光伏电池英文文献翻译

5.1太阳能电池材料理论效率和要求
最大的太阳能辐射转换为电能的效率索取已经研究很透彻。

这种效率可以由两种方法得到：热力学定理和热力学平衡[67]。

热机极限效率可以由卡诺关系η= 1 - （T2/T1）得出，其中T1是热源温度和T2为散热器温度。

太阳频谱可以近似为5900黑体辐射谱。

如果考虑边界条件，最高效率可以达到85％。

细致平衡原理是基于太阳能电池中不同的粒子通量平衡和因为热力学极限而产生的相似结果。

Shockley和Queisser的一篇重要论文中介绍到这一定理[68]。

现在，实际效率远低于理论限制。

其原因是可以从以下方面得到：
——太阳光谱非常宽，范围从紫外到近红外，而半导体只能以特定效率转换具备带隙能量的光子。

光子能量较低不可以被吸收，高能量光子的能量因为载流子的热化减少到带隙能量。

现在可以使用几种串联细胞半导体改善这种情况，正如我们在（图5.3.1）看到的。

——阳光在到达地球表面的能量和它离开太阳的表面时相比，已经是非常少了。

直射的阳光通过特定方式积聚，可以得到更高的转换效率。

首先我们看本征半导体，并考虑它的最高效率。

在图看到5.1我们看到，带隙的效率曲线有最高点。

并且可以看出，硅是不是最大，但比较接近。

该书的一大部份是有关硅，虽然从固体物理学我们知道，硅光伏并非理想转换材料。

一个非常严重的问题是，半导体硅是一种非直接半导体;最高价带和最低导带在晶体空间彼此不是相反的，正如图2.1描述的那样。

图。

5.1。

依赖的带隙的半导体转换效率
光吸收远在间接半导体弱于直接半导体。

从材料的角度看这是一个严重的问题：对于90％的光吸收，只需要1微米的GaAs（直接半导体）与100微米的硅。

载流子必须达到前表面附近的PN结。

对少数载流子扩散长度要为200μm，或至少达到两次硅的厚度。

因此，材料要非常高的纯度和高结晶程度。

鉴于这些物理限制，但令人惊讶的是硅在市场上却起到主导角色作用。

最主要的原因是，光伏到来之前，硅技术已已经高度发达，微电子市场中，优质材料正在大量生产，并且成本相对较低。

难怪对于新材料的研究付诸如此大的努力。

太阳能电池的理想材料的要求被收集在表5.1。

可以设想太阳能电池的三种未来：
- 本单晶或多晶体技术的持续优势，
- 新的结晶硅材料的介质膜厚度为缎带或外国基板
表5.1。

要求对理想的太阳能电池材料
硅 CIGS/碲化镉 a – Si 1。

宽能隙介于1.1和1.7 + + + 2。

直接带结构 - + + 3。

由随时可用的，无毒材料组成 + - + 4。

简单可重复沉积技术，
适合有良好的收益率大面积生产 - + + 5。

良好的光电转换效率 + + - 6。

长期稳定性 + + （+）-像a - Si或CIS薄膜材料的大规模生产的突破。

在这一点上，那些情况大致有相同的概率。

更可能是两个或三个将在相当时期存在，并且每个技术将找到自己的市场。

从整体上看，它可以被认为是这么多的渠道优势存在导致低成本太阳能电池的出现。

通过这种方式，实现这一目标的可能性大大提高。

从长远来看，涉及向上和向下有机转换的新概念或新材料（如有机太阳能或薄膜串联太阳能）都是可能出现的。

我们将在本章末讨论。

5.2薄膜材料
正如第2章指出，薄膜材料是减少成本的一种方法。

在除了薄膜材料消耗低，另一个优点是，他们可以很容易在一个完整的系列方式大面积基板（见图。

5.4）上连接在一块。

因此，在沉积过程中整个模块就可以制造出来了。

这是很经济的，但也要求苛刻的工艺技术，因为大面积模块在处理时要求没有缺陷。

虽然现在他们的市场占有率低，但增长前景被普遍看好。

但有一个问题是，一些不同的材料正在被研究，但是不清楚哪一个是最好的选择。

那么现在将讨论最重要的材料和技术。

5.2.1非晶硅
历史
第一个涉及无定形硅（a - Si）并且和太阳能电池有关的的出版物于20世纪60年代末后出现[69-71]。

在第12届电机及电子学工程师联合会PVSC （1976年）的光电会议上出现第一篇关于非晶硅的论文。

仅仅五年后，第一个消费电子产品问世。

然而，对材料基本性质的理解仍然耗时不少时间。

