1、光伏太阳能电池基本知识光伏太阳能电池基本知识PLXin2014年年5月月31日日 第一节 太阳能光伏电池产业背景第二节 太阳辐射基本知识第三节 半导体基本知识第四节 太阳电池的特性第五节 非晶硅薄膜太阳能电池第一节 太阳能光伏电池产业背景为什么要研究太阳能电池为什么要研究太阳能电池1、化石燃料终将枯竭，太阳能是地球上大多数能源的终极来源。2、环境污染日益严重。目前人类可利用的新能源包括太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等。可再生能源简介可再生能源简介太阳能发电水力发电风力发电地热能发电潮汐发电太阳能是最为理想的可再生能源和无污染能源。太阳能电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件，光电池的工作
2、原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。太阳能电池的原理太阳能电池的原理太阳能电池的种类（按材料的种类区分）太阳能电池的种类（按材料的种类区分）n 单晶硅Single crystal siliconn 多晶硅multi crystal siliconn 非晶硅amorphous silicon，a-Sin -族化合物（GaAs（砷化镓），InP（磷化铟），InGaP（
3、磷化镓铟）n -族化合物（CdTe（碲化镉），CuInSe2（铜铟硒）n 其它（如燃料敏化电池）材料特点：均为半导体。材料特点：均为半导体。太阳能电池的种类（按材料的种类区分）太阳能电池的种类（按材料的种类区分）各种太阳能电池的效率（实验室电池）各种太阳能电池的效率（实验室电池）太阳能电池的发展趋势太阳能电池的发展趋势 太阳能电池发展瓶颈：效率、稳定性、成本。p 以硅片为载体的光伏电池制造技术，其理论极限效率为29%，按目前的技术路线，提升效率的难度已经非常大。p 薄膜太阳能电池由于具有大面积沉积、低材料消耗及可在低成本基板上制作，有较大的成本下降潜力的优点，其发展前景非常看好，成为阶段发展研
4、究的重点。p 第三代太阳能电池不断出现：染料敏化纳米晶太阳能电池成本仅为常规电池的1/8至1/10。第二节第二节 太阳辐射基本知识太阳辐射基本知识太阳能的来源太阳能的来源太阳辐射太阳辐射 太阳是一个炽热的大气球。核心区的气体被极度压缩至水密度的158倍。在这里发生着核聚变，每秒钟有七亿吨的氢被转化成氦。在这个过程中，每秒约有大概相当于38300亿亿兆焦耳的净能量被释放。聚变产生的能量通过对流和辐射过程向外传送。核心产生的能量需要通过几百万年才能到达表面。地球上仅接收到这些能量的22亿分之一。对流层对流层辐射层辐射层日珥日珥色球层色球层光球层光球层太阳黑太阳黑子群子群 每秒钟地球接收到的太阳能是
5、人类每年能量需求的好几倍。我们每天能看到的光只是从太阳发射然后进入地球的能量的一小部分而已。太阳光是电磁波的其中一种形式，而我们看到的可见光也只是我们右边显示的电磁波普的一个小子集。太阳辐射太阳辐射光的特性光的特性太阳辐射太阳辐射光子的能量光子的能量 一般用波长（符号为）或相对应的能量（符号为E）来描述一个光子的特性。子的能量与波长之间存在反比例关系，方程如下：E=hc/其中h是普朗克常数，c表示光速。当描述光子、电子等粒子时，共同使用的能量单位是“电子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。一个电子伏特的能量相当于把一个电子的电势提高一伏所需要的功，所以 J10602.1eV119 能量与波长
6、之间的关系：E（eV）=1.24/（m）通过上面的公式，可求出特定波长的光子的能量大小。太阳辐射太阳辐射太阳常数太阳常数定义：在日地平均距离处，与太阳光束方向垂直的单位面积上，单位时间内所接收到的太阳总辐射能。这个常数的值及其光谱已经被定为标准值，叫作大气质量为零的辐射（AM0）。太阳常数：f=1.366KW/m2 （1瓦=1焦耳/秒）表征的是到达大气顶（大气层上界）的总太阳能量（包含整个太阳光谱）值。太阳辐射太阳辐射地球表面的太阳辐射地球表面的太阳辐射 当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳定时，影响地球表面辐射的主要因素是:o大气效应，包括吸收和散射o当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染o
7、纬度位置不同o一年中季节的不同和一天里时间的不同 上述的效应在几个方面影响了地球表面对太阳辐射的吸收。包括总的吸收能量和光谱含量的变化，以及光射到地球表面的角度的变化。另外，还有关键的一点就是，在不同的地方其太阳辐射的易变性也会有很大差别。易变性即受云层和季节变化等地方因素影响，又受其它例如不同纬度白天的长短不同等因素影响。沙漠地区由于当地云层等大气现象比较稳定而拥有较低的易变性。地球表面太阳辐射地球表面太阳辐射大气影响大气影响 大气效应在几个方面影响着地球表面的太阳辐射。在光伏应用领域其主要影响为：o由大气吸收、散射和反射引起的太阳辐射能量的减少。o由于大气对某些波长的较为强烈地吸收和散射而
