太陽能電池原理及發(fā)展現(xiàn)狀,目錄,太陽能電池,化石能源日漸枯竭,人類對(duì)能源需求不斷上升，溫室效應(yīng)加劇促使人類尋找化石燃料之外的新型綠色能源。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用中；大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。,硅太陽能電池工作原理,制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅基太陽能電池和薄膜電池。太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下：,硅太陽能電池工作原理,圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆]有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P型半導(dǎo)體。,摻入雜質(zhì)，如硼、磷等,PN結(jié)的形成及工作原理,零偏負(fù)偏正偏當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢壘加強(qiáng)；當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外加電場作用下變窄，勢壘削弱。當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須處于零偏或反偏狀態(tài)。,當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時(shí)，P型（N型）材料中的空穴（電子）向N型（P型）材料這邊擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)形成一個(gè)勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個(gè)耗盡區(qū)。,當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光子將能量提供給電子，電子將躍遷到更高的能態(tài)，在這些電子中，作為實(shí)際使用的光電器件里可利用的電子有：（1）價(jià)帶電子；（2）自由電子或空穴；（3）存在于雜質(zhì)能級(jí)上的電子。太陽電池可利用的電子主要是價(jià)帶電子。由價(jià)帶電子得到光的能量躍遷到導(dǎo)帶的過程決定的光的吸收稱為本征或固有吸收。,基本原理,基本原理,由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過pn結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋pn結(jié)（如圖梳狀電極），以增加入射光的面積。,制約光電池轉(zhuǎn)換效率的因素,光學(xué)損失電學(xué)損失串并聯(lián)電阻損失,反射損失短波損失透射損失,光生空穴電子對(duì)在各區(qū)的復(fù)合,表面復(fù)合（前表面和背表面）材料復(fù)合：復(fù)合中心復(fù)合,主要面臨問題,在硅太陽能電池的制造歷史中已經(jīng)采用過許多措施來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并且隨著能源的不斷消耗，高效太陽能的研究正熱火朝天地進(jìn)行。主要針對(duì)：1.降低光電子的表面復(fù)合，如降低表面態(tài)等；2.降低入射光的表面反射，用多種太陽光減反射技術(shù)，如沉積減反層、硅片表面織構(gòu)技術(shù)、局部背表面場技術(shù)，最大限度地減少太陽光在硅表面的反射；3.電極低接觸電阻和集成受光技術(shù)，如激光刻槽埋柵技術(shù)和表面濃度擴(kuò)散技術(shù)，使電極接觸電阻低和增加硅表面受光面積4.降低P-N結(jié)的結(jié)深和漏電；5.采用高效廉價(jià)光電轉(zhuǎn)換材料；,發(fā)展現(xiàn)狀,單晶硅太陽能電池（主要）單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)15%左右,其制造工藝成熟，生產(chǎn)過程耗能高,生產(chǎn)成本高。多晶硅太陽能電池使制造成本大大降低,電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16%左右，MIT研制電池樣品,光電轉(zhuǎn)換效率提高了27%。硅薄膜太陽能電池生產(chǎn)制造技術(shù)成熟,大量節(jié)省成本和能耗,產(chǎn)品面積有較大增加。轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低,目前僅為12%14%,且光電效率隨使用時(shí)間的增長而衰退?；衔锉∧ぬ柲茈姵鼗衔锉∧ぬ柲茈姵氐墓廪D(zhuǎn)換效率高,理論值可達(dá)28%,又易于薄膜化,。