【正文】 材料吸收光子后，產(chǎn)生電子 空穴對(duì) ★ 電性相反的光生載流子被半導(dǎo)體中 pn結(jié)所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分開(kāi) ★ 光生載流子被太陽(yáng)能電池的兩極所收集，并在電路中產(chǎn)生電流，因而獲得電能 太陽(yáng)能電池的工作原理 第四章 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換 第 1節(jié) 概論 第 2節(jié) 光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ) 第 3節(jié) 太陽(yáng)能電池的基本特性 第 4節(jié) 幾種典型的太陽(yáng)能電池 第 5節(jié) 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng) 太陽(yáng)能電池等效電路 光照情況下的太陽(yáng)能電池可以等效為一個(gè)理想的電流源、一個(gè)理想二極管、旁路電阻 和串聯(lián)電阻 的組合。恒定的入射 輻射使太陽(yáng)能電池內(nèi)部形成穩(wěn)定的從 n型區(qū) 到 p型區(qū)的反向光生電流 ，二極管中的 電流 是由于空穴、電子擴(kuò)散而形成的正 向電流。 為考慮電流損失而增加的電阻。 圖中的曲線是負(fù)載從零變到 無(wú)窮大時(shí)，太陽(yáng)能電池的負(fù)載特 性曲線。使 達(dá)到最大值的 工作點(diǎn)（ ， ）稱(chēng)為最佳工 作點(diǎn)。這就意味著太陽(yáng)能電池的輸出特性曲線越充滿(mǎn)該矩形越好。 伏安特性和轉(zhuǎn)換效率 mpImpVmPmV mI太陽(yáng)能電池的伏安特性 ocV scI ?填充因子 定義 ：電池最大輸出功率與開(kāi)路電壓與短路電流乘積的比值。 其中： 是太陽(yáng)能電池單位表面積上的入射太陽(yáng)總輻射； 為太陽(yáng)能電池的上表面積。材料性質(zhì)影響到對(duì)光輻射的吸收和反射，禁帶寬度，載流子的產(chǎn)生、擴(kuò)散與復(fù)合等光電轉(zhuǎn)換中的基本微觀物理過(guò)程。 ?太陽(yáng)能電池的工作條件 如工作溫度。 光譜因子：受入射光子激發(fā)而產(chǎn)生的光生載流子獲得的能量與入射總光強(qiáng)度的比。 ? ?? ?00g giiEIdhcSFId?? ? ???????為截止波長(zhǎng) 為入射光強(qiáng)度 g?iI ?復(fù)合損失 半導(dǎo)體電池在接受光照工作時(shí)，其內(nèi)部可能同時(shí)存在三種機(jī)制的載流子復(fù)合：直接復(fù)合、中心復(fù)合和表面復(fù)合。 ? 直接復(fù)合 在光生電池和熱運(yùn)動(dòng)的作用下，有一部分電子少子和空穴少子分別向 p型方向和 n型方向作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一個(gè)少子在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中遇到一個(gè)多子時(shí)，就發(fā)生直接復(fù)合，電子從導(dǎo)帶回歸滿(mǎn)帶，實(shí)現(xiàn)了電子 空穴對(duì)的湮滅，同時(shí)釋放出從輻射光獲得的等于禁帶寬度的能量，造成光電轉(zhuǎn)換的能量損失。此處電子與空穴的復(fù)合屬于復(fù)合中心的復(fù)合，復(fù)合使電子釋放出能量。光的輻照首先在電池表面層激發(fā)產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，其中一部分少子還來(lái)不及向晶體內(nèi)部擴(kuò)散就被表面復(fù)合中心復(fù)合了，導(dǎo)致能量損失。 常用電壓損失因子來(lái)表示這種損失： 影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素 go c jEVVe??ocgeVVFE? ?