8、导致光谱含量的变化。o分散的或间接的光谱组合被引入到太阳辐射中。o当地大气层的变化引起入射光能量、光谱和方向的额外改变。这些影响如右图。太阳辐射太阳辐射大气质量大气质量pAM1.5是光伏行业的标准辐照度（相当于太阳光的角度48.20）p在实际估算大气质量的简单方法是：测量出高度为H的竖直物体投射阴影长度S。h：物体的高度s：竖直物体投影的阴影长度 大气质量被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的路径（即当太阳处在头顶正上方时）规定为“一个标准大气质量”。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。大气质量由下式给出：式中表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大
9、气质量为1。太阳辐射太阳辐射大气质量大气质量 前节关于大气质量的计算是以假定大气层是一个平面层为前提的，但是由于实际上大气层是弯曲的，下面的方程则考虑了地球的曲率：36364.107995.9650572.0cos1AM）（标准太阳光谱和太阳辐射 太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了方便不同时间和不同地点时太阳能电池的数据比较，人们定义了地球大气层外和地球表面的光谱的标准值。地球表面的标准光谱称为AM1.5G（G代表总的辐射，包括直接的和分散的辐射）减少28%能量后的AM0光谱的光谱强度（18%被吸收，10%被散射）。AM1.5G的值近似为970W/m2。然而，由于整数计算
10、比较方便以及入射太阳光存在固有的变化，人们规范了标准的AM1.5G光谱值为1KW/m2。地球大气层外的标准光谱称为AM0，因为光没有穿过任何大气。这个光谱通常被用来预测太空中太阳能电池的表现。太阳辐射太阳辐射太阳辐照数据太阳辐照数据 重要的太阳辐射数据来源是从卫星图像上测得的太阳辐射。这些图像提供了特定地区的云层覆盖水平的信息。云层覆盖水平的相关信息可以用来估算当地的日照度。第三节第三节 半导体基本知识半导体基本知识半导体基本知识半导体基本知识 半导体，指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体材料可以来自元素周期表中的族元素，或者是族元素与族元素相结合（叫做-型半导体），还可以是族元
11、素与族元素相结合（叫做-型半导体）。硅是使用最为广泛的半导体材料。半导体可以由单原子构成，如Si或Ge，键合如GaAs、InP、CdTe，还可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。能带基本知识能带基本知识价带、禁带、导带价带、禁带、导带价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带。导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带。禁带：导带底与价带顶之间的能带。禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差。是指一个能带宽度，单位是电子伏特（eV）。满带：允带(允许电子能量存在的能量范围)中的能量状态（能级）均被电子占据 要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带。被束缚的电子
12、要成为自由电子，就必须要获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。半导体、绝缘体和导体 金属导带与满带重叠在一起，没有禁带，绝缘体的禁带很宽，半导体的禁带宽度在导体与绝缘体之间。Eg=1.1eVSi（半导体）EcEvSiO2（绝缘体）Eg=9eVEcEv导体导带顶EcEg=Ec-Ev半导体重要参数半导体重要参数 对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是：o禁带宽度o能参与导电的自由载流子的数目o当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复合。电子一旦进入导带，电子将自由地在半导体中运动并参与导电。电子在导带中的运动也会导致另外一种导电过程的发生，电子从原本的共价键移动到导带必然
13、会留下一个空位。来自周围原子的电子能移动到这个空位上，然后又留下了另外一个空位，这种留给电子的不断运动的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格间运动的正电荷。因此，电子移向导带的运动不仅导致了电子本身的移动，还产生了空穴在价带中的运动。电子和空穴都能参与导电并都称为“载流子”。本征半导体本征半导体本征激发本征激发 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体（硅为四价元素）。本征半导体的导电机理自由电子 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。温度愈高，晶体中产生的自由电子变愈多。这一现象称为本征激
