1、第3章 太陽能光伏電池,何 道 清 編制 2011.12,第3章 太陽能光伏電池,太陽能光伏電池太陽能 電能,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,3.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 1.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體 （1）自由電子與自由電子濃度 物質(zhì)由原子組成，原子由原子核和核外電子組成 ，電子 受原子核的作用，按一定的軌道繞核高速運(yùn)動(dòng)。能在晶體 中自由運(yùn)動(dòng)的電子，稱為“自由電子”，它是導(dǎo)體導(dǎo)電的 電荷粒子。 自由電子濃度：單位體積中自由電子的數(shù)量，稱為自由 電子濃度，用n表示，它是決定物體導(dǎo)電能力的主要因素之 一。,（2）晶體中自由電子的運(yùn)動(dòng) 由于晶體內(nèi)原子的振動(dòng)，自由電子在晶體中做雜亂無章 的運(yùn)動(dòng)。 電流：導(dǎo)體中的

2、自由電子在電場力作用下的定向運(yùn)動(dòng)形 成電流。 遷移率：在單位電場強(qiáng)度（1V/cm）下，定向運(yùn)動(dòng)的自 由電子的“直線速度”，稱為自由電子的遷移率，用表 示，這也是決定物體導(dǎo)電能力的主要因素。 電導(dǎo)率：表征物體導(dǎo)電能力的物理量，用表示,=en 電阻：導(dǎo)體中的自由電子定向運(yùn)動(dòng)形成電流所受到的“阻力”，它也表征表征物體導(dǎo)電能力。導(dǎo)體的電阻特性用電阻 率表示 （=1/ ） 。導(dǎo)體電阻,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,（3）導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體 導(dǎo)體，導(dǎo)電能力強(qiáng)的物體，電阻率為10-9l0-6cm ； 絕緣體，不能導(dǎo)電或者導(dǎo)電能力微弱到可以忽略不計(jì)的 物體 ，電阻率為108l020

3、cm ； 半導(dǎo)體，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體，電阻 率為10-5l07cm 。 導(dǎo)電機(jī)理： 金屬導(dǎo)體導(dǎo)電是自由電子（n恒定）在電場力作用下的定 向運(yùn)動(dòng)， 電導(dǎo)率基本恒定； 半導(dǎo)體導(dǎo)電是電子和空穴在電場力作用下的定向運(yùn)動(dòng)。電 子和空穴的濃度隨溫度、雜質(zhì)含量、光照等變化較大，影 響其導(dǎo)電能力。,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,2.硅的晶體結(jié)構(gòu) （1）硅的原子結(jié)構(gòu) 硅(Si)原子，原子序數(shù)14，原子核外14個(gè)電子，繞核運(yùn) 動(dòng)，分層排列：內(nèi)層2個(gè)電子(滿)，第二層8個(gè)電子(滿)，第 三層4個(gè)電子(不滿)，如圖3-1所示。,圖3-1 硅的原子結(jié)構(gòu) 及其原子能級(jí),3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,（2） 硅

4、的晶體結(jié)構(gòu) 硅晶體中的硅原子在空間按面心立方晶格結(jié)構(gòu)無限排列，長程有 序。每個(gè)硅原子近鄰有四個(gè)硅原子，每兩個(gè)硅原子間有一對(duì)電子與這兩 個(gè)原子的原子核都有相互作用，稱為共價(jià)鍵?；诠矁r(jià)鍵作用，是硅原 子緊密地結(jié)合在一起，構(gòu)成晶體。,圖3-2硅的晶胞結(jié)構(gòu),3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,硅晶體和所有的晶體都是由原子(或離子、分子)在空間按 一定規(guī)則排列而成。這種對(duì)稱的、有規(guī)則的排列叫做晶體 的晶格。一塊晶體如果從頭到尾都按一種方向重復(fù)排列， 即長程有序，就稱其為單晶體。在硅晶體中，每個(gè)硅原子 近鄰有四個(gè)硅原子，每兩個(gè)相鄰原子之間有一對(duì)電子，它 們與兩個(gè)相鄰原子核都有相互作用，稱為共價(jià)鍵。正是靠 共價(jià)鍵

5、的作用，使硅原子緊緊結(jié)合在一起，構(gòu)成了晶體。 由許多小顆粒單晶雜亂無章地排列在一起的固體稱為多 晶體。 非晶體沒有上述特征，但仍保留了相互間的結(jié)合形式， 如一個(gè)硅原子仍有四個(gè)共價(jià)鍵，短程看是有序的，長程無 序，這樣的材料稱為非晶體，也叫做無定形材料。,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,3. 能級(jí)和能帶圖 電子在原子中的軌道運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有不同的能量能級(jí)(E), 單一的電子能級(jí)，分裂成能量非常接近但又大小不同的許 多電子能級(jí)，形成一個(gè)“能帶” 。,圖3-3 單原子的電子能級(jí)對(duì)應(yīng)的固體能帶,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,4. 禁帶、價(jià)帶和導(dǎo)帶 電子只能在各能帶內(nèi)運(yùn)動(dòng) ，能帶之間的區(qū)域沒有電子態(tài), 這個(gè)區(qū)域叫做

6、“禁帶”，用Eg 表示。 完全被電子填滿的能帶稱為“滿帶”，最高的滿帶容納 價(jià)電子，稱為“價(jià)帶”,價(jià)帶上面完全沒有電子的稱為“空 帶”。 有的能帶只有部分能級(jí)上有電子,一部分能級(jí)是空的。 這種部分填充的能帶,在外電場的作用下,可以產(chǎn)生電流。 而沒有被電子填滿、處于最高滿帶上的一個(gè)能帶稱為 “導(dǎo)帶”。,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,4. 禁帶、價(jià)帶和導(dǎo)帶,(a)金屬 (b)半導(dǎo)體 (c)絕緣體 圖3-4 金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,4. 禁帶、價(jià)帶和導(dǎo)帶,圖3-4 晶體的能帶,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,4. 禁帶、價(jià)帶和導(dǎo)帶 禁帶寬度Eg 價(jià)電子要從價(jià)帶越過禁帶跳躍到

7、導(dǎo)帶里去參與導(dǎo)電運(yùn)動(dòng)， 必須從外界獲得大于或等于Eg的附加能量，Eg的大小就是導(dǎo) 帶底部與價(jià)帶頂部之間的能量差，稱為“禁帶寬度”或“帶 隙” 表3-1 半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,金屬與半導(dǎo)體的區(qū)別： 金屬的導(dǎo)帶和價(jià)帶重疊在一起，不存在禁帶，在一切條件 下具有良好的導(dǎo)電性。 半導(dǎo)體有一定的禁帶寬度，價(jià)電子必須獲得一定的能量 （Eg）“激發(fā)”到導(dǎo)帶才具有導(dǎo)電能力。激發(fā)的能量可以 是熱或光的作用。 常溫下，每立方厘米的硅晶體，導(dǎo)帶上約有l(wèi)010個(gè)電子， 每立方厘米的導(dǎo)體晶體的導(dǎo)帶中約有1022個(gè)電子。 絕緣體禁帶寬度遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體，常溫下激發(fā)到導(dǎo)帶上的電 子非常少，固其電導(dǎo)率很

