第三章晶体硅太阳能电池的基本原理
晶体硅太阳能电池结构及原理
晶体硅太阳能电池的性能特点
晶体硅太阳能电池具有高效率、可靠性和长寿命的特点。它们在各种气候条 件下都能发电，并且能够在户用、商用和工业领域广泛应用。
晶体硅太阳能电池的发展趋势
晶体硅太阳能电池的发展正朝着更高效、更薄、更柔性和更具可持续性的方向发展。新的技术和材料正在被研 发，以提高晶体硅太阳能电池的性能并降低成本。
晶体硅太阳能电池的工作原理
晶体硅太阳能电池通过光电效应将太阳光转化为电能。当光子击中电池的表 面时，它们会激发硅中的电子。这些激发的电子会被电场收集，并沿电池的 电路产生电流。
晶体硅太阳能电池制造过程
晶体硅太阳能电池的制造过程包括多个步骤，如硅晶片的生长、切割和抛光，抗反射涂层的涂覆，电极的薄膜 沉积和加工，以及最终的封装和测试。
晶体硅太阳能电池的市场前景
随着对可再生能源的需求不断增加，晶体硅太阳能电池在未来的市场前景非 常广阔。它们被广泛应用于建筑、交通、通信和电力原理
晶体硅太阳能电池是最常见和广泛应用的太阳能电池类型之一。本节将介绍 晶体硅太阳能电池的基本结构和工作原理，以及其在能源行业的重要性和应 用。
晶体硅太阳能电池的基本结构
晶体硅太阳能电池由多个层次的组件构成，包括抗反射涂层、正极电极、硅 基底、负极电极和保护层。每个组件在电池的工作中扮演着不同的角色，使 得太阳能电能可以高效地转化为电能。
晶硅太阳能电池工作原理
晶硅太阳能电池工作原理
晶硅太阳能电池是一种光电转换装置，利用太阳光的能量直接转化成电能。
具体的工作原理如下：
1. 光吸收：太阳光中的光子进入到晶硅电池中，经过材料的光吸收层，光子能量被吸收。
2. 光生电荷的产生：光子的能量激发了材料中的电子，使其从价带跃迁到导带，形成电荷对（一个正电子和一个负电子空穴）。
3. 电荷分离：电荷对在电场的作用下被分离，正电子向电池的正极移动，负电子向电池的负极移动。
4. 电流输出：正电子和负电子的运动形成了电流，可以通过导线连接器来输出电能供应给外部电路使用。
5. 光子再生：涉及到材料的光子能量的损失或再生，如透射、散射或再吸收过程。
需要注意的是，晶硅太阳能电池的工作原理基于半导体材料的特性，光吸收层一般由p-n结构的硅片构成。
此外，电池的电流输出和电压的大小与光照强度、温度、阴影等环境因素也有关联。
晶体硅太阳能电池工作原理
晶体硅太阳能电池工作原理引言随着环境保护意识的提高和清洁能源的需求增加，太阳能作为一种可再生能源受到广泛关注。
其中，晶体硅太阳能电池作为最常见的太阳能电池类型，被广泛应用于光伏发电领域。
本文将深入探讨晶体硅太阳能电池的工作原理。
二级标题：晶体硅太阳能电池结构晶体硅太阳能电池的结构主要包括P-N结、P型硅层、N型硅层、金属电极和淋银层等组成部分。
三级标题：P-N结P-N结是晶体硅太阳能电池的核心部分，由P型硅和N型硅构成。
P型硅中掺入三价杂质（如硼），形成空穴，而N型硅中掺入五价杂质（如磷），形成自由电子。
P-N结的形成使得P型硅和N型硅之间形成一种电势差。
三级标题：P型硅层和N型硅层P型硅层和N型硅层分别位于P-N结的两侧。
P型硅层中的空穴在P-N结中受到电势差的作用下向N型硅层扩散，而N型硅层中的自由电子则向P型硅层扩散，形成了电子和空穴的浓度梯度。
三级标题：金属电极和淋银层晶体硅太阳能电池中，金属电极位于晶体硅片的上下表面，用于引出电流。
淋银层则用于提高电流的传导效率，减小电阻损耗。
二级标题：晶体硅太阳能电池工作原理晶体硅太阳能电池的工作原理基于光电效应。
三级标题：光电效应光电效应是指当光照射到物质表面时，光子的能量被电子吸收而导致电子获得足够的能量跃迁到导带，从而产生电流。
这是晶体硅太阳能电池转换太阳能为电能的基本原理。
三级标题：光吸收晶体硅太阳能电池中的光吸收主要发生在P-N结附近的薄层区域。
当光线照射到晶体硅中时，光子能量被硅材料中的电子吸收，激发电子从价带跃迁到导带。
三级标题：电荷分离和漂移当光子激发的电子跃迁到导带后，形成了电子空穴对。
由于P-N结形成的电势差，电子和空穴被分离。
