太阳能建筑一体化 第一节

(a) n区电子往P区 扩散在n区形成带 正电的薄层A
(b) p区空穴往N区 扩散在p区形成带 负电的薄层B p-n结电子与空穴的扩散
(c) p-n结电场
(a) 形成p-n结前载流子的扩散过程 (b) 空间电荷区和内建电场 p-n结漂移运动
当p-n结加上正向偏压，外加电场的方向与内建电场的方向相反，打破了扩散运 动和漂移运动的相对平衡，形成通过p-n结的电流（称为正向电流），较大； 当p-n结加上反向偏压 ，构成p-n结的反向电流，很小。
I I 0ex
E p h
其中光吸收系数α并非常数，对于光子能量接近导带底更容易吸收，而带隙Eg也会随着温度、 材料、杂质及其他因素变化而变化。 电产生：任意一点产生的电子-空穴对数量 G ex 三种情况：（1）Ep<Eg 不能吸收，透射 （2）Ep=Eg 有效的吸收，无能量损失 （3）Ep>Eg 强烈的吸收并有热量产生
n型和p型硅晶体结构
n型半导体和p型半导体紧密接触，在交界处n区中电子浓度高，要向p区扩散，在N 区一侧就形成一个正电荷的区域；同样，p区中空穴浓度高，要向n区扩散，p区一侧就 形成一个负电荷的区域。这个n区和p区交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为“空间 电荷区”，即p-n结—内建电场E—电势差UD—电势能 电势能=电荷×电势=(q)(UD)=qUD qUD通常称作势垒高度。 内建电场一方面阻止“多子”的扩散运动，另一方面增强“少子”漂移运动，最 终达到平衡状态。
（2）p-n结 晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。 硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P)— N型硅 ：自由电子数量多—多数载流子（多子）； 空穴数量很少—少数载流子（少子）。电子型半导体或n型半导体。 掺杂少量的三价元素硼(B) —P型硅：空穴数量多—多数载流子（多子）；自由电子数量很 少—少数载流子(少子)。空穴型半导体或p型半导体。
（2）单晶硅电池 硅棒 切片 组件封装
成型 性能测试
表面处理 印刷电极
掺杂 制作减反膜
扩散制结 去边
性能测试2
成品包装
1.硅片的选择 硅片通常加工成方形、长方形、圆形或半圆形，厚度为0.18~0.4mm。 2.硅片的表面处理 （1）化学清洗去污，高纯水，有机溶剂，浓酸，强碱。 （2）硅片的表面腐蚀去除30~50m表面厚的损伤层。 ①酸性腐蚀 浓硝酸与氢氟酸的配比为（10:1）~（2:1）； 硝酸、氢氟酸与醋酸的一般配比为5:3:3或5:1:1或6:1:1 。 ②碱性腐蚀 氢氧化钠、氢氧化钾等碱溶液 。
（2）非晶硅电池
导电玻璃
热老化
刻划
电性能测试 封装
清洗
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
预热
激光刻划 成品测试
p-i-n结沉积
镀铝 成品包装
冷却
激光刻划
电性能测试2
非晶硅的优点 ①有较高的光学吸收系数，在0.315~0.75m的可见光波长 范围内，其吸收系数比单晶硅高一个数量级，因此，很薄 (1m左右)的非晶硅就能吸收大部分的可见光，制备材料成 本也低； ②禁带宽度为1.5~2.0eV，比晶体硅的1.l2eV大，与太阳 光谱有更好的匹配； ③制备工艺和所需设备简单，沉积温度低(300~400℃)， 耗能少； ④可沉积在廉价的衬底上，如玻璃、不锈钢甚至耐温 塑料等，可做成能弯曲的柔性电池。
7.制作上、下电极 所谓电极，就是与电池p-n结形成紧密欧姆接触的导电材料。通常对电极的要求有：①接触电阻小； ②收集效率高；③遮蔽面积小；④能与硅形成牢固的接触；⑤稳定性好；⑥宜于加工；⑦成本低；⑧易 于引线，可焊性强；⑨体电阻小；⑩污染小。 制作方法：真空蒸镀法、化学镀镍法、银/铝浆印刷烧结法等。所用金属材料：铝、钛、银、镍等。 电池光照面的电极称为上电极（窄细的栅线状，有利于收集光生电流，并保持较大受光面积 ），制 作在电池背面的电极称为下电极或背电极（全部或部分布满背面，减小电池的串联电阻 ）。 n+/p型电池上电极是负极，下电极是正极；p+/n型电池上电极是正极，下电极是负极。 8.检验测试 太阳电池制作经过上述工艺完成后，在作为成品电池入 库前，必须通过测试仪器测量其性能参数，以检验其质量 是否合格。一般需要测量的参数有最佳工作电压、最佳工 作电流、最大功率(也称峰值功率)、转换效率、开路电 压、短路电流、填充因子等，通常还要画出太阳电池的伏 安（I-U）特性曲线。 现代测试方法：