8、低 。,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,5.電子和空穴 電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶（自由電子）后，在價(jià)帶中留下 一個(gè)空位，稱為空穴，空穴移動(dòng)也可形成電流。電子的這 種躍遷形成電子-空穴對(duì)。電子和空穴都稱為載流子。 電子-空穴對(duì)不斷產(chǎn)生， 又不斷復(fù)合。,圖3-5 具有一個(gè)斷鍵的硅晶體,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,6. 摻雜半導(dǎo)體 晶格完整且不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 硅半導(dǎo)體摻雜少量的五價(jià)元素磷(P) N型硅 ：自由電子數(shù)量多多 數(shù)載流子（多子）；空穴數(shù)量很少少數(shù)載流子（少子）。電子型半導(dǎo) 體或n型半導(dǎo)體。 摻雜少量的三價(jià)元素硼(B) P型硅：空穴數(shù)量多多數(shù)載流子（多 子）；自由電子數(shù)量很少少數(shù)載流

9、子(少子)。空穴型半導(dǎo)體或p型半 導(dǎo)體。,圖3-6 n型和p型硅晶體結(jié)構(gòu),3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,6. 摻雜半導(dǎo)體-雜質(zhì)能級(jí) 在摻雜半導(dǎo)體中，雜質(zhì)原子的能級(jí)處于禁帶之中，形成 雜質(zhì)能級(jí)。五價(jià)雜質(zhì)原子形成施主能級(jí)，位于導(dǎo)帶的下 面；三價(jià)雜質(zhì)原子形成受主能級(jí)，位于價(jià)帶的上面(圖3-7)。 施主（或受主）能級(jí)上的電子（或空穴）跳躍到導(dǎo)帶 （或價(jià)帶）中去的過程稱為電離。電離過程所需的能量就 是電離能（很小0.04eV ），摻雜雜質(zhì)幾乎全部電離 。,圖3-7 施主和受主能級(jí),3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,7.載流子的產(chǎn)生與復(fù)合 由于晶格的熱振動(dòng)，電子不斷從價(jià)帶被“激發(fā)”到導(dǎo) 帶，形成一對(duì)電子和空穴（即

10、電子-空穴對(duì)），這就是載流 子產(chǎn)生的過程。 電子和空穴在晶格中的運(yùn)動(dòng)是無規(guī)則的導(dǎo)帶中的電子落 進(jìn)價(jià)帶的空能級(jí)，使一對(duì)電子和空穴消失。這種現(xiàn)象叫做 電子和空穴的復(fù)合，即載流子復(fù)合。 一定的溫度下晶體內(nèi)產(chǎn)生和復(fù)合的電子-空穴對(duì)數(shù)目達(dá)到 相對(duì)平衡，晶體的總載流子濃度保持不變，熱平衡狀態(tài) 。 由于光照作用，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，電子和空穴的產(chǎn) 生率就大于復(fù)合率，形成非平衡載流子，稱為光生載流子。,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,8.載流子的輸運(yùn) 半導(dǎo)體中存在能夠?qū)щ姷淖杂呻娮雍涂昭ǎ@些載流子 有兩種輸運(yùn)方式：漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 載流子在熱平衡時(shí)作不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，與晶格、雜質(zhì)、 缺陷發(fā)生碰撞，運(yùn)動(dòng)方向不

11、斷改變，平均位移等于零，這 種現(xiàn)象叫做散射。散射不會(huì)形成電流。 半導(dǎo)體中載流子在外加電場的作用下，按照一定方向的 運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。外界電場的存在使載流子作定向的漂 移運(yùn)動(dòng)，并形成電流。 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是半導(dǎo)體在因外加因素使載流子濃度不均勻而 引起的載流子從濃度高處向濃度低處的遷移運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)不同，它不是由于電場力的作用產(chǎn) 生的，而是由于載流子濃度差的引起的。,3.1.2 p-n結(jié) n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體緊密接觸，在交界處n區(qū)中電子 濃度高，要向p區(qū)擴(kuò)散，在N區(qū)一側(cè)就形成一個(gè)正電荷的區(qū) 域；同樣，p區(qū)中空穴濃度高，要向n區(qū)擴(kuò)散，p區(qū)一側(cè)就形 成一個(gè)負(fù)電荷的區(qū)域。這個(gè)n區(qū)和p區(qū)交界面兩側(cè)

12、的正、負(fù) 電荷薄層區(qū)域稱為“空間電荷區(qū)”，即p-n結(jié)內(nèi)建電場E 電勢(shì)差UD電勢(shì)能 電勢(shì)能=電荷電勢(shì)=(q)(UD)=qUD qUD通常稱作勢(shì)壘高度。 內(nèi)建電場一方面阻止“多子”的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，另一方面增 強(qiáng)“少子”漂移運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,3.1.2 p-n結(jié),(a) n區(qū)電子往P區(qū) (b) p區(qū)空穴往N區(qū) (c) p-n結(jié)電場 擴(kuò)散在n區(qū)形成帶 擴(kuò)散在p區(qū)形成帶 正電的薄層A 負(fù)電的薄層B 圖3-8 p-n結(jié)電子與空穴的擴(kuò)散,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,3.1.2 p-n結(jié),(a) 形成p-n結(jié)前載流子的擴(kuò)散過程 (b) 空間電荷區(qū)和內(nèi)

13、建電場 圖3-8 p-n結(jié),3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,3.1.2 p-n結(jié)單向?qū)щ娦?當(dāng)p-n結(jié)加上正向偏壓，外加電場的方向與內(nèi)建電場的方 向相反，打破了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的相對(duì)平衡，形成通 過p-n結(jié)的電流（稱為正向電流），較大； 當(dāng)p-n結(jié)加上反向偏壓 ，構(gòu)成p-n結(jié)的反向電流，很小。,圖3-9 p-n結(jié)單向?qū)щ娞匦?3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,3.1.3 光伏效應(yīng)太陽能電池 1.光伏效應(yīng) 當(dāng)太陽電池受到光照時(shí)，光在n區(qū)、空間電荷區(qū)和p區(qū)被吸收，分別 產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于入射光強(qiáng)度從表面到太陽電池體內(nèi)成指數(shù)衰 減，在各處產(chǎn)生光生載流子的數(shù)量有差別，沿光強(qiáng)衰減方向?qū)⑿纬晒馍?載流子的濃度

14、梯度，從而產(chǎn)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 n區(qū)中產(chǎn)生的光生載流子到達(dá)p-n結(jié)區(qū)n側(cè)邊界時(shí)，由于內(nèi)建電場的 方向是從n區(qū)指向p區(qū)，靜電力立即將光生空穴拉到p區(qū)，光生電子阻留 在n區(qū)。 p區(qū)中到達(dá)p-n結(jié)區(qū)p側(cè)邊界的光生電子立即被內(nèi)建電場拉向n區(qū)，空 穴被阻留在p區(qū)。 空間電荷區(qū)中產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)則自然被內(nèi)建電場分別拉向n 區(qū)和p區(qū)。,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,1.光伏效應(yīng) p-n結(jié)及兩邊產(chǎn)生的光生載流子就被內(nèi)建電場所分離，在p區(qū)聚集光 生空穴，在n區(qū)聚集光生電子，使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在p-n結(jié)兩 邊產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。上述過程通常稱作光生伏特效應(yīng)或光伏效應(yīng)。光 生電動(dòng)勢(shì)的電場方向和平衡p-n結(jié)

