太阳能电池材料ppt课件
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单晶硅太阳能电池制造工程由 电池片工程和模板工程组成。
?电池片工程大致可分为如下 三部分：
从原材料制造单晶硅棒。 将单晶硅棒切断，加工成半圆片 状。 片形。成pn结、加入电极，制成电池
生产工艺： 导电玻璃
单晶硅太阳能电池
膜切割
清洗
检测
镀铝电极
沉积PN结
老化
检测 封装
成品检测
多晶硅太阳能电池
(2)多晶硅太阳能电池(Polycrystaline-Si)
太阳能电池发展历史
? 1893年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”，即“光 伏效应”。
? 1954年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的 单晶太阳能电池，效率为6%。 同年，韦克尔首次发现了砷化 镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄 膜太阳能电池。
? 1958年 太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星 电源。
图1.6 PN结的形成
P型半导体
＋
＋
＋ ＋
＋
＋＋
＋
＋－ ＋－ ＋－
n型半导体
－ －
－
－ －－－ －
V
当太阳光入射到太阳电池表面上后,所吸收得能量大于禁带 宽度，在p-n结中产生电子-空穴对，在p-n结内建电场作用下， 空穴向p区移动，电子向n区移动，从而在p区形成空穴积累，在 n区形成电子积累。若电路闭合，形成电流。
图1.4 P型半导体共价键结构
3. PN结的形成
多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图 1.5所示。
图1.5 P型和N型半导体交界处载流子的扩散
由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的 结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧 形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层 为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.6所示。
太阳能电池
太阳能电池的分类 （按基体材料分 ）
硅太阳能电池
结晶系太阳能电池 非晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池
无机化合物太阳能电池 有机化合物太阳能电池
单晶化合物太阳能电池 多晶化合物太阳能电池
太阳能电池的分类
? 第一代：单晶硅和多晶硅两种
单晶硅电池转换效率最高，但生产成本高。
? 第二代：薄膜太阳能电池
本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相 同。图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对。
图1.2 本征激发产生电子空穴对
2 杂质半导体
在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显 著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两 类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。
? N型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如
太阳能电池基本原理
1 本征半导体
完全纯净的、结构完整的半导体材料 称为本征半导体。
? 本征半导体的原子结构及共价键
共价键内的两个电子由相邻的原子各 用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1 所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。
图1.1 硅和锗的原子结构和共价键结构
? 本征激发和两种载流子
温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。 束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留 有一个空位，称此空位为空穴。
非晶硅(又称? -Si)太阳能电池一 般是用高频辉光放电等方法使硅烷(Si H )气体分解沉积而成的。非晶硅的禁 带4宽度为1.7eV，通过掺硼或掺磷可得 到P型? -Si或N型? -Si。
非晶硅中由于原子排列缺少结晶 硅中的规则性，缺陷多，因此单纯的 非晶硅P-N结中，隧道电流往往占主 导地位，使其呈现无整流特性，不能 制作太阳能电池。
基于薄膜技术基础之上，主要采用非晶硅及氧化物等为 材料。效率比第一代低，但生产成本最低。
? 第三代：化合物薄膜太阳能电池（铜铟硒 （CIS））等及薄膜 Si系太阳能电池。
转化效率高，低成本，存在潜在庞大的经济效应。
硅太阳能电池 ——（按基体材料分 ）
(1)单晶硅太阳能电池 (Single C rystaline-Si)
微晶硅太阳能电池
(4)微晶硅(μc-Si)太阳能电池 非晶硅对红外区域太阳辐射不
敏感，本身具有光致衰退效应，稳 定性不好，在非晶硅薄膜基础上经 退火处理得到微晶硅薄膜太阳能电 池，稳定性和光转换效率得到提高。 （禁带宽度接近单晶硅，为1.12e V）。
磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。
N型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴 为少数载流子（少子）。N型半导体主要靠自由电子导电。
图1.3 N型半导体的共价键结构
? P型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，
如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。
P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电 子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。
wk.baidu.com
CxHy + O2
H2O + CO2 + SO2 + NOx
太阳能电池发展背景
太阳能的优点
? 资源丰富
? 40分钟照射地球辐射的能量 ＝全球人类一年的能量需求
? 洁净能源
?与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”， 也不会造成环境污染
? 使用方便 ?同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用 成本低。
三种硅基太阳能电池性能分析
种类 单晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池
优势 转化效率最高，技术最为
成熟
转化效率较高
劣势
硅消耗量大，成本高，工艺 复杂
多晶硅生产工艺复杂，供应 受限制
转换效率 16%-20% 14%-16%
非晶硅薄膜太阳能 电池
成本低，可大规模生产
转换效率不高，光致衰退效 应
9%-13%
在制作多晶硅太阳能电池时，作为 原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化 后浇铸成正方形的硅锭，然后使用切割 机切成薄片，再加工成电池。
多晶硅薄膜是由许多大小不等和具 有不同晶面取向的小晶粒构成的。其晶 粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大 颗粒尺寸可达μm级。
(3)非晶硅太阳能电池(Amorphous-Si)
第五章 太阳能O电ut池lin材e 料
1 背景及发展历程
2
基本原理
3
电池应用
4
电池分类
5
发展前景
太阳能电池发展背景
能源枯竭 环境污染
石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。
每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。