开路电压：受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累于p-n结两侧产生光生电动势，这时在太 阳电池两端测得的电势差叫做开路电压，用符号Uoc表示。
（1）多晶硅制备：
（1）硅砂冶金硅（MG-Si）： SiO2 + 2C→Si+2CO （2）冶金硅高纯多晶硅： 电子级硅 ( EG-Si) ，9N(99.9999999%)以上纯度； 太阳能级硅(SG-Si)，7N以上纯度。 ①四氯化硅法： SiCl4+2H2→Si +4HCl↑ ②三氯氢硅法（改良西门子法） ： SiO2 +2C→Si +2CO2↑ Si +3HCl→SiHCl3 + H2↑ SiHCl3+H2→Si+3HCl↑
(a)金属
(b)半导体 (c)绝缘体 金属、半导体、绝缘体的能带
金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件下具有 良好的导电性。 半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量（>Eg） “激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以是热或光的作用。 常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子，每立方 厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。 绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下激发到导带上的电子非常 少，固其电导率很低 。
二、太阳能电池输出特性及性能模拟
1.太阳能电池特性 （1）基本定义 短路电流：如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路电流，用符号Isc表示。
qV I I I L I 0 exp 1 nkT
短路电流的大小取决于以下几个因素： •太阳能电池的表面积。要消除太阳能电池对表面积的依赖，通常需改变短路电流强度（ JSC 单位为 mA/cm2）而不是短路电流。 光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流ISC的大小直接取决于光照强度。 入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质量光谱。 电池的光学特性（吸收和反射）（光学损耗一节已讨论过） 电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。
5.去除背结 在扩散过程中，硅片的背面也形成了p-n结，所以在制作电极前需要去除背结。 去除背结的常用方法，主要有化学腐蚀法、磨片法和蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法等。 6.制备减反射膜 硅表面对光的反射损失率高达35%左右。 减反射膜作用：减反射膜不但具有减少光反射的作用，而且对电池表面还可起到钝化和保护的作 用。 制备方法：采用真空镀膜法、气相生长法或其它化学方法等，在已制好的电池正面蒸镀一层或多 层二氧化硅或二氧化钛或五氧化二钽或五氧化二铌减反射膜。 技术要求：膜对入射光波长范围的吸收率要小，膜的理化能稳定，膜层与硅粘接牢固，膜耐腐蚀， 制作工艺简单、价格低廉。 二氧化硅膜，镀一层减反射膜可将入射光的反射率减少到10%左右，镀两层则可将反射率减少到 4%以下。
度提高，然后通过氢气还原成多晶硅。多晶硅经过坩埚直拉法（Cz法）或区熔法（Fz法）制成单晶硅 棒，硅材料的纯度可进一步提高，要求单晶硅缺陷和有害杂质少。 石英砂冶金硅多晶硅单晶硅 从硅材料到制成太阳电池组件，需要经过一系列复杂的工艺过程，以多晶硅太阳电池组件为例，其生 产过程大致是： 硅砂硅锭硅片电池片电池组件
当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。
3.常见的太阳能电池及生产工艺 材料化学组分：无机、有机 材料：硅基、砷化镓、铟镓磷、碲化镉、铜铟镓硒 内部材料体型：大块晶片、薄膜 材料晶体结构：单晶硅、多晶硅、非晶硅 太阳能电池 内部与外部结构：普通太阳能电池、聚光型太阳能电池、级联太阳能电池 内部结构的p-n结多少：单结、双结、三结、多结 生产技术方法：网板印刷电极、激光刻槽电极
3.绒面制备 单晶硅绒面结构的制备，就是就是利用硅的各向异性腐蚀(NaOH，KOH) ， 在硅表面形成金字塔结构。 绒面结构，使入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于减少光的反射，增 加光的吸收，提高电池效率。
