第三章晶体硅太阳电池的工作原理(精)

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晶硅光伏电池工作原理

太阳能电池发电原理：太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。

能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。

它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。

P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。

当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

晶体硅太阳能电池的制作过程：“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。

自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。

20世纪末，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。

生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。

太阳能电池的应用：上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。

如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。

欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。

太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势一、太阳电池及光伏发电原理早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。

这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。

1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。

太阳电池工作原理及制造

太阳电池工作原理及制造太阳电池，也被称为太阳能电池，是一种能够将太阳能直接转化为电能的装置。

它的出现为解决能源问题带来了新的希望，在现代科技和生活中发挥着越来越重要的作用。

接下来，让我们一起深入了解太阳电池的工作原理和制造过程。

一、太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理基于半导体的光电效应。

半导体材料通常具有独特的电学性质，当它们受到光照时，会产生电子和空穴对。

在太阳电池中，最常用的半导体材料是硅。

硅原子有 14 个电子，它们按照特定的规律排列在原子核周围的不同轨道上。

为了提高硅的导电性能，通常会对其进行掺杂。

比如，掺入少量的磷元素，磷原子有 5 个价电子，其中 4 个与硅原子形成共价键，剩下的 1 个电子就相对自由，这种掺杂后的硅被称为 N 型半导体；而掺入硼元素时，硼原子只有 3 个价电子，形成共价键时会产生一个空穴，这种掺杂后的硅被称为 P 型半导体。

当 N 型半导体和 P 型半导体接触时，会在它们的交界处形成一个PN 结。

在 PN 结中，N 区的电子会向 P 区扩散，P 区的空穴会向 N 区扩散，从而在 PN 结附近形成一个由 N 区指向 P 区的内建电场。

当太阳光照在太阳电池上时，光子的能量会传递给半导体中的电子。

如果光子的能量大于半导体的禁带宽度，电子就会从价带跃迁到导带，产生电子空穴对。

在内建电场的作用下，电子会向 N 区移动，空穴会向 P 区移动，从而在 PN 结两端形成电势差。

如果在 PN 结两端接上负载，就会有电流通过负载，从而实现光能到电能的转换。

二、太阳电池的制造太阳电池的制造过程是一个复杂而精细的工艺，需要经过多个步骤才能完成。

1、硅片制备首先，需要制备高纯度的硅材料。

通常采用的方法是化学气相沉积（CVD）或提拉法。

得到的硅锭经过切割、研磨和抛光等工艺，制成厚度均匀、表面光滑的硅片。

2、掺杂为了形成 PN 结，需要对硅片进行掺杂。

可以通过扩散或离子注入的方法将杂质原子引入硅片中。

晶体硅太阳电池工作示意图

晶体硅太阳电池工作原理及示意图太阳辐射能光子转变为电能的过程，叫“光生伏打效应”，人们把能产生“光生伏打效应”的器件称为“光伏器件”；因为半导体P-N结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为“太阳电池”。

晶体硅太阳电池是指：单晶硅片为基体的单晶硅太阳电池与多晶硅晶片为基体的多晶硅太阳电池的总称。

晶体硅太阳电池是具有P-N结结构的半导体器件。

太阳电池吸收太阳光能后，激发产生电子、空穴对，电子、空穴对被半导体内部P-N结自建电场分开，电子流入n区，空穴流入p区，形成光生电场。

将晶体硅太阳电池的正、负电极与外接电路连接，外接电路中就有光生电流流过。

制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多；目前技术最成熟，并最具有商业价值的太阳电池要算晶体硅太阳电池，即单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池的统称，商品化太阳电池市场80%是晶体硅太阳电池。

太阳电池发电直接利用取之不竭、无处不有的太阳能，不消耗工质、不排放废物、无转动、无噪声，是一种理想的清洁安全新能源。

使用上具有结构简单、易安装、建设周期短，维护简便甚至免维护，应用范围广等优点。

通常将多个太阳电池片串、并联成一定电性能的太阳电池串，封装成具有机械强度的太阳电池组件。

太阳电池方阵是太阳电池的组合体，将多个组件固定在支架上，用导线连在一起，产生系统所需的电压和电流。

全太阳能发电系统原理太阳能发电系统原理太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。

如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。

各部分的作用为：（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。

其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

（二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。

在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。

太阳能电池的工作原理

太阳能电池的工作原理
太阳能电池是一种将太阳光直接转化为电能的装置。

它是由多个光电效应相互连接而成的半导体晶体。

典型的太阳能电池是由硅材料制成的，其中掺杂了两种不同类型的杂质。

太阳能电池的工作原理可以简述为以下几个步骤：
1. 光吸收：当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子与半导体晶体中原子相互作用，吸收光能，并将其传递给半导体晶格的电子。

