薄膜太阳能电池知识培训

薄膜太阳能电池知识培训Outline•一、太阳电池原理•二、薄膜太阳电池分类•三、薄膜太阳电池制程•四、生产厂商简介一、太阳电池原理电子能级图E1E2E3晶体中电子的运动情况能级•电子处于一系列的运动状态，称为量子态。每个量子态中，电子的能量是一定的，称为能级。•靠近原子核的能级，电子受束缚强，能级低，反之，能级高。•电子只能在这些分裂的能级间跃迁，从低能级跃迁至高能级时，电子要吸收能量，反之，电子要放出能量。晶体能带的形成原子轨道原子能级原子能带禁带禁带允带允带允带能带的形成当原子排列成晶体时，电子除受到自身势场外，还受到其他原子势场作用，能级发生分裂，分裂能级总数很大，将构成能量相近的能带。在能量低的能带中填满了电子，这些能带称为满带；能量最高的能带，往往是半空或全空的，电子没有填满，称为导带（导带底能量为Ec）；导带下的那个满带，其电子可能跃迁到导带，称为价带（价带顶能量为Ev）；两者之间电子不能运动的区域称为禁带。费米能级•假设把体系内所有电子按能量由低到高逐个占据能带中各个能级，则最后一个电子占据的那个能级即为费米能级。•物理意义：电子占据的概率为1/2的能级称为费米能级。只要知道了它的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。•处于热平衡状态下的电子系统有统一的费米能级。也就是说，在温度0K时，费米能以下，填满电子，费米能以上，没有电子。半导体固体材料按照导电性能可以分为绝缘体、导体和半导体。•绝缘体ρ≥1010Ω•cm如玻璃、水泥、干燥的木头等。•导体ρ≤10-5Ω•cm如金、银、铜、铝等金属。•半导体10-5Ω•cm≤ρ≤108Ω•cm如硅、锗、砷化镓等等。半导体材料的电阻率对温度、光照、磁场、压力、湿度、杂质浓度等因素非常敏感，能够制成发光、光电、磁敏、压敏、气敏、湿敏、热电转换等器件，因此用途广泛。木头铜线硅•电导率取决于能带结构和导带电子的性质。•金属材料的导带和价带是重合的，中间没有禁带，因此，在价带中存在大量的自由电子，导电能力很强。•绝缘体材料的导带是空的，没有自由电子，而且禁带的宽度很宽，价带的电子不可能穿过禁带跃迁到导带上，导带中始终没有自由电子，所以，绝缘体材料不导电。•半导体的导带中没有自由电子，但在一定得条件下，价带的电子可以跃迁到导带上，在价带中留下空穴，电子和空穴同时导电。•因此，半导体材料的禁带宽度是一个决定电学和光学性能的重要参数。材料禁带宽度/eV材料禁带宽度/eV单晶硅1.12CdTe1.45非晶硅1.75GaAs1.42CuInSe21.05InP1.34绝缘体、导体和半导体能带示意图重要太阳能半导体材料的禁带宽度电导率的能带解释半导体分类•本征半导体没有掺入杂质的半导体材料，电子和空穴的浓度相等。•N型半导体在半导体材料中掺入了某种杂质(P)，使得电子浓度大于空穴浓度，称其为N型半导体，此时电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。相应的杂质被称为N型掺杂剂（施主杂质）•P型半导体在超高纯的半导体材料中掺入了某种杂质(B)，使得空穴浓度大于电子浓度，称其为P型半导体，此时空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。相应杂质称为P型掺杂剂（受主杂质）半导体分类本征半导体费米能级位于禁带中线附近N型半导体费米能级靠近导带P型半导体费米能级靠近价带EcEFEv本征半导体EcEFEvN型半导体EcEFEvP型半导体半导体分类•N型半导体中靠近导带底部处存在施主能级，杂质电离时，施主能级上的电子获得能量ΔED，跃迁进入导带，成为自由电子，同时，形成固定不动的正电中心。•P型半导体中靠近价带顶部处存在受主能级，杂质电离时，受主能级上的空穴获得能量ΔEA，跃迁进入价带，成为导电空穴，同时，形成固定不动的负电中心。