?电池片工程大致可分为如下 三部分：
从原材料制造单晶硅棒。 将单晶硅棒切断，加工成半圆片 状。 片形。成pn结、加入电极，制成电池
生产工艺： 导电玻璃
单晶硅太阳能电池
膜切割
清洗
检测
镀铝电极
沉积PN结
老化
检测 封装
成品检测
多晶硅太阳能电池
(2)多晶硅太阳能电池(Polycrystaline-Si)
太阳能电池发展历史
? 1893年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”，即“光 伏效应”。
? 1954年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的 单晶太阳能电池，效率为6%。 同年，韦克尔首次发现了砷化 镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄 膜太阳能电池。
? 1958年 太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星 电源。
图1.6 PN结的形成
P型半导体
＋
＋
＋ ＋
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＋＋
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＋－ ＋－ ＋－
n型半导体
－ －
－
－ －－－ －
V
当太阳光入射到太阳电池表面上后,所吸收得能量大于禁带 宽度，在p-n结中产生电子-空穴对，在p-n结内建电场作用下， 空穴向p区移动，电子向n区移动，从而在p区形成空穴积累，在 n区形成电子积累。若电路闭合，形成电流。
图1.4 P型半导体共价键结构
3. PN结的形成
多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图 1.5所示。
图1.5 P型和N型半导体交界处载流子的扩散
由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的 结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧 形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层 为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.6所示。
太阳能电池
太阳能电池的分类 （按基体材料分 ）
硅太阳能电池
结晶系太阳能电池 非晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池
无机化合物太阳能电池 有机化合物太阳能电池
单晶化合物太阳能电池 多晶化合物太阳能电池
太阳能电池的分类
? 第一代：单晶硅和多晶硅两种
单晶硅电池转换效率最高，但生产成本高。
? 第二代：薄膜太阳能电池
本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相 同。图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对。
图1.2 本征激发产生电子空穴对
2 杂质半导体
在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显 著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两 类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。
? N型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如
太阳能电池基本原理
1 本征半导体
完全纯净的、结构完整的半导体材料 称为本征半导体。
? 本征半导体的原子结构及共价键
共价键内的两个电子由相邻的原子各 用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1 所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。
图1.1 硅和锗的原子结构和共价键结构
? 本征激发和两种载流子
温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。 束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留 有一个空位，称此空位为空穴。
非晶硅(又称? -Si)太阳能电池一 般是用高频辉光放电等方法使硅烷(Si H )气体分解沉积而成的。非晶硅的禁 带4宽度为1.7eV，通过掺硼或掺磷可得 到P型? -Si或N型? -Si。
非晶硅中由于原子排列缺少结晶 硅中的规则性，缺陷多，因此单纯的 非晶硅P-N结中，隧道电流往往占主 导地位，使其呈现无整流特性，不能 制作太阳能电池。
基于薄膜技术基础之上，主要采用非晶硅及氧化物等为 材料。效率比第一代低，但生产成本最低。
? 第三代：化合物薄膜太阳能电池（铜铟硒 （CIS））等及薄膜 Si系太阳能电池。
转化效率高，低成本，存在潜在庞大的经济效应。
硅太阳能电池 ——（按基体材料分 ）
(1)单晶硅太阳能电池 (Single C rystaline-Si)
微晶硅太阳能电池
(4)微晶硅(μc-Si)太阳能电池 非晶硅对红外区域太阳辐射不
敏感，本身具有光致衰退效应，稳 定性不好，在非晶硅薄膜基础上经 退火处理得到微晶硅薄膜太阳能电 池，稳定性和光转换效率得到提高。 （禁带宽度接近单晶硅，为1.12e V）。
磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。
N型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴 为少数载流子（少子）。N型半导体主要靠自由电子导电。
图1.3 N型半导体的共价键结构
? P型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，
如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。
P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电 子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。
wk.baidu.com
CxHy + O2
H2O + CO2 + SO2 + NOx
太阳能电池发展背景
太阳能的优点
? 资源丰富
? 40分钟照射地球辐射的能量 ＝全球人类一年的能量需求
? 洁净能源
?与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”， 也不会造成环境污染
? 使用方便 ?同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用 成本低。
三种硅基太阳能电池性能分析
种类 单晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池
优势 转化效率最高，技术最为
成熟
转化效率较高
劣势
硅消耗量大，成本高，工艺 复杂
多晶硅生产工艺复杂，供应 受限制
转换效率 16%-20% 14%-16%
非晶硅薄膜太阳能 电池
成本低，可大规模生产
转换效率不高，光致衰退效 应
9%-13%
在制作多晶硅太阳能电池时，作为 原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化 后浇铸成正方形的硅锭，然后使用切割 机切成薄片，再加工成电池。
多晶硅薄膜是由许多大小不等和具 有不同晶面取向的小晶粒构成的。其晶 粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大 颗粒尺寸可达μm级。
(3)非晶硅太阳能电池(Amorphous-Si)
第五章 太阳能O电ut池lin材e 料
1 背景及发展历程
2
基本原理
3
电池应用
4
电池分类
5
发展前景
太阳能电池发展背景
能源枯竭 环境污染
石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。
每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。