Chap3 硅太阳能电池1

第三章硅太阳能电池3.1引言3.2单晶体硅太阳能电池3.3多晶硅太阳能电池3.4非晶硅薄膜太阳能电池太阳电池的分类种类效率特点第一代太阳电池单晶硅Mono-crystalline24.7%（UNSW）16%--17%商业化，效率高，成本高多晶硅Poly-crystalline12%-17%商业化，产品多样第二代太阳电池（薄膜太阳电池）非晶硅Amorphoussilicon13%5%-8%价格低但有衰退染料敏化DSSC12%价格很低但不稳定铜铟硒CIS8%-12%铟是稀有金属有机Organic6.5%柔性，但不稳定砷化镓GaAs超过30%效率很高，价格贵第三代太阳电池量子点太阳电池QuantumDots概念理论极限效率高达68%热载流子太阳能电池Hot-carrier概念3.1引言两种主要太阳能电池分类及市场份额太阳能电池晶体硅电池薄膜电池单晶硅电池多晶硅电池非晶硅电池其他化合物电池90%10%48.2%51.8%46.1%53.9%3.1引言3.2单晶体硅太阳能电池3.2.1单晶硅的基本性质和制备3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能3.2.3单晶硅太阳能电池的制备晶体：是质点（原子、离子或分子）在空间按一定规律周期性重复排列构成的固体物质。晶体又分单晶、多晶、微晶、纳米晶。单晶的概念：所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。其内部组织是一个晶粒或者是几个平行纵向晶粒所组成。在单晶中，大多数是晶莹透明的，但并不是所有透明的固体都是晶体，如玻璃就不是晶体。多晶：由许多小单晶按不同取向聚集而成的晶体。如陶瓷颗粒、粉体、矿石、沙子、水泥等。3.2.1单晶硅的基本性质和制备单晶的概念3.2单晶体硅太阳能电池3.2.1单晶硅的基本性质和制备单晶的概念3.2单晶体硅太阳能电池硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％在自然界中是没有游离态的硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在3.2.1单晶硅的基本性质和制备单晶硅的性质3.2单晶体硅太阳能电池14Si32Ge原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，属于元素周期表上IVA族的类金属元素。3.2.1单晶硅的基本性质和制备单晶硅的性质3.2单晶体硅太阳能电池硅晶体硅为钢灰色，密度2.4g／cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。3.2.1单晶硅的基本性质和制备单晶硅的性质3.2单晶体硅太阳能电池①Si+2F2=SiF4②Si+4HF=SiF4↑+2H2↑③Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑Si+O2SiO2△•常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应•高温下，较活泼3.2.1单晶硅的基本性质和制备单晶硅的性质3.2单晶体硅太阳能电池3.2.1单晶硅的基本性质和制备单晶硅的性质间接带隙结构温度T=300K，Eg=1.12eV本征载流子浓度：1031.0710incm硅中杂质：1.n型掺杂剂：P，As，Sb2.p型掺杂剂：B3.轻元素杂质：O，C，N，H4.过渡族金属杂质：Fe，Cu，Ni3.2单晶体硅太阳能电池3.2.1单晶硅的基本性质和制备单晶硅的性质轻掺杂掺杂浓度为1017cm-3中度掺杂掺杂浓度为1017～1019cm-3重掺杂掺杂浓度大于1019cm-3杂质离子100%电离载流子浓度低于掺杂浓度3.2单晶体硅太阳能电池第一步：石英（90%）还原脱氧成为熔炼级硅（99％）3.2.1单晶硅的基本性质和制备硅的单晶生长3.2单晶体硅太阳能电池3.2.1单晶硅的基本性质和制备第二步：熔炼级硅（99％）到电子级多晶硅硅的单晶生长3.2单晶体硅太阳能电池•粗硅与氯化氢在200℃以上反应Si十3HCl==SiHCl3+H2•实际反应极复杂，除生成SiHCl3外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiCl4等各种氯化硅烷•合成温度宜低，温度过高易生成副产物•其中三氯代硅烷产量大、质量高、成本低的优点，是当前制取多晶硅的主要方法3.2.1单晶硅的基本性质和制备粗硅提纯到电子级多晶硅硅的单晶生长3.2单晶体硅太阳能电池•利用杂质和SiHCl3沸点不同，用精馏的方法分离提纯•沸点SiCl4(57.6oC)SiHCl3(33oC)SiH2Cl2(8.2oC)SiH3Cl(-30.4oC)SiH4(-112oC)HCl(-84.7oC)3.2.1单晶硅的基本性质和制备精馏硅的单晶生长3.2单晶体硅太阳能电池3.2.1单晶硅的基本性质和制备第三步：电子级多晶硅到单晶硅硅的单晶生长3.2单晶体硅太阳能电池3.2.1单晶硅的基本性质和制备最后一步：研磨，切割，抛光硅的单晶生长3.2单晶体硅太阳能电池3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池一般来说一个电池的输出电压为0.5V左右，最大输出功率与有效面积有关，一般来说，一个效率为15%的电池输出功率为1.5W左右，为满足需要，把很多电池并联或串联在一起，形成模组，若想得到更大效率输出，则需要阵列。3.2单晶体硅太阳能电池Loadn+，NDp,NA＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－单晶硅电池的基本结构多为n+/p型，多以p型单晶硅片为基片，其电阻率范围为1-3cm，厚度一般为200-300um。3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构3.2单晶体硅太阳能电池基体材料为一薄片p型单晶硅（厚度在0.4mm以下），上表面为一层n+型顶区，并构成一个p-n+结，顶区表面有栅状的金属电极，背表面是金属底电极。上下电极分别和n+区和p区形成欧姆接触，整个上表面还均匀地覆盖着减反射膜。3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构3.2单晶体硅太阳能电池3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构降低光损失：1）降低顶接触电极面积(虽然这可增加电池串联电阻)；2）减反射层的运用；3）表面织构化减少反射；4）增加电池厚度来增加吸收（但因为复合，超过扩散长度距离的载流子对JSC没有贡献）；5）可通过表面织构化和光陷阱结合的方法增加电池中的光程。