15、內(nèi)建電場的方向相反。當(dāng)太陽能電池 的兩端接上負(fù)載，這些分離的電荷就形成電流。,圖3-10 光伏效應(yīng)示意圖,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,1.光伏效應(yīng) 太陽能電池 當(dāng)太陽能電池的兩端接上負(fù)載，光伏電動(dòng)勢(shì)就形成電流。,圖3-11 太陽電池的發(fā)電原理,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,2.1.4太陽電池的結(jié)構(gòu)和性能 1.太陽電池的結(jié)構(gòu) 最簡單的太陽電池是由p-n結(jié)構(gòu)成的，如圖3-142示，其 上表面有柵線形狀的上電極，背面為背電極，在太陽電池 表面通常還鍍有一層減反射膜。,圖3-12 太陽電池的結(jié)構(gòu)和符號(hào),3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,1.太陽電池的結(jié)構(gòu) 硅太陽電池一般制成p/n型結(jié)構(gòu)或n/p型結(jié)構(gòu)。 太陽電

16、池輸出電壓的極性，p型一側(cè)電極為正，n型一側(cè) 電極為負(fù)。 根據(jù)太陽電池的材料和結(jié)構(gòu)不同，分為許多種形式，如p 型和n型材料均為相同材料的同質(zhì)結(jié)太陽電池(如晶體硅太陽 電池)；p型和n型材料為不同材料的異質(zhì)結(jié)太陽電池硫化鎘 /碲化鎘(CdS/CdTe)，硫化鎘/銅銦硒(CdS/CulnSe2)薄膜太陽 電池；金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)太陽電池；絨面硅太陽電 池；激光刻槽掩埋電極硅太陽電池；鈍化發(fā)射結(jié)太陽電 池；背面點(diǎn)接觸太陽電池；疊層太陽電池等。,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,2.太陽電池的技術(shù)參數(shù) （1）開路電壓（Uoc） 受光照的太陽電池處于開路狀態(tài)，光生載流子只能積累 于p-n結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生

17、光生電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)在太陽電池兩端測(cè)得的 電勢(shì)差叫做開路電壓，用符號(hào)Uoc表示。 （2）短路電流（Isc） 如果把太陽電池從外部短路測(cè)得的最大電流，稱為短路 電流，用符號(hào)Isc表示。,圖3-13 硅光電池的開路電壓 和短路電流與光照度關(guān)系,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,（3）最大輸出功率（P） 把太陽電池接上負(fù)載，負(fù)載電阻中便有電流流過，該電 流稱為太陽電池的工作電流（I），也稱負(fù)載電流或輸出電 流。負(fù)載兩端的電壓稱為太陽電池的工作電壓(U)。太陽電 池的輸出功率P=UI。 太陽電池的工作電壓和電流是隨負(fù)載電阻而變化的，將 不同阻值所對(duì)應(yīng)的工作電壓和電流值作成曲線，就得到太 陽電池的伏安特性曲線。如

18、果選擇的負(fù)載電阻值能使輸出 電壓和電流的乘積最大，即可獲得最大輸出功率（Pm） 。 此時(shí)的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓（Um）和 最佳工作電流（Im ），Pm=UmIm。,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,（4）填充因子（FF） 太陽電池的另一個(gè)重要參數(shù)是填充因子FF，它是最大輸 出功率與開路電壓和短路電流乘積之比： （5）轉(zhuǎn)換效率（） 太陽電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻 時(shí)的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽電池的最大輸出功率與 入射到太陽電池表面的能量之比：,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,3.太陽電池的伏-安特性及等效電路 太陽電池的電路及等效電路如圖3-14所示。 ID(二極管電流)

19、為通過p-n結(jié)的總擴(kuò)散電流，與Isc反向；Rs 串聯(lián)電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電 阻和電極與硅表面接觸電阻所組成，很??；Rsh為旁路電 阻，主要由硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的，很大。,(a)光照時(shí)太陽電池的電路 (b)光照時(shí)太陽電池的等效電路 圖3-14太陽電池的電路及等效電路,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,當(dāng)RL=0時(shí)，所測(cè)的電流為電池的短路電流Isc。 Isc與電池 面積成正比，1cm2太陽電池的Isc值為1630mA；同一塊太 陽電池，Isc值與入射光的輻照度成正比；當(dāng)環(huán)境溫度升高 時(shí)，Isc略有上升。 當(dāng)RL為無窮大時(shí)，所測(cè)得的電壓為電池的開路電壓Uoc， Uoc

20、隨光照度變化不大。,(a)光照時(shí)太陽電池的電路 (b)光照時(shí)太陽電池的等效電路 圖3-14太陽電池的電路及等效電路,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,伏安特性曲線,圖3-15 太陽電池的電流-電壓關(guān)系曲線 圖3-16 常用太陽電池電流-電壓特性曲線 1-未受光照；2-受光照 I-電流；Isc-短路電流；Im-最大工作電流； U-電壓； Uoc-開路電壓；Um-最大工作電壓； Pm-最大功率,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,太陽電池性能的測(cè)試須在標(biāo)準(zhǔn)條件 太陽電池（組件）的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽 光譜分布和太陽電池（組件）的工作溫度，因此太陽電池 性能的測(cè)試須在標(biāo)準(zhǔn)條件（STC）下進(jìn)行。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)被

21、歐洲 委員會(huì)定義為101號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，其測(cè)試條件是： 光譜輻照度1000W/m2 ； 大氣質(zhì)量為AM1.5時(shí)的光譜分布； 電池溫度25。 在該條件下，太陽電池（組件）輸出的最大功率稱為峰 值功率。,3.1 太陽能光伏發(fā)電原理,串、并聯(lián)電阻對(duì)硅太陽電池輸出(Uoc、Isc、FF)性能的影 響。(入射光強(qiáng)為l000W/m2，電池面積為2cm2）,(a)串聯(lián)電阻的影響 (b)并聯(lián)電阻的影響 圖3-17太陽電池串、并聯(lián)電阻的影響,3.2 太陽能電池材料制備*,硅太陽能電池（單晶、多晶和非晶硅太陽電池）是目前 使用最廣泛的太陽能電池，占太陽能電池總產(chǎn)量的90%以 上。 晶體硅太陽能電池的一般生產(chǎn)制造工藝： 硅

22、材料的制備 太陽能電池的制造 太陽能電池組件的封裝 硅砂(SiO2)冶金硅(MG-Si)晶體硅(Si)硅片 光伏電池片電池組件電池方陣,3.2 太陽能電池材料制備*,3.2.1 硅材料的優(yōu)異性能 （1） Si材料豐富，易于提純，純度可達(dá)12個(gè)9(12N)； （電子級(jí)硅9N，太陽能電池硅6N即可） （2） Si原子占晶格空間?。?4%），有利于電子運(yùn)動(dòng)和 摻雜；,3.2 太陽能電池材料制備*,（3）Si原子核外4個(gè)，摻雜后，容易形成電子-空穴對(duì)； （4）容易生長大尺寸的單晶硅（4001100mm，重 438kg）； （5）易于通過沉積工藝制作單晶Si、多晶Si和非晶Si薄 層材料；,3.2 太陽

