10%，-50% 薄膜、薄、多晶硅、颗粒带硅等等。,2020/9/12,半导体基本概念（一）,147,表征分析,串联电阻、并联电阻原因分析 复合在什么位置？多大？什么原因引起的复合？ 缺陷分布？什么缺陷？ 等等。 凡是实验和生产提出的问题，都是我们研究的对象。

31、,2020/9/12,半导体基本概念（一）,148,2020/9/12,半导体基本概念（一）,149,2020/9/12,半导体基本概念（一）,150,变波长， 变光强 变温度 瞬态信号分析,2020/9/12,半导体基本概念（一）,151,2020/9/12,半导体基本概念（一）,152,太阳能电池：基本理论与工艺,半导体物理的基本概念 太阳能电池理论、结构设计、工艺技术 太阳能电池相关的光电特性分析 太阳能电池组件物理问题,2020/9/12,半导体基本概念（一）,153,谢谢,2020/9/12,半导体基本概念（一）,154,7. 太阳能电池组件,2020/9/12,半导体基本概念（一）

32、,155,组件的材料,2020/9/12,半导体基本概念（一）,156,2020/9/12,半导体基本概念（一）,157,组件的设计,2020/9/12,半导体基本概念（一）,158,2020/9/12,半导体基本概念（一）,159,2020/9/12,半导体基本概念（一）,160,2020/9/12,半导体基本概念（一）,161,2020/9/12,半导体基本概念（一）,162,2020/9/12,半导体基本概念（一）,163,2020/9/12,半导体基本概念（一）,164,2020/9/12,半导体基本概念（一）,165,2020/9/12,半导体基本概念（一）,166,2020/9/12,半导体基本概念（一）,167,2020/9/12,半导体基本概念（一）,168,2020/9/12,半导体基本概念（一）,169,2020/9/12,半导体基本概念（一）,170,2020/9/12,半导体基本概念（一）,171,2020/9/12,半导