2. 电子激发：被吸收的光子能量使得半导体晶体中的电子激发到较高的能级，从而形成光生电子-空穴对。

3. 分离电荷：经过激发的电子和产生的正空穴分别在半导体晶体的n区和p区积累，并且在两个区域之间形成电势差。

4. 电流流动：由于n区和p区之间的电势差，电子和正空穴开始从n区和p区流动，形成电流。

这个电流可以在外部电路中推动电子流动，并产生实际可用的电能。

需要注意的是，太阳能电池的效率取决于吸收太阳能光谱的范围。

目前，太阳能电池的效率仍然相对较低，因此科学家一直在研究和改进太阳能电池的设计和制造方法，以提高其效率并降低制造成本，以便更广泛地应用于能源产业中。

晶体硅太阳能电池的基本原理

3.2.8 晶硅太阳电池的结构
由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n 结（如图栅状电极），以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
太阳能电池的转换：太阳电池接受的最大功率与入射到该电池上的全部辐射功率的百分比。
η=Im U m/A tP in
Um、Im分别为最大功率点的电压 At为包括栅线面积在内的太阳电池总面积 Pin为单位面积入射光的功率。
在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如下图所示。
+4
+4
+4
硅是四价元素，每个原子的
最外层上有4个电子。
这4个电子又被称为价电子
硅晶体中，每个原子有4个
+4
+4
+4
相邻原子，并和每一个相邻
原子共有2个价电子，形成
稳定的8原子壳层。
+4
+4
+4
当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量升高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，称为自由电子。
3. 复合寿命
希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做ISC大。少子长寿命也会减小暗电流并增大VOC。在间接带隙半导体材料如Si中，离结100µm处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于1µs。在直接带隙材料，如GaAs或Gu2S中，只要10ns的复合寿命就已足够长了。达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。

光伏发电技术3.2太阳能光伏电池

（3）液流电池
目前应用较多的主要是全钒液流储能电池，钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。
7.1 太阳电池方阵一般情况下，单独一块太阳电池组件，无法满足负载电压或功率的要求，需要将若干太阳电池组件通过串、并联组成太阳电池方阵，才能正常工作。（1）太阳电池方阵：由若干个太阳电池组件，在机械和电气上按一定方式组装在一起，并且有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。（2）太阳电池组件的连接要根据系统电压及电流的要求来决定串并联的方式。应将最佳工作电流相近的组件串联在一起。

若组成方阵的所有电池组件性能参数差别较大，会造成各串联电池组件的工作电流受限于其中电流最小的组件，各并联电池组件的工作电压也会被其中电压最低的电池组件限制，因此方阵的总效率就会低于所有单个组件的效率之和。在串并联数目较多时，最好采用混合式连接法。（3）热斑效应当树叶、鸟粪等杂物落在太阳电池上时，单独被遮挡的太阳电池不但不能发电，而且电阻会明显增加，并且串联连接回路的全部电压都加在这个电池单元上，电流流过高电阻的单元就会使其发热，特别是在强烈日光下，温度会急剧升高，于是该单元电池甚至整个太阳能电池组件都被损坏（出现烧坏的暗斑），这就是所谓的热斑效应（又称为热岛效应）。
7.2 二极管在太阳电池方阵中，二极管是很重要的元器件，常用的二极管有以下两类。

晶体硅太阳能电池制造工艺原理(一)