23、能電池材料制備*,（6）易于腐蝕加工； （7）帶隙適中（在室溫下硅的禁帶寬度Eg1.l2eV ）， 受本征激發(fā)影響??； （8） Si材料力學(xué)性能好，便于機(jī)加工； （9）Si材料理化性能穩(wěn)定； （10）Si材料便于金屬摻雜，制作低阻值歐姆接觸； （11）切片損傷小，便于可控鈍化； （12）Si材料表面SiO2薄層制作簡單， SiO2薄層有利于減 小反射率，提高太陽能電池發(fā)電效率； SiO2薄層絕緣好， 便于電氣絕緣的表面鈍化； SiO2薄層是良好的掩膜層和阻 擋層。 Si 材料是優(yōu)良的光伏發(fā)電材料！,3.2 太陽能電池材料制備*,3.2.2 硅材料的制備 制造太陽電池的硅材料以石英砂（SiO2）

24、為原料，先把石 英砂放入電爐中用碳還原得到冶金硅，較好的純度為 98%99%。冶金硅與氯氣（或氯化氫）反應(yīng)得到四氯化硅 （或三氯氫硅），經(jīng)過精餾使其純度提高，然后通過氫氣 還原成多晶硅。多晶硅經(jīng)過坩堝直拉法（Cz法）或區(qū)熔法 （Fz法）制成單晶硅棒，硅材料的純度可進(jìn)一步提高，要 求單晶硅缺陷和有害雜質(zhì)少。 石英砂冶金硅多晶硅單晶硅 從硅材料到制成太陽電池組件，需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的 工藝過程，以多晶硅太陽電池組件為例，其生產(chǎn)過程大致 是： 硅砂硅錠硅片電池片電池組件,3.2 太陽能電池材料制備*,1.高純多晶硅的制備 （1）硅砂冶金硅（MG-Si）： SiO2 + 2CSi+2CO （2）冶金硅

25、高純多晶硅： 電子級(jí)硅( EG-Si) ，9N(99.9999999%)以上純度； 太陽能級(jí)硅(SG-Si)，7N以上純度。 四氯化硅法： SiCl4+2H2Si +4HCl 三氯氫硅法（改良西門子法） ： SiO2 +2CSi +2CO2 Si +3HClSiHCl3 + H2 SiHCl3+H2Si+3HCl,圖3-19 硅砂制備高純多晶硅工藝流程,3.2 太陽能電池材料制備*,改良西門子法工藝流程,圖3-20 改良西門子法工藝流程圖,3.2 太陽能電池材料制備*,硅烷法 硅烷（SiH4）生產(chǎn)的工藝是基于化學(xué)反應(yīng) 2Mg+SiMgSi， 然后將硅化鎂和氯化銨進(jìn)行如下化學(xué)反應(yīng): MgSi+4

26、NH4ClSiH4+2MgCl2+4NH3 從而得到氣體硅烷。高濃度的硅烷是一種易燃、易爆氣 體，要用高純氮?dú)饣驓錃庀♂尩?%5%后充入鋼瓶中使 用。硅烷可以通過減壓精餾、吸附和預(yù)熱分解等方法進(jìn)行 純化，化學(xué)反應(yīng)式為 SiH4Si+2H2,3.2 太陽能電池材料制備*,2.多晶硅錠的制備 多晶硅棒 多晶硅鑄錠 （1）定向凝固法 （2）澆鑄法,圖3-21 多晶硅定向凝固法原理圖,3.2 太陽能電池材料制備*,3.片狀硅的制備 片狀硅又稱硅帶，是從熔體中直接生長出來，可以減少 由于切割而造成硅材料的損失，工藝也比較簡單，片厚 100200rm。主要生長方法有限邊喂膜（EFG）法、枝蔓 蹼狀晶（WE

27、B）法、邊緣支撐晶（ESP）法、小角度帶狀 生長法、激光區(qū)熔法和顆粒硅帶法等。,3.2 太陽能電池材料制備*,4.單晶硅的制備 （1）直拉單晶法（Cz）,3.2 太陽能電池材料制備*,直拉單晶爐,3.2 太陽能電池材料制備*,（2）區(qū)熔法（Fz）,3.2 太陽能電池材料制備*,內(nèi)熱式區(qū)熔爐結(jié)構(gòu) 示意圖,3.3 太陽能電池制造工藝,3.3.1 硅片的加工晶體硅硅片 硅片的加工，是將硅錠經(jīng)表面整形、定向、切割、研磨、 腐蝕、拋光、清洗等工藝，加工成具有一定直徑、厚度、 晶向和高度、表面平行度、平整度、光潔度，表面無缺陷、 無崩邊、無損傷層，高度完整、均勻、光潔的鏡面硅片。,圖3-23 硅片加工工藝

28、流程,3.3 太陽能電池制造工藝,3.3.1 硅片的加工 1. 切片工藝技術(shù)的原則要求： （1）切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差 小； （2）斷面完整性好，消除拉絲、刀痕和微裂紋； （3）提高成品率，縮小刀(鋼絲)切縫，降低原材料損 耗； （4）提高切割速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化切割。 2.切片方法： 外圓切割、內(nèi)圓切割、線切割以及激光切割等。,3.3 太陽能電池制造工藝,內(nèi)圓切割 ： 用內(nèi)圓切割機(jī)將硅錠切割成0.20.4mm的薄片。其刀體的 厚度0.1mm左右，刀刃的厚度0.200.25mm，刀刃上黏有金 剛砂粉。切割過程中，每切割一片，硅材料有0.30.35mm 的厚度損失，因此硅材料的利

29、用率僅為4050%。內(nèi)圓切割 刀片的示意圖，如圖3-24所示。,圖3-24 內(nèi)圓切割刀片示意圖,3.3 太陽能電池制造工藝,內(nèi)圓切割方法，可分為4類： （a）刀片水平安裝，硅料水平方向送進(jìn)切割； （b）刀片垂直安裝，硅料水平方向送進(jìn)切割； （c）刀片垂直安裝，硅料垂直方向送進(jìn)切割； （d）刀片固定，硅片垂直方向送進(jìn)切割。,圖3-25 內(nèi)圓式切割機(jī)切割分類方法示意圖,3.3 太陽能電池制造工藝,線切割機(jī)切片 一根長達(dá)幾千米的線兩頭纏繞在轉(zhuǎn)鼓上，這根線在帶磨 料的懸浮液中切割硅晶體。切片更快，硅片更薄 （0.180.2mm），硅損 失更少（30%）。,圖3-26 硅片線切割示意圖,3.3 太陽能電

