太阳能电池及材料研究

太阳能电池及材料研究
太阳能电池及材料研究

太阳能电池及材料研究

2004-03-18

0引言

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生

能源.也是清洁能源,不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中;大阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。为此,人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应,根据所用材料的不同,太阳能电池可分为:1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓I I I-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的大阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池,对太阳能电池材料一般的要求有:1、半导体材料的禁带不能太宽;②要有较高的光电转换效率:3、材料本身对环境不造成污染;4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑,硅是最理想的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其它村料为基础的太阳

能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状,并讨论了太阳能电池的发展及趋势。

1硅系太阳能电池

1.1单晶硅太阳能电池

硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热

的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶

硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。并在表面把一13n m。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合.通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的

比率:通过以上制得的电池转化效率超过23%,是大值可达23.3%。K y o c e r a公司制备的大面积(225c m2)单电晶太阳能电池转换效率为19.44%,国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发,研制的平面

高效单晶硅电池(2c m X2c m)转换效率达到

19.79%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5c m X5c m)转换效率达8.6%。

单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工

艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电

池,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

1.2多晶硅薄膜太阳能电池

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350~

450μm的高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料,人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒大小,未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜,人们一直没有停止过研究,并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积(L P C V D)和等离子增强化学气相沉积(P E C V D)工艺。此外,液相外延法(L P P E)

和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

化学气相沉积主要是以S i H2C l2、S i H C l3、S i c l4或S i H4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上,衬底材料一般选用S i、S i O2、S i3N4等。但研究发现,在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用

L P C V D在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层,再

将这层非晶硅层退火,得到较大的晶粒,然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜,因此,再结晶技术无疑是很重要的一个环节,目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外,另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技

术,这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术

在F Z S i衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19%,日本三菱公司用该法制备电池,效率达16.42%。

液相外延(L P E)法的原理是通过将硅熔融在母体里,降低温度析出硅膜。美国A s t r o p o w e r 公司采用L P E制备的电池效率达12.2%。中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在

冶金级硅片上生长出硅晶粒,并设计了一种类似

于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池,称之为“硅粒”太阳能电池,但有关性能方面的报道还未见到。

多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶

硅少,又无效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制备,其成本远低于单晶硅电池,而效率高于非晶硅薄膜电池,因此,多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

1.3非晶硅薄膜太阳能电池

开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低,便于大规模生产,普遍受到人们的重视并得到迅速发展,其实早在70年代初,C a r l s o n等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作,近几年它的研制工作得到了迅速发展,目前

世界上己有许多

家公司在生产该种电池产品。

非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的

电池材料,但由于其光学带隙为1.7e V,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感,这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外,其光电效率会随着光照时间的延续而衰减,即所谓的光致衰退S一W效应,使得电池性能

不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳

能电池,叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n 层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于:①它把不同禁带宽度的材科组台在一起,提高了光谱的响应范围;②顶电池的i层较薄,光照产生的电场强度变化不大,保证i层中的光生载流子抽出;

③底电池产生的载流子约为单电池的一半,光致衰退效应减小;④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。

非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多,其中包括反应溅射法、P E C V D法、L P C V D法等,反应原料气体为H2稀释的S i H4,衬底主要为玻璃及不锈钢片,制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能

电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展:第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%,创下新的记录;第二.三叠层太阳能电池年生产能力达5M W。美国联合太阳能公

司(V S S C)制得的单结太阳能电池最高转换效

率为9.3%,三带隙三叠层电池最高转换效率为13%.

上述最高转换效率是在小面积(0.25c m2)电

池上取得的。曾有文献报道单结非晶硅太阳能电

池转换效率超过12.5%,日本中央研究院采用一系列新措施,制得的非晶硅电池的转换效率为13.2%。国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研究并不多,南开大学的耿新华等采用工业用材料,以铝背电极制备出面积为

20X20c m2、转换效率为8.28%的a-S i/a-S i 叠层太阳能电池。

非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效

率和较低的成本及重量轻等特点,有着极大的潜力。但同时由于它的稳定性不高,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么,非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

2多元化合物薄膜太阳能电池

为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发

了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外,又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓I I I-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。上述电池中,尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代砷化镓I I I-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于

