非晶硅薄膜太阳能电池基础知识

4）转换效率η 表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即： η =（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100% = (Vm•Im/Pin•S)×100% = Voc•Isc•FF/Pin • S 其中，Pin是入射光的强度，S为太阳能电池的面积。
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左图为有光照时典型的伏安特 性曲线。
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非晶硅太阳能电池的基本特性
1）开路电压Voc 在p-n结开路情况下（R=∞），此时pn结两端的电压即为开路 电压Voc。这时，I=0，即：IL=IF。将I=0代入光电池的电流电压 方程，得开路电压为： Voc＝ (kT/q)×ln(IL/Is+1) 2）短路电流Isc 如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的电流为短路电 流Isc。显然，短路电流等于光生电流， 即：Isc = IL 3）最大功率Pｍ 在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所 对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作 点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vｍ和最佳工作电流 Iｍ。 即：Pｍ＝Iｍ×Vｍ
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非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理
3）PN结的特性
正向导通：
向PN结施加正向偏压时，外加电压削弱 了内建电场，有利于扩散运动，不利于漂移 运动。耗尽层变小，等效电阻小。 反向关闭：
正向偏压
向PN结施加反向偏压时，外加电压加强 了内建电场，不利于扩散运动，有利于漂移 运动。耗尽层变大，等效电阻大。
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非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理
2）PN结的形成
P型半导体和N型半导体结合在一 起后，P区的空穴向N区扩散；N区的 自由电子向P区扩散。这使得两者都 无法保持电中性，P区一侧带负电，N 区一侧带正电。从而形成一电场，称 为内建电场。
内建电场由N区指向P区。在内建 电场的作用下，空穴从N区向P区漂移， 电子从P区向N区漂移，与扩散方向相 反。 当电子－空穴的扩散速率与漂移 速率相等时，扩散与漂移达成一动态 平衡，此条件下的PN结，称为平衡PN 结，此时P区与N区的电压差称为PN结 的内建电压差。
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非晶硅太阳能电池的基本特性
2、太阳能电池的电流电压特性
根据PN结整流方程，在一定的 入射光下，通过外接负载的电流是：
I=IF-IL=IS[EXP(qV/kT)-1]-IL
输出电流随着负载的增大而减 小，输出电压随着外接负载的增大 而增大。
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非晶硅太阳能电池的基本特性
二、非晶硅薄膜太阳能电池的基本特性
1、非晶硅电池的结构
典型非晶硅电池结构：TCO/ｐ/ｉｎ/Alfilm 采用激光刻线分割子电池 工作原理：太阳光透过TCO被非晶硅ｐ/ｉ/ｎ三层吸收，ｉ层吸收光后电 子跃迁产生大量的空穴-电子对，ｐｎ层间产生光生电动势，ｉ层的空穴电子对在ｐｎ层间的内建电池作用下迁移运动，并由正极TCO和负极Al膜 导出构成回路，此过程即非晶硅太阳能电池发电。
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非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理
2、PN结
PN结的重要作用在于具有一个内建电场所对应的势垒区，可 分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在p区内积累了非平衡 空穴，而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建 电场相反的光生电场，于是在p区和n区间建立了光生电动势（或 称光生电压）。
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非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理
3、太阳能电池发电
太阳能电池能产生电能，需具备两个条件： 1、光吸收 半导体材料对一定波长的入射 光有足够大的光吸收系数α，即要求 入射光子的能量hν大于或等于半导 体材料的带隙Eg，使该入射光子能 被半导体吸收而激发出光生非平衡 的电子空穴对。 左图为一些材料的光吸收系数。
非晶硅太阳能电池的基本特性
３、非晶硅电池的等效电路
1）等效电路图
1）电流源
2）二极管
非晶硅等效电路
3）串联电阻Rs 4）并联电阻
集成等效电路
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非晶硅太阳能电池的基本特性
2）Rs与Rsh • 串联电阻Rs是太阳电池的接触电阻，电极的体电阻，半导体本身就是电阻 引起的。 • 并联电阻，Rsh由于制造工艺上的原因，如针孔或激光未刻断等造成漏电， 相当于和二极管并联一个电阻。 ②Rsn的影响 Rsh1＜Rsh2 “RS=0” a.Isc不变 b.FF1 ＜FF2 c.Voc1＜Voc2 d.Rsh减小，最大输出功率Pm,效率η减小 ③Rs影响 Rs1＜Rs2＜Rs3 “ Rsh=∞ a.Voc不变 b.Isc3＜Isc2＜Isc1,Rs增加，Isc下降 c.FF3＜FF2＜FF1 Rs增加 填充因数下降 d.由于Rs增加， 使最大输出功率Pm及转换效率η下降。
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非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景
2）、多晶硅
单晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些 材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中己超二分之 一，加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片， 组成太阳能组件平面利用率低。因此，80年代以来，欧美一些国 家投入了多晶硅太阳电池的研制。目前太阳电池使用的多晶硅材 料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶 金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为100～300 欧姆•厘米的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1：5的氢氟酸 和硝酸混合液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并 烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放人浇铸炉， 在真空状态中加热熔化。熔化后应保温约20分钟，然后注入石墨 铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立 方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材质利用率和方 便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多， 其光电转换效率约12％左右，稍低于单晶硅太阳电池，但是材料 制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。 随着技术得提高，目前多晶硅的转换效率也可以达到14%左右。