14、发。本征半导体本征半导体本征载流子浓度本征载流子浓度 把电子从价带移向导带的热激发使得价带和导带都产生载流子。这些载流子的浓度叫做本征载流子浓度，用符号ni表示。没有注入能改变载流子浓度的杂质的半导体材料叫做本征材料。本征载流子浓度就是指本征材料中导带中的电子数目或价带中的空穴数目。载流子的数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度。宽禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的本征载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。右图显示了两个温度下的半导体本征载流子浓度。需要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数目都是相等的。杂质半
15、导体杂质半导体 N型杂质半导体 摻入五价元素（如磷），摻杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。P型杂质半导体 摻入三价元素（如硼），摻杂后空穴大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。杂质半导体杂质半导体 在一块典型的半导体中，多子的浓度可能达到1017cm-3，少子的浓度则为106cm-3。这是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个人与地球总的人口数目的比还要小。少子既可以通过热激发又可以
16、通过光照产生。P型（正）N型（负）掺杂族元素（如硼）族元素（如磷）价键失去一个电子（空穴）多出一个电子多子空穴电子少子电子空穴载流子的产生载流子的产生光的吸收光的吸收 入射到半导体表面的光子要么在表面被反射，要么被半导体材料所吸收，或者两者都不是，即只是从此材料透射而过。对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失部分，就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收，将在价带产生一个电子并运动到导带。决定一个光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导体材料的光子可以分为三种：1、EphEg 光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。载流子的产生载流子的
17、产生光的吸收光的吸收 对光的吸收即产生了多子又产生少子。在很多光伏应用中，光生载流子的数目要比由于掺杂而产生的多子的数目低几个数量级。因此，在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产生的少子的数目要远高于原本无光照时的光子数目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目几乎等于光产生的少子数目。载流子的产生载流子的产生吸收系数吸收系数 吸收系数决定着一个给定波长的光子在被吸收之前能在材料走多远的距离。如果某种材料的吸收系数很低，那么光将很少被吸收，并且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透明的。吸收系数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。这是因为能量低于禁
18、带宽度的光没有足够的能量把电子从价带转移到导带。因此，光线也就没被吸收了。四种不同半导体材料在温度为300K时的吸收系数，实验在真空环境下进行。锗载流子的产生载流子的产生吸收系数吸收系数 右图表明，即使是那些能量比禁带宽度高的光子，它们的吸收系数也不是全都相同的，而是与波长有密切的联系。一个光子被吸收的概率取决于这个光子能与电子作用（即把电子从价带转移到导带）的可能性。对于一个能量大小非常接近于禁带宽度的光子来说，其吸收的概率是相对较低的，因为只有处在价带边缘的电子才能与之作用并被吸收。当光子的能量增大时，能够与之相互作用并吸收光子的电子数目也会增大。然而，对于光伏应用来说，比禁带宽度多出的那
19、部分光子能量是没有实际作用 的，因为运动到导带后的电子又很快因为热作用回到导带的边缘。载流子的产生载流子的产生吸收深度吸收深度 吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被完全吸收之前进入半导体的深度的不同。下面将给出另一个参数-吸收深度，它与吸收系数成反比例关系，即为-1。吸收深度是一个非常有用的参数，它显示了光在其能量下降到最初强度的大概36%（或者说1/e）的时候在材料中走的深度。因为高能量光子的吸收系数很大，所以它在距离表面很短的深度就被吸收了（例如硅太阳能电池就在几微米以内），而红光在这种距离的吸收就很弱。即使是在几微米之后，也不是所有的红光都能被硅吸收。光子能量=hv=h*c/h:普
