1、太阳能电池：基本理论与工艺太阳能电池：基本理论与工艺刘爱民 博士 教授锦州阳光能源有限公司&大连理工大学 电池效率决定于每一步，电池效率决定于每一步，你这一步就是决定因素！你这一步就是决定因素！2v工艺学习，讲述要 怎么做？v理论学习，讲述 为什么这么做？3太阳能电池：基本理论与工艺v半导体物理的基本概念（2 lectures）v太阳能电池理论、结构设计、工艺技术（2 lectures）v太阳能电池相关的光电特性分析（2 lectures）（以后再讲）v太阳能电池组件物理问题（2 lectures）太阳能电池板质量检测红外热成像系统 4半导体基本概念（一）缺陷 载流子寿命 扩散长度，影响扩散长
2、度的因素 载流子的传输（扩散与漂移）硅的晶体结构 电子与空穴 p型，n型，导带与价带 载流子51.1 硅的晶体结构6vSi原子最外层有四个电子：3s2 3p22s2pground state of C atomexcited state4 sp3 hybrid orbitalsthe foramtion of sp3 hybird orbitals硅原子基态3s 3p激发态Sp3杂化态Sp3杂化理论73s3pz3py3px杂化前杂化后8正四面体结构9共价键v半导体材料主要靠的是共价键结合。v共价键的特点：饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键；方向性：原子只能在特定方向上形成共价键。10共价
3、电子对11硅晶体：正四面体结构12从不同方向看晶体，原子堆积是不同的，所以不同的面具有不同的物理化学性质。化学腐蚀表现出择优腐蚀，用NaOH+H2O腐蚀，腐蚀后在硅片表面形成很多个（111）面组成的金字塔。13电池绒面制备14v硅的晶格常数：0.54 nmv单位cm3中，硅的原子数：5x1022/cm3v注：半导体中不用严格的MKS单位制15绝对温度与摄氏温度v什么是温度？温度是反映物体内部分子运动快慢的量。分子运动愈快,物体愈热,即温度愈高;分子运动愈慢,物体愈冷,即温度愈低。v绝对温度=摄氏温度+273.15 v室温下：25，300Kv绝对零度：所有原子分子绝对静止。（事实上不存在）161
4、.2 电子与空穴，导带与价带禁带宽度禁带宽度 Eg低温下，价键电子全部在价带。低温时，硅是绝缘体。低温下，价键电子全部在价带。低温时，硅是绝缘体。17随着温度的升高，共价键电子被激发，离开共价键位置，随着温度的升高，共价键电子被激发，离开共价键位置，成为自由电子，这样就可以导电了。成为自由电子，这样就可以导电了。空穴的迁移，也会产生空穴导电。空穴的迁移，也会产生空穴导电。禁带宽度禁带宽度 Eg怎样才能导电？怎样才能导电？18导带中的电子，价带中的空穴为什么硅可以吸收光？为什么硅可以吸收光？光激发可以打断共价键，产生自由电子；将价电子激发到导带。光激发可以打断共价键，产生自由电子；将价电子激发到
5、导带。硅的禁带宽度硅的禁带宽度1.1eV(1100nm),吸收可见红外光。吸收可见红外光。191.4 直接带隙、间接带隙20GaAs,Si,Ge 中本征载流子浓度与温度的关系硅，室温下 1.3x1010cm-31.5 本征半导体211.6 掺杂、n型和p型半导体III V22掺杂原子的电离能P导带价带共价电子电离能P是施主：电子是多数载流子 23AlAl是受主，空穴是多数载流子24掺杂半导体中载流子浓度v室温下：n 型半导体的电子浓度：n=ND，p型半导体的空穴浓度：p=NA 25v在半导体中 np=ni2 Si：ni=1.3x1010cm-3如果n=ND=1017cm-3，那么p=103cm
6、-3电子是多数载流子，空穴是少数载流子。这类半导体是n型半导体。P型半导体以此类推。26v如果既有施主又有受主：v如果是NDNA,n型半导体，n=ND-NAv如果是NAND,p型半导体，p=NA-NDv施主和受主杂质同时掺杂，会影响载流子迁移率，从而降低电导率。271.7 费米能级：表示电子空穴浓度的标尺281.7*允许能态的占有几率29费米能级，费米-迪拉克统计分布N(E)=g(E)f(E)对于洁净的半导体材料，费米能级位于禁带中央附近。30费米狄拉克分布函数311.7 电导率，电阻率v电导率：v=qnn+qhp 为载流子迁移率 v n型半导体：=qnn，施主，电子是多数载流子vp型半导体：
