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正文內(nèi)容

畢業(yè)設(shè)計(jì)-薄膜半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池光電特性研究(編輯修改稿)

2024-07-12 16:26 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 P 型半導(dǎo)體中含有較多的電子,這樣,當(dāng) P 型和N 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí),就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差,這就是 PN 結(jié)。 如圖 。 圖 當(dāng) P 型和 N 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí) ,在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層,界面的 P 型一側(cè)帶負(fù)電, N 型一側(cè)帶正電。這是由于 P 型半導(dǎo)體多空穴, N 型半導(dǎo)體多自由電子,出現(xiàn)了濃度差。 N 區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到 P 區(qū), P 區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到 N 區(qū),一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由 N 指向 P 的 “內(nèi)電場(chǎng) ”,從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平 衡后,就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差,這就是 PN 結(jié)。 在光照條件下,只要具有足夠能量的光子進(jìn)入 PN 區(qū)附近才能產(chǎn)生電子 空穴對(duì)。對(duì)于晶體硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō),太陽(yáng)光譜中波長(zhǎng)小于 m 的光線都可能產(chǎn)生光伏效應(yīng)。對(duì)于不同材料的太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō),盡管光譜相應(yīng)的范圍是不同的,但光電轉(zhuǎn)換的原則是一致的。如圖 所示,在 PN 結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)作用下, N 區(qū)的空穴向 P 區(qū)運(yùn)動(dòng),而 P 區(qū)的電子向 N區(qū)運(yùn)動(dòng)。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 11 圖 2。 5 晶體硅太陽(yáng)能電池工作原理 最后造成在太陽(yáng)能電池受光面(上表面)有大量負(fù)電荷(電子)積累,而電池背光面(下表面) 有大量正電荷(空穴)積累。如在電池上、下表面做上金屬電極,并且導(dǎo)線接上負(fù)載,載負(fù)載上就有電流通過(guò)。只要太陽(yáng)光照射持續(xù)不斷,負(fù)載上就一直有電流通過(guò)。 由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體,電子在通過(guò) p- n 結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng),電阻非常大,損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬,陽(yáng)光就不能通過(guò),電流就不能產(chǎn)生,因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋 p- n 結(jié) (如圖 :梳狀電極),以增加入射光的面積。 圖 另外硅表面非常光亮,會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光,不能被電池利用。為此,科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜,將反射損 失減小到 5%甚至更小。 一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限,于是人們又將很多電池(通常是 36 個(gè))并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用,形成太陽(yáng)能光電板。