20、朗克常数c:光速：光波长蓝光红光蓝光在离表面非常近处就被吸收而大部分的红光则在器件的深处才被吸收载流子的产生载流子的产生生成率生成率 生成率是指被光线照射的半导体每一点生成电子的数目。忽略反射不计，半导体材料吸收的光线的多少决定于吸收系数（单位为cm-1）和半导体的厚度。半导体中每一点中光的强度可以通过以下的方程计算：I=I0e-x 式中为材料的吸收系数，单位通常为cm-1，x为光入射到材料的深度，I0为光在材料表面的功率强度。上述方程可以用来计算太阳能电池中产生的电子空穴对的数目。假设减少的那部分光线能量全部用来产生电子空穴对，那么通过测量透射过电池的光线强度便可以算出半导体材料生成的电子空
21、穴对的数目。因此，对上面的方程进行微分将得到半导体中任何一点的生成率。即 G=N0e-x其中N0=表面的光子通量（光子/单位面积.秒）,=吸收系数，x=进入材料的距离。上面的方程显示，光的强度随着在材料中深度的增加呈指数下降，即材料表面的生成率是最高的。对于光伏应用来说，入射光是由一系列不同波长的光组成的，因此不同波长的生成率也是不同的。下图显示三种不同波长的光在硅材料中的生成率。载流子的产生载流子的产生生成率生成率 计算一系列不同波长的光的生成率时，总的生成率等于每种波长的总和。下图将展示入射到硅片的光为标准太阳光谱时，不同深度的生成率大小。Y轴的范围大小是成对数的，显示着在电池表面的产生了
22、数量巨大的电子空穴对，而在电池的更深处，生成率几乎是常数。复合理论复合理论复合时间复合时间&扩散长度扩散长度 所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会回到价带中更低的能量状态。它必须移回到一个空的价带能级中，所以，当电子回到价带的同时也有效地消除了一个空穴。这种过程叫做复合。在太阳能电池中一个重要的参数是复合发生的速率，也叫”复合率”。复合率决定于额外少子的数目。例如，当没有额外少子时，复合率将为零。“少子寿命”是指产生电子空穴对之后处在激发状态的载流子在复合之前能存在的平均时间。还有一个相关的参数少子扩散长度，是指在复合之前一个载流子从产生处开始运动的平均路程。少数载流子寿命和扩散长度
23、在很大程度上取决于材料的类型和复合的数量。对于许多种类的硅太阳能电池来说，复合率则决定于材料中存在的缺陷数量，因此，当太阳能电池的掺杂量增加时，复合的速率也将随着增加。复合理论复合理论表面复合表面复合 任何在半导体内部或表面的缺陷和杂质都会促进复合。因为太阳能电池表面存在着严重的晶格分裂，所以电池表面是一个复合率非常高的区域。高复合率导致表面附近的区域的少子枯竭。就如扩散这一节所解释的，某些区域的低载流子浓度会引起周围高浓度区域的载流子往此处扩散。因此，表面复合率受到扩散到表面的载流子的速率的限制。“表面复合率”的单位为cm/sec，被用来描述表面的复合。在没有发生复合的表面，往表面运动的载流
24、子数目也为零，因此表面复合率也为零。当表面复合非常快时,运动指向表面的载流子读速度受到最大复合速率的限制，而对大多数半导体来说最大速度为1107cm/sec。半导体表面的缺陷是由于晶格排列在表面处的中断造成的，即在表面处产生挂键。减少挂键的数目可以通过在半导体表面处生长一层薄膜以连接这些挂键，这种方法也叫做表面钝化。半导体表面的挂键引起了此处的高复合率载流子的运动载流子的运动扩散扩散 如果半导体中一个区域的载流子浓度要比另一个区域的高，那么，由于不停的随机运动，将引起载流子的势运动。当出现这种情况时，在两个不同浓度的区域之间将会出现载流子梯度。载流子将从高浓度区域流向低浓度区域。这种载流子的流
25、动叫做“扩散”，是由于载流子的随机运动引起的。在器件的所有区域中，载流子往某一方向的运动的概率是相同的。在高浓度区域，数量庞大的载流子不停地往各个方向运动，包括往低浓度方向。然而，在低浓度区域只存在少量的载流子，这意味着往高浓度运动的载流子也是很少的。这种不平衡导致了从高浓度区域往低浓度区域的势运动。扩散现象的主要效应之一是使载流子的浓度达到平衡，就像在没有外界力量作用半导体时，载流子的产生和复合也会使得半导体达到平衡。载流子的运动载流子的运动漂移运动漂移运动 在半导体外加一个电场可以使做随机运动的带电载流子往一个方向运动。在没有外加电场时，载流子在随机方向以一定的速度移动一段距离。然而，在加
26、了电场之后，其方向与载流子的随机方向叠加。那么，如果此载流子是空穴，其在电场方向将做加速运动，电子则反之。在特定方向的加速运动导致了载流子的势运动，载流子的方向是其原来方向与电场方向的向量叠加。由外加电场所引起的载流子运动叫“漂移运动”。PNPN结的形成结的形成空间电荷区又称势垒区、耗尽层 载流子扩散和漂移达到动态平衡载流子浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区内建电场促使少子漂移内建电场阻碍多子扩散内建电场空间电荷区形成 PN结是n型半导体材料和p型半导体材料的结合形成的，如下图所示。因为n型半导体区域的电子浓度很高，而p型区域的空穴浓度很高，所以电子从n型区扩散到p型区，同理，空穴也