30、池制造工藝,表3-2 線切割與內(nèi)圓切割特征的比較,3.3 太陽能電池制造工藝,激光切片機(jī),3.3 太陽能電池制造工藝,3.3.2 硅太陽能電池的制造硅片電池片 制造晶體硅太陽能電池包括絨面制備、擴(kuò)散制結(jié)、制作 電極和制備蒸鍍減反射膜等主要工序。常規(guī)晶體硅太陽能 電池的一般生產(chǎn)制造工藝流程如圖3-27所示。,圖3-27 晶體硅太陽能電池生產(chǎn)制造工藝流程,3.3 太陽能電池制造工藝,3.3.2 硅太陽能電池的制造 1.硅片的選擇 硅片通常加工成方形、長方形、圓形或半圓形，厚度為 0.180.4mm。 2.硅片的表面處理 （1）化學(xué)清洗去污，高純水，有機(jī)溶劑，濃酸，強(qiáng)堿。 （2）硅片的表面腐蝕去除3

31、050m表面厚的損傷層。 酸性腐蝕 濃硝酸與氫氟酸的配比為（10:1）（2:1）； 硝酸、氫氟酸與醋酸的一般配比為5:3:3或5:1:1或6:1:1 。 堿性腐蝕 氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿溶液 。,3.3 太陽能電池制造工藝,3.絨面制備 單晶硅絨面結(jié)構(gòu)的制備，就是就是利用硅的各向異性腐 蝕(NaOH，KOH) ，在硅表面形成金字塔結(jié)構(gòu)。 絨面結(jié)構(gòu)，使入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于 減少光的反射，增加光 的吸收，提高電池效率。,圖3-28 絨面結(jié)構(gòu) 減少光的反射,3.3 太陽能電池制造工藝,4.擴(kuò)散制結(jié) 制結(jié)過程：在一塊基體材料上生成導(dǎo)電類型不同的擴(kuò)散 層。 制結(jié)方法：熱擴(kuò)散法、離子注入

32、法、薄膜生長法、合金 法、激光法和高頻電注入法等。 熱擴(kuò)散法制結(jié)：采用片狀氮化硼作源，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行 擴(kuò)散。擴(kuò)散前，氮化硼片先在擴(kuò)散溫度下通氧30min，使其 表面的三氧化二硼與硅發(fā)生反應(yīng)，形成硼硅玻璃沉積在硅 表面，硼向硅內(nèi)部擴(kuò)散。擴(kuò)散溫度為950l000，擴(kuò)散時(shí)間 為1530min，氮?dú)饬髁繛?L/min。 擴(kuò)散要求：獲得適合于太陽能電池p-n結(jié)需要的結(jié)深 (0.30.5m)和擴(kuò)散層方塊電阻R(平均為20l00/囗)。,3.3 太陽能電池制造工藝,5.去除背結(jié) 在擴(kuò)散過程中，硅片的背面也形成了p-n結(jié)，所以在制 作電極前需要去除背結(jié)。 去除背結(jié)的常用方法，主要有化學(xué)腐蝕法、磨片法和蒸 鋁

33、或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法等。 （1）化學(xué)腐蝕法 掩蔽前結(jié)后用腐蝕液蝕去其余部分的擴(kuò)散層。該法可同 時(shí)除去背結(jié)和周邊的擴(kuò)散層，因此可省去腐蝕周邊的工 序。腐蝕后，背面平整光亮，適合于制作真空蒸鍍的電 極。前結(jié)的掩蔽一般用涂黑膠的方法。硅片腐蝕去背結(jié)后 用溶劑去真空封蠟，再經(jīng)濃硫酸或清洗液煮沸清洗，最后 用去離子水洗凈后烤干備用。,3.3 太陽能電池制造工藝,（2）磨片法 用金剛砂磨去背結(jié)。也可將攜帶砂粒的壓縮空氣噴射到 硅片背面以除去背結(jié)。背結(jié)除去后，磨片后背面形成一個(gè) 粗糙的硅表面，適用于化學(xué)鍍鎳背電極的制造。 （3）蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法 前兩種方法對(duì)n+/p型和p+/n型電池制造工藝均適用，

34、本 法則僅適用于n+/p型電池制造工藝。此法是在擴(kuò)散硅片背 面真空蒸鍍或絲網(wǎng)印刷一層鋁，加熱或燒結(jié)到鋁-硅共熔 點(diǎn)(577)以上使它們成為合金。經(jīng)過合金化以后，隨著降 溫，液相中的硅將重新凝固出來，形成含有少量鋁的再結(jié) 晶層。實(shí)際上是一個(gè)對(duì)硅摻雜過程。在足夠的鋁量和合金 溫度下，背面甚至能形成與前結(jié)方向相同的電場，稱為背 面場。,3.3 太陽能電池制造工藝,6.制備減反射膜 硅表面對(duì)光的反射損失率高達(dá)35%左右。 減反射膜作用：減反射膜不但具有減少光反射的作用， 而且對(duì)電池表面還可起到鈍化和保護(hù)的作用。 制備方法：采用真空鍍膜法、氣相生長法或其它化學(xué)方 法等，在已制好的電池正面蒸鍍一層或多層二

35、氧化硅或二 氧化鈦或五氧化二鉭或五氧化二鈮減反射膜。 技術(shù)要求：膜對(duì)入射光波長范圍的吸收率要小，膜的理 化能穩(wěn)定，膜層與硅粘接牢固，膜耐腐蝕，制作工藝簡 單、價(jià)格低廉。 二氧化硅膜，鍍一層減反射膜可將入射光的反射率減少 到10%左右，鍍兩層則可將反射率減少到4%以下。,3.3 太陽能電池制造工藝,7.腐蝕周邊 在擴(kuò)散過程中，硅片的周邊表面也有擴(kuò)散層形成。硅片 周邊表面的擴(kuò)散層會(huì)使電池上下電極形成短路環(huán)，必須將 其去除。周邊上存在任何微小的局部短路，都會(huì)使電池并 聯(lián)電阻下降，以致成為廢品。 去邊的方法：主要有腐蝕法和擠壓法。腐蝕法是將硅片 兩面掩好，在硝酸、氫氟酸組成的腐蝕液中腐蝕30s左右；

36、擠壓法則是用大小與硅片相同而略帶彈性的耐酸橡膠或塑 料與硅片相間整齊地隔開，施加一定壓力阻止腐蝕液滲入 縫隙，以取得掩蔽的方法。,3.3 太陽能電池制造工藝,8.制作上、下電極 所謂電極，就是與電池p-n結(jié)形成緊密歐姆接觸的導(dǎo)電材 料。通常對(duì)電極的要求有：接觸電阻??；收集效率 高；遮蔽面積??；能與硅形成牢固的接觸；穩(wěn)定性 好；宜于加工；成本低；易于引線，可焊性強(qiáng)； 體電阻??；污染小。 制作方法：真空蒸鍍法、化學(xué)鍍鎳法、銀/鋁漿印刷燒結(jié) 法等。所用金屬材料：鋁、鈦、銀、鎳等。 電池光照面的電極稱為上電極（窄細(xì)的柵線狀，有利于 收集光生電流，并保持較大受光面積 ），制作在電池背面 的電極稱為下電極