电子被N型硅层吸收，而空穴则被P型硅层吸收。
这导致在晶体硅中形成正负电荷分离的电场。
三级标题：电流产生由于电荷分离和漂移的过程，形成了P-N结两侧的正负电荷分布。
这导致了电子从晶体硅底部的金属电极流向顶部的金属电极，形成了电流。
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。
晶硅单结电池-概述说明以及解释
晶硅单结电池-概述说明以及解释1.引言1.1 概述晶硅单结电池是一种基于晶体硅材料制造的太阳能电池，它利用光的能量转化为电能。
晶硅单结电池具有高效转化太阳能的特点，被广泛应用于太阳能发电系统中。
晶硅单结电池的工作原理基于光电效应。
当光线照射到晶硅单结电池的表面时，光子会激发晶体硅中的电子。
这些被激发的电子会从材料中释放出来，并在电场的作用下形成电流。
通过将两个不同掺杂的硅层连接在一起，形成一个p-n结。
当光子通过p-n结时，会产生电子和空穴对，并形成电流。
这样，晶硅单结电池就能将太阳能转化为电能。
制备晶硅单结电池的方法具有一定的复杂性。
首先，需要选择高质量的硅材料作为基底。
然后，通过在硅基底上加热和涂覆一层掺杂层，形成p-n结。
接下来，使用电子束蒸发或物理气相沉积等技术，在硅基底上镀上金属电极，以提供电流的输出通路。
最后，通过对制备好的晶硅单结电池进行分选和封装，保证其性能和稳定性。
晶硅单结电池在太阳能领域具有广泛的应用前景。
它可以作为光伏组件，广泛应用于屋顶太阳能发电系统、太阳能道路照明系统、太阳能灯饰等领域。
由于其高效能转换和长时间稳定工作的特点，晶硅单结电池也被用于航天器、卫星等领域的能源供应。
对于晶硅单结电池的展望，人们正在不断研究改进其制备工艺和提高其转换效率。
还有一些新型太阳能电池技术的出现，如多晶硅电池、钙钛矿太阳能电池等，对晶硅单结电池提出了一些竞争。
然而，晶硅单结电池作为已经商业化和应用广泛的太阳能电池技术，预计仍将持续发展和完善，为人类的清洁能源需求做出更大贡献。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：2. 文章结构本文共分为三个部分，即引言、正文和结论。
2.1 引言部分介绍了本文要讨论的主题——晶硅单结电池，并包含了概述、文章结构和目的三个小节。
2.2 正文部分着重介绍了晶硅单结电池的原理和制备方法，通过对其原理进行深入剖析和对制备方法进行介绍，使读者对晶硅单结电池有一个全面的了解。
晶体硅太阳能电池的工作原理的其他解释
晶体硅太阳能电池的工作原理的其他解释晶体硅太阳能电池是一种常见且广泛使用的光伏设备，其工作原理基于光电效应和半导体物理原理。
通过深入探讨晶体硅太阳能电池的工作原理，我们可以更好地理解它在转换太阳能为电能的过程中的关键步骤和原理。
1. 光电效应：晶体硅太阳能电池的工作原理首先涉及光电效应。
光电效应是指当光子碰撞到某些材料表面时，能量可被传递给材料中的电子，使其脱离原子成为自由电子。
在晶体硅太阳能电池中，硅材料中的原子可以通过光电效应释放出电子。
2. pn结构：为了实现有效的电子抽取和流动，晶体硅太阳能电池采用了pn结构。
pn结构是指半导体材料中有两个区域：n区和p区，它们具有不同的电子导电性质。
在晶体硅太阳能电池中，n区被掺杂有杂质，使其具有过剩的电子，而p区被掺杂有杂质，使其具有过剩的空穴（电荷缺失）。
这种构造使得在pn结的界面上形成电场。
3. 光生电荷的产生：当太阳光照射到晶体硅太阳能电池的表面时，光子会与电池材料相互作用，并传递能量给材料中的电子。
这些能量足以克服能带间隙，使得电子从价带跃迁到导带中。
在导带中，电子和空穴被激发，形成了光生电荷对。
4. 电荷分离和漂移：光生电荷对的形成标志着工作原理中的一个关键步骤。
由于pn结的电场，电子和空穴将被分离到n区和p区。
电子和空穴在各自的区域中受到电场力的作用，向相对高浓度的杂质区域漂移。
这个电荷分离和漂移的过程是为了有效地分离正负电荷并产生电流。
5. 电流输出：经过电荷分离和漂移过程后，电子和空穴将一直向pn结的不同侧面漂移，最终汇集在电池的正负极上。