7、=qpp 受主，空穴是多数载流子v电阻率 =1/v光照后 n=n0+n，p=p0+p,随光强变化。半导体电导率收光照的影响。32电导率随掺杂浓度的变化331.8 III，V族杂质与其他缺陷v杂质：III-V族：P，BC，O，Fe，Al，Mn等v空位v位错，晶界等3435缺陷能级不同缺陷占据不同能级36不同杂质对太阳能电池的影响371.9 载流子传输：扩散与漂移浓度梯度，引起载流子扩散浓度梯度，引起载流子扩散38漂移电流n电场，引起载流子漂移电场，引起载流子漂移39爱因斯坦关系：爱因斯坦关系：扩散长度与寿命关系：扩散长度与寿命关系：40412.半导体基础知识（二）422.1 光，光与半导体的相互
8、作用v光具有波的性质，也具有粒子（光子）的性质。v E=1.24/波长与能量的换算43硅：1.12ev，波长：1.1m E的单位 eV（电子伏特）：一个电子在真空中被1v电场加速后获得的能量。44半导体的光吸收半导体共价电子被激发为自由电子，正好在半导体共价电子被激发为自由电子，正好在紫外、可见光、红外光范围内紫外、可见光、红外光范围内E45v硅吸收光子能量1.12eV,对应波长1100nm.v能量小于禁带宽度的光子，不能激发产生过剩载流子。462.2 硅的光吸收47E=1.24/48吸收系数的意义IIe（-x）v物理意义：光在媒质中传播距离时能量减弱到原来能量的e。一般用吸收系数的来表征该波
9、长的光在材料中的透入深度。492.3 过剩载流子的产生v激发前，导带电子密度n0，价带空穴密度p0，v激发后：电子：n=n0+n空穴：p=p0+p一个光子只激发一个电子空穴对。光子能量大于禁带宽度的部分就浪费掉了。如果光子能量小于禁带宽度，不能被吸收，也浪费掉了。太阳能电池需要选择一个合适的禁带宽度的半导体材料。EcEv502.4 过剩载流子的复合光激发光激发 1.SRH复合，2.辐射复合，3.俄歇复合，512.5 载流子寿命52俄歇复合俄歇复合硅中载流子寿命53表面与界面态54表面与界面复合55有效寿命562.5 器件方程太阳能电池中载流子传输，产生与复合：太阳能电池中载流子传输，产生与复合
10、：572.6 pn结58pn结内建电场是太阳能电池发电的核心内建电场是太阳能电池发电的核心59内建电场内建电场内建电场是太阳能电池发电的核心内建电场是太阳能电池发电的核心:电场强度电场强度E，空间电荷区宽度，空间电荷区宽度WP区和区和n区，掺杂浓度越高，空间电荷区越窄。区，掺杂浓度越高，空间电荷区越窄。空间电荷区的参数空间电荷区的参数602.7 金属-半导体接触：电极制备功函数功函数亲和势亲和势功函数功函数6162对电极下衬底进行重掺杂例如：SE电池势垒高，而且窄，电子通过隧穿的形式传输63势垒低，而且宽，电子通过热激发射的形式传输64653.太阳能电池基本理论663.1 太阳能电池工作原理光
11、光67683.2 太阳能电池工作的两个要素：可以吸收光，可以吸收光，产生电子空穴对产生电子空穴对692.具有光伏结构，具有光伏结构，可以分开电子和空穴可以分开电子和空穴703.3 太阳能电池的输出参数太阳能电池太阳能电池I-V特性特性开路电压、短路电流、填充因子、转换效率开路电压、短路电流、填充因子、转换效率71、开路电压、开路电压：在：在p-n结开路情况下结开路情况下（），此时），此时pn结两端的电压为开路电结两端的电压为开路电压压。即：。即：、短路电流、短路电流：如将如将pn结短路结短路(V=0),因而因而，这时，这时所得的电流为短路电流所得的电流为短路电流。72、填充因子、填充因子在光电
12、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别称为最佳工作电压max和最佳工作电压和最佳工作电压Vmax。填充因子定义为：填充因子定义为：734、光电转换效率、光电转换效率光电池的光电转换效率定义为最大输出功率与入射的光照强度之比，即：光电池的光电转换效率定义为最大输出功率与入射的光照强度之比，即：74量子效率量子效率量子效率光生电流中电子数光生电流中电子数吸收某波
13、长的光子数吸收某波长的光子数量子效率量子效率 =753.4 太阳光谱与能量763.5 载流子产生数分布不同波长，吸收系数不同，不同波长，吸收系数不同，吸收长度不同吸收长度不同77不同波长的太阳光，载流子产生率分布78对标准太阳光，硅的载流子产生数793.6 太阳能电池对载流子的收集效率收集率收集率80有效电流电子=产生数 x 收集效率81量子效率量子效率量子效率823*.1 原子扩散原理8384858687浓度梯度是原子扩散的驱动力。884.影响效率的因素，太阳能电池设计894.1 禁带宽度的影响909192效率随禁带宽度的变化Si934.2.太阳能电池效率94制约光电池转换效率的因素制约光电
