太阳电池理论基础知识培训 盛健

太阳电池基础知识培训盛健2010.5.11Cuttingtheedgeofimpossible!第一章:太阳电池发展简介第二章:太阳光第三章:半导体物理基础第四章:P-N结第五章:电池重要参数ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!第一章:太阳电池发展简介1.1太阳电池发展概况1839年,法国科学家Becquerel首先报导了太阳电池的光伏效应;1876年,在硒的全固态系统中也观察到了光伏效应现象;1954年,出现了第一块硅太阳电池(6%Bellab),标志太阳电池研制工作的重大进展;1958年,太阳电池首次在空间应用,装备美国先锋1号卫星;1959年,第一个多晶硅太阳电池问世,效率达5%;1960年,硅太阳电池首次实现并网运行;1975年,非晶硅太阳电池问世;1998年,单晶硅光伏电池效率达24.7%,多晶硅太阳电池产量第一次超过单晶硅太阳电池而成为世界光伏电池之王;1999年,日本太阳电池总产量第一次超过美国而居世界之首,其中85%用于太阳能光伏建筑集成。ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!Confidential01020301940195019601970198019902000Efficiency(%)UNSW单晶硅太阳能电池转换效率的发展过程Cuttingtheedgeofimpossible!第二章:太阳光2.1阳光的物理来源2.2太阳光的属性2.3大气层对太阳辐射的影响ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!2.1阳光的物理来源太阳是距离地球最近的一颗恒星.日地距离为1.49597892x108Km.太阳直径为1.392x106Km,是地球的109倍;体积比地球大130多万倍.太阳平均密度为1.4g/cm3,即比水的密度大50%,太阳内部密度约160g/cm3,因此日心引力比地心引力大29倍左右.太阳的物质组成:就质量而言,H78.4%;He19.8%;金属和其他元素,总计占1.8%.ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!2.2太阳光的属性Confidential我们所见到的太阳光只是太阳光入射在地球上很少一部分太阳辐射能的来源—电磁辐射太阳光是一种电磁波,具有波粒二相性光子能量计算Cuttingtheedgeofimpossible!2.3大气层对太阳辐射的影响Confidential地球大气层对太阳辐射的影响大气层的吸收、散射和反射对太阳辐射有削弱作用；一些特定波长的吸收、散射会改变太阳光谱；散射或间接成份的传入对太阳辐射的影响；大气的局部变化(水汽、云、环境污染物)会对太阳光的入射功率、光谱以及入射方向有附加的影响；Cuttingtheedgeofimpossible!2.3大气层对太阳辐射的影响Confidential大气质量,大气层对太阳光线通过大气程路程对到达地球表面的太阳辐射的影响AM0—地球大气层外的太阳辐射AM1—穿过1个大气层的太阳辐射（太阳入射角为0）AM1.5—太阳入射角为48°的太阳辐射Cuttingtheedgeofimpossible!第三章:半导体物理基础3.1基础材料理论3.1.1半导体材料3.1.2能带3.1.3掺杂3.2光吸收特性3.2.1光吸收条件3.2.2光吸收系数3.2.3光吸收深度3.2.4光吸收率Confidential3.3复合3.3.1复合类型3.3.2少子寿命3.3.3扩散长度3.3.4表面复合3.4载流子输运3.4.1扩散3.4.2漂移Cuttingtheedgeofimpossible!3.1.1半导体材料何为半导体?导体?绝缘体?半导体分类?半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（CdS）和砷化镓（GaAs），还可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x为0-1之间的任意数。许多有机化合物，如蒽也是半导体。IV族元素III-V族化合物II-VI族化合物Confidential半导体与导体区别半导体的电阻率较大（约10-5ρ107m），而金属的电阻率则很小（约10-810-6m），绝缘体的电阻率则很大（约ρ108m）。半导体的电阻率对温度的反应灵敏,金属的电阻率随温度的变化则较小金属中含有少量杂质时，看不出电阻率有多大的变化，但在半导体里掺入微量的杂质时，却可以引起电阻率很大的变化3.1基础材料理论Cuttingtheedgeofimpossible!ConfidentialSchematicrepresentationofcovalentbondsinasiliconcrystallattice.对于太阳能电池最重要的半导体材料参数:禁带宽度;可用于导电的自由载流子数量当光照射时自由载流子的产生和复合速率选择硅作为广泛应用的太阳能电池材料地壳中的储量比较大禁带宽度相对比较适合高纯硅制备技术成熟Cuttingtheedgeofimpossible!3.1.2能带导带?禁带?价带?硅禁带宽度1.12eV导电需要的条件?(可演示)电子在很小的电场作用下就能移动到离允许带少许上方的另一个能级，成为自由电子，而使电导率变得很大，这种物质称为导体。所谓半导体，即是天然具有和绝缘体一样的能带结构，但禁带宽度较小电子在一定的条件下可以从价带激发进入导带的物质。所谓绝缘体,是指禁带宽度太大或者电子无法从价带激发进入导带的物质ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!3.1.3掺杂施主掺杂N型半导体定义?多子？少子？（演示）受主掺杂P型半导体定义?多子？少子？（演示）本征半导体定义?本征载流子浓度?电子热激发产生的载流子浓度平衡载流子浓度？