晶体硅太阳能电池制造工艺原理(一)晶体硅太阳能电池制造工艺引言晶体硅太阳能电池是目前最常见的太阳能电池类型之一，它利用晶体硅的半导体特性将光能转化为电能。

本文将从原理到制造工艺，逐步介绍晶体硅太阳能电池的制造过程。

光伏效应太阳能电池的工作原理基于光伏效应，即在光照的作用下，半导体材料中的能带发生偏移，使得电子从价带跃迁到导带，产生电流。

晶体硅是一种典型的半导体材料，因此被广泛应用于太阳能电池制造。

晶体硅的制备制造晶体硅太阳能电池的第一步是准备合适的晶体硅材料。

常见的制备方法有单晶法和多晶法。

单晶法通过将硅熔体缓慢冷却，使单晶硅逐渐生长；而多晶法则通过快速冷却制得多晶硅，它的晶粒较小，但制备成本较低。

制备电池片1.切割：将制备好的晶体硅材料切割成薄片，常用的切割工具是金刚石线锯。

2.研磨：用化学机械研磨（CMP）工艺对切片进行表面平整化处理，以去除切割时产生的缺陷和污染物。

3.清洗：对研磨后的切片进行清洗处理，去除表面的污染物，提高电池片的质量。

4.获取P型和N型半导体：将切片进行热扩散或离子注入工艺，使得切片的一侧生成P型半导体，另一侧生成N型半导体。

制备电池结构1.沉积透明导电膜：在电池片表面沉积一层透明导电膜，通常使用氧化锡薄膜。

2.沉积抗反射膜：为了提高电池吸收光能的效率，需要在透明导电膜上沉积一层抗反射膜。

常用的抗反射膜材料有二氧化硅等。

3.打开电池片通孔：使用激光或机械刻蚀等方法，在电池片上打开通孔，方便后续电池的连线。

4.沉积金属电极：在电池片的正负电极位置沉积金属电极，常用的金属有铝、银等。

组装与封装1.清洗：清洗电池片和其他组件，确保没有灰尘和污染物。

2.焊接连接：使用焊接技术将电池片与其他元件连接起来，形成电池组。

3.封装：将电池组放入封装材料中，通常使用聚合物材料进行封装，保护电池并提供结构支撑。

总结晶体硅太阳能电池的制造工艺涉及多个步骤，从晶体硅的制备到电池结构的形成，最终完成组装与封装。

晶体硅太阳电池物理

晶体硅太阳电池物理咱先来说说晶体硅是啥。

晶体硅啊，那可是制作太阳电池的关键材料呢。

它就像一个小能量库，有着独特的晶体结构。

这种结构就像是搭好的小房子，规规矩矩的。

硅原子们在这个小房子里排排坐，可整齐啦。

这整齐的结构对太阳电池来说可太重要了，就像盖房子得有个稳固的地基一样。

那晶体硅太阳电池是怎么把太阳光变成电的呢？这就像是一场神奇的魔术。

太阳光里有好多光子，这些光子就像一个个小使者。

当它们跑到晶体硅太阳电池上的时候，就开始搞事情啦。

晶体硅里的电子在光子的作用下，就变得特别活跃，像是被打了兴奋剂一样。

本来这些电子都老老实实待在自己的位置上，现在呢，就开始到处乱跑。

这一跑啊，就形成了电流。

你看，是不是很神奇呢？就这么着，太阳光的能量就被转化成了电能。

再说说晶体硅太阳电池的效率问题。

这个效率啊，就像考试的分数一样，大家都想让它高高的。

可是呢，有好多因素会影响这个分数。

比如说晶体硅的纯度，如果晶体硅里面杂质太多，就像是一群捣蛋鬼混进了好学生的队伍里，会干扰电子的运动，那效率就会变低啦。

还有电池的结构设计，就像给小房子设计户型一样，设计得好，电子跑起来就顺畅，效率就高；设计得不好，电子可能就会在里面迷路，效率就上不去。

在制造晶体硅太阳电池的时候，那也是有好多讲究的。

从最开始选取硅材料，就得精挑细选。

就像选水果一样，得挑那些又大又好的。

然后把硅材料加工成合适的形状，这个过程就像是把一块大石头雕琢成精美的雕像一样，得小心翼翼的。

加工过程中的温度、压力这些条件，都得控制得刚刚好，稍微有点偏差，就可能做出一个有缺陷的太阳电池。

晶体硅太阳电池的发展也是充满故事的。

一开始啊，它可能还不是那么厉害，效率也不高，成本还挺高的。

但是随着科学家们不断地研究、改进，就像一个小孩子慢慢长大、变得越来越优秀一样。

现在晶体硅太阳电池已经在很多地方发挥着重要的作用啦。

比如说在一些偏远的山区，那里没有电，晶体硅太阳电池就像一个小太阳，给那里的人们带来光明和温暖。

晶体硅太阳电池的基本原理和制造工艺流程

第一章晶体硅太阳电池的基本原理和制造工艺流程晶体硅太阳电池已经成为当今光伏工业的主流，随着单晶硅、多晶硅太阳电池工厂的新近投资，这种作用还将持续下去[1]。

从1954年Chapin，Fuller和Pearson研制成功硅PN结太阳电池以来，这一利用p-n结光伏效应工作的器件经过半个世纪的改进和演变，发展成为具有多种几何结构和相应的制造流程的一类太阳电池产品。

到目前为止，尽管被称为“第二代光伏器件”的薄膜太阳（CdTe、CIS、非晶硅、微晶硅、多晶硅、硅-锗合金）电池也取得了进展，但在短期内仍然无法替代晶体硅太阳电池。

关于太阳电池的基本特性，Hovel已作出了全面的论述[2]。

我们按照太阳电池的器件结构、硅p-n 结太阳电池的基本工作原理到一般的制造工艺流程的顺序进行介绍。

1. 晶体硅太阳电池的器件结构晶体硅太阳电池的基本结构见图1.，它由扩散法在表面形成的浅PN结，正面欧姆接触栅格电极，覆盖于整个背面的欧姆接触电极以及正面减反射膜构成。

图1. 硅PN结太阳电池基本结构图2. PERT太阳电池结构高效率晶体硅太阳电池则有着更为复杂的结构和制造流程，如钝化发射极太阳电池PESC (passivated emitter solar cell) ，钝化发射极和背面太阳电池PERC (passivated emitter and rear cell)，钝化发射结背面点接触太阳电池PERL (passivated emitter, rear locally-diffused) cells，钝化发射极背面全扩散太阳电池PERT (passivated emitter, rear totally-diffused) cells，具有本征层的(a-Si)/ (c-Si)异质结太阳电池(HIT TM电池)，倾斜蒸发电极MIS-n+p 太阳电池OECO（obliquely-evaporated-contact），V型机械刻槽埋栅电极太阳电池(Buried Contact Solar Cell with V-grooved surface)，背面接触电极太阳电池(Backside Contact Solar Cell)等等。