37、或背電極（全部或部分布滿背面，減小 電池的串聯(lián)電阻 ）。 n+/p型電池上電極是負(fù)極，下電極是正極；p+/n型電池上 電極是正極，下電極是負(fù)極。,3.3 太陽能電池制造工藝,鋁漿印刷燒結(jié)法工藝：把硅片置于真空鍍機(jī)的鐘罩內(nèi)， 當(dāng)真空度抽到足夠高時(shí)，便凝結(jié)成一層鋁薄膜，其厚度控 制在30l00nm；然后，再在鋁薄膜上蒸鍍一層銀，厚度為 25m，為便于電池的組合裝配，電極上還需釬焊一層錫- 鋁-銀合金焊料；此外，為得到柵線狀的上電極，在蒸鍍鋁 和銀時(shí)，硅表面需放置一定形狀的金屬掩膜。上電極柵線 密度一般為24條/cm，多的可達(dá)1019條/cm，最多的可達(dá) 60條/cm。 絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作上電極，是用

38、滌綸薄膜等制成所需電 極圖形的掩膜，貼在絲網(wǎng)上，然后套在硅片上，用銀漿、 鋁漿印刷出所需電極的圖形，經(jīng)過在真空和保護(hù)氣氛中燒 結(jié)，形成牢固的接觸電極。成本低，便于自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn),3.3 太陽能電池制造工藝,9.檢驗(yàn)測(cè)試 太陽電池制作經(jīng)過上述工藝完成后，在作為成品電池入 庫前，必須通過測(cè)試儀器測(cè)量其性能參數(shù)，以檢驗(yàn)其質(zhì)量 是否合格。一般需要測(cè)量的參數(shù)有最佳工作電壓、最佳工 作電流、最大功率(也稱峰值功率)、轉(zhuǎn)換效率、開路電 壓、短路電流、填充因子等，通常還要畫出太陽電池的伏 安（I-U）特性曲線。 現(xiàn)代測(cè)試方法：,圖3-29 太陽電池測(cè)試 設(shè)備系統(tǒng)框圖,3.3 太陽能電池制造工藝,典型晶硅電池片

39、技術(shù)參數(shù) 尺寸：156mm156mm0.5mm 厚度（Si）：190m20m 正面（）：氮化硅減反膜；1.9mm銀柵線 背面（+）：AL背場；3mm銀背極 開路電壓(V)：0.625% 短路電流(A)：9.015% 最大功率點(diǎn)電壓：0.515 V 最大功率點(diǎn)電流：7.914 A 溫度系數(shù)： Tk Voltage 0.349%/K Tk Current 0.033%/K Tk Power 0.44%/K,3.3 太陽能電池制造工藝,3.3.3 新型太陽能電池簡介 1.新型高效單晶硅太陽電池 （1）發(fā)射極鈍化及背表面局部擴(kuò)散太陽電池(PERL),圖3-30 PERL太陽電池,3.3 太陽能電池制造

40、工藝,（2）埋柵太陽電池(BCSC) 采用激光刻槽或機(jī)械刻槽。激光在硅片表面刻槽，然后 化學(xué)鍍銅，制作電極。如圖3-31所示。批量生產(chǎn)這種電池 的光電效率已達(dá)17%，我國實(shí)驗(yàn)室光電效率為19.55%。,圖3-31 BCSC太陽電池,3.3 太陽能電池制造工藝,（3）高效背表面反射器太陽電池(BSR) 這種電池的背面和背面接觸之間用真空蒸鍍的方法沉積 一層高反射率的金屬表面（一般為鋁）。背反射器就是將 電池背面做成反射面，它能發(fā)射透過電池基體到達(dá)背表面 的光，從而增加光的利用率，使太陽電池的短路電流增 加。 （4）高效背表面場和背表面反射器太陽電池(BSFR) BSFR電池也稱為漂移場太陽電池，

41、它是在BSR電池結(jié)構(gòu) 的基礎(chǔ)上再做一層p+層。這種場有助于光生電子-空穴對(duì)的 分離和少數(shù)載流子的收集。目前BSFR電池的效率為14.8%.,3.3 太陽能電池制造工藝,2.多晶硅薄膜太陽電池 多晶硅薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小 晶粒構(gòu)成，其特點(diǎn)是在長波段具有高光敏性，對(duì)可見光能 有效吸收，又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性，因此被認(rèn) 為是高效、低耗的理想光伏器件材料。 目前多晶硅薄膜太陽電池光電效率達(dá)16.9%，但仍處于 實(shí)驗(yàn)室階段，如果能找到一種好的方法在廉價(jià)的襯底上制 備性能良好的多晶硅薄膜太陽電池，該電池就可以進(jìn)入商 業(yè)化生產(chǎn)，這也是目前研究的重點(diǎn)。多晶硅薄膜太陽電池 由于其良

42、好的穩(wěn)定性和豐富的材料來源，是一種很有前途 的地面用廉價(jià)太陽電池。,3.3 太陽能電池制造工藝,3.非晶硅太陽電池 （1）非晶硅的優(yōu)點(diǎn) 有較高的光學(xué)吸收系數(shù)，在0.3150.75m的可見光波長范圍內(nèi)，其吸收系數(shù)比單晶硅高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，很薄(1m左右)的非晶硅就能吸收大部分的可見光，制備材料成本也低； 禁帶寬度為1.52.0eV，比晶體硅的1.l2eV大，與太陽 光譜有更好的匹配； 制備工藝和所需設(shè)備簡單，沉積溫度低(300400)， 耗能少； 可沉積在廉價(jià)的襯底上，如玻璃、不銹鋼甚至耐溫 塑料等，可做成能彎曲的柔性電池。,3.3 太陽能電池制造工藝,（2）非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)及性能 非晶硅太

43、陽電池結(jié)構(gòu) 性能較好的非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)有p-i-n結(jié)構(gòu)，如圖3-32 所示。,圖3-32非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu),3.3 太陽能電池制造工藝,非晶硅太陽電池的性能 a.非晶硅太陽電池的電性能 非晶硅太陽電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)15%，穩(wěn)定效 率為13%。商品化非晶硅太陽電池的光電效率一般為 6%7.5%。溫度升高，對(duì)其效率的影響比晶體硅太陽電池 要小。 b.光致衰減效應(yīng) 非晶硅太陽電池經(jīng)光照后，會(huì)產(chǎn)生10%30%的電性能 衰減光致衰減效應(yīng)，此效應(yīng)限制了非晶硅太陽電池作 為功率發(fā)電器件的大規(guī)模應(yīng)用。為減小這種光致衰減效應(yīng) 又開發(fā)了雙結(jié)和三結(jié)的非晶硅疊層太陽電池，目前實(shí)驗(yàn)室 光致衰減效應(yīng)已減小至10

44、%。,3.3 太陽能電池制造工藝,4.化合物薄膜太陽電池 薄膜太陽電池由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、陶瓷襯底 或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導(dǎo)體膜構(gòu)成。由于其 半導(dǎo)體層很薄，可以大大節(jié)省太陽電池材料，降低生產(chǎn)成 本，是最有前景的新型太陽電池。 （1）化合物多晶薄膜太陽電池 除上面介紹過的a-Si太陽電池和多晶Si薄膜太陽電池 外，目前已開發(fā)出化合物多晶薄膜太陽電池，主要有：硫 化鎘/碲化鎘(CdS/CdTe)、硫化鎘/銅鎵銦硒 (CdS/CuGalnSe2 ).硫化鎘/硫化亞銅(CdS/Cu2S)等，其中 相對(duì)較好的有CdS/CdTe電池和CdS/CuGalnSe2電池。,3.3 太陽能電池制