14、池转换效率的因素v 光学损失光学损失 v 电学损失电学损失 v 串并联电阻损失串并联电阻损失3%反射损失反射损失13%短波损失短波损失43%透射损失透射损失光生空穴光生空穴电子对电子对在各区的复合在各区的复合表面复合表面复合 （前表面和背表面）（前表面和背表面）材料复合：材料复合：复合中心复合复合中心复合954.3 光学损失减反射层，减反射层，陷光结构，栅线变细变稀陷光结构，栅线变细变稀964.2.1减反射减反射薄膜的减反射薄膜的最佳折射率和厚度：最佳折射率和厚度：97减反射减反射厚度厚度 和折射率：关键参数和折射率：关键参数98不同厚度的减反射薄膜，颜色不同994.2.2单晶硅表面绒化100
15、单晶硅表面绒化101陷光原理1.减少反射减少反射2.增加光程增加光程102陷光效果1034.2.3 背反射since the pathlength of the incident light can be enhanced by a factor up to 4n2 where n is the index of refraction for the semiconductor(Yablonovitch and Cody,1982).This allows an optical path length of approximately 50 times the physical devices
16、 thickness and thus is an effective light trapping scheme.104高效单晶硅电池结构105厚度对太阳能电池效率的影响GaAsSi1064.4 载流子复合的影响v载流子复合影响短路电流和开路电压v复合可分为五个区域：前表面前表面发射区发射区(n型区）型区）空间电荷区空间电荷区基体（基体（p型区）型区）背面背面 107爱因斯坦关系：爱因斯坦关系：扩散长度与寿命关系：扩散长度与寿命关系：载流子扩散长度与寿命光生载流子在空间电荷区两侧光生载流子在空间电荷区两侧 一个扩散长度范围内产生，才一个扩散长度范围内产生，才可能可能被收集。被收集。其被收集的
17、几率受载流子复合几率（载流子寿命的倒数）的限制。其被收集的几率受载流子复合几率（载流子寿命的倒数）的限制。108 为了更有限地收集p-n结的光生载流子，硅电池的表面和体复合必须最大限度的降低。v通常，电流收集所要求的两个条件：光生载流子必须在结的两侧，一个载流子扩散长度范围内。在局域高复合区（未被钝化的表面或者多晶器件的晶界），载流子必须产生于近结的地方而不是近复合区；在局域较为轻的复合区（钝化的表面），载流子可以产生于近复合区，可以不被复合而扩散到结的区域。4.3.1复合对电流的影响109v蓝光有着高的吸收系数和能在近前表面得到吸收；但是当近前表面是高复合区的话，它不能产生少数载流子。110
18、电荷收集电荷收集 电池的量子效率可以作为评价光生载流子复合效应的手段。111基体中载流子寿命对开路电压的影响112掺杂浓度对开路电压的影响113并联电阻由并联电阻造成的器件效率严重损失主要是材料和器件制备中的缺陷，而不是器件设计问题。小的并联电阻提供了光生电流的另一个通道，而不再通过负载。这样就降低了电池的开路电流和短路电压.在弱光下，并联电阻的影响尤为显著。114降低表面与界面复合115背场电池116背表面复合速率对电池参数的影响表面复合表面复合1174.4 串联电阻1184.4.1体电阻1194.4.2 薄层电阻120发射层电阻1214.4.3 接触电阻122栅线设计1234.4.4 串联
19、电阻的来源与影响发射区基区接触电阻降低填充因子，特别大的串联电阻还降低短路电流。124短路电流依赖于v电池面积电池面积v太阳能光强度太阳能光强度v光谱分布光谱分布v光生载流子收集率。光生载流子收集率。1254.5 串联电阻和并联电阻的分辨1264.6 影响量子效率的因素1274.7 电池结构与效率128v对于一个单结太阳能电池，假如表面反射、载流子收集、以及串并联电阻，都得到优化，他的理论最高效率：25%1294.7.1 材料选择(一般是硅)v原料丰富v工艺成熟v禁带宽度略低，v间接禁带半导体，光吸收系数小，但通过陷光结构可以克服。v目前还没有找到其他材料能够代替硅。1304.7.2 电池厚度