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 12 硅太陽(yáng)能光伏電池介紹 目前,硅太陽(yáng)能電池占太陽(yáng)能電池的絕大部分 (94% )[3],根據(jù)硅片厚度的不同,可分為晶體硅太陽(yáng)能電池 和薄膜硅太陽(yáng)能電池兩大類 . 晶體硅太陽(yáng)能電池 晶體硅太陽(yáng)能電池有單晶硅 (cSi)和多晶硅 (pSi)太陽(yáng)能電池兩類,最早出現(xiàn)的是利用切片技術(shù) (硅片厚度約 )制備的 cSi 太陽(yáng)能電池,而后帶狀硅技術(shù)的出現(xiàn),避免了切片的操作, 隨著絲網(wǎng)印刷和機(jī)械刻槽技術(shù)的出現(xiàn) ,cSi 太陽(yáng)能電池的性能得到了進(jìn)一步提高。而后用 pSi 代替 cSi 并應(yīng)用 cSi 太陽(yáng)能電池的一些技術(shù),如選擇腐蝕發(fā)射結(jié)、金屬吸雜、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細(xì)金屬柵電極等等,制備了 pSi 太陽(yáng)能電池。與cSi 太陽(yáng)能電池相比 ,pSi 太陽(yáng)能 電池成本低 ,但存在明顯的晶粒界面和晶 格錯(cuò)位等缺陷而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低。目前 cSi 和 pSi太陽(yáng)能電池的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段,然而, cSi 和 pSi太陽(yáng)能電池的成本因需高純 Si 原材料而居高不下,其發(fā)展受到了一定的 限制。據(jù)報(bào)道 cSi 太陽(yáng)能電池最高光電轉(zhuǎn)化效率已達(dá) % ( 理論最高光電轉(zhuǎn)化效率為 25% )[4], Geogia 采用磷吸雜和雙層減反射膜技術(shù),制備了光電轉(zhuǎn)化效率為 %的 pSi 太陽(yáng)能電池 [5];新南威爾士大學(xué)光伏中心采用類似 PERL 電池技術(shù),制備了光電轉(zhuǎn)化效率為 %的 pSi 太陽(yáng)能電池 [6];中國(guó)能源網(wǎng)報(bào)道,德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)科研人員于 2021 年采用新技術(shù),在世界上率先使 pSi太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率突破 20%大關(guān),達(dá)到 %。 薄膜硅太陽(yáng)能電池 薄膜硅太陽(yáng)能電池 (硅膜厚 約 50μ m)的出現(xiàn),相對(duì)晶體 硅太陽(yáng)能電池, 所用的硅材料大幅度減少,很大程度上降低了晶體硅太陽(yáng)能電池的成本。薄膜硅太陽(yáng)能電池主要有非晶硅 (aSi)、微晶硅 (μ cSi)和多晶硅 pSi)薄膜太陽(yáng)能電池,前兩者有光致衰退效應(yīng),其中 μ cSi 薄膜太陽(yáng)能電池光致衰退效應(yīng)相對(duì)較弱但 μ cSi薄膜沉積速率低 (僅 ),光致衰退效應(yīng)致使其性能不穩(wěn)定,發(fā)展受到一定的限制,而后者則無(wú)光致衰退效應(yīng)問(wèn)題,因此是硅系太陽(yáng)能電池 的發(fā)展方 [7]。日本三菱公司在石英 (SiO2)襯底上制備的多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá) 到 %,德國(guó) Fraunhofer 研究所在石墨和碳化硅 (SiC)襯底上制備的 pSi 薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率分別為 11%和 %,日本 SONY 公司南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 13 用多孔硅分離技術(shù)制備的 pSi薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 %; aSi薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá) % [8]; μ cSi 薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)%。 單晶硅、非晶硅、多晶硅的區(qū)別 區(qū)別晶體非晶體 日常所見(jiàn)到的固體分為非晶體和晶體兩大類,非晶體物質(zhì)的內(nèi)部原子排列沒(méi)有一定的規(guī) 律,當(dāng)斷裂 時(shí)斷口也是隨機(jī)的,如塑料和玻璃等,而稱之為晶體的物質(zhì) 。而 外形呈現(xiàn)天然的有規(guī)則的多面體,具有明顯的棱角與平面,其內(nèi)部的原子是按照一定的規(guī)律整齊的排列起來(lái), 叫非晶體。 所以破裂時(shí)也按照一定的平面斷開,如食鹽、水晶等。 區(qū)別單晶體和多晶體 有的晶體是由許許多多的小晶粒組成,若晶粒之間的排列沒(méi)有規(guī)則,這種晶體稱之為多晶體,如金屬銅和鐵。