这样，产生了一个电流，可以通过连接电池的电路来提供电能。
对于晶体硅太阳能电池的工作原理，我认为有几个观点和理解值得关注：光电效应是实现太阳能转化的核心过程，它使得光子的能量可以转化为电子的能量。
深入理解光电效应有助于我们明白为什么只有特定波长的太阳光才能被晶体硅太阳能电池吸收，并促使我们思考如何利用更广泛的光谱范围来提高电池的效率。
晶体硅太阳能电池结构及原理
晶体硅太阳能电池结构及原理1.衬底层：通常采用硅衬底，它是一个薄而坚固的基底，用于支撑整个电池。
2.P-N结：位于衬底层上方的是一个P-N结，它由P型硅层和N型硅层组成。
P型硅层向上注入杂质，使之成为P型半导体，N型硅层向下注入杂质，使之成为N型半导体。
P-N结的形成是通过在硅层中引入不同杂质原子，使得两侧形成不同的杂质浓度，从而形成P-N结。
3.金属网格：位于P型硅层和N型硅层之间的金属网格，通常采用铝作为材料。
金属网格的作用是收集通过P-N结产生的电子和空穴。
4.导电层：覆盖在金属网格上方的是导电层，它通常由透明的氧化锡或氧化铟锡薄膜组成，用于将电流导出。
5.防反射层：位于导电层上方的是防反射层，它通常由二氧化硅薄膜或其他适当的材料制成，用于提高光的吸收效率。
1.吸收光能：当光线照射到晶体硅太阳能电池上时，大部分光线将被引导进入P-N结内部，与P型硅层和N型硅层的杂质原子相互作用。
光能会使杂质原子中的电子被激发，跃迁到更高的能级上，形成自由电子和自由空穴。
2.分离电荷：自由电子和自由空穴会在P-N结内部被分离出来。
由于P型硅层中的杂质原子的排列方式，自由电子将被吸引到N型硅层，并向金属网格中流动，而自由空穴则被吸引到P型硅层，并向另一面流动。
3.电流输出：自由电子和自由空穴的运动形成了电流，这个电流可以通过金属网格和导电层导出。
通过在金属网格和导电层上连接线路，可以将电流输出到外部设备或储存电池中。
总之，晶体硅太阳能电池利用光的能量将其转化为电能。
通过P-N结的形成和光的吸收、电子和空穴的分离，最终形成电流输出。
这种电池结构简单、稳定，且具有较高的转化效率，因此被广泛应用于太阳能发电系统中。
晶体硅太阳能电池资料
晶体硅太阳能电池专业班级：机械设计制造及其自动化13秋*名：***学号： *************报告时间： 2015年12月晶体硅太阳能电池摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，能源己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。
人们开始急切地寻找其他的能源物质，而光能、风能、海洋能以及生物质能这些可再生能源无疑越来越受到人们的关注。
光伏技术也便随之形成并快速地发展了起来，因此近年来，光伏市场也得到了快速发展并取得可喜的成就。
本文主要就晶体硅太阳能电池发电原理及关键材料进行介绍，并对晶体硅太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。
关键词：太阳能电池；工作原理；晶体硅；特点；发展趋势前言“开发太阳能，造福全人类”人类这一美好的愿景随着硅材料技术、半导体工业装备制造技术以及光伏电池关键制造工艺技术的不断获得突破而离我们的现实生活越来越近！近20年来，光伏科学家与光伏电池制造工艺技术人员的研究成果已经使太阳能光伏发电成本从最初的几美元/KWh减少到低于20美分/KWh。
而这一趋势通过研发更新的工艺技术、开发更先进的配套装备、更廉价的光伏电子材料以及新型高效太阳能电池结构，太阳能光伏（PV）发电成本将会进一步降低，到本世纪中叶将降至4美分/KWh，优于传统的发电费用。
大面积、薄片化、高效率以及高自动化集约生产将是光伏硅电池工业的发展趋势。