27、从p型区扩散到n型区。如果电子和空穴都是不带电的，扩散过程将持续到两个区域的电子和空穴的浓度都分别相等，就像两种气体相互往对方区域扩散一样。然而，对于pn结来说，当电子和空穴运动到pn结的另一边时，也在杂质原子区域留下了与之相反的电荷，这种电荷被固定在晶格当中不能移动。在n型区，被留下的便是带正电的原子核，相反，在p型区，留下的是带负电的原子核。于是，一个从n型区的正离子区域指向p型区的负离子区域的电场E就建立起来了。这个电场区域叫做“耗尽区”，因为此电场能迅速把自由载流子移走，因此，这个区域的自由载流子是被耗尽的。由于耗尽区的电场的存在，载流子之间的产生、复合、扩散以及漂移将会达到平衡。第四
28、节 太阳能电池的特性理想太阳能电池理想太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的结构 太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件，首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高能级，第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。许多不同的材料和工艺都基本上能满足太阳能转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转化过程都是使用组成PN结形式的半导体材料来完成的。太阳能电池运行的基本步骤：光生载流子的产生 光生载流子聚集成电流 穿过电池的高电压的产生 能量在电路和外接电
29、阻中消耗UNSW新南威尔士大学减反射膜前端接触电极发射区基区背接触电极电子空穴对v=理想太阳能电池理想太阳能电池光生电流光生电流 在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流”，它的产生包括了两个主要的过程。第一个过程是吸收入射光电子并产生电子空穴对。电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光子产生。然而，电子（在p型材料中）和空穴（在N型材料中）是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也没有电流和电能产生。第二个过程是，pn结通过对这些光生载流子的收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。pn结是通过其内建电场
30、的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了多子载流子。如果用一根导线把发射区跟基区连接在一起（使电池短路），光生载流子将流到外部电路。理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 “收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率，它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。相似的，如果载流子是在
31、靠近电池表面这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合。上图描述了表面钝化和扩散长度对收集概率的影响。前表面后表面低扩散长度太阳能电池在电池中的距离表面钝化差的太阳能电池表面钝化好的太阳能电池具有高的表面复合，在表面上的收集概率低在PN结中产生的载流子收集概率收集概率理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。光生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘于那一处的收集概率。UNSW新南威尔士大学收集概率生成率在电池中的距离理想太阳能电池理想太阳能电池收集概率收集概率 在1.5光谱下硅的生成速率。注意，电池表面的生成率是最高的，因此电池对表面特
32、性是很敏感的。表面的收集概率低于其他部分的收集概率。比较下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅表面的零点几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端表面的收集概率非常低的话，入射光中将没有蓝光对光生电池做出贡献。波长0.45m的蓝光拥有高吸收率，为105cm-1，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。波长0.8m的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长度更深一些。1.1m红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。理想太阳能电池理想太阳能电池量子效率量子效率 所谓“量子效率”，即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即可以与波长相对应又可