二十多年已经过去了，从1976年首先由D.卡尔森于提出无定形硅太阳能电池起，已经过去二十多年了。

对这种材料的高期望值是由其迄今获得的相对低效率和这种太阳能电池初始光导降低决定的（退化Staebler - Wronski效应）[71，72]。

细胞见光时，效率下降。

尽管开路电压保持不变，这种降解主要作用于填充因子和短路电流。

降解可以改变，但只有当太阳能单元处在温度约160◦iaojian 下。

即使在今天，这种效应还没有得到充分解释。

最有可能的解释是，光产生载流电荷重组会导致非晶硅材料中硅氢键的破坏，从而产生更多的缺陷而降低综合效率同时增加串联电阻。

大量的研究工作已经解释这个原因。

今天，通过使用工程措施可以降低这种效应。

已经确定，在经过最初的退化10至20％，效率保持稳定。

另外，效率随季节变化已经观察到：冬季效率下降，夏季逐渐恢复。

比起晶体硅，带隙a-Si可以和太阳光谱更好匹配。

因此，每瓦的非晶硅具有较高的输出。

今天，a-Si在消费品方面有固定应用，主要用于室内。

在了解并部分解决和光导退化的问题后，非晶硅开始进入能源市场。

在实验室中稳
定电池效率达到13％。

模块效率是在6-8％之间。

薄膜模块的可视化使它们在建筑应用方面更有吸引力。

性能与沉积技术
无定形硅是一种氢硅合金。

键长和键角的分布扰乱了晶体硅晶格秩序，从而改变了光学和电子特性。

光学带隙从1.12上升至约1.7 eV的电子伏特。

无定形硅的能带效应比光吸收的带隙效应要小。

导带和价边缘没有得到很好的定义，但表现出密度状态的变化。

运载电荷传输可发生在仍处于低吸收状态的流动能量水平。

这将导致材料固有效率的降低。

此外，悬挂粘合加大材料禁带水平。

在化学气相沉积法（CVD）的过程中，所有沉积进程的基础是把硅烷作为原料气体。

典型的沉积温度低于500◦C的，否则没有氢是进入基片。

在低温情况下，预硅烷分子的解离是很关键的。

最常用的方法是等离子增强化学气相沉积（PECVD）法。

除了对等离子反应器（二极管，三极管多种设计）的配置，无线电频率中从电波频率（RF）到超高频率（UHF）也会得到应用。

由离解电子回旋共振反应（ECR）的或热线（HWCVD）分离方面，远程等离子体反应器的改变对基片是有影响的。

目前的挑战是生产具有一种具有良好无序状态的物质，这本身就是一个矛盾。

因此，光致缺陷的改变不能完全避免。

事实证明，该材料的稳定性和含氢量有关，而和过程本身并无多大关系。

用氢稀释硅烷可以得到最好质量。

看来，对于a - Si：H，材料本身的进一步改善不不太可能。

太阳能电池的改善现在大多依靠设备的设计。

在保证材料质量的同时，通过增加沉淀率可以提高可操作性。

氢稀释可以控制基片的结构。

在非常高稀释情况下（<90％），过渡微晶控制器（μC）的物质状态发生。

μC带隙物质形成晶体硅材料。

由于内部散射，光吸收几乎是晶体材料的一个数量级倍。

在低掺杂水平上，并且由于高氢含量，晶界对器件性能影响不大。

太阳能电池及组件性能
非晶硅中载流子迁移率普遍比较低，所以载流子的集合必须由支持内部电场完成。

此外，缺陷的形成和重组过程相关。

无定形硅太阳能电池的典型的结构和相应的带图如图 5.2描述。

为了在pin结构固有层产生高电场，太阳能单元必须薄，要达到几百纳米数量级。

通过采用适当的光俘获计划，薄单结电池就可以稳定高效率运作。

因此，一般器件稳定效率的方法，是采用两个甚至三个单元。

它允许减少单元厚度，这样增强了电场，从而改善载流子收集。

基板相对较低的沉积温度很有优势，因为底层不会受随后的沉积步骤影响。

因此，这些产生于整体结构中的堆，并不会增加太多的沉积时间，因此其他处理费用不必单个单元高太多。

图。

5.2。

图式结构的非晶太阳能电池及相应的引脚带结构
图。

5.3。

底物的结构型非晶硅太阳能电池串联
堆中不同的带隙的太阳能单元形成了叠层电池结果（见教。

5.3.1），可以这样可以更好地匹配太阳光谱，同时提高了设备的稳定和效率。

碳合金可以提高带隙。

衬底和superstrate配置都可以生产太阳能电池，并且都有自己的优势。