20、电池厚度(100-500微米微米)v具有陷光和良好表面反射层的电池，其厚度100微米，就可以了。v目前市场上，电池厚度 200 500微米之间，目的是生产中容易操作。1314.7.3 电阻率电阻率(1欧姆厘米欧姆厘米)v高的掺杂浓度，可以产生高的开路电压，并降低电池串联电阻。v但是过高的掺杂浓度会降低载流子扩散长度，反过来影响载流子收集。1324.7.4 扩散层扩散层(n-type)v扩散层：负极v基底：正极 1334.7.5 扩散层厚度扩散层厚度(1微米微米)v大量的太阳光是在扩散层被吸收的，这一层比较薄，使得更多的光生载流子在一个扩散长度范围内产生，从而被pn结收集。1344.7.6 扩散
21、层掺杂浓度v扩散层的掺杂浓度要在一个适当的程度。v掺杂浓度偏高，有利于降低电阻损耗，传输光生载流子。但是会增大扩散层中光生载流子的复合，影响载流子收集。1354.7.7 栅线栅线v收集电流。1364.7.8 背面电极.v背面电极和前面相比，不那么重要。但是随着电池效率的升高和电池厚度变薄，降低背面复合也是非常必要的。1374.8 效率测试1381394.9 电池效率受温度的影响1404.10 光强的影响1414.11 晶体硅电池制备142太阳电池产业链太阳电池产业链硅砂（硅砂（SiO2）冶金级硅（冶金级硅（3N）太阳级硅（太阳级硅（6N）硅棒硅棒硅锭硅锭切方切方破锭破锭切片切片制备电池制备电池
22、封装封装143太阳能电池的研究工作简介144太阳能电池的研究工作v实验制备太阳能电池，包括寻找新技术，新手段。提高电池效率，降低太阳能电池成本。技术的突破，给产业的发展，往往是跨越式的。v表征分析，太阳能电池研究过程中，遇到的技术和科学问题，必须进行测试和理论分析。理论分析也是太阳能电池研究不可或缺的部分。145新技术的突破v实验研究：提高效率 +1%进一步降低成本 -1%，-10%，-50%薄膜、薄、多晶硅、颗粒带硅等等。146表征分析v串联电阻、并联电阻原因分析v复合在什么位置？多大？什么原因引起的复合？v缺陷分布？什么缺陷？v等等。凡是实验和生产提出的问题，都是我们研究的对象。14714
23、8149v变波长，v变光强v变温度v瞬态信号分析150151太阳能电池：基本理论与工艺v半导体物理的基本概念v太阳能电池理论、结构设计、工艺技术v太阳能电池相关的光电特性分析v太阳能电池组件物理问题1521537.太阳能电池组件154组件的材料155156组件的设计157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176世界最高纪录的世界最高纪录的PERL电池电池n+p-si l i con t hi n oxi de(200)oxi der ear cont actf i nger i nver t ed pyr ami dsp
24、+p+p+doubl e l ayerant i r ef l ect i oncoat i ng效率为24.7%PERL(passivated emitter,rear locally-diffused)cell structure.P型衬底全硼背场到金子塔双肩反射层背面氧化层钝化发射结重掺177全硼背场全硼背场N型衬底型衬底PERT(passivated emitter,rear totally-diffused)太阳电池太阳电池n+nn-si l i con t hi n oxi de(200)oxi der ear cont actf i ngeri nver t ed pyr am
25、i dsp+p+p+doubl e l ayerant i r ef l ect i oncoat i ngpp效率为22.7%N型衬底全硼背场到金子塔双肩反射层背面氧化层钝化发射结重掺178效率效率21.6%LFC PERC电池适于产业化电池适于产业化n+np-si l i con thi n oxi de(200)oxi derear contactfi ngeri nvert ed pyram i dsSi O2ant i refl ect i oncoati ng效率：效率：21.6%LFC(laser fired contact)背面全部背面全部SiO2钝化钝化激光烧结接触点激光烧结接触点Fraunhofer ISE179180181厚度的影响1821831841851861871881892.5 方块电阻190191192半导体基本概念（二）减反射薄膜原理与制备技术，化学气相沉积的原理，陷光效率的原理与实现。太阳光谱与能量，光的吸收，电池结构设计应考虑的几个因素，电极制备，电极设计，电流收集理论，193194AM(0),AM(1.5)195196197