33、以与光子能量相对应。如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。总量子效率的减小是由反射效应和过短的扩散长度引起的。理想量子效率曲线能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。量子效率前端表面复合导致蓝光响应的减小。红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度 右图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。尽管理想的量子
34、效率曲线是矩形的（如上页图），但是实际上几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的因素同样影响着量子效率。例如，顶端表面钝化会影响靠近表面的载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近表面处被吸收的，所以顶端表面的高复合效应会强烈地影响蓝光部分量子效率。相似的，绿光能在电池体内的大部分被吸收，但是电池内过低的扩散长度将影响收集概率并减小光谱中绿光部分的量子效率。硅太阳能电池中，“外部”量子效率包括光的损失，如透射和反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下的光的量子效率还是非常有用的。”内部“量子效率指的是那些没有被反射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。理想太阳能电池理想太
35、阳能电池量子效率量子效率理想太阳能电池理想太阳能电池光谱响应光谱响应 ”光谱响应“在概念上类似于量子效率。量子效率描述的是电池产生的光生电子数量与入射到电池的光子数量的比，而光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。下图将描述一光谱响应曲线 理想的光谱响应在长波长段受到限制，因为半导体不能吸收能量低于禁带宽度的光子。这种限制在量子效率曲线中同样起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小而下降。因为这些短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。光子的能量中，所有超出禁带宽度的部分都不能被电池利用，而是只能加热电池。在太阳能电池中，高光子能量的不能完全
36、利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。理想的光谱响应理想的光谱响应能量低于禁带宽度能量低于禁带宽度的光不能被吸收，的光不能被吸收，所以在长波长段的所以在长波长段的光谱响应为零。光谱响应为零。光谱响应光谱响应硅太阳能电池的响应曲线。理想太阳能电池理想太阳能电池光生伏特效应光生伏特效应 被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。为了产生电能，必须同时产生电压和电流。在太阳能电池中，电压是由所谓的”光生伏打效应”过程产生的。光生伏特效应1、用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；2、p、n区都产生电子-空穴对，产生非平衡载流子；3、非平衡载流子破坏原来的热平衡；4、非平衡载流子
37、在内建电场作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散；5、若p-n结开路，在结的两边积累电子-空穴对，产生开路电压。n负载电阻RL=0，过剩载流子都可以穿过结，会产生最大可能的光电流，及短路电流ISC，而电动势为零。n负载电阻RL=，则被PN结分开的过剩载流子会积累在PN结附近，并以最大补偿势垒，于是产生最大可能的光生电压，及开路电压VOC，其电流为零。n负载电阻RL，则过剩载流子部分用于降低PN结势垒用于建立工作电压Vm，部分用来产生工作电流Im。N区负电极导线P区负电极导线阳光理想太阳能电池理想太阳能电池光生伏特效应光生伏特效应太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 短路电流
38、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。太阳能电池的伏安曲线短路电流ISC是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电压为零。电池产生的电能 短路电流源于光生载流子的产生的收集。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。太阳能电池的参数太阳能电池的参数短路电流短路电流 短路电流的大小取决于以下几个因素：l太阳能电池的表面积。l光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流ISC的大小直接取决于光照强度。l入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质量光谱。电池的光学特性（吸收和反射）l