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非晶硅太阳能电池的基本特性
3）填充因子FF 填充因子定义为： FF =VｍIｍ/VocIsc= Pm/VocIsc 它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc所组成 的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较 大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc一定时，FF越大，输 出功率越大。
PN结具有单向导电性和整流作用。
反Hale Waihona Puke Baidu偏压
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2、光伏效应
• 光照半导体吸收一个能量大于Eg的光子，使产生一个电子--空穴 对，如果电子空穴对有足够的寿命，则在P区产生的电子，扩散到 势垒区边界，然后势垒区内电场的作用下，拉到过势垒区后被势 垒区内的自建电场拉过势垒区，积累在边界A，因此形成一个电压， 此电场的电压，用Vｏｃ表示，称为光生电压，这就是所谓“光伏 效应”。
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2、非晶硅 单结 多结（双结、多结） 柔性 优点：低成本、可大面积自动化生产、高温性好、弱光响应好、可镀 在不同介质表面 缺点：转化效率相对较低，批量生产6%-10%，实验室可达13%左右， 衰 减（SW效应，si-si弱键,si-h弱键） 3、微晶硅 介于晶体和非晶之间，双结电池也有作成一结使用非晶硅另一结使 用微晶，吸收光谱不同，效率更高。 4、化合物 铜铟錫、砷化镓等
非晶硅薄膜太阳能电池基础知识
北京中锦阳电子科技有限公司
2009年11月03日
目录
1. 非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景 2非晶硅电池的基本原理及特性 3. 非晶硅薄膜太阳能电池的应用
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非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景
第一章 非晶硅薄膜太阳能电池的行业前景
一、发展背景
• 能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战，开发新能源和可再生清洁 能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。据世界能源委员会和国际应 用系统分析研究所预测，全球化石燃料不足100年，而且，由于燃烧化石 燃料的CO2等气体随能耗指数增加，已严重破坏了生态平衡。造成了诸如 温室效应，酸雨等一系列问题。寻求一种可再生，无污染的清洁能源成为 了一项迫切任务。太阳能电池正是在这种形势下发展起来的。
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非晶硅太阳能电池的基本特性
4、环境影响因素
1）辐照度 • 辐照度越大，电流越大。当辐照度大于500W/ｍ2，辐照度与短路 电流呈良好的线性关系。 • 辐照度越大，电压越大。但电压随辐照度的变化较小，测试标准 AM1.5,光强1000 W/ｍ2 2）温度 • 温度升高，电流增大，电压降低，呈现出功率下降,测试标准温度 25 ℃ • 非晶硅太阳能电池的温度系数一般为 电压温度系数：-0.33%/℃，电流温度系数：0.09%/℃, 输出功 率温度系数：-0.23%/℃ 3）光谱 不同的电池对各波长的光吸收系数不一样.
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三、太阳能电池分类
1、晶体硅
1、）单晶硅 单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构成和生产工艺 已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳电池以高纯的单 晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。为了降低生产成本，现在地面应用的 太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可 使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池 专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过成 形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳电池片，首先 要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石 英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成P/FONT>N结。然后采 用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成 背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表 面反射掉，至此，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检 验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和 并联的方法构成一定的输出电压和电流，最后用框架和封装材料进行封装。 用户根据系统设计，可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵， 亦称太阳电池阵列。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15％左右，实 验室成果也有20％以上的。用于宇宙空间站的还有高达50%以上的太阳能 电池板。
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二、不同新型能源的优缺点
1）原子能发电 未来应用的主要技术，需解决安全性、选点唯一性 2）核聚变 二十一世纪采用的技术，需解决安全性，选点难 3）地热发电 资源位于局部地区，难于选环境地 4）风力发电 可靠性差 5）海水发电 效率低、成本高 6）氢 能 需要觖决安全性，输送方法等问题 7）太阳能光发电的优缺点： 优点：a、无机械部分，无危害 b、易在需要的地方发电，无输电线， c、 利用静区发电，d、易于维修，可实现自动化，无人化 e、寿命半永久性f、制作材料易得，地壳中26.3%的Si元素仅次于O元素 缺点：a、只能在光照时发电 b、大功率电力需要大面积 c、 目前发电成本昂贵，这也是太阳能发电的实际应用受到限制的主要原因
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非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理
第二章 非晶硅太阳能电池的基本原理及特性
一、非晶硅太阳能工作原理
1、PN结 1）基本概念 半导体： 导电性能介于导体与绝缘体之间的一类物质。 靠电子－空穴对传导电流。大多数半导体由硅和锗组成。 本征半导体： 纯净的、不含其他杂质的半导体。 自由电子与空穴浓度相等。 P型半导体： 在半导体中掺杂低价态物质。（如＋4价硅中掺＋3价硼） 空穴浓度远大于电子浓度。 N型半导体： 在半导体中掺杂高价态物质。（如＋4价硅中掺＋5价磷） 自由电子浓度远大于空穴浓度。