硅太阳能电池板的工作原理

硅太阳能电池板的工作原理硅太阳能电池板是目前应用最广泛的太阳能电池板之一。

下面，我将详细介绍硅太阳能电池板的工作原理。

1. 光吸收硅太阳能电池板是由多个硅片组成的，硅片是由硅元素构成的半导体材料。

当太阳光照射到硅太阳能电池板上时，硅片中的晶体结构会吸收太阳光的光子能量。

2. 电子激发太阳光的光子能量会使得硅片中的原子中的电子跃迁到一个较高的能级上。

这个跃迁过程中，电子从价带跃迁到导带，形成了一个激发态的电子。

3. 跨能隙激发态的电子在导带中具有较高的自由能，可以移动并参与导电。

这样，光照射下的硅片有了导电的能力。

而硅片中的空穴则从价带中被电子抽离，形成了载流子。

4. 驰豫与分离载流子在硅太阳能电池板中进行驰豫运动。

由于硅片构成的电池板中有正负两个极性的电场存在，载流子会被电场带动，发生方向上的运动，进而实现正负离子的分离。

5. 电流输出分离的正负离子会在硅太阳能电池板的两端形成电势差，这就相当于一个电池的正负极。

当外部电路与硅太阳能电池板连接时，这个电势差会推动电子在电路中形成电流的流动。

这样，光能就被转化为电能，可以供给外部设备使用。

在硅太阳能电池板的工作原理中，关键的一步是光吸收和电子激发。

而硅太阳能电池板之所以能够具有光吸收和电子激发的能力，是因为硅元素的特性。

硅元素是一个四价元素，它的原子结构中有四个价电子，可以与其他物质形成共价键，形成类似于钻石结构的晶格。

当硅元素形成硅晶体时，晶体结构中的原子按照规则排列，形成了稳定的晶格结构。

这个晶格结构使得硅太阳能电池板具有光吸收和电子激发的能力。

当太阳光照射到硅太阳能电池板上时，晶体结构中的硅原子与光子作用，吸收了光子的能量，产生了电子激发。

另外值得一提的是，硅太阳能电池板通常是由多个硅片组成的。

这是因为硅片的光电转换效率较低，需要较大面积的硅片才能获得足够的电能输出。

多个硅片组成的硅太阳能电池板通常会通过串联或并联的方式连接在一起，以提高整体的光电转换效率。

硅太阳能电池的结构及工作原理

硅太阳能电池的结构及工作原理集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）一.引言：太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。

也是清洁能源，不产生任何的环境污染。

??当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。

欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。

在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。

全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。

2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。

2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。

中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。

2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。

目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。

2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。

中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。

在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。

在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。

中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。

政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。

晶体硅太阳能电池简介

太阳能电池的分类
• 从基体材料分：晶体硅电池、非晶体硅电池、薄膜电池、硒光电池、化合物电池、有机半导体；晶体硅电池：单晶硅、多晶硅非晶硅电池：单结、双结、三结化合物太阳能电池：硫化镉、硒铟铜、磷化铟、锑化镉、砷化镓 • 从用途分类：空间太阳能电池、地面太阳能电池、光伏传感器； • 按工作方式分类：平板太阳能电池、聚光太阳能电池、分光太阳能电池。
技术要求
• 层压电池组件的基本要求： • 1.在规定的工作环境下，使用寿命大于20年（使用20年，转换效率不得低于原来的80%）； • 2.组件的电池上表面颜色应均匀一致，无机械损伤，焊点无氧化斑； • 3.电池片应排列整齐，框架整洁无腐蚀斑点； • 4.封装层中不允许气泡或脱层在某一片电池与组件边缘形成一个通路，气泡或脱层的几何尺寸和个数应符合相应的产品详细规范规定； • 5.绝缘电阻大于200MΩ； • 6.EVA的交联度大于65%，EVA与玻璃的剥离强度大于 30N/cm，EVA与TPT的剥离强度大于15N/cm；
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国外光伏发电系统发展现状－跟踪系统（3）
国内光伏电站及平衡系统技术发展现状
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上海宝山庙行野桥菜场15KW光伏并网发电系统
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西藏羊八井100千瓦高压并网光伏电站
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深圳国际园林花卉博览园1兆瓦并网光伏电站
中国光伏系统应用的主要领域
• 无电地区独立运行系统 • 城镇中建筑结合并网系统 • 荒漠或草原地区大型或超大型并网光伏系统
测试条件
标准测试条件标准规定地面标准阳光光谱采用总辐射的AM1.5标准阳光光谱。地面阳光的总辐照度规定为1000 w/m2。标准测试温度规定为25°C 对定标测试，标准测试温度的允许差为±1°C。对非定标准测试。标准测试温度允许差为±2°C。如受客观条件所限，只能在非标准条件下进行测试，，则必须将测量结果换算到标准测试条件。

Solar3

3.2.4 单晶硅电池片的制备工艺
7. 蒸镀减反射膜
• 在硅片表面镀上一层深蓝色的氮化硅膜 • 可以充分吸收太阳光，降低反射 • 在硅片表面有氢钝化的作用氮化硅膜 N型硅
P型半导体硅
P型硅采用PECVD沉积SiN
利用硅烷（SiH4）与氨气（NH3）在等离子体中反应。 SiH4+NH3 →SiNH+3H2 2SiH4+N2 →2SiNH+3H2
工作原理图
3.2.1 单晶硅太阳能电池基本原理和结构
单晶硅太阳能电池具有如下优点：
• 转换效率高。在已实用化了的太阳能电池中处于顶尖水平。 • 工艺技术成熟。单晶硅棒和pn结的制造技术等，与集成电路等半导体制造技术有较多的兼容部分，且历史悠久，业绩突出。 • 可靠性高。发电性能稳定，用于人造卫星及灯塔，有很长的使用历史。
3.2.2 单晶硅锭的铸造
直拉生长硅单晶的基本步骤：
拉制出完美的单晶的要求：精心“选种”“ 育种”，并认真做好“下种”前的准备工作整个直拉硅单晶的过程包括：引晶（下种）、缩颈（细颈）、放肩、等颈生长和收尾。
直拉单晶生长工艺步骤示意图
3.2.2 单晶硅锭的铸造
1.籽晶熔接: 加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。 2.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”。“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。