4.扩散制结 制结过程：在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层。 制结方法：热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金法、激光法和高频电注入法等。 热扩散法制结：采用片状氮化硼作源，在氮气保护下进行扩散。扩散前，氮化硼片先在扩散温度 下通氧30min，使其表面的三氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积在硅表面，硼向硅内部扩 散。扩散温度为950~l000℃，扩散时间为15~30min，氮气流量为2L/min。
p-n结单向导电特性
（3）光伏效应 当太阳电池受到光照时，光在n区、空间电荷区和p区被吸收，分别产生电子-空穴对。由于入射光强 度从表面到太阳电池体内成指数衰减，在各处产生光生载流子的数量有差别，沿光强衰减方向将形成光 生载流子的浓度梯度，从而产生载流子的扩散运动。 n区中产生的光生载流子到达p-n结区n侧边界时，由于内建电场的方向是从n区指向p区，静电力立 即将光生空穴拉到p区，光生电子阻留在n区。 p区中到达p-n结区p侧边界的光生电子立即被内建电场拉向n区，空穴被阻留在p区。 空间电荷区中产生的光生电子-空穴对则自然被内建电场分别拉向n区和p区。 p-n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离，在p区聚集光生空穴，在n区聚集光生电子，使 p区带正电，n区带负电，在p-n结两边产生光生电动势。上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应。光 生电动势的电场方向和平衡p-n结内建电场的方向相反。当太阳能电池的两端接上负载，这些分离的电荷 就形成电流。
单晶硅的制备 直拉单晶法（Cz）
直拉单晶炉
区熔法（Fz） 内热式区熔炉结构示意图
硅片的加工 硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工 成具有一定直径、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、无崩 边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。
p-n结结构：同质结太阳能电池、异质结太阳能电池
光吸收层材料体系：有硅基薄膜太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、有机 太阳能电池和染料敏化太阳能电池
硅材料的制备 制造太阳电池的硅材料以石英砂（SiO2）为原料，先把石英砂放入电炉中用碳还原得到冶金硅，较好
的纯度为98%~99%。冶金硅与氯气（或氯化氢）反应得到四氯化硅（或三氯氢硅），经过精馏使其纯
第1章 光伏发电系统简介
教学目的：了解光伏发电基本原理，掌握光伏发电及太阳能电
池输出性能基本知识。
教学重难点：1.光伏发电基本原理
2.太阳能电池输出特性
一、光伏发电基本原理 光伏效应：在光照条件下，光伏材料吸收光能后在材料两端产生电动势的现象。
1.光吸收与电的产生 光吸收：材料对入射光吸收 光子能量
2.电能的产生 （1）载流子的输运 当太阳光入射太阳能电池时，会在价带留下空穴，在导带上会跃迁电子，形成电子-空穴对。 电子和空穴都称为载流子。 载流子的运输方式有两种：漂移运动和扩散运动。 半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的运动称为漂移运动。外界电场的存在 使载流子作定向的漂移运动，并形成电流。 扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处 的迁移运动。扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产生的，而是由于载流子浓度 差的引起的。
改良西门子法工艺流程
③硅烷法 硅烷（SiH4）生产的工艺是基于化学反应 2Mg+Si→MgSi， 然后将硅化镁和氯化铵进行如下化学反应: MgSi+4NH4Cl→SiH4+2MgCl2+4NH3↑ 从而得到气体硅烷。高浓度的硅烷是一种易燃、易爆气 体，要用高纯氮气或氢气稀释到3%～5%后充入钢瓶中使 用。硅烷可以通过减压精馏、吸附和预热分解等方法进行 纯化，化学反应式为 SiH4→Si+2H2↑