通过降低峰瓦电池的硅材料成本，通过提升光电转换效率与延长其使用寿命来降低单位电池的发电成本，通过集约化生产节约人力资源降低单位电池制造成本，通过合理的机制建立优秀的技术团队、避免人才的不合理流动、充分保证技术上的持续创新是未来光伏企业发展的核心竞争力所在！一、晶体硅太阳能电池工作原理太阳能电池是一种把光能转换成电能的能量转换器，太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。
在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目相等。
如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，就构成了P型半导体，如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，就构成了N型半导体。
晶体硅太阳能电池基本原理课件
05 晶体硅太阳能电池的制造 工艺
硅片的制备
硅片是晶体硅太阳能电池的基础材料，其质量对电池性能有着至关重要的影响。
硅片的制备通常采用多晶硅作为原料，通过一系列的物理或化学方法，如机械切割、研磨、 抛光等，得到具有特定厚度和表面质量的硅片。
硅片的厚度和表面粗糙度对太阳能电池的光吸收和电性能具有重要影响，因此制备过程中需 严格控制相关参数。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
03 晶体硅太阳能电池的材料 与结构
单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池是以高纯度的单晶硅棒为原料，经过切割 、研磨、腐蚀、抛光、清洗、烘烤等工序后制成。其结构通 常包括导电电极、P型硅片、N型硅片、PN结等部分。
单晶硅太阳能电池的效率较高，技术成熟，是目前应用最广 泛的太阳能电池之一。
多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池是以多晶硅材料为原料，经过铸锭、切片、清洗、制绒、扩散 、减反射膜制备、金属化等工序后制成。其结构与单晶硅太阳能电池类似，但多 晶硅材料内部晶粒大小和分布不均匀，导致其光电转换效率相对较低。
多晶硅太阳能电池成本较低，适合大规模生产，因此在光伏发电领域应用广泛。
薄膜硅太阳能电池
薄膜硅太阳能电池具有成本低、重量轻、可弯曲等特 点，因此在便携式设备、建筑一体化等领域具有广阔 的应用前景。
02 晶体硅太阳能电池的工作 原理
光吸收原理
晶体硅太阳能电池通过光吸收原理将太阳光转化为电能。当太阳光照射到电池表面 时，光子能量激发硅原子中的电子，产生光生载流子。
光吸收系数与入射光的波长有关，不同波长的光子具有不同的能量，能够激发不同 能级的电子。
光吸收系数随着硅材料中掺杂浓度的增加而减小，因此高掺杂浓度的硅材料具有更 好的光吸收性能。
晶体硅太阳能电池结构及原理
射层的原因是由于硅材料在可见光到红外线波段400～1100nm的区域
内有相对于空气较大的折射率3.5～6.0.也就是说，在可见光区域有接
近50%，红外线区域内有30%的反射损失。在三层物质的界面的电磁
波反射系数R为：
R=
2 −0 .
2
2 +0 . 2
18
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
比(111) 面快。
（100）硅片的各向异性腐蚀导致在表面产生许多密布的表面为
（111）面的四面方锥体。形成绒面的硅表面。
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
可通过不同途径实现表面织
构化：晶体硅可通过腐蚀晶
面的刃面来实现织构化
如果晶体硅表面是沿内部原
子排列的，则织构化表面类
似金字塔。商业单晶硅电池
常用的手段。
21
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
电极图形设计：设计原则是使电池的输出最大。要兼顾两个方面：
使电池的串联电阻尽可能小，电池的光照作用面积尽可能大。
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
1.