具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。

G a A s属于I I I-V族化合物半导体材料,其能隙

为1.4e V,正好为高吸收率太阳光的值,因此,是很理想的电池材料。G a A s等I I I-V化合物薄

膜电池的制备主要采用M O V P E和L P E技术,

其中M O V P E方法制备G a A s薄膜电池受衬底位错、反应压力、I I I-V比率、总流量等诸多参数的影响。

除G a A s外,其它I I I-V化合物如G a s b、

G a I n P等电池材料也得到了开发。1998年德国

费莱堡太阳能系统研究所制得的G a A s太阳能电池转换效率为24.2%,为欧洲记录。首次制备的G a I n P电池转换效率为14.7%.见表2。另外,该研究所还采用堆叠结构制备G a A s,G a s b 电池,该电池是将两个独立的电池堆叠在一起,G a A s作为上电池,下电池用的是G a s b,所得到

的电池效率达到31.1%。

铜铟硒C u I n S e2简称C I C。C I S材料的能降为1.l e V,适于太阳光的光电转换,另外,C I S

薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此,C I S 用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了

人们的注目。

C I S电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和

硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀

铜、铟和硒,硒化法是使用H2S e叠层膜硒化,但该法难以得到组成均匀的C I S。C I S薄膜电池从80年代最初8%的转换效率发展到目前的15%左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的C I S电池,其光电转换效率为15.3%(面积

1c m2)。1995年美国可再生能源研究室研制出转换效率为17.l%的C I S太阳能电池,这是迄今为止世界上该电池的最高转换效率。预计到2000年C I S电池的转换效率将达到20%,相当于多晶硅太阳能电池。

C I S作为太阳能电池的半导体材料,具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源,由于铟和硒都是比较稀有的元素,因此,这类电池的发展又必然受到限制。

3聚合物多层修饰电极型太阳能电池

在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是

刚刚开始的一个太阳能电池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化

还原电势,在导电材料(电极)表面进行多层复合,制成类似无机P-N结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰,外层聚合物的还原电位较高,电子转移方向只能由内层向外层转移;另一个电极的修饰正好

相反,并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时.光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电

极上,还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移,只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液,因此外电路中有光电流产生。

由于有机材料柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本底等优势,从而对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始,不论是使用寿命,还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品,还有待于进一步研究探索。

4纳米晶化学太阳能电池

在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发

展最成熟的,但由于成本居高不下,远不能满足大规模推广应用的要求。为此,人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索,而这当中新近发展的纳米T i O2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。

自瑞士G r a t z e l教授研制成功纳米T i O2化学大阳能电池以来,国内一些单位也正在进行这方

面的研究。纳米晶化学太阳能电池(简称N P C 电池)是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的,窄禁带半导体材料采用过渡金属R u以及O s等的有机化合物敏化染料,大能隙半导体材料为纳米多晶

T i O2并制成电极,此外N P C电池还选用适当的氧化一还原电解质。纳米晶T i O2工作原理:染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态,激发态不稳定,电子快速注入到紧邻的T i O2导带,染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿,进入T i O2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过

外回路产生光电流。

纳米晶T i O2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/5~1/10.寿命能达到2O年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步,估计不久的将来会逐步走上市场。

5太阳能电池的发展趋势

从以上几个方面的讨论可知,作为太阳能电池的材料,I I I-V族化合物及C I S等系由稀有元素所制备,尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高,但从材料来源看,这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。而另两类电池纳米晶太阳

能电池和聚合物修饰电极太阳能电地存在的问题,它们的研究刚刚起步,技术不是很成熟,转换效率还比较低,这两类电池还处于探索阶段,短时间内不可能替代应系太阳能电池。因此,从转换效率和材料的来源角度讲,今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜

电池。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本,将

最终取代单晶硅电池,成为市场的主导产品。

提高转换效率和降低成本是太阳能电池制

备中考虑的两个主要因素,对于目前的硅系太阳能电池,要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此,今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来,现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的,这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此,在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬

底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片,以达到降低成本的目的,效果还是比较现想的。

太阳能电池材料的发展及应用

太阳能电池材料的发展及应用 材料研1203 Z石南起新材料(或称先进材料)是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料,具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志,通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程,创造出能满足各种需要的新型材料的技术。 随着科学技术发展,人们在传统材料的基础上,根据现代科技的研究成果,开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究,是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能,特殊的物理、化学、生物学效应,能完成功能相互转化,主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料是新材料领域的核心,是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用,还对我国相关传统产业的改造和升级,实现跨越式发展起着重要的促进作用。 功能材料种类繁多,用途广泛,正在形成一个规模宏大的高技术产业群,有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用,它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点,也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中,功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目(约占新材料领域70%比例),并取得了大量研究成果。