串聯(lián)電阻上的損失 太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻的存在直接影響填充因子的大小。對(duì)于理想電池，填充因子為 ，由于串聯(lián)電阻的存在，填充因子為 ～ 。 電池的極限轉(zhuǎn)換效率 /理想 轉(zhuǎn)換效率可以表示為： 影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素 V F F F S F? ? ? ?極 限不同太陽(yáng)能電池的理論效率 第四章 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換 第 1節(jié) 概論 第 2節(jié) 光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ) 第 3節(jié) 太陽(yáng)能電池的基本特性 第 4節(jié) 幾種典型的太陽(yáng)能電池 第 5節(jié) 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng) 按結(jié)構(gòu) 分類(lèi) 同質(zhì)結(jié) 太陽(yáng)電池 異質(zhì)結(jié) 太陽(yáng)電池 肖特基 太陽(yáng)電池 按材料 分類(lèi) 硅太陽(yáng) 電池 敏化納米晶 太陽(yáng)電池 有機(jī)化合物 太陽(yáng)電池 塑料 太陽(yáng)電池 無(wú)機(jī)化合物 半導(dǎo)體 太陽(yáng)電池 太陽(yáng)電池的分類(lèi) 太陽(yáng)電池 體電池 太陽(yáng)電池的分類(lèi)與發(fā)展 薄膜電池 鍺 硅 單晶硅 多晶硅 帶硅 硅 微晶硅 非晶硅 化合物薄膜 CIS CIGS GaAs 染料敏化、量子點(diǎn) … CdTe 幾種太陽(yáng)電池效率比較 多結(jié)電池 薄膜電池 塊硅電池 有機(jī)太陽(yáng)電池 晶體硅太陽(yáng)能電池 晶體硅太陽(yáng)能電池是典型的 pn結(jié)型太陽(yáng)電池，它的研究最早、應(yīng)用最廣。 ?單晶硅太陽(yáng)電池 原料 : 高純的單晶硅棒， 純度要求 ％。 多晶硅太陽(yáng)電池的制作工藝 與單晶硅太陽(yáng)電池差不多，其光 電轉(zhuǎn)換效率稍低于單晶硅太陽(yáng)電 池，但是材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電 耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得 到大量發(fā)展。其吸收系數(shù)比單晶硅高 1～ 2個(gè)數(shù)量級(jí)。 由于制造工藝簡(jiǎn)單，非晶硅受到了科學(xué)家和制造商的關(guān)注。 晶體硅 太陽(yáng)能電池制造工藝 2 冶金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅 4 單晶硅片制成太陽(yáng)能電池 3 半導(dǎo)體級(jí)多晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ч杵? 1 由砂還原為冶金級(jí)硅 5 太陽(yáng)能電池封裝成太陽(yáng)能電池組件 6 能量收支結(jié)算 1 由砂還原為冶金級(jí)硅 提煉硅的原始材料是 SiO2，是砂的主要成分。 2Si O + 2 C Si + 2 C O? 將液態(tài)硅倒入鑄模內(nèi)進(jìn)行凝固，用壓碎機(jī)壓成小塊。 只有很少的一部分用于半導(dǎo)體行業(yè)，用于制作太陽(yáng)能電池的更少。 2 冶金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅 將冶金級(jí)硅轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性的化合物，采用分餾的方法將它冷凝、提純，然后提取超純硅。 