但也有晶體本身就是一個(gè)完整的大晶粒,這種晶體稱之為單晶體,如水晶和晶剛石。 單晶硅與多晶硅光伏電池的比較 單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高, 穩(wěn)定性好,但是成本較高。多晶硅電池成本低,轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽(yáng)能電池,材料中的各種缺陷,如晶界、位錯(cuò)、微缺陷,和材料中的雜質(zhì)碳和氧,以及工藝過(guò)程中玷污的過(guò)渡族金屬。 [9] 太陽(yáng) 能 電池的基本特征 ( 1) 等效電路 為了描述太陽(yáng)能電池的工作狀態(tài),往往將太陽(yáng)能電池及負(fù)載系統(tǒng)用一等效電路來(lái)模擬。在恒定光照下,一個(gè)處于工作狀態(tài)的太陽(yáng)能電池,其光電流不隨工作狀態(tài)而改變,在等效電路中可把他看坐是恒流源。光電流一部分流經(jīng)負(fù)載 RL,在負(fù)載兩端建立起端電壓 V,反過(guò)來(lái)它又正向偏置于 PN結(jié)二極管,引起一股與光電電流方向 相反的暗電流 Ibk,但是,由于前面和背面的電極和接觸,以及材料本身具有一定的電阻率,基區(qū)和頂層都不可避免的要引入附加電阻。流經(jīng)負(fù)載的電流,經(jīng)過(guò)他們時(shí),必然引起損耗,在等效電路中,可將他們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻 RS來(lái)表示。由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時(shí),在電池的微裂紋,劃痕等處形成的金屬橋漏電等,使一部分本應(yīng)通過(guò)負(fù)載的電流短路,這中作用的大小可用一并聯(lián)電阻 RSH來(lái)等效。其等效電路就繪制成圖 的形成。 IL為光生電流,ID為二極管電流, RS為串聯(lián)電阻, RSH為并聯(lián)電阻, I 為輸出電流, V 為輸出電壓。 RL 為負(fù)南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 14 載電阻其中暗電流等于總面積與 Jbk乘積,而光電流 IL為電池的有效受光面積。 AE與 JL的乘積,這時(shí)的結(jié)電壓 Vj不等于負(fù)載的端電壓,由圖可見(jiàn)結(jié)點(diǎn)電壓的表達(dá)式為: Vj=IRS+V ( ) 圖 太陽(yáng)能電池直流模型的等效電路圖 ( 2) 輸出特性 根據(jù)上圖就可以寫出太陽(yáng)能電池輸出電流 I 和輸出電壓 V 之間的關(guān)系 ( ) 其中 暗電流 Ibk應(yīng)為結(jié)電壓 Vj的函數(shù),而 Vj又是通過(guò)式 V相聯(lián)系的。當(dāng)負(fù)載 RL從 0 變化到無(wú)窮大時(shí),輸出電壓 V 則從 0 變化到 Voc,同時(shí)輸出電流 I 便從 ISC變到 0,由此得到電池的輸出特性曲線,如圖 所示。曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn),工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱橫坐標(biāo),即為工作電流和工作電壓,其乘積 P=IV 為電池的輸出功率。 1. 短路電流 太陽(yáng)能電池的短路電流等于其光生電流。分析短路電流的最方便的方法是將太陽(yáng)光譜劃分成許多段,每一段只有很窄的波長(zhǎng)范圍,并找出每一段光譜所對(duì)應(yīng)的電流,電池的總短路電流是全部光譜段貢 獻(xiàn)的總和: ( ) 式中:λ O為本證吸收波長(zhǎng)限; R(λ)為表面反射率; F(λ)為太陽(yáng)光譜中波長(zhǎng)為λ~λ +dλ間隔內(nèi)的光子數(shù)。 F(λ)的值很大的程度上依賴于太陽(yáng)天頂角。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 15 由圖 可知,當(dāng) RS→ 0, Rsh→∞時(shí),可得: ( ) 當(dāng)外電路短路時(shí)( R=0、 V=0),此時(shí) I最大,表達(dá)式為 : 圖 太陽(yáng)能電池輸出特性 I=IL=ISC ( ) ISC 稱為短路電 流。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向擴(kuò)散和漂移,從而內(nèi)部構(gòu)成自 n 區(qū)流向 P 區(qū)的光生電流,在 P— n 結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流, ISC如果將 PN結(jié)與外電路接通,對(duì)于恒定光照,就會(huì)有恒定電流流過(guò)電路,在非靜電力的作用下 PN 結(jié)起了電源的作用。在外電路接上負(fù)載后,負(fù)載中便有電流過(guò),該電流稱為太陽(yáng)電池的工作電流,或稱輸出電流。負(fù)載兩端的電壓稱工作電壓。 