电极材料的选择
(1) 能与 硅形成牢固的接触;
(2) 这种接触应是欧姆接触，接触电阻小；
(3) 有优良的导电性；
（n=2.3）、Al2O3（n=1.86）、SiO2（n=1.44）
19
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
单晶硅太阳能电池在不同入射角与不同防反射材质条件下的光反射率：
20
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
上电极
上电极的作用是将移动至表面的电子/空穴取出，以形成外部电流，
提供给外部负载。由于电极与硅材料接触，为了降低串联电阻，电极
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。
晶体硅太阳能电池技术发展方向
气、废水和固体废物的排放和处理。
THANKS
感谢观看
半导体特性
晶体硅具有半导体特性， 能够吸收太阳光并产生光 生电流。
稳定性
晶体硅材料具有较高的热 稳定性和化学稳定性，能 够在各种环境条件下保持 性能。
太阳能电池工作原理
光吸收
太阳光照射到晶体硅表面， 能量被吸收并产生电子-空 穴对。
光电效应
电子-空穴对在电场的作用 下分离，形成光生电流。
载流子收集
晶体硅太阳能电池技术发展 方向
• 引言 • 晶体硅太阳能电池技术原理 • 技术发展方向 • 新型晶体硅太阳能电池技术
• 技术发展面临的挑战与解决方案 • 未来展望
01
引言
背景介绍
全球能源危机
随着化石能源的逐渐枯竭，全球正面临着能源危机，需要寻找可持续、可再生 的能源解决方案。
太阳能利用
太阳能在全球范围内具有巨大的潜力，是一种清洁、可再生的能源。晶体硅太 阳能电池作为目前技术最成熟、应用最广泛的太阳能电池，具有较高的光电转 换效率。
多结太阳能电池
总结词
通过在单片硅片上集成多个结，多结太阳能电池能够吸收多个光谱段的光，从而 提高光电转换效率。
详细描述
多结太阳能电池采用多级结构，利用不同材料和工艺实现多个能级的光电转换。 这种技术可以充分利用太阳光谱，提高电池的光电转换效率，降低成本。
异质结太阳能电池
总结词
异质结太阳能电池利用不同材料的特性，在硅片上形成高低 结，从而增加光吸收并提高光电转换效率。
降低制造成本
降低硅片成本
通过改进硅片制造工艺，降低硅 片成本，从而降低整个太阳能电
池的制造成本。
优化生产流程
优化晶体硅太阳能电池的生产流程， 提高生产效率，降低生产成本。
晶体硅太阳能电池工作原理
晶体硅太阳能电池工作原理一、引言太阳能电池作为一种新型的绿色能源，具有无污染、可再生、寿命长等优点，在全球范围内得到了广泛的应用和推广。
其中晶体硅太阳能电池是目前最常见的一种，本文将详细介绍晶体硅太阳能电池的工作原理。
二、晶体硅太阳能电池的结构晶体硅太阳能电池主要由p型硅和n型硅两个半导体材料组成。
p型硅中掺入了少量的三价元素（如铝、镓等），使其带正电荷，称为空穴（hole）；n型硅中掺入了少量的五价元素（如磷、砷等），使其带负电荷，称为自由电子（free electron）。
两者相遇时会形成pn结，即p-n结。
三、光生载流子产生当光线照射在p-n结上时，光子会被吸收并激发出一个电子和一个空穴。
这个过程称为光生载流子产生。
激发出来的自由电子会向n区移动，而激发出来的空穴则会向p区移动。
四、内建电场产生当电子和空穴分别向p区和n区移动时，它们会与原有的载流子相遇并发生复合。
这个过程中，电子会填补空穴的位置，并释放出能量。
这些能量最终会被转化为内建电场。
五、光电流产生内建电场可以促使自由电子向p区移动，同时也可以促使空穴向n区移动。
这样就形成了一个光生载流子的漂移运动。
当外部连接导线时，漂移运动中的自由电子和空穴就会通过导线流回到p-n结上，形成一个光电流。
六、总结晶体硅太阳能电池的工作原理是基于光生载流子产生、内建电场产生和光电流产生三个基本过程。
当太阳光照射在p-n结上时，激发出来的自由电子和空穴分别向n区和p区移动，并在两者相遇处形成内建电场。
这个内建电场可以促使光生载流子发生漂移运动，并最终形成一个光电流输出。
太阳能电池材料-晶体硅
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。
感谢您的观看
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
单晶硅工作原理
单晶硅工作原理
单晶硅是一种半导体材料，被广泛应用于太阳能电池等光电器件中。
其工作原理主要涉及以下几个方面：
1. 光电效应：单晶硅的基本工作原理是利用光电效应将光能转化为电能。
当光线照射到单晶硅上时，光子会撞击硅晶体中的原子，使得部分电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。
电子会沿着外电路流动，形成电流。
2. pn结：为了提高太阳能电池的效率，单晶硅常常与含有两种不同掺杂的硅晶体组成的pn结相结合。
其中，p区域富含电子，n区域富含空穴。
在电场的作用下，电子和空穴会发生扩散，从而达到空间电荷层的平衡。
3. 光吸收：当光线照射到太阳能电池上时，其中的光子能量会被吸收，使得能级的电子跃迁到导带，形成电流。
单晶硅具有较高的吸收系数，可以吸收较大范围内的光谱，使得太阳能电池对光的利用率较高。
4. 结构设计：为了提高太阳能电池的效率，单晶硅的结构设计非常重要。
常见的太阳能电池结构包括正方形棒型结构、薄膜结构等。
这些结构可以提高太阳光的吸收和电子收集效率。
综上所述，单晶硅太阳能电池的工作原理基于光电效应，利用光的能量将光子转化为电子，进而产生电流。
通过结构设计和pn结的应用，可以提高太阳能电池的效率。
太阳能电池发电原理
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。
晶体硅包括单晶硅和多晶硅，晶体硅的制备方法大致是先用碳还原SiO2成为Si，用HCl反应再提纯获得更高纯度多晶硅，单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