硅太阳能电池的结构及工作原理

一.引言：太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源..也是清洁能源;不产生任何的环境污染..当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急;能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时;越来越多的国家开始实行“阳光计划”;开发太阳能资源;寻求经济发展的新动力..欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源..在国际光伏市场巨大潜力的推动下;各国的太阳能电池制造业争相投入巨资;扩大生产;以争一席之地..全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍;太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国..2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW;较2005年成长19％;整个市场产值已正式突破100亿美元大关..2007年全球太阳能电池产量达到3436MW;较2006年增长了56%..中国对太阳能电池的研究起步于1958年;20世纪80年代末期;国内先后引进了多条太阳能电池生产线;使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW;这种产能一直持续到2002年;产量则只有2MW左右..2002年后;欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应..目前;我国已成为全球主要的太阳能电池生产国..2007年全国太阳能电池产量达到1188MW;同比增长293%..中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国..在产业布局上;我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势..在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区;已经形成了各具特色的太阳能产业集群..中国的太阳能电池研究比国外晚了20年;尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入;但投入仍然不够;与国外差距还是很大..政府应加强政策引导和政策激励;尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题..同时可借鉴国外的成功经验;在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能;充分发挥政府的示范作用;推动国内市场尽快起步和良性发展..太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位;不但要替代部分常规能源;而且将成为世界能源供应的主体..预计到2030年;可再生能源在总绿色环保节能太阳能能源结构中将占到30％以上;而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年;可再生能源将占总能耗的50％以上;太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末;可再生能源在能源结构中将占到80％以上;太阳能发电将占到60％以上..这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位..由此可以看出;太阳能电池市场前景广阔..在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快;最具活力的研究领域;是其中最受瞩目的项目之一..制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础;其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应;根据所用材料的不同;太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等..本文主要阐述硅太阳能的结构和工作原理..二．硅太阳能电池2.1 硅太阳能电池工作原理与结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应;一般的半导体主要结构如下：硅材料是一种半导体材料;太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应..一般半导体的分子结构是这样的：上图中;正电荷表示硅原子;负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子..当硅晶体中掺入其他的杂质;如硼黑色或银灰色固体;熔点2300℃;沸点3658℃;密度2.34克/厘米;硬度仅次于金刚石;在室温下较稳定;可与氮、碳、硅作用;高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应;形成金属硼化物..这些化合物通常是高硬度、耐熔、高导电率和化学惰性的物质..、磷等;当掺入硼时;硅晶体中就会存在一个空穴;它的形成可以参照下图说明：图中;正电荷表示硅原子;负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子;而黄色的表示掺入的硼原子;因为硼原子周围只有3个电子;所以就会产生如图所示的蓝色的空穴;这个空穴因为没有电子而变得很不稳定;容易吸收电子而中和;形成Ppositive型半导体..附;什么是P型半导体呢在半导体材料硅或锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的P型半导体;掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的N型半导体..同样;掺入磷原子以后;因为磷原子有五个电子;所以就会有一个电子变得非常活跃;形成Nnegative型半导体..黄色的为磷原子核;红色的为多余的电子;如下图所示：P型半导体中含有较多的空穴;而N型半导体中含有较多的电子;这样;当P型和N型半导体结合在一起时;就会在接触面形成电势差;这就是PN结..当P型和N型半导体结合在一起时;在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层;界面的P型一侧带负电;N型一侧带正电..这是由于P型半导体多空穴;N型半导体多自由电子;出现了浓度差..N 区的电子汇扩散到P区;P区的空穴会扩散到N区;一旦扩散就形成了一个有N指向P的“内电场”;从而阻止扩散进行..达到平衡后;就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差;从而形成PN结..当晶片受光后;PN结中;N型半导体的空穴往P型区移动;而P型区中的电子往N 型区移动;从而形成从N型区到P型区的电流..然后在PN结中形成电势差;这就形成了电源..下面就是这样的电源图..由于半导体不是电的良导体;电子在通过p-n结后如果在半导体中流动;电阻非常大;损耗也就非常大..但如果在上层全部涂上金属;阳光就不能通过;电流就不能产生;因此一般用金属网格覆盖p-n结如图梳状电极;以增加入射光的面积..另外硅表面非常光亮;会反射掉大量的太阳光;不能被电池利用..为此;科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜如图;实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜;厚度在1000埃左右..将反射损失减小到5%甚至更小..一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限;于是人们又将很多电池通常是36个并联或串联起来使用;形成太阳能光电板..从电的角度来看;我们所用的硅都是中性的..多余的电子被磷中多余的质子所中和..缺失电子空穴由硼中缺失质子所中和..当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时;中性就被破坏了..所有自由电子会填充所有空穴吗不会..如果是这样;那么整个准备工作就没有什么意义了..不过;在交界处;它们确实会混合形成一道屏障;使得N侧的电子越来越难以抵达P侧..最终会达到平衡状态;这样我们就有了一个将两侧分开的电场..光伏电池中的电场效应这个电场相当于一个二极管;允许甚至推动电子从P侧流向N侧;而不是相反..它就像一座山——电子可以轻松地滑下山头到达N侧;却不能向上攀升到达P侧..这样;我们就得到了一个作用相当于二极管的电场;其中的电子只能向一个方向运动..让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么..当光以光子的形式撞击太阳能电池时;其能量会使电子空穴对释放出来..每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子;从而产生一个自由的空穴..如果这发生在离电场足够近的位置;或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内;则电场会将电子送到N侧;将空穴送到P侧..这会导致电中性进一步被破坏;如果我们提供一个外部电流通路;则电子会经过该通路;流向它们的原始侧P侧;在那里与电场发送的空穴合并;并在流动的过程中做功..电子流动提供电流;电池的电场产生电压..有了电流和电压;我们就有了功率;它是二者的乘积..光伏电池的工作原理我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量遗憾的是;此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为25%左右;通常的吸收率是15%或更低..为什么吸收率会这么低可见光只是电磁频谱的一部分..电磁辐射不是单频的——它由一系列不同波长进而产生的一系列能级组成..有关电磁频谱的详细介绍;请参阅狭义相对论基本原理..光可分为不同波长;我们可以通过彩虹看出这一点..由于射到电池的光的光子能量范围很广;因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对..它们只是穿过电池;就像电池是透明的一样..但其他一些光子的能量却很强..只有达到一定的能量——单位为电子伏特eV;由电池材料对于晶体硅;约为1.1eV决定——才能使电子逸出..我们将这个能量值称为材料的带隙能量..如果光子的能量比所需的能量多;则多余的能量会损失掉除非光子的能量是所需能量的两倍;并且可以创建多组电子空穴对;但这种效应并不重要..仅这两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失..为何我们不选择一种带隙很低的材料;以便利用更多的光子遗憾的是;带隙还决定了电场强度电压;如果带隙过低;那么在增大电流通过吸收更多电子的同时;也会损失一定的电压..请记住;功率是电压和电流的乘积..最优带隙能量必须能平衡这两种效应;对于由单一材料制成的电池;这个值约为1.4电子伏特..我们还有其他能量损失..电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧..我们可以在电池底部镀上一层金属;以保证良好的导电性..但如果我们将电池顶部完全镀上金属;光子将无法穿过不透光导体;这样就会丧失所有电流在某些电池中;只有上表面而非所有位置使用了透明导体..如果我们只在电池的两侧设置触点;则电子需要经过很长一段距离对于电子而言才能抵达接触点..要知道;硅是半导体;它传输电流的性能没有金属那么好..它的内部电阻称为串联电阻相当高;而高电阻意味着高损耗..为了最大限度地降低这些损耗;电池上覆有金属接触网;它可缩短电子移动的距离;同时只覆盖电池表面的一小部分..即使是这样;有些光子也会被网格阻止;网格不能太小;否则它自身的电阻就会过高..在实际使用电池之前;还要执行其他几个步骤..硅是一种有光泽的材料;这意味着它的反射性能很好..被反射的光子不能被电池利用..出于这个原因;在电池顶部采用抗反射涂层;可将反射损失降低到5%以下..最后一步是安装玻璃盖板;用来将电池与元件分开;以保护电池..光伏模块由多块电池通常是36块串联和并联而成;以提供可用的电压和电流等级;这些电池放在一个坚固的框架中;后部分别引出正极端子和负极端子;并用玻璃盖板封上..普通硅光伏电池的基本结构单晶硅并非光伏电池中使用的唯一材料..电池材料中还采用了多晶硅;尽管这样生产出来的电池不如单晶硅电池的效率高;但可以降低成本..此外;还采用了没有晶体结构的非晶硅;这样做同样是为了降低成本..使用的其他材料还包括砷化镓、硒化铟铜和碲化镉..由于不同材料的带隙不同;因此它们似乎针对不同的波长或不同能量的光子进行了“调谐”..一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料..带隙较高的材料放在表面;吸收较高能量的光子；而带隙较低的材料放在下方;吸收较低能量的光子..这项技术可大大提高效率..这样的电池称为多接面电池;它们可以有多个电场..三.单晶硅、多晶硅、非晶硅三种太阳能电池介绍3.1单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中;单晶硅大阳能电池转换效率最高;技术也最为成熟..高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的..