2. 開路電壓 對(duì)理想 PN結(jié)且不考慮太陽(yáng)電池有限尺寸的影響,在開路情況下,光照 PN結(jié)兩端 建立光生電勢(shì) qVoc,稱 Voc為開路電壓,表達(dá)式如下: ( ) 在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時(shí), ISC為與入射光強(qiáng)度成正比的值,在很弱的陽(yáng)光下 ISC《 IO。因此 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 16 ( ) 其中 ,在很強(qiáng)的陽(yáng)光下, ISCIO, ( ) 由此可見(jiàn),在較弱陽(yáng)光時(shí),硅太陽(yáng)電池的開路電壓隨光的強(qiáng)度作近似直線的變化。而當(dāng)有較強(qiáng)的陽(yáng)光時(shí), Voc則與入射光的強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比。圖 表示具有代表性的硅和GaAs 太陽(yáng)電池的 ISC與 Voc之間的關(guān)系。 Si與 GaAs 比較,因 GaAs 的禁帶寬度寬,故 IO值比Si的小幾個(gè)數(shù)量級(jí), GaAs 的 Voc值比 Si 的高 0. 45伏左右。假如結(jié)形成的很好,禁帶寬度越寬的半導(dǎo)體 Voc越大 圖 開路電壓與短路電流的關(guān)系 太陽(yáng)電池的工作電流和電壓隨著負(fù)載電阻的變化而變化,將不同阻值所對(duì)應(yīng)的工作 電壓和電流值繪制成曲線就得到太陽(yáng)電池的伏安特性曲線,如圖 所示。 由于太陽(yáng)電池組件的輸出功率取決于太陽(yáng)輻照度、太陽(yáng)能光譜的分布和太陽(yáng)電池的 溫度,因此太陽(yáng)電池組件的測(cè)量必須在標(biāo)準(zhǔn)條件下 (STC— Standard Test Condition)進(jìn)行,南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 17 測(cè)條件是: 光譜輻照度為 1000W/ m2,光譜為 AM 1. 5,電池溫度為 25176。 C。 在這種條件下,太陽(yáng)電池組件所輸出的最大功率被稱為峰值功率,單位為峰瓦 (Wp)。 在很多情況下,組件的峰值功率通常用太陽(yáng)模擬器測(cè)定,并和國(guó)際認(rèn)證機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化的。太陽(yáng)電池進(jìn)行比較。 4. 填充因子 如果負(fù)載的電阻值使得工作電流和電壓的乘積最大,即得到了最大的輸出功率,用符號(hào) Pm 表示,即有: Pm=Vm Im ( ) Vm和 Im 分別是太陽(yáng)電池工作時(shí)的最大工作電壓和電流。 填充因子是最大輸出功率與電池的短路電流和開路電壓乘積的比值。用 FF 表示: ( ) 填充因子是衡量電池輸出特性的重要指標(biāo),代表電池在最佳負(fù)載時(shí)所能輸出的最大功率,其值越大表明太陽(yáng)能電池輸出特性越好 FF 的值可由下式給出 ( ) 式中: Voc 是歸一化開路電壓; Voc=q Voc/nkT, n 為二極管品質(zhì)因子。當(dāng) Voc15 時(shí),該公式的精確度可達(dá) 4位有效數(shù)字。實(shí)際上,由于受串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的影響,電池的實(shí)際填充因子的值低于上述給出的理想值。 5. 轉(zhuǎn)換效率 轉(zhuǎn)換效率表示在外電路連接最佳負(fù)載電阻尺時(shí),得到的最大能量轉(zhuǎn)換效率,其定義為: ( ) 即電池的最大功率輸出與入射功率之比,由式 2. 11 可知,填充因子正好是 I— V 曲南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 18 線 下最大長(zhǎng)方形面積與乘積 Voc ISC之比,所以轉(zhuǎn)換效率可表示為: ( ) 由于太陽(yáng)電池材料只能最大限 度地吸收一定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光輻射,而太陽(yáng)光譜卻是一 個(gè)寬的連續(xù)譜,以及在室溫下必然存在晶格熱振動(dòng)等散射機(jī)制,太陽(yáng)電池的最高轉(zhuǎn)換效 率不可能達(dá)到 100%。 6. 太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng) 太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)是指一定量的單色光照到太陽(yáng)電池上,產(chǎn)生的光生載流子被收集后形成的光生電流的大小。因此,它不僅取決于光量子的產(chǎn)額
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