39、电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。在比较材料相同的两块太阳能电池时，最重要的参数是扩散长度和表面钝化。太阳能电池的参数太阳能电池的参数开路电压开路电压 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。太阳能电池功率太阳能电池IV曲线太阳能电池的参数太阳能电池的参数填充因子填充因子 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效率。填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路V
40、OC和ISC的乘积的比值。从图形上看，FF就是能够占据IV曲线区域最大的面积。如下图所示。输出电流（红线）和功率的（蓝线）图表。同时标明了电场的短路电流（ISC）点、开路电压（Voc）点以及最大功率点（Vmp，Imp）。太阳能电池的参数太阳能电池的参数效率效率 发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。效率的定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和光强以及电池本身的温度。所以在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25C。而空间太阳能电池的光照则为AM0 下面式子为计算发电
41、效率的方程：下面式子为计算发电效率的方程：Pmax=VocIscFF =Pmax/Pin=VocIscFF/Pin电阻效应电阻效应寄生电阻效应寄生电阻效应电池最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。从下面的电池模拟等效电路便可看出串联和并联电阻。引起串联电阻的因素有三种：第一，穿过电池发射区和基区的电流流动；第二，金属电极与硅之间的接触电阻；第三便是顶部和背部的金属电阻。引起并联电阻的因素通常是制造缺陷（PN结附近的杂质）。寄生电阻对电池的最主要影响便是减小填充因子。Rs为零为零中等中等Rs较大较大Rs电压电压电电流流V=IRs串联电阻对太阳电池填充因子的影响电压电压电电流流较小较小Rsh中等中
42、等RshRsh无穷大无穷大I=V/Rsh并联电阻对太阳电池填充因子的影响u温度的影响包括：短路电流随温度上升而增加，因为带隙能量下降了，更多的光子具有足够的能量来产生电子空穴对，但是，这是一个比较微弱的影响。u对硅电池来说，温度的上升主要致使开路电压和填充因子下降，因而导致了输出功率下降。u对硅电池而言，温度对最大输出功率的影响：其他效应其他效应温度效应温度效应57 短路电流ISC提高幅度很小温度较高的电池开路电压Voc下降幅度大其他效应其他效应光强效应光强效应 改变入射光的强度将改变所有太阳能电池的参数，包括短路电流、开路电压、填充因子FF、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。通常用
43、多少个太阳来形容光强，比如一个太阳就相当于AM1.5大气质量下的标准光强，即1KW/m2。如果太阳能电池在功率为10KW/m2的光照下工作，也可以说是在10个太阳下工作。UNSW新南威尔士大学短路电流ISC随着聚光呈线性上升FF可能会因串联电阻的上升而下降开路电压随光强呈对数上升第五节 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池简介简介薄膜太阳电池：厚度在微米量级的材料制备的电池。特点：材料对太阳光的吸收系数高，可以在很薄的厚度下吸收部分太阳能量。分类：1、硅基薄膜太阳电池，包括：非晶硅薄膜太阳电池和微晶硅薄膜太阳电池等；2、铜铟镓锡系列薄膜电池（CIGS）；3、碲化镉系列薄
44、膜电池（CdTe）；4、纳米燃料敏化薄膜太阳电池；5、第三代新型太阳电池，等离子体共振，有机薄膜太阳电池。类别实验室最高效率商业化电池效率主要障碍材料丰度基本制备技术硅基薄膜15.3%6.5%衰减特性硅材料在地球上位居第二位PECVDCIGS19.5%11%制造工艺难以控制In、Ga属于稀缺材料磁控溅射后硒化共蒸发工艺CdTe16%7-11%有毒性材料Te较少近空间升华三种可产业化的薄膜电池的特性列表硅基薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池应用应用室内消费电子产品 由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电，已被广泛用于太阳能钟，太阳能手表，太阳能显示牌等不直接接受光照等场合下。硅基薄膜太阳电池硅基薄膜
