太阳能光电池的研究

2011/3/8太阳能光电池的研究——影响效率的因素、改善方法以及发展现状等一．摘要太阳能光电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。本文通过对太阳能光电池转换效率的研究，提出了提高转换效率的方法，并对太阳能价格以及产业化的调查，深入思考其发展现状。二．太阳能转换效率A．太阳能电池的理论效率太阳能电池的理论效率由下式决定：VocIscFFPinS当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定以后，其值就取决于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。接下来分别考虑开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。（1）短路电流Isc的考虑：假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳能电池没有贡献，其中长波限满足：1.24()max()mEgeV而其余部分的光子，因其能量hν大于材料的禁带宽度Eg，被材料吸收而激发电子-空穴对。假设其量子产额为1，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下，百分之百地被收集起来。在上述理想的假设下，2011/3/8最大短路电流值显然仅与材料带隙Eg有关，其计算结果如图所示在AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值(2)开路电压Voc的考虑开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式决定：Lln(1)skTIVocqI式中IL是光生电流，在理想情况即为上图所对应的最大短路电流。Is是二极管反向饱和电流，其满足：2Is=Aq(Dn/LnNA+Dp/LpND)ni2ni=NcNvexp(-Eg/kT)显然，Is取决于Eg、Ln、Lp、NA、ND和绝对温度T的大小，同时也与光电池结构有关。为了提高Voc，常常采用Eg大，少子寿命长及低电阻率的材料.2011/3/8(3)填充因子FF的考虑：在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的函数，可用以下经验公式表示：Uoc-ln(Uoc+0.72)Uoc+1FF12Uoc=Voc(kT/q)这样，当开路电压Voc的最大值确定后，就可计算得到FF的最大值。综合上述结果，可得到作为带隙Eg的函数的最大转换效率，其结果示于下图中。对于单晶硅太阳能电池，理论上限是27%，目前研究得到的最大值为24%左右。GaAs太阳能电池的转换效率的理论上限为28.5%，现在获得的最大值是24.7%。太阳能电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低，这些理论值都是在2011/3/8B.影响太阳能电池转换效率的一些因素以及改善方法(1)光生电流的光学损失：太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。a.反射损失任何两种折射率不同的介质间的界面上都会发生光反射。反射系数为：R=对于硅，600nm处n≈3.8,外界介质为大气时，n0=1R≈34%改善方法：减反射膜薄膜干涉原理：当n2n1n0时，膜层材料与基体（硅）和外界媒质间的两个界面上的反射光将互相干涉，从而抑制基体表面的光反射。反射系数R(λ)为膜层折射率及厚度的函数。当时，反射最小。n1d1=λ0/4时，R为极小值:R1(λ0)=R2(λ0),R(λ0)=0对于硅，最佳的减反射膜折射率应为：外界介质为大气时，n0=1:≈1.95外界介质为EVA时，n0≈1.5:≈2.39供选择的减反射膜(ARC):SiOx,TiOx,Si3N4,Ta2O5等2011/3/8b栅指电极遮光损失c定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比（见右图）。对一般电池来说，c约为4%-15%。改进措施:主栅宽2mm，细栅宽0.12mm:“阴影”率7%细栅宽0.15mm:“阴影”率8%细栅宽0.20mm:“阴影”率10%由以上数据可知细栅越宽，阴影率越大。所以可以通过提高细栅的高/宽比，栅线镀银加厚来减小阴影率，从而减小损失。b.透射损失如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。如图为对硅和砷化镓的计算结果。c.光生少子的收集几率在太阳能电池内，由于存在少子的复合，所产生的每一个光生少数载2011/3/8流子不可能百分之百地被收集起来。定义光激发少子中对太阳能电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率。该参数决定于电池内个区域的复合机理，也与电池结构与空间位置有关。（2）电学损失电池的最大输出功率：Pm=Isc·Voc·FFa.电流损失：光生载流子在被pn结收集前复合（1）体复合：少数载流子（光生载流子）的寿命是有限的。高质量的硅单晶可达ms级，但通常只有几十μs。晶体中存在各种复合中心，会俘获少数载流子，使之复合。＊晶体材料中原有的缺陷＊高温工序引起的缺陷＊深能级杂质（重金属杂质，工艺过程中的环境或人为污染…）＊重掺杂层（发射区）内的晶格收缩、俄歇复合等重掺效应使少子寿命大大率降。（2）表面复合：硅片表面的悬挂键构成表面态。不同的表面状态，表面复合速度不同。金属-半导体接触处复合速度无穷大。当晶体厚度足够薄时，少子寿命将受限于表面复合。改善措施：表面钝化最有效的表面钝化是热生长SiO2钝化层，用O原子将硅表面的悬挂键“封”接起来。优良的SiNx也有相近的钝化作用，且沉积过程中产生的H离子对硅片体内的缺陷（包括多晶的晶界）也有钝化作用。2011/3/8b.电压损失Voc=q/KTLn(Jsc/J0)决定开路电压Voc大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，Voc也就越低。体复合和表面复合都是重要的。通常，电池表面还存在表面复合，表面复合也会降低Voc值要提高Voc并减小Vmp与Voc的差值，以降低电压损失，除改进结特性、提高FF值外，最根本的仍然在于最大限度地减少电池结构各部分的复合或减小复合对光生载流子收集的影响。改善措施：选用电阻率较低的硅材料，降低基区J0分量，降低发射区掺杂浓度并钝化发射区表面b.串连、并联电阻引起的损失实际表现为电压损失，使Voc下降或使Vpm与Voc的差增大。对于优良的结特性，避免工艺操作过程中对pn结造成的损伤，Rsh的影响将很小。但由Rs引起的焦耳损失是无法完全避免的。在构成Rs的各项因素中，硅片体电阻和下电极的影响可忽略，主要由发射区薄层电阻、上电极与硅之间的接触电阻和栅线电阻决定。低成本丝网印刷工艺的代价之一是高Rs，低FF。三．结论单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；2011/3/8非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段