EgΔED++++EcEDEvEgΔEA---EcEAEvP-N结热平衡状态形成过程内建电场形成扩散漂移平衡态多子浓度降低浓度梯度存在内建电场扩散和漂移共存PNPNPNPN半导体独立存在时，都是电中性的。将P型半导体和N型半导体结合在一起，在其二者的接触面上就形成PN结。平衡时，产生的空穴-电子对和复合的空穴-电子对数目相同。电子空穴平衡时，产生的空穴-电子对和复合的空穴-电子对数目相同。热平衡下的PN结在内建电场的作用下，载流子作漂移运动。相同载流子漂移与扩散方向相反。在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡。称这种情况为热平衡状态下的PN结。EcEFEvEvEFEc电子漂移空穴漂移电子扩散空穴扩散p-n结能带图EcEFEvN型半导体EcEFEvP型半导体太阳能电池原理光伏效应当P-N结受光照时，会产生光生载流子，在内建电场作用下，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，产生光生电势。如果将PN结与外电路相连，则电路中出现电流，称为光生伏特效应，是太阳能光电池的基本原理。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。非晶硅薄膜电池非晶硅重参杂缺陷太多，光生载流子大部分被复合，寿命很短，对发电贡献太少；轻参杂费米级移动太小，能带弯曲小,开路电压受限。因此非晶硅电池采用的结构与晶硅不同，添加了有源集电区I层。EcEFEvEvEFEc电子漂移空穴漂移电子扩散空穴扩散p-n结能带图非晶硅薄膜电池P层采用SiC异质结，SiC异质结的禁带宽度很大，通过窗口作用提高透光率，使到达I层的可用光子增多，同时提高了开路电压。太阳能电池参数I=Is[exp(qV/kT)-1]-IL•开路情况：I=0得（与内建电场对应）•短路情况：短路电流等于光生电流ISC=ILln(1)LocsIkTVqI太阳能电池参数长度。分别为电子空穴的扩散和为空间电荷区的宽度；空穴对产生速率；电子为光照时，结面积，为光生电流：pnpnLLALWLqAGIWGN-P1为光生电压。为反向饱和电流，：光照时外加负载的电流Vexp0001IIkTqVIII1ln01IIqkTVoc开路电压：1IIsc短路电流：太阳能电池参数最大输出功率：最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop电压为0时，电流最大，称为短路电流；电流为0是时，电压最大，称为开路电压。填充因子：maxopopocscocscVIPFFVIVI转换效率：最大输出功率与入射功率之比。太阳能电池参数由伏安特性曲线上能够看出，最大输出功率是与开路电压和光生电流（短路电流）有关的（矩形面积），因此可以通过提高二者的值来提高电池性能。太阳能电池参数要提高光生电流就要减小禁带宽度，激发更多电子，但是问题是高能光子激发电子后剩余能量转换为热能，对电池性能产生负面影响。要提高开路电压就要提高光生电流和反响饱和电流的比值，增大禁带宽度可以减小反向饱和电流，但是同时也减少了光生电流。太阳能电池等效电路实际上，p-n结太阳能电池存在着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p-n结形成的不完全的部分所导致的漏电阻及电池边缘的漏电阻，称为旁路电阻或漏电电阻。二、薄膜太阳电池分类薄膜太阳能电池分类在化合物半导体中，研究最多的是III-V族的GaAs太阳能电池。由于其带隙比Si大，具有与太阳光光谱相当一致的光谱特性，因而从光谱响应角度来说，更适合做太阳能电池，目前，在所有太阳能电池中，GaAs太阳能电池的转换效率最高。砷化镓薄膜太阳电池砷化镓薄膜太阳电池在制备GaAs太阳电池时，一般在N型GaAs衬底上首先生长0.5um左右的N型GaAs缓冲层，再生长N型AlGaAs作为背电场，在此基础上生长N型GaAs作为基底层，然后生长0.5um左右的P型GaAs作为发射层，再利用一层P型AlGaAs薄膜作为窗口层，便组成了单结GaAs薄膜太阳电池。