硅的单晶体。
具有基本完整的点阵结构的晶体。
不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。
纯度要求达到99.9999％，甚至达到99.％以上。
用于制造半导体器件、太阳能电池等。
用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。
熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。
单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。
超纯的单晶硅是本征半导体。
在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。
单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
单晶硅主要用于制作半导体元件。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在 AM1.5 大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电 流为 46mA/cm2 。实验室测得的数据已经达到 42mA/cm2 ，而商 业用太阳能电池的短路电流在28到35mA/cm2之间。
confidential
开路电压 VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流 为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏 压。开路电压如下图伏安曲线所示。
confidential
ΔE n=3 n=2
禁带
N条能级 原子能级 能带
confidential
满带：排满电子的能带 空带：未排电子的能带 未满带：排了电子但未排满的能带 禁带：不能排电子的区域 [1]满带不导电 [2]未满能带才有导电性 导带：最高的满带 价带：最低的空带 电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子， 空穴和电子都参与导电成为载流子
confidential
填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路 VOC和ISC的乘积的 比值。 短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大 电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为 零。“填充因子”，通常使用它的简写“ FF”，是由开路电压
VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了太阳能电池的输出
confidential
导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体 定向流动形成电流。 绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量 ，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有 一个较宽的禁带（Eg 约3～6 eV），共有化电子很难从低能级（ 满带）跃迁到高能级（空带）上去。 半导体：的能带结构,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄 （Eg 约3 eV以下 )。
+4
+4
+4
空穴
+4
+4
B
负离子
confidential
3.2.5
PN结
半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。
载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动. 在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差， 载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种 运动称为扩散运动。
将一块半导体的一侧掺杂成 P 型半导体，另一侧掺杂成 N
太阳能电池的伏安曲线
M
Im
电池产生 的电能
0
confidential
vm
最大功率点
Pm = IUm = Pmax
M点为改太阳电池的最佳工作点
太阳能电池的伏安曲线
M
Im
电池产生 的电能
0
confidential
vm
短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流（或者 说电池被短路时的电流）。通常记作ISC。 短路电流源于光生载流子的产生和收集。对于电阻阻抗最小的 理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电 流是电池能输出的最大电流。
合金：GaxAl1-xAs(x为0-1之间的任意数)
有机半导体 confidential
+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 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
+4
+4
+4
+4
+4
confidential
3.3.1
confidential
3.3.2
太阳电池等效电路
晶体硅太阳电池的等效电路
Rse表示来自电极接触、基体材料等欧姆损耗的串联电阻 Rsh表示来自泄漏电流的旁路电阻 RL表示负载电阻 ID表示二极管电流 confidential IL表示光生电流
根据等效电路
V + IRse IL = I + ID + Rsh
+4
+4
+4
电子是多数载流子，简 称多子; 空穴是少数载流子，简 称少子。 施主杂质 半导体整体呈电中性