Superstrate电池单元是在透明导电氧化物（TCO）的涂层玻璃基板上沉积的。

衬底电池单元允许使用灵活的金属或聚合物箔。

不过，单片系列连接需要
绝缘衬底。

因此，不锈钢衬底上的电池单元通常是切成单个单元并且机械上相互联系。

不锈钢基片上三叠层电池示意图由美国太阳能生产的如图5.3所示。

a - Si电池决定性的优势在于，串行连接的电池单元可以在生产过程中同时进行，这是很必要的。

如图5.4所示，一整层的TCO3首先在玻璃基板上沉积，然后创建一个条纹图案，例如，通过激光束可以实现。

然后a - Si太阳能
电池存放在一个反应器沉积，电池单元建好，再次使用激光，从而使和玻璃基板背面的TCO有接触的金属蒸发。

图。

5.4。

集成串行连接的a - Si太阳能电池
最后，金属蒸发涂料必须以适当的间距分开。

可见，在这种情况下五个单元是串联的。

在这种方式下，输出电压可适应负载。

这种影响在制作非晶硅太阳能电池中是决定性的，几乎占据整个小功率输出的市场（钟表，袖珍计算器等）。

现状与前景
列表5.2列出了基于硅的太阳能电池的效率的最高值。

该器件要么包括两个单元要么包括三个单元。

第二行给出了在非晶半导体基础上，IMT提供的关于微晶设备的数据。

表5.3 列出a – Si模块制造的不同方法。

无定形硅模块制造主要有两条路线，即：弹性箔基板或玻璃基板。

灵活的基板可以有新的应用。

然而，这些电池单元的单片连接是一个具有挑战性的任务。

表5.2 基于非晶半导体的实验室规模的设备达到的效率
类型 eff 制造商
a- Si/a-SiGe/a-SiGe 15.6/13.0 United Solar
a-Si/μc-Si 13.1/10.7 IMT Neuchatel
表5.3不同的方法来的a - Si模组生产
模块类型大小/ prod.volume 公司
a-Si,a-SiGe 不锈钢箔，5兆瓦United Solar
双a-Si 0.46m2,10MV Solarex
a-Si, a-Si,灵活，聚合物40*80 cm2 FUJI
a-Si, glass玻璃91× 45 cm2，20 MV Kaneka
a-Si, glass玻璃 0.6m2, 1 MV ASE, PST
典型的基板尺寸在0.5至1平方米。

大面积模块的稳定效率约6至8％。

近期
目标是在生产水平上达到8％稳定效率。

United Solar模块包含被切成单层的亚晶胞电池。

EPV模块由四个子模块组成。

目前多兆瓦级模块生产正在United Solar and Kaneka进行，其他公司也在尝试生产大面积的模块，并计划到提高生产量。

非晶硅的发展集中于以下方面。

——材料稳定性问题的理解。

Staebler - Wronski作用机制基本上是材料的固有性质，并且根据工作条件调整其缺陷平衡。

——改进的过程。

等离子体中的硅烷经过氢稀释和高频沉积，导致材料沉积率提高。

——对于介于非晶硅和晶体硅状态材料的结构特性的了解，即所谓的原型硅。

——通过引入缓冲层，合金和掺杂梯度优化单元等，以提高电池效率，降低初始降解效果。

——优化电池单元和设备以达到最高稳定效率。

经典的方法是使用锗的合金，可以电池底部带隙降低至约1.5eV。

但是，相应的工艺气体GeH4大大增加了模块的成本，因此发展替代低带隙单元是很明智的。

一个有希望的解决方案是使用微晶硅。

IMT的Neuchatel证明这种太阳能电池是建立于微晶硅基础上的。

对于独立的薄膜电池，超过8％的稳定效
率目前可能很低。

然而，所谓的“Micromorph概念”，即Micromorph串联概念可取代硅，锗这样的底层单元。

到目前为止，这种电池的开路电压低于
0.5V。

材料的电特性很大程度上取决于使用过程中的气体纯度。

需进一步研究以确定需要基于这种材料的太阳能电池的限制因素。

无定形硅有广阔的消费产品市场，但由于近年来电网连接市场的强劲扩张，结晶硅芯片技术获得了市场份额。

目前的形势特点是，对于a-Si来说，未来形势仍然不确定。

BP-Solar最近关闭了工厂，这里曾经进行无定形硅研究及开发多年。

BP-Solar打算在晶体硅技术上集中攻关。