3.2单晶体硅太阳能电池3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构基板质量：结晶性完美（FZ硅片最好，CZ次之）、最低的杂质污染等。少数载流子寿命：基板本身的金属杂质有关。通常用p型硅，商业用基板电阻通常为0.5-30ohm-cm.厚度的影响，工业用约为200-250um.3.2单晶体硅太阳能电池3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构基板3.2单晶体硅太阳能电池一般来说,除了价格成本和来源难易外,根据不同用途,可从以下几方面选择:1.导电类型P型硅用B作为掺杂元素，制成n+/p型太阳能电池；n型硅用P（或As)为掺杂元素，制成p+/n型太阳能电池；两类电池性能相当，但n+/p型太阳能电池耐辐照性能优于p+/n型太阳能电池，更适合空间应用。3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构基板3.2单晶体硅太阳能电池2.电阻率由原理可知，开路电压随着硅基板电阻率的下降（掺杂浓度的提高）而增加，如下图为各种电阻率基板材料制成的n+/p型电池的开路电压。3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构基板3.2单晶体硅太阳能电池3.晶向、位错、寿命一般要求单晶沿（111）晶向生长，切割下的硅片表面与（111）单晶平行。除了某些特殊情况外，晶向要求不十分严格。制成绒面太阳能电池需要晶向为（100）的单晶硅片，在不要求太阳电池有很高转换效率的场合下，位错密度和少子寿命不做严格要求。3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构基板3.2单晶体硅太阳能电池4.形状、尺寸、厚度空间应用的硅太阳电池都为方形，以减少组合方阵的表面积。随着工艺的进步，向大面积、薄厚度、高效率方向发展，目前标准的电池尺寸是2x2cm2或2x4cm2等，基板厚度约为0.2mm.3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构表面织构化平坦表面织构化表面表面织构化可以减少光的反射，增加光的透射。主要利用硅的各向异性腐蚀,在每平方厘米硅表面形成成百上千万个四面锥体.3.2单晶体硅太阳能电池3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构表面织构化各向异性腐蚀就是腐蚀速度随单晶主要的不同晶向而变化，一般来说，晶面间的共价键密度越高，则该晶面族的各晶面连接越牢，也就越难腐蚀，因此在该晶面族的垂直方向上腐蚀速度越慢。反之，越容易腐蚀。由于（100）面的共价键密度比（111）面低，所以(100)面腐蚀比(111)面快。（100）硅片的各向异性腐蚀导致在表面产生许多密布的表面为（111）面的四面方锥体。形成绒面的硅表面。3.2单晶体硅太阳能电池3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构表面织构化可通过不同途径实现表面织构化：晶体硅可通过腐蚀晶面的刃面来实现织构化；如果晶体硅表面是沿内部原子排列的，则织构化表面类似金字塔。如下图是随机金字塔形式的织构化，是商业单晶硅电池常用的手段。3.2单晶体硅太阳能电池另一种形式的织构化：倒金字塔.沿111晶面。3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构表面织构化3.2单晶体硅太阳能电池对于多晶硅来说，不能采用上述两种形式的织构化，因为多晶硅表面不是完整的111晶面。但可采取照相平版印刷、用激光机械雕刻前表面等方式实现织构化（下图为照相平版印刷织构化多晶硅表面）：3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构表面织构化3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构表面织构化3.2单晶体硅太阳能电池3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构PN结是产生光伏效应的来源，由高温扩散制成。在p型硅极板上作n型扩散，或是在在n型硅极板上作p型扩散。一般n型扩散厚度为0.5um，是在基板作为粗糙化后进行的。对扩散的要求是获得适合于太阳能电池P-N结需要的结深和扩散层方块电阻。浅结死层小，电池短波响应好，而浅结引起的方块电阻加大。为了保持电池有较低的串联电阻，就需要增加电极的栅线数目，电池制造困难。两者是矛盾的，要兼顾双方。常规硅太阳电池的结深约为0.3-0.5um，方块电阻越为20-70/。3.2单晶体硅太阳能电池3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构PN结3.2单晶体硅太阳能电池3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构金属接触必须被用来取出产生光电的载流子，这种作用具有选择性，也就是说必须只循序一种载流子由硅表面流向金属，但却可以阻止另外一种形态的载流子流通。通常接受少数载流子的电极放在上面（受光面），位于金属电极下方的重掺区域，为发射区，硅基板背面通常会全部涂上一层背表面场金属层。单晶硅太阳电池基本结构金属电极3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构3.2单晶体硅太阳能电池金属电极3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构3.2单晶体硅太阳能电池1.电极材料的选择(1)能与硅形成牢固的接触;(2)这种接触应是欧姆接触，接触电阻小；(3)有优良的导电性；(4)纯度适当；(5)化学稳定性好；(6)容易被钨、钽、钼制成的电阻加热器蒸发；(7)容易焊接，一般都要求能被锡焊；(8)价格较低。金属电极3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构3.2单晶体硅太阳能电池金属电极3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单晶硅太阳电池基本结构3.2单晶体硅太阳能电池2.电极图形设计设计原则是使电池的输出最大。要兼顾两个方面：使电池的串联电阻尽可能小，电池的光照作用面积尽可能大。3.2.2单晶硅太阳能电池的原理和性能单