多出一 个电子
+4
+4
+4
出现了一个 正离子
+4
+4
confidential
P
掺入少量三价杂质元素硼
+4
+4
+4
空穴是多数载流子， 简称多子; 电子是少数载流子， 简称少子。 受主杂质 半导体整体呈电中性
第三章
晶体硅太阳能电池的基本原理
3.1 太阳电池的分类
按基体材料分 单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 1. 硅太阳电池 非晶硅太阳电池 微晶硅太阳电池 砷化镓太阳能电池 2. 化合物太阳电池 碲化镉太阳能电池 铜铟镓硒太阳能电池
confidential
3.2 太阳电池的分类工作原理
3.2.1 半导体 太阳电池基本构造：半导体的PN结 导体：铜（106/(Ω· cm)） 绝缘体: 石英（SiO2(10-16/(Ω· cm))） 半导体: 10-4——104/(Ω· cm) 元素：硅（SiO2）、锗（Ge）、硒（Se）等 化合物：硫化镉（CdS）、砷化镓（GaAs）等 半导体
confidential
3.2.7
太阳电池的基本工作原理
光电转换的物理过程： （1）光子被吸收，使PN结的P侧和N侧两边产生电子-空穴对 （2）在离开PN结一个扩散长度以内产生的电子和空穴通过扩散到达空 间电荷区 （ 3 ）电子 - 空穴对被电场分离， P 侧的电子从高电位滑落至 N 侧，空穴 沿着相反的方向移动 （4）若PN结开路，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压
qV nkT I D = I0 e - 1
将p-n结二极管电流方程
+ IRse ) q(VnkT V + IRse - 1 代入上式的输出电流 I = I L - I0 e Rsh
式中q 为电子电量， k 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度， n为二极管质量因子。
confidential
17
②
内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移
空间电荷区变窄 内电场EIN削弱 空间电荷区加宽内 电场EIN增强 阻止 促使
多子扩散
少子漂移
扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结
EIN
EIN
confidential
3.2.6
光生伏特效应
当光照射p-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激 发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电 场运动，电子逆着电场运动，最后在 n 区边界积累光生电子，在 p 区边 界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在p区 和 n 区之间产生了光生电压 UOC ，这就是 p-n 结的光生伏特效应。只要光 照不停止，这个光生电压将永远存在。
开路电压是太阳能电池的 最大电压，即净电流为零 时的电压。
confidential
通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程：
VOC
nkT I L ln 1 q I0
上述方程显示了 VOC 取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。 由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数 量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流 I0 主要取决于电池 的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。 实验室测得的硅太阳能电池在 AM1.5光谱下的最大开路电压能 达到720mV，而商业用太阳能电池通常为600mV。
confidential
3.3.4
影响太阳电池转换效率的因素
1. 禁带宽度 VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，ISC随Eg的增大而减小。结果 是可期望在某一个确定的Eg随处出现太阳电池效率的峰值。
2. 温度
随温度的增加，效率 η 下降。 ISC 对温度 T 不很敏感，温度主要对 VOC起作用。 对于Si，温度每增加10C，VOC下降室温值的0.4%，也因而降低约同 样的百分数。例如，一个硅电池在 200C时的效率为20%，当温度升 到 1200C 时，效率仅为 12 ％。又如 GaAs 电池，温度每升高 10C ， VOC 降低1.7mv 或降低0.2%。
confidential
导带 导带 Eg 价带 部分 填充 能带 价带 最高的满带 最低的空带
满带
导体
半导体
confidential
绝缘体
3.2.3
1
杂质半导体
本征半导体
无杂质，无缺陷的半导体 本证载流子：电子、空穴均参与导电
本征半导体中正负载流子数目相等，数目很少
2 掺杂半导体
在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成 的半导体
confidential
3.2.8
晶硅太阳电池的结构
confidential
confidential
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。
confidential
N型半导体 根据掺杂的不同，杂质半导体分为 P型半导体
N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体
P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。
confidential
ED 空带
空带
施主能级
Eg
受主能级
Eg
满带
满带
Ea
confidential