现在单晶硅的电地工艺己近成熟;在电池制作中;一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术;开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池..提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺..在此方面;德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平..该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化;制成倒金字塔结构..并在表面把一13nm..厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23%;是大值可达23．3％..Kyocera公司制备的大面积225cm2单电晶太阳能电池转换效率为19．44%;国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发;研制的平面高效单晶硅电池2cmX2cm转换效率达到19.79%;刻槽埋栅电极晶体硅电池5cmX5cm转换效率达8.6%..单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的;在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位;但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响;致使单晶硅成本价格居高不下;要想大幅度降低其成本是非常困难的..为了节省高质量材料;寻找单晶硅电池的替代产品;现在发展了薄膜太阳能电池;其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表..3.2多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350－450μm的高质量硅片上制成的;这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成..因此实际消耗的硅材料更多..为了节省材料;人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜;但由于生长的硅膜晶粒大小;未能制成有价值的太阳能电池..为了获得大尺寸晶粒的薄膜;人们一直没有停止过研究;并提出了很多方法..目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法;包括低压化学气相沉积LPCVD和等离子增强化学气相沉积PECVD工艺..此外;液相外延法LPPE和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池..化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4;为反应气体;在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上;衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等..但研究发现;在非硅衬底上很难形成较大的晶粒;并且容易在晶粒间形成空隙..解决这一问题办法是先用LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层;再将这层非晶硅层退火;得到较大的晶粒;然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜;因此;再结晶技术无疑是很重要的一个环节;目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法..多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外;另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术;这样制得的太阳能电池转换效率明显提高..德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZSi衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19％;日本三菱公司用该法制备电池;效率达16.42%..液相外延LPE法的原理是通过将硅熔融在母体里;降低温度析出硅膜..美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12．2％..中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒;并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池;称之为“硅粒”太阳能电池;但有关性能方面的报道还未见到..多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少;又无效率衰退问题;并且有可能在廉价衬底材料上制备;其成本远低于单晶硅电池;而效率高于非晶硅薄膜电池;因此;多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位..3.3非晶硅薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本..由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低;便于大规模生产;普遍受到人们的重视并得到迅速发展;其实早在70年代初;Carlson等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作;近几年它的研制工作得到了迅速发展;目前世界上己有许多家公司在生产该种电池产品..非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料;但由于其光学带隙为1.7eV;使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感;这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率..此外;其光电效率会随着光照时间的延续而衰减;即所谓的光致衰退S一W效应;使得电池性能不稳定..解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池;叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的..叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起;提高了光谱的响应范围；②顶电池的i 层较薄;光照产生的电场强度变化不大;保证i层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半;光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的..非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多;其中包括反应溅射法、PECVD 法、LPCVD法等;反应原料气体为H2稀释的SiH4;衬底主要为玻璃及不锈钢片;制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池..目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13％;创下新的记录；第二.三叠层太阳能电池年生产能力达5MW..美国联合太阳能公司VSSC制得的单结太阳能电池最高转换效率为9．3%;三带隙三叠层电池最高转换效率为13％..上述最高转换效率是在小面积0．25cm2电池上取得的..曾有文献报道单结非晶硅太阳能电池转换效率超过12．5％;日本中央研究院采用一系列新措施;制得的非晶硅电池的转换效率为13．2％..国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研究并不多;南开大学的耿新华等采用工业用材料;以铝背电极制备出面积为20X20cm2、转换效率为8．28％的a－Si/a －Si叠层太阳能电池..非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点;有着极大的潜力..但同时由于它的稳定性不高;直接影响了它的实际应用..如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题;那么;非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一..四.其他太阳能电池介绍4.1多元化合物薄膜太阳能电池为了寻找单晶硅电池的替代品;人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外;又不断研制其它材料的太阳能电池..其中主要包括砷化镓、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等..上述电池中;尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高;成本较单晶硅电池低;并且也易于大规模生产;但由于镉有剧毒;会对环境造成严重的污染;因此;并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代..砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视..GaAs属于III-V族化合物半导体材料;其能隙为1．4eV;正好为高吸收率太阳光的值;因此;是很理想的电池材料..GaAs 等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用 MOVPE和LPE技术;其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错、反应压力、III-V比率、总流量等诸多参数的影响..除GaAs外;其它III-V化合物如Gasb、GaInP等电池材料也得到了开发..1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24．2％;为记录..首次制备的GaInP电池转换效率为14．7％．见表2..另外;该研究所还采用堆叠结构制备GaAs;Gasb电池;该电池是将两个独立的电池堆叠在一起;GaAs作为上电池;下电池用的是Gasb;所得到的电池效率达到31．1％..铜铟硒CuInSe2简称CIC..CIS材料的能降为1．leV;适于太阳光的光电转换;另外;CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题..因此;CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目..CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法..真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒;硒化法是使用H2Se叠层膜硒化;但该法难以得到组成均匀的CIS..CIS薄膜电池从80年代最初8％的转换效率发展到目前的15％左右..日本松下电气工业公司开发的掺镓的CIS 电池;其光电转换效率为15．3％面积1cm2..1995年美国可再生能源研究室研制出转换效率为17．l％的CIS太阳能电池;这是迄今为止世界上该电池的最高转换效率..预计到2000年CIS电池的转换效率将达到20％;相当于..CIS作为太阳能电池的半导体材料;具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点;将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向..唯一的问题是材料的来源;由于铟和硒都是比较稀有的元素;因此;这类电池的发展又必然受到限制..4.2聚合物多层修饰电极型太阳能电池在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制备的研究方向..其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同;在导电材料电极表面进行多层复合;制成类似无机P－N结的单向导电装置..其中一个电极的内层由较低的聚合物修饰;外层聚合物的还原电位较高;电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反;并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位..当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时．光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上;还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移;只能通过通过还原电位较高的电极回到电解液;因此外电路中有光电流产生..由于有机材料柔性好;制作容易;材料来源广泛;成本底等优势;从而对大规模利用太阳能;提供廉价电能具有重要意义..但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始;不论是使用寿命;还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比..能否发展成为具有实用意义的产品;还有待于进一步研究探索..。