在无外加偏压下导带和价带中的载流子浓度ConfidentialP-typeN-typeDopantGroupIII(E.g.Boron)GroupV(e.g.Phosphorous)MajorityCarriersHolesElectronsMinorityCarriersElectronsHolesCuttingtheedgeofimpossible!3.2光吸收特性3.2.1半导体吸收光的条件EphEGPhotonswithenergyEphlessthanthebandgapenergyEGinteractonlyweaklywiththesemiconductor,passingthroughitasifitweretransparent.无法吸收，光直接穿过半导体Eph=EGhavejustenoughenergytocreateanelectronholepairandareefficientlyabsorbed.有效吸收，激发电子空穴对，无能量损失EphEGPhotonswithenergymuchgreaterthanthebandgaparestronglyabsorbed光吸收并激发电子空穴对，多余能量以其它形式损失掉ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!3.2.2光吸收系数Confidential吸收系数,α,在各种半导体材料中300K吸收系数决定在特定波长下的光在被吸收前在半导体材料中进入的深度Cuttingtheedgeofimpossible!3.2.3吸收深度由于吸收系数的差异,蓝光(高能量光)在硅片表面很快被吸收,但是一部红光(低能量光)会进入硅片较深的深度ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!3.3复合3.3.1复合类型（可演示）直接复合？也叫辐射复合，电子和空穴直接在导带中发生复合，同时发射一个光子所发射光子的能量近似于禁带带宽，因此比较不容易吸收简接复合？也叫缺陷复合，一个电子（或者空穴）被禁带中的一个缺陷能级捕获，同时如果一个空穴（或者电子）在电子热发射回导带前运动到此缺陷能级，这样就发生了复合；此种复合的产生可能是由于晶格缺陷也可能是由于杂质的掺杂俄偈复合？电子与空穴复合时，将多余的能量传给第二个电子而不是发射光。然后，第二个电子通过发射声子弛豫回到它初始所在的能级。俄歇复合就是更熟悉的碰撞电离效应的逆过程。ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!3.3.2少子寿命定义？半导体中少数载流子在从产生开始到被复合前存在的时间长度硅片中少子寿命计算？少子寿命的影响因素？3.3.3扩散长度定义？扩散长度与少子寿命的关系？ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!3.3.4表面复合定义？表面缺陷的构成？未饱和键杂质晶体缺陷表面钝化的方式？H+SiO2电场ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!3.4载流子输运3.4.1漂移定义?条件？电场在外加电场ζ的影响下，一个随机运动的自由电子在与电场相反的方向上有一个加速度a=ζ/m，在此方向上，它的速度随时间不断地增加。晶体内的电子处于一种不同的情况，它运动时的质量不同于自由电子的质量，它不会长久持续地加速，最终将与晶格原子、杂质原子或晶体结构内的缺陷相碰撞。这种碰撞将造成电子运动的杂乱无章，换句话说，它将降低电子从外加电场得到附加速度，两次碰撞之间的“平均”时间称为弛豫时间tr，由电子无规则热运动的速度来决定。此速度通常要比电场给与的速度大得多，在两次碰撞之间由电场所引起的电子平均速度的增量称为漂移速度。ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!3.4.2扩散定义?条件？浓度差除了漂移运动以外，半导体中的载流子也可以由于扩散而流动。象气体分子那样的任何粒子过分集中时，若不受到限制，它们就会自己散开。此现象的基本原因是这些粒子的无规则的热速度。ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!第四章:P-N结4.1P-N结介绍4.2P-N结形成4.2.1制备4.2.2形成原理4.3光伏特性ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!第四章:P-N结4.1P-N结介绍定义回顾:N型\P型半导体把n型半导体和p型半导体结合在一起，在两者的交界面就形成p-n结ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!4.2P-N结的形成4.2.1制备合金法、扩散法、生长法、离子注入法在一块n型（或p型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（如：合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把p型（或n型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在二者的交界面出就形成了pn结。ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!4.2.2形成原理I.掺杂形成P区N区II.交界处载流子扩散:电子往P区,空穴进入N区III.因为复合,交界处形成空间电荷区IV.电场形成V.漂移扩散达到平衡ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!4.3光伏特性定义?原理?A光照：激发电子空穴对B少子扩散至结电场C少子电场处漂移收集D电子进入N区，空穴进入P区E光生电子空穴N区P区积累F光生电场形成演示ConfidentialCuttingtheedgeofimpossible!光伏特性定义?当用适当波长的光照射非均匀半导体(p-n结等)时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。原理?A.光照：激发电子空穴对B.少子扩散至结电场C.少子电