2. SiHCl3為無(wú)色易燃液體，沸點(diǎn)為 ℃ ，通過(guò)多重的 分餾法 可將它與其他鹵化物分離，提高純度。 這一過(guò)程中， Fe、 Al、 B等雜質(zhì)也形成了各自的鹵化物。 Siemens方法生產(chǎn)多晶硅 3 H C lSiHS iH C l 23 ???1100℃ 反應(yīng)爐： 將晶種固定在電極上，加熱電極 H2還充當(dāng)了 SiHCl3的運(yùn)輸氣體 被還原的 Si將沉積在晶種上 多晶硅原料 多晶棒 塊狀多晶原料 硅多晶棒經(jīng)過(guò)敲打成為塊狀 ，通過(guò)酸洗 、 干燥 、 包裝等程序后 ， 成為 CZ硅單晶生長(zhǎng)或鑄造多晶硅使用的塊狀原料 。 單晶硅片的制備 生長(zhǎng)單晶硅的方法： CZ法（ Czochralski） FZ法（ Float Zone 浮融法） CZ 拉晶法： Czochralski于 1917年發(fā)明。加入微量摻雜劑。 電池理論轉(zhuǎn)換效率 %。 石英坩堝內(nèi)裝有熔融態(tài)的硅熔液，兩者會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生 SiO,將影響長(zhǎng)出晶棒的質(zhì)量。 P型摻雜 B， N型摻雜 P。打開(kāi)石墨加熱器電源，將原料加熱至熔融。 CZ拉晶流程 晶肩生長(zhǎng) 一般使用 100方向的硅晶片，將該方向的晶種浸入硅熔液。 將晶種快速向上提升，使長(zhǎng)出的晶體直徑縮小到一定的大?。?3~6mm）。硅晶片取自晶 身。 長(zhǎng)完后的晶棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出。 修邊 圓形的單晶硅片浪費(fèi)了許多面積 使用方形的硅晶片可以有效的吸收太陽(yáng)能 修邊 切片 在切割中 ， 對(duì)鋼線施加適當(dāng)?shù)膹埩?， 使鋼線來(lái)回拉動(dòng) 。 漿料不僅是研磨劑 ，還帶走研磨中的熱量 。 太 陽(yáng) 能 電 池 厚 度 為200~280μm 。 蝕刻清洗 在切割中 ， 硅片表面會(huì)有一層因機(jī)械應(yīng)力所造成的結(jié)構(gòu)損失層 ， 影響了太陽(yáng)能電池效率 ， 所以需去掉 。 單晶硅太陽(yáng)電池的制造與結(jié)構(gòu) 制備多晶硅的技術(shù)相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，成本也因此比單晶硅更低一些。 多晶硅的制備 1. 在石英坩堝中放入純硅； 2. 加熱坩堝，直至硅熔融； 3. 打開(kāi)底部散熱開(kāi)關(guān)，硅從坩堝底部往上緩慢固化，從而得到多晶硅錠?？梢蚤L(zhǎng)出寬度約數(shù)毫米到數(shù)厘米的柱狀排列晶粒。 凝固速度 1cm/h，完成一次鑄造需要 2～ 3天。 晶界降低了電池的性能 多晶硅的晶界 ，導(dǎo)致了局部高復(fù)合，減少了少數(shù)載流子壽命。 方形 切片 切片 77 多晶硅太陽(yáng)電池的制造方法與結(jié)構(gòu) 4 單晶硅片制成太陽(yáng)能電池 （ 2）金屬電極的制作 （ 1） N型雜質(zhì)的摻入 (1) N型雜質(zhì)的摻入 80 在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池工藝中，通常將硼（ B）加入到熔料中，生產(chǎn)出 p型硅片。 將硅片置入石英爐管 磷擴(kuò)散制作工藝 — 石英爐管 ，三氯氧磷（ POCl3）通過(guò)載氣進(jìn)入被加熱的爐管； （ 800~900℃ ）， 硅片表面形成含磷的氧化層，磷原子進(jìn)入硅晶格內(nèi)，； ，磷雜質(zhì)濃度超過(guò)硼雜質(zhì)； 3 2 2 5 24P O Cl + 3O 2P O + 6Cl?2 5 22P + 5S i 4 P + 6S iO?，會(huì)產(chǎn)生一層 SiO2，需用氫氟酸 HF來(lái)去除。 采用低溫 干蝕刻 方法： 將晶片堆棧在一起； 放入反應(yīng)爐； 用 CF4和