太阳能电池

培训主题内容——培训讲师：SolarCell张小龙CONTENTS太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光伏电池”，是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。它是太阳能光伏发电的基础和核心。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。什么是太阳能电池01太阳能电池简介太阳能电池分类太阳能电池简介02按衬底特性划分AB平板式硬性太阳能电池柔性衬底太阳能电池按结构划分同质结太阳能电池异质结太阳能电池肖特基太阳能电池太阳能电池简介太阳能电池简介1、同质结太阳能电池指由同一种半导体材料所形成的P-N结称为同质结，用同质结构成的太阳能电池称为同质结太阳能电池。2、异质结太阳能电池指由两种禁带宽度不同的半导体材料形成的P-N结称为异质结，用异质结构成的太阳能电池称为异质结太阳能电池太阳能电池简介3、肖特基太阳能电池指利用金属-半导体界面上的肖特基势垒而构成的太阳能电池称为肖特基太阳能电池，简称MS电池。目前已发展为金属-半导体（MOS）、金属-绝缘体-半导体（MIS）太阳能电池等按材料分类有机聚合物太阳能电池硅太阳能电池多元化合物薄膜电池聚合物多层修饰电极型太阳能电池敏化纳米晶太阳能电池太阳能电池简介工艺简单、成本低，无污染，性能稳定受制于转换效率和稳定性具有可柔顺性和成本低廉性，转换效率和稳定性过低单晶硅、多晶硅、非晶硅电池。目前应用最广泛，技术比较成熟，但成本较高砷化镓、碲化镉、铜铟硒薄膜电池原料昂贵，具有毒性，不易大面积采用易制作，材料广泛，成本低使用寿命短①晶硅电池多晶硅，单晶硅等；②薄膜电池a-Si,CIGS,CdTe,GaAs,poly-Si等；③新型电池及新概念电池染料敏化电池-光化学电池有机电池，多结（带隙递变）电池，中间带（杂质带）电池，量子点、量子阱电池上转换器（低能光子合并成高能光子）电池下转换器（高能光子分解成定呢个光子）电池，热载流子电池等。太阳能电池简介按产业规模分类4、硅太阳能电池⑴单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池，是以高纯度的单晶硅棒为原料的太阳能电池，其转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的热加工处理工艺基础上。⑵多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实颜色最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池将在太阳能电池市场上占据主导地位。太阳能电池简介★单晶硅太阳能电池★多晶硅薄膜太阳能电池★非晶硅薄膜太阳能电池⑶非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池所采用的硅为a-Si。其基本结构不是pn结而是pin结。掺硼形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层。太阳能电池简介非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在0.3-0.75um的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1um厚）就能吸收90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能成为低价格太阳能电池的最主要因素。尽管非晶硅是一种很好的太阳能电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池。叠层太阳能电池是在制备的p-i-n单结太阳能电池上再沉积一个或多个p-i-n子电池制得的。太阳能电池简介叠层非晶硅太阳能电池叠层型非晶硅太阳能电池的工作原理：由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右(AM1.5)。若太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池。太阳能电池简介大面积集成型叠层太阳能电池子电池示意图5、薄膜太阳能电池指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料铺在非半导体的衬底上面构成的光伏电池。这种电池可大大地减少半导体材料的消耗（薄膜厚度以um计）从而大大地降低了光伏电池的成本可用于构成薄膜光伏电池的材料有很多种。主要包括多晶硅、非晶硅、碲化镉以及CIGS等太阳能电池简介6、有机化合物太阳能电池有机太阳能电池以有光敏性质的有机物作为半导体材料，以光伏效应而产生电压形成电流。有机太阳能电池按照半导体的材料可分为单质结结构、pn异质结结构和染料敏化纳米晶结构。根据有关调查数据，有机太阳能电池的成本平均只有硅太阳能电池的10%-20%；然而，目前市场上的有机太阳能电池的光电转换效率最高只有10%，这是制约其全面推广的主要问题。因此，如何提高光电转换效率是今后应该解决的重点问题。太阳能电池简介2009年4月26日《naturephotonics》高效单节电池太阳能电池简介7、染料敏化太阳能电池染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs），主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。为了增加对太阳光的利用率,人们把染料吸附在表面,借助染料对可见光的敏感效应,增加了整个染料敏化太阳能电池对太阳光的吸收率。以等宽禁带的氧化物型的纳米级半导体作为电极，使用染料敏化，无机窄禁带宽度半导体敏化、过渡金属离子掺杂敏化，有机染料、无机半导体复合敏化以及表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池。