45、太阳电池应用应用太阳能照明光源（室外庭院灯、路灯、广告牌等）由于非晶硅太阳能电池的技术优势，同样功率的非晶硅太阳能灯具，其照明时间要比晶体硅太阳能路灯的照明时间长20%，而其成本每瓦要低约10元人民币。硅基薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池应用应用与建筑配合建造太阳能房 非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线通过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明（紫外线被滤掉）能挡风雨，又能发电。边远山区并网发电硅基薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池特点特点 尽管单晶硅和多晶硅太阳能电池经过多年的努力已取得很大进展，特别是转换效率已超过20%，这些高效率太阳能电池在空间技术中
46、发挥了巨大的作用。但在地面应用方面，由于价格问题的影响，长久以来一直受到限制。太阳能电力如果要与传统电力进行竞争，其价格必须要不断地降低，而这对单晶硅太阳能电池而言是很难的，只有薄膜电池，特别是非晶硅太阳能电池最有希望。从其诞生到现在，全世界以电力换算太阳能电池的总生产量的月1/3是非晶硅系太阳能电池，在民用方面其几乎占据了全部份额。三种硅基太阳电池性能比较种类优势劣势单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术最为成熟硅消耗量大，成本高，工艺复杂多晶硅太阳能电池转化效率较高多晶硅生产工艺复杂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，光致衰退效率太阳能发电宗旨：降低成本和提高效率u原材料丰富
47、，无毒、无污染u节省材料（硅烷，晶体硅1/100消耗）u制造温度低（200，能量回收期短）u材料器件同步完成，便于大面积连续生产u应用范围广（柔性、半透明、BIPV）硅基薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池特点特点 硅基薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池优点优点 u低成本 1）硅材料用料少，可充分吸收光，单晶要200m厚，非晶1m厚（非晶硅光吸收系数大），不需要切片，材料浪费少。2）主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，化学工业可大量供应，且十分便宜，制造1W非晶硅太阳能电池的原材料成本约RMB3.5-4。u弱光响应好（充电效率高）非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在0.3-0.75m的可见
48、光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜就能吸收90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点。u基板种类多 由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以沉积在任何衬底（柔性不锈钢、聚乙烯、高分子薄板、陶瓷）上，包括廉价的玻璃衬底。u适合大面积自动化生产 目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是KAI 1200 PECVD设备生产的1100mm1250mm单结晶非晶硅太阳电池，其稳定输出功率接近80W/片。商品晶体硅太阳电池还是以156mm156mm和125m
49、m125mm为主。u开路电压高 非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。硅基薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池优点优点 硅基薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池存在问题存在问题 u成本问题 非晶硅太阳电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右，因此项目投资有一定的资金壁垒。而且，成本回收周期较长。u稳定性问题 非晶硅太阳能电池的光致衰减，所谓的S-W效应，是影响其大规模生产的重要因素。非晶硅太阳电池的不稳定性集中反映在其能量转换效率随辐照时间的延长而变化，直到数百或数千小时后才能稳定。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%，
50、已具备作为空间能源的基本条件。硅基硅基薄膜太阳电池薄膜太阳电池S-WS-W效应效应uS-W效应：1977年，D.L.Staebler和C.R.Wronski发现非晶硅样品在经过长时间光照后，其光电导和暗电导都显著减小，将样品放在150下退火30分钟，再冷却到室温，样品又恢复原来状态。这一现象被称为Staebler-Wronski效应，简称S-W效应。研究表明在光照后非晶硅中缺陷密度明显增加。S-W效应的机制还是一个有待进一步研究解决的问题，人们提出了各种模型进行解释。1）有的认为由于S-W效应，非晶硅太阳能电池在光照后，非晶硅膜中的缺陷态密度增加，导致电池内的光生电子和空穴复合几率增加，电池的