太阳能电池分类

太阳能电池分类 太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(以下表示为a-)两大类,而前者又分为单结晶形和多结晶形。 按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形,而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds 系)和磷化锌 (Zn 3 p 2 )等。 太阳能电池根所用材料的不同,太阳能电池可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池,其中硅太阳能电池是发展最成熟的,在应用中居主导地位。 1、太阳能电池硅太阳能 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%(截止2011,为18%)。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于单晶硅成本价格高,大幅度降低其成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉,而效率高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%(截止2011,为17%)。因此,多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻,转换效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么,非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。 2、太阳能电池多晶体薄膜 多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电

太阳能电池

太阳能电池及材料研究 引言 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源.也是清洁能源,不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中;大阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。为此,人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应,根据所用材料的不同,太阳能电池可分为:1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的大阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池,对太阳能电池材料一般的要求有:1、半导体材料的禁带不能太宽;②要有较高的光电转换效率:3、材料本身对环境不造成污染; 4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑,硅是最理想的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状,并讨论了太阳能电池的发展及趋势。 1 硅系太阳能电池 1.1 单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是*单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合.通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率:通过以上制得的电池转化效率超过23%,是大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面积(225cm2)单电晶太阳能电池转换效率为19.44%,国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发,研制的平面高效单晶硅电池(2cm X 2cm)转换效率达到19.79%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5cm X 5cm)转换效率达8.6%。 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电 池,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 1.2 多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350~450μm的高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料,人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒大小,未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜,人们一直没有停止过研究,并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等

(整理)薄膜太阳能电池种类

薄膜太阳能电池种类 为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅,非晶硅薄膜太阳能电池外,又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物,硫化镉,碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。 上述电池中,尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料,其能隙为1.4eV,正好为高吸收率太阳光的值,与太阳光谱的匹配较适合,且能耐高温,在250℃的条件下,光电转换性能仍很良好,其最高光电转换效率约30%,特别适合做高温聚光太阳电池。 砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同,砷化镓需要采用磊晶技术制造,这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸,比硅晶圆的12英寸要小得多。 磊晶圆需要特殊的机台,同时砷化镓原材料成本高出硅很多,最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种,一种是化学的MOCVD,一种是物理的MBE。 GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LPE技术,其中 MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错,反应压力,III-V比率,总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ,产品耐高温和辐射,但生产成本高,产量受限,目前主要作空间电源用。以硅片作衬底,MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓,多晶砷化镓,镓铝砷--砷化镓异质结,金属-半导体砷化镓,金属--绝缘体--半导体砷化镓太阳电池等。 砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备,有晶体生长法,直接拉制法,气相生长法,液相外延法等。由于镓比较稀缺,砷有毒,制造成本高,此种太阳电池的发展受到影响。除GaAs外,其它III-V化合物如Gasb,GaInP等电池材料也得到了开发。 1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为 24.2%,为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14.7%。另外,该研

太阳能电池的工作原理、工作效率、制造太阳能的材料及大致构造

引言太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源.也是清洁能源,不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中;大阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。为此,人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应,根据所用材料的不同,太阳能电池可分为:1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的大阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池,对太阳能电池材料一般的要求有:1、半导体材料的禁带不能太宽;②要有较高的光电转换效率:3、材料本身对环境不造成污染;4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑,硅是最理想的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状,并讨论了太阳能电池的发展及趋势。 1 硅系太阳能电池 1.1 单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是*单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合.通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率:通过以上制得的电池转化效率超过23%,是大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面积(225cm2)单电晶太阳能电池转换效率为19.44%,国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发,研制的平面高效单晶硅电池(2cm X 2cm)转换效率达到19.79%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5cm X 5cm)转换效率达8.6%。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电池,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 1.2 多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350~450μm的高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料,人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒大小,未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜,人们一直没有停止过研究,并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积(LPCV D)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺。此外,液相外延法(LPPE)和

《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-4

第四章
4.1 3 4.2 4.3 3 4.4 4.5 4.6
太阳电池基础
光生伏特效应 光生载流子的浓度和电