太阳能电池材料-晶体硅

平整。
抛光
利用抛光剂和抛光盘对晶片表面进行抛光处理，使其表面光
滑如镜。
03 晶体硅太阳能电池的工作原理
光吸收
晶体硅太阳能电池由高纯度硅制成，当阳光照射到电池表面时，光子与硅原子相互作用，将光能转化为电子-空穴对。
光吸收系数是衡量硅材料对光的吸收能力的重要参数，其值越大，表示硅材料对光的吸收能力越强。
晶体硅太阳能电池的光吸收系数一般在10^4 cm^-1左右，这意味着光线在硅材料中传播1mm时，约有10%的光被吸收。
载流子产生与分离
1
电子-空穴对在硅晶体中形成后，由于硅材料的能带结构，电子和空穴分别向相反方向移动。建电场，电子和空穴在移动过程中不断被分离，形成电流。
优势，实现可穿戴、可折叠等新型应用。
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THANKS
自动化生产
实现自动化生产，提高生产效率和良品率，降低生产成本。
新型结构与材料的研究
多结太阳能电池
01
研究多结太阳能电池，利用不同带隙的半导体材料组合，提高
光电转换效率。
硅基底上生长薄膜太阳能电池
02
在硅基底上生长薄膜太阳能电池，实现高效能与低成本相结合。
有机-无机复合太阳能电池
03
研究有机-无机复合太阳能电池，利用有机材料的柔韧性和加工
电学特性
01
晶体硅是本征半导体，其导电性能非常低。
02
通过掺杂硼、磷等元素，可以控制晶体硅中自由电子和空穴的数量，实现导电性能的可控调节。
03
晶体硅太阳能电池利用光生伏特效应，将太阳能转化为电能，具有较高的光电转换效率和稳定性。
02 晶体硅的制造工艺
硅的提纯
硅的提纯