45、造工藝,（2）化合物薄膜太陽電池的制備 CdS/CdTe薄膜太陽電池 CdS/CdTe薄膜太陽電池制造工藝完全不同于硅太陽電 池，不需要形成單晶，可以連續(xù)大面積生產(chǎn)，與晶體硅太 陽電池相比，雖然效率低，但價(jià)格比較便宜。這類電池目 前存在性能不穩(wěn)定問題，長期使用電性能嚴(yán)重衰退，技術(shù) 上還有待于改進(jìn)。 CdS/CulnSe2薄膜太陽電池 CdS/CulnSe2薄膜太陽電池，是以銅銦硒三元化合物半 導(dǎo)體為基本材料制成的多晶薄膜太陽電池，性能穩(wěn)定，光 電轉(zhuǎn)換效率較高，成本低，是一種發(fā)展前景良好的太陽電 池。,3.3 太陽能電池制造工藝,5. 砷化鎵太陽電池 （1）砷化鎵太陽電池的優(yōu)點(diǎn) 砷化鎵的禁帶寬度

46、(1.424eV)與太陽光譜匹配好，效率 較高； 禁帶寬度大，其太陽電池可適應(yīng)高溫下工作； 砷化鎵的吸收系數(shù)大，只要5m厚度就能吸收90%以 上太陽光，太陽電池可做得很??； 砷化鎵太陽電池耐輻射性能好，由于砷化鎵是直接躍 遷型半導(dǎo)體，少數(shù)載流子的壽命短，所以，由高能射線引 起的衰減較?。?在砷化鎵多晶薄膜太陽電池中，晶粒直徑只需幾個(gè)微 米；,3.3 太陽能電池制造工藝,在獲得同樣轉(zhuǎn)換效率的情況下，砷化鎵開路電壓大， 短路電流小，不容易受串聯(lián)電阻影響，這種特征在大倍數(shù) 聚光、流過大電流的情況下尤為優(yōu)越。 （2）砷化鎵太陽電池的缺點(diǎn) 砷化鎵單晶晶片價(jià)格比較昂貴； 砷化鎵密度為5.318g/cm3

47、（298K），而硅的密度為 2.329g/cm3（298K），這在空間應(yīng)用中不利； 砷化鎵比較脆，易損壞。 采用液相外延技術(shù)，在砷化鎵表面生長一層光學(xué)透明的 寬禁帶鎵鋁砷（Ga1xAlxAs）異質(zhì)面窗口層，阻礙少數(shù)載 流子流向表面發(fā)生復(fù)合，使效率明顯提高。,3.3 太陽能電池制造工藝,（3）砷化鎵太陽電池的結(jié)構(gòu) 砷化鎵異質(zhì)面太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖3-33所示，目前單結(jié) 砷化鎵太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)27%，GaP/GaAs疊層太 陽電池的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)30%(AM1.5，l000W/m2 , 25)。由于GaAs太陽電池具有較高的效率和良好的耐輻照特 性，國際上已開始在部分衛(wèi)星上試用，轉(zhuǎn)換效率為 17

48、%18%（AM0）。,圖3-33 砷化鎵異質(zhì)面太陽電池的結(jié)構(gòu),3.3 太陽能電池制造工藝,6.聚光太陽電池 聚光太陽電池是在高倍太陽光下工作的太陽電池。通過 聚光器，使大面積聚光器上接受的太陽光匯聚在一個(gè)較小 的范圍內(nèi)，形成“焦斑”或“焦帶”。位于焦斑或焦帶處的太 陽電池得到較高的光能，使單體電池輸出更多的電能，其 潛力得到了發(fā)揮。 輸出功率、短路電流 等基本上與光強(qiáng)成比例 增加。 要求特殊的密柵線設(shè) 計(jì)和制造工藝。,圖3-34 聚光太陽電池的電極,3.3 太陽能電池制造工藝,跟蹤裝置：為了更加充分地利用太陽光，使太陽總是能 夠精確地垂直入射在聚光電池上，尤其是對(duì)于高倍聚光系 統(tǒng)，必須配備跟蹤

49、裝置。 跟蹤方法： 單軸跟蹤：只在東西方向跟蹤太陽，180/天； 雙軸跟蹤：東西方向和南北方向（46.90/年 ）跟蹤。 跟蹤裝置：機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制部分 石英晶體為振蕩源，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)機(jī)構(gòu)，每隔4min驅(qū)動(dòng)一 次，每次立軸旋轉(zhuǎn)1，每晝夜旋轉(zhuǎn)360的時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)方式， 進(jìn)行單軸、間歇式主動(dòng)跟蹤。 光敏差動(dòng)自動(dòng)跟蹤控制器控制方式 。,3.3 太陽能電池制造工藝,7.光電化學(xué)太陽電池 （1）光電化學(xué)太陽電池的特點(diǎn) 1839年發(fā)現(xiàn)電化學(xué)體系的光效，應(yīng)利用半導(dǎo)體-液體結(jié)制 成的電池稱為光電化學(xué)電池。優(yōu)點(diǎn)： 形成半導(dǎo)體-電解質(zhì)界面很方便，制造方法簡單，沒 有固體器件形成p-n結(jié)和柵線時(shí)的復(fù)雜工藝，從理論上 講，其轉(zhuǎn)

50、換效率可與p-n結(jié)或金屬柵線接觸相比較； 可以直接由光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，這就解決了能源儲(chǔ)存 問題； 幾種不同能級(jí)的半導(dǎo)體電極可結(jié)合在一個(gè)電池內(nèi)使光 可以透過溶液直達(dá)勢(shì)壘區(qū)； 可以不用單晶材料而用半導(dǎo)體多晶薄膜，或用粉末燒 結(jié)法制成電極材料。,3.3 太陽能電池制造工藝,（2）光電化學(xué)太陽電池的結(jié)構(gòu)與分類 光生化學(xué)電池 結(jié)構(gòu)：如圖3-35所示，電池由陽極、陰極和電解質(zhì)溶液 組成。,圖3-35光電化學(xué)太陽電池的結(jié)構(gòu) 1，2-電極；3-電解質(zhì)溶液,3.3 太陽能電池制造工藝,原理：兩個(gè)電極（電子導(dǎo)體）浸在電解質(zhì)溶液（離子導(dǎo) 體）中，當(dāng)受到外部光照時(shí)，光被溶液中的溶質(zhì)分子所吸 收，引起電荷分離，在光照電

51、極附近發(fā)生氧化還原反應(yīng)， 由于金屬電極和溶液分子之間的電子遷移速度差別很大而 產(chǎn)生電流，這類電池稱為光生化學(xué)電池，也稱光伽伐尼電 池，目前所能達(dá)到的光電轉(zhuǎn)換效率還很低。,3.3 太陽能電池制造工藝,半導(dǎo)體-電解質(zhì)光電化學(xué)電池 照射光被半導(dǎo)體電極所吸收，在半導(dǎo)體電極-電解質(zhì)界面 進(jìn)行電荷分離，若電極為n型半導(dǎo)體，則在界面發(fā)生氧化 反應(yīng)，這類電池稱為半導(dǎo)體-電解質(zhì)光電化學(xué)電池。由于在 光電轉(zhuǎn)換形式上它與一般太陽電池有些類似，都是光子激 發(fā)產(chǎn)生電子和空穴，也稱為半導(dǎo)體-電解質(zhì)太陽電池或濕式 太陽電池。但它與p-n結(jié)太陽電池不同，是利用半導(dǎo)體-電 解質(zhì)液體界面進(jìn)行電荷分離而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的，所以也稱 它