太阳能电池简介2,ZnOSnO2TiO2TiO太阳能电池简介太阳能电池发展现状03太阳辐射和理想转换效率太阳辐射：太阳发出的辐射能来源于核聚变反应，每秒约有6×kg的H2转变为He，净质量损失约为4×kg，通过爱因斯坦关系（）转变为J的能量转换出去，此能量主要以从紫外到红外到射频波谱范围（0.2-0.3um）的电磁波发射出去。在地-日平均距离的自由空间内，太阳辐射强度为1353W/。大气质量：当阳光到达地表后时，大气层使阳光减弱，主要原因有红外波段的水蒸气吸收、紫外波段的臭氧层吸收以及灰层和悬浮颗粒的散射。大气层对地表处接收到的阳光的影响程度定义为“大气质量”（airmass）AM:太阳与天顶夹角的正割（secθ）为大气质量数，用于量度光线所经过的大气层与太阳正当顶时的最短路程的相对值。AM0表示地球大气层以外的太阳光谱，AM1代表太阳位于天顶时地表的太阳能光谱，其投射功率为925W/㎡，AM2是相对于θ=60°而言的。其入射功率约为691W/㎡。AM1.5(太阳与地平线成45°)为地表应用的加权能量平均值。11103102Emc204102m太阳辐射和理想转换效率理想太阳能电池等效电路理想PN结太阳能电池可以用一恒定电流源Iph（光生电流）及一理想二极管的并联来表示。其电流电压关系满足方程[exp(/)1]sLIIqVkTISI太阳辐射和理想转换效率实际上，PN结太阳能存在着RS和RSH的影响。其中，RS是由材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。RSH是在PN结形成的不完全的部分所导致的漏电流，称为旁路电阻或漏电电阻。这样构成的等效电路如图所示太阳能电池的实际等效电路SRSI太阳辐射和理想转换效率下面我们来分析一下串联电阻Rs和漏电电阻Rsh对光电池效率的影响根据图示的电路，对同一个太阳能电池，当入射光强度较弱时，IL较小，二极管电流和漏电流大小相差不多，此时，Rsh的影响较大。[exp(/)1]/LSshIIIqVkTVR太阳辐射和理想转换效率漏电电阻对光电池输出特性的影响可用下图表示。可以看出，漏电电阻Rsh对光电流的影响较小，而对开路电压的影响较大入射光功率一定（100mW/c㎡）并假定Voc=0.51V，Jsc=30mA/c㎡，Rs=0太阳辐射和理想转换效率当光照较强时，二极管电流远大于漏电电流，此时，Rsh对光电池的影响较小，而相反的，Rs的影响就变大起来。{exp[()/]1}LSSIIIqVRIkT右图给出了Rs对光电池输出特性的影响。可以看出光电池的输出特性随着Rs有着较大的变化，并且Rs对开路电压的影响几乎可以忽略，但对短路电流却有很大的影响。入射光功率一定（100mW/c㎡）并假定Voc=0.51V，Jsc=30mA/c㎡，Rsh=∞太阳辐射和理想转换效率太阳能电池转换效率的理论上限太阳能电池的理论效率由下式决定η100%minPP负载R可以从零到无穷大。当负载Rm使电池的功率输出最大时，它对应的最大功率Pm为mmmPIV式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压mP太阳辐射和理想转换效率对于最大功率点，我们知道即最大功率可以从dP/dV=0得到1exp()(1)msmmLmIIVVIV式中β≡q/kT,则最大输出功率Pm为[exp()1]SLqVPIVIVIVkT(/)111ln[]ln[1]1LSmOCmmIIVVVV11[ln(1)]mmmFSCOCLOCmPIVFIVIVV式中填充因子FF量度了曲线的尖锐正度太阳辐射和理想转换效率实际上，较好的填充因子一般为0.8左右，那么，理想转换效率为最大输出功率与入射功率之比又等于2(/)exp(/)ηmmmmSmOCSCFininininPIVVIqkTqVkTVIFPPPPS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。下面我们就分别来考虑开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。太阳辐射和理想转换效率短路电流Isc的考虑我们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：max1.24()/()gumEeV而其余部分的光子，因其能量hv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，百分百被收集起来。在上述理想的假设下，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AM0和AM1.5光照射下的最大短路电流值太阳辐射和理想转换效率开路电压的考虑：开路电压Voc的最大值，在理想情况下有下式就决定ln(1)LocSIkTVqI式中IL是光生电流，在理想情况下即为上图所对应的最大短路电流，其满足：22(//)exp(/)snnAPPDiicvgIAqDLNDLNnnNNEkT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（例如对硅单晶片选用0.2欧姆厘米）的材料，代入合适的半导体参数值，给出硅的最大Voc值约700mV左右。太阳辐射和理想转换效率填充因子的考虑：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1/2ln(0.72)1(/)OCOCFOCOCOCUUFUUVkTq这样当开路电压Voc的最大值确定后，就可计算得到FF的最大值太阳辐射和理想转换效率综合上述结果，可得到作为带隙Eg的函数的最大转换效率，其结果如下图300k时，1个太阳和1000个太阳集光时理想太阳电池的效率太阳辐射和理想转换效率影响太阳能电池转换效率的一些因素：在我们前面讲了太阳能电池转换效率的理论值，这些理论值都是在理想情况