CuInSe2薄膜太阳电池玻璃衬底Mo导电膜CuInSe2CdSSiO2减反射层Al电极典型的CuInSe2单结薄膜太阳电池结构示意图CuInSe2薄膜太阳电池是由以玻璃或氧化铝作为衬底，以Mo薄膜作为导电层，以厚度约为2um的N型CdS薄膜作为窗口层，和P型CuInSe2薄膜材料组成的。另外，为了增加光的入射率，在电池表面制备一层SiO2或MgF2作为减反射层，最后，电池利用梳齿状镀铝层作为电极。II-VI族半导体化合物太阳能电池中，目前转化效率最高的是n型硫化镉（CdS）和p型碲化镉（CdTe）组成的太阳能电池。这种电池的优点是从pn结到电极全部可以用丝网印刷和烧结制成，方法简单，成本低，转化效率可达13%左右，但同其他许多化合物太阳能电池一样，有（镉）引起的公害问题，所以至今不能广泛普及。CdTe薄膜太阳电池CdTe薄膜太阳电池背面接触玻璃CdTeCdSSnO2CdTe薄膜太阳电池结构示意图CdTe薄膜太阳电池一般制备在玻璃衬底上，首先沉积一层SnO2薄膜，再沉积一层n型CdS薄膜，最后制备金属接触层，形成完整的CdTe薄膜太阳电池。有机太阳能电池有机半导体太阳能电池也是目前研究较多的太阳能电池之一。虽然现在其转换效率还不够高，但由于有机薄膜制造过程极其简单，生产成本低廉，易于大面积化，所以有望成为新的一种低成本太阳能电池。有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应产生的电压形成电流。三、薄膜太阳电池制程薄膜太阳电池制程DepositionLineTCOLPCVDLaserScribePINDeposition(CVD)LaserScribeZnO\AlSputteringLaserScribeEncapsulation123456AlEVAGlassZineOxidea-Si：Ha-Si：HTinOxideHeat-StrengthenedGlass12345•镭射：IRLASER:10W及GREEN(LASER:250~500mW)•镭射主要用途：玻璃先镀上TCO薄膜，用IRLASER划线绝缘，再镀上铝后用GREENLASER移除铝，但不能伤到TCO薄膜及玻璃的部份。ThinFilmSolarCellsGlassSubstrateAbsorberBack-ContactFront-Contact(TCO)四、生产厂家介绍设备厂家资料分类名称产能（MW）占地面积（m2）人员配备（人）组件尺寸（m2）大尺寸设备商Oerlikon206,0001301.1×1.3AMAT4020,0001202.2×2.6ULVAC2525,0001501.1×1.4XsunX25无资料无资料1.0×1.6小尺寸设备商NanoPV52,5001201.397×0.635华基光电53,3001001.245×0.635北仪创新54,000无资料1.245×0.635EnergSolar57,900801.245×0.635EPV512,0001201.245×0.635思博露524,0001701.252×0.642普乐525,0001101.245×0.635组件厂家资料所属地区设备商公司名称电池类型中国大陆普乐普乐a-SiAMAT新奥a-SiOerlikon正泰a-Si/μc-SiEPVZuKinga-SiULVAC杜邦a-SiAMAT尚德a-SiEPV津能a-Si/a-SiOerlikon天威a-SiEPV慈能a-SiXsunX强生a-SiAMAT百事德a-Si/μc-Si自制拓日a-Si/a-SiEPV钧石a-Si/a-Si国电a-SiEPV中玻a-Si/a-Si所属地区设备商公司名称电池类型美洲FirstsolarCdS/CdTeTerraa-SiEPVEPVsolara-Si欧洲AMATSunfilma-Si/μc-SiOerlikonInventuxa-Si/μc-SiOerlikonSCHOTTa-Si/a-SiEPVHELIODOMIa-