第三章晶体硅太阳能电池的基本原理介绍

第三章晶体硅太阳能电池的基本原理介绍晶体硅太阳能电池是一种利用光的能量直接转换成电能的设备。

其基本原理是通过光的能量激发硅晶体中电子的运动，从而产生电流。

晶体硅太阳能电池由P-N结构组成，即P型硅和N型硅之间形成的结。

P型硅中的杂质是三价元素，如铋、铝等，它们只有三个价电子，因此形成缺电子少的材料，被称为'P型'。

而N型硅中的杂质是五价元素，如磷、锑等，它们有五个价电子，因此形成富余电子的材料，被称为'N型'。

在N型硅中，铝或锑取代硅原子形成空位，这些空位被称为施主杂质；而在P型硅中，硅原子被磷原子取代形成多余的电子，这些多余的电子被称为受主杂质。

在P-N结中，P型和N型硅的电子浓度和空穴浓度明显不同。

P型硅中由于受主杂质的存在，电子浓度远低于空穴浓度，而N型硅由于施主杂质的存在，电子浓度远高于空穴浓度。

这样会形成在P-N结表面上的电场，这个电场被称为内建电场。

当没有外加电源时，P-N结上的内建电场将阻止电子和空穴的扩散和重新组合。

当光照射到P-N结上时，光子的能量可以激发P-N结中的电子，使其通过光电效应从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。

由于内建电场的存在，这些电子和空穴被分离，并沿着P型硅和N型硅的电场向相应的电极移动。

通过连接一个外部负载，由于电流的流动，可以产生电能。

晶体硅太阳能电池的效率受多种因素的影响。

首先，吸收光子的能力与材料的光吸收系数有关，材料吸收光子的能力越强，效率越高。

其次，载流子的寿命也影响着电流的流动，载流子的寿命越长，效率越高。

另外，晶体硅太阳能电池的电子结构和掺杂方式也会影响其性能。

总的来说，晶体硅太阳能电池的基本原理是利用光子激发硅晶体中的电子跃迁，通过内建电场将电子和空穴分离，从而产生电流。

不过，晶体硅太阳能电池的效率相对较低，因此近年来研发人员一直致力于开发更高效、更经济的太阳能电池技术，以实现更广泛的应用。

太阳能电池原理

一. 硅太阳能电池的工作原理硅原子的外层电子壳层中有4个电子。

受到原子核的束缚比较小，如果得到足够的能量，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。

电子带负电；空穴带正电。

在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。

在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有2个价电子，形成稳定的8原子壳层。

从硅的原子中分离出一个电子需要1.12eV的能量，该能量称为硅的禁带宽度。

被分离出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。

硅原子的共价键结构如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。

所以一个掺入5价杂质的4价半导体，就成了电子导电类型的半导体，也称为n型半导体。

在n型半导体中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生少量的电子-空穴对。

然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的，所以在n型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子;而电子数目很多,称为多数载流子。

n型半导体同样如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等），这些3价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入3价杂质的4价半导体，也称为p型半导体。

对于p型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。

P型半导体若将p型半导体和n型半导体两者紧密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为p-n 结。

在p-n 结两边，由于在p型区内，空穴很多，电子很少；而在n型区内，则电子很多，空穴很少。

由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。

在靠近交界面附近的p区中，空穴要由浓度大的p区向浓度小的n 区扩散，并与那里的电子复合，从而使那里出现一批带正电荷的搀入杂质的离子。

第三章晶体硅太阳电池的工作原理(精)

满带上的一个电子跃迁到空带后, 满带中出现一个空位。
半导体的能带结构
例：半导体 CdS
空带
h Eg=2.42eV
满带
这相当于产生了一个带正电的粒子(称为 “空穴”) , 把电子抵消了。
电子和空穴总是成对出现的
半导体的能带结构
在外电场作用下,
空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来，这相当于空穴向下跃迁。
第三章晶体硅太阳电池的工作原理
三洋电机公司在HIT太阳电池的基础上，还推出了正反对称形的 HIT双功率太阳电池组件，这种组件能够利用正反两面的光照。和单侧光照的构造相比，年平均增加6%-10%的输出。
第三章晶体硅太阳电池的工作原理
（6）双面太阳电池在有些特殊应用场合，不同的时刻，太阳光可能先后或同时从前、后面照到太阳电池板，为了充分利用太阳能，日本Hitachi公司等研制开发了双面太阳电池。这种电池用单晶硅衬底制作，采用双面玻璃封装，两面均能够产生电能，且均有SiO2减反射膜，idao减反射和钝化硅表面悬挂键的作用。正面和背面的转换效率分别为15%和 10.5%。由于在阳光照射到背面时。背面产生的载流子需要穿越更长的距离才能到达P-N结，在这个过程载流子容易被复合，所以背面的转换效率要明显低于正面。
第三章晶体硅太阳电池的工作原理
3.1.3按用途分 1.空间太阳电池
空间太阳电池是指在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳电池。由于使用环境特殊，要求太阳电池具有效率高、重量轻、耐高低温冲击，抗高能粒子辐射能力强等性能，而且制作精细，价格也较高。 2.地面太阳电池
地面太阳电池是指用于地面阳光发电系统的太阳电池。这事目前应用最广泛的太阳电池，要求其耐风霜雨雪的侵袭，有较高的功率价格比，具有大规模省的工艺可行性和充裕的原材料来源。 3.光敏传感器