52、為半導(dǎo)體-液體結(jié)太陽電池,3.4 太陽能電池組件的封裝,3.4.1 太陽能電池組件設(shè)計(jì)電池片組件 1.太陽能電池單體一般不直接作為電源使用 太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元。 （1）單體電池是由單晶硅或多晶硅材料制成，薄而脆， 不能經(jīng)受較大的撞擊。 （2）太陽電池的電極，不能長期裸露使用，必須將太陽 電池與大氣隔絕。 （3）單體硅太陽電池工作電壓低（典型值0.48V，硅材料 性質(zhì)決定），輸出功率?。s1W，硅材料尺寸限制）或工 作電流?。?025mA/cm2），不滿足作為電源應(yīng)用的要求。 常見的太陽電池尺寸2cm2cm到15cm15cm不等，厚度 約0.2mm。,3.4 太陽能電池組件的封裝

53、,2.太陽能電池組件設(shè)計(jì) 將太陽電池單體進(jìn)行串、并聯(lián)封裝后，就稱為太陽能電 池組件，其功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至到100300W， 是可以單獨(dú)作為電源使用的太陽能電池最小單元。 太陽能電池組件再經(jīng)過串、并聯(lián)裝在支架上，就構(gòu)成了 太陽能電池方陣，可以滿足負(fù)載所需求的輸出功率。 太陽電池單體太陽電池組件太陽電池方陣,3.4 太陽能電池組件的封裝,(a)單體 (b)組件 (c)方陣 圖3-36 太陽電池的單體、組件和方陣,太陽能電池的單體、組件和方陣，如圖3-36所示。,3.4 太陽能電池組件的封裝,（1）太陽電池組件的技術(shù)要求如下: 有一定的標(biāo)稱工作電壓和輸出功率； 工作壽命長，要求組件所使用的材

54、料、零部件及結(jié) 構(gòu)，在使用壽命上互相一致，避免因一處損壞而使整個(gè)組 件失效，對(duì)晶體硅太陽電池要求有20年以上的工作壽命； 有良好的電絕緣性； 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能經(jīng)受運(yùn)輸、安裝和使用過程中 發(fā)生的振動(dòng)、沖擊和其他應(yīng)力； 組合引起的效率損失?。?成本較低。,3.4 太陽能電池組件的封裝,（2）電池組件的連接方式： 串聯(lián)連接，并聯(lián)連接，串、并聯(lián)混合連接方式。 制作太陽電池組件時(shí)，根據(jù)電池組件的標(biāo)稱工作電壓確 定單片太陽電池的串聯(lián)數(shù)；標(biāo)稱的輸出功率（或工作電 流）來確定太陽電池片的并聯(lián)數(shù)。,圖3-37 太陽能電池的連接方式,3.4 太陽能電池組件的封裝,多個(gè)單體電池的串聯(lián)連接，可在不改變輸出電流的情

55、況 下，使輸出電壓成比例地增加；并聯(lián)連接方式，則可在不 改變輸出電壓的情況下，使輸出電流成比例地增加；而 串、并聯(lián)混合連接方式，則既可增加組件的輸出電壓，又 可增加組件的輸出電流。 太陽電池標(biāo)準(zhǔn)組件，一般用36片（10cm10cm）串聯(lián) 構(gòu)成，輸出電壓約17V，正好可以對(duì)12V的蓄電池進(jìn)行有 效充電。,3.4 太陽能電池組件的封裝,（3）太陽電池組件的板型設(shè)計(jì),圖3-38 20W組件板型 設(shè)計(jì)排布圖,電池組件不論功率 大小，一般都是由 36片、72片、54片 和60片等幾種串聯(lián) 形式組成。常見的 排布方法有 4片9片、6片6片、 6片12片、6片9片 和6片10片等。,3.4 太陽能電池組件的

56、封裝,36片太陽電池組件設(shè)計(jì)： 【例】 要生產(chǎn)一塊20W的太陽能電池組件，現(xiàn)有單片功 率為2.22.3W、125mm125mm單晶硅電池片，確定板型 和組件尺寸。 根據(jù)電池片情況，首先確定選用2.3W的電池片9片(組件 功率為2.3W 920.7W，符合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)時(shí)組件功率 誤差在5%以內(nèi)可視為合格)，并將其4等分切割成36小片， 電池片排列可采用4片 9片或6片 6片的形式，如圖3-38所 示。,3.4 太陽能電池組件的封裝,36片太陽電池組件設(shè)計(jì)： 根據(jù)板型大小，電池片與電池片中的間隙取23mm；一 般上邊距取3550mm ；下邊距一般取2035mm；左右邊 距一般取1020mm。 這

57、些尺寸都確定以后，就確定了玻璃的長寬尺寸。 假設(shè)上述板型都按最小間隙和邊距尺寸選取，則49板 型的玻璃尺寸長為633.5mm，取整為63.5mm，寬為 276mm；66板型的玻璃尺寸長為440mm，寬為405mm。 組件安裝邊框后，長寬尺寸一般要比玻璃尺寸大45mm， 因此一般所說組件外形尺寸都是指加上邊框后的尺寸。,3.4 太陽能電池組件的封裝,3.4.2太陽電池組件的封裝結(jié)構(gòu),圖3-39 玻璃殼體式太陽能電池組件示意圖 1-玻璃殼體；2-硅太陽能電池；9-互連條；4-黏結(jié)劑 5-襯底；6-下底板；7-邊框膠；8-電極接線柱,3.4 太陽能電池組件的封裝,3.4.2太陽電池組件的封裝結(jié)構(gòu),圖

58、3-40底盒式太陽能電池組件示意圖 1-玻璃蓋板；2-硅太陽能電池；3-盒式下底板；4-黏結(jié)劑 5-襯底；6-固定絕緣膠；7-電極引線；8-互連條,3.4 太陽能電池組件的封裝,3.4.2太陽電池組件的封裝結(jié)構(gòu),圖3-41平板式太陽能電池組件示意圖 1-邊框；2-邊框封裝膠；3-上玻璃蓋板；4-黏結(jié)劑；5-下底板 6-硅太陽能電池；7-互連條；8-引線護(hù)套；9-電極引線,3.4 太陽能電池組件的封裝,3.4.2太陽電池組件的封裝結(jié)構(gòu),圖3-42 全膠密封式太陽能電池組件示意圖 1-硅太陽能電池；2-黏結(jié)劑；3-電極引線；4-下底板；5-互連條,圖3-43 太陽能電池組件結(jié)構(gòu)剖面圖,3.4 太陽能電池組件的封裝,3.4.3太陽電池組件封裝材料 真空層壓封裝太陽電池，主要使用的材料有黏結(jié)劑、玻 璃、Tedlar或Tedlar復(fù)合薄膜（如TPT 或TPE等）、連接 條、鋁框等。 1.黏結(jié)劑 黏合劑是固定電池和保