2009年10月Sharp研制了光電轉(zhuǎn)換率為35.8%的電池樣品,薄膜太陽電池簡介,硅薄膜,碲鎘系(CdTe),染料薄膜和有機(jī)薄膜(TiO2),非晶,非晶/微晶(a-Si,a-Si/c-Si),FirstSolar，US,UnitedSolar(8%),EPV(56%)US,Kaneka,Sharp(810%)Japan,LG,周星(9.6%)韓國,銅銦系(CIS,CIGS),金屬薄膜,正泰(9.0%),天威(67%),新奧(88.5%),金太陽(8%),尚德(67%),百世德(88.5%)中國,LeyboldOptics(9.5%)German,JSTGerman,山東孚日股份中國,13,1975年Spear等在非晶氫硅中實(shí)現(xiàn)可控?fù)诫s，1976年美國RCA實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)非晶硅太陽電池效率2.4%1980年日本三洋電器公司利用非晶硅太陽電池制成袖珍計(jì)算器；1987年摻C,摻Ge,光陷阱工藝非晶硅電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)12%(Initial)；面積從0.1M2發(fā)展到0.3M2,Module功率14W(stableEff5%)1988年與建筑材料相結(jié)合的非晶硅太陽能電池投入應(yīng),二、硅基薄膜太陽電池的發(fā)展,History,Today,實(shí)驗(yàn)室:Triple電池15.3%產(chǎn)業(yè)化:非晶硅/微晶硅疊層電池G5(1.1*1.3M2)9.6%G8.5(2.2*2.6M2)8.5%,14,硅基薄膜太陽電池的技術(shù)發(fā)展,EPV,Oerlikon,AMAT,EPV,EPV泉州金太陽Unit-solar,OerlikonAMATKanakaSharp.,?,BestSOLARConfidential,三、硅基薄膜電池優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):耗材少:硅薄膜太陽電池的厚度在2m左右其厚度只有晶硅電池的1%能耗低:硅薄膜電池制備工藝200OC左右，而晶體硅核心工藝需要1000OC無毒，無污染更多的發(fā)電量a.良好的弱光性:使得在陰雨天比晶體硅電池有多10%左右的發(fā)電量b.高溫性能好:溫度系數(shù)低,使得薄膜電池在高溫工作狀況下同樣有比晶體硅電池高的發(fā)電量美觀、大方電池組件的顏色與建筑物的顏色比較容易匹配，美化室內(nèi)外環(huán)境，加上精細(xì)、整齊的激光切割線，使建筑物更加美觀、大方，更有魅力。應(yīng)用穩(wěn)定性更好由于非晶硅太陽電池的電流密度較小,熱斑效應(yīng)不明顯，所以，使用起來更加方便、可靠。能源回收期短成本低且下降空間大,缺點(diǎn)前期資金投資大光致衰退(S-w效應(yīng))效率偏低,設(shè)備、原材料國產(chǎn)化減薄非晶硅層,改善光衰疊層電池如非晶硅/微晶硅,改善光衰,提高效率改善各層材料間界面性能，提高功率新產(chǎn)品的開發(fā)、新材料、新工藝,解決方案,硅基薄膜太陽電池缺點(diǎn)以及應(yīng)對(duì),四、非晶硅的光照衰退(Staebler-Wronski效應(yīng)),光致衰退現(xiàn)象：非晶硅電池在強(qiáng)光下照射數(shù)小時(shí)，電性能下降并逐漸趨于穩(wěn)定；若樣品在160下退火，電學(xué)性能可恢復(fù)原值(S-W效應(yīng))非晶硅制造過程中Si-Si弱鍵的作用,薄膜太陽電池LID測試(IEC認(rèn)證),光老化試驗(yàn),測試環(huán)境,標(biāo)準(zhǔn)條件（STC）光強(qiáng)：光功率密度為1000W/m2光譜特征：AM1.5環(huán)境溫度：25,五、電池的光電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算,光譜特征：AM1.5,cos=2/3(48.2o)AM1.5=1/cos,Light,Eff=Pm/（1000W/m2組件面積)例如公司電池片輸出功率為480W，面積為5.7m2，則效率=480/(1000*5.7)=8.42%StableEffuc-si;a-si/uc-si,優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性好;近紅外高透過率,不受氫離子還原作用,2、制備方式,磁控濺射+制絨(leyboldoptics,PIANova,信義玻璃),缺點(diǎn)：成本較高,產(chǎn)品有待驗(yàn)證,TCO與薄膜太陽能電池的關(guān)聯(lián),薄膜太陽能電池,Sunlight,glass,-,TCO用于薄膜電池的前電極,TCO作為薄膜電池前電極的性能要求,透光性:可見光(Transimission)80%,表面絨面度:(Roughness)1215%,面電阻R913,非晶硅/微晶硅電池的未來結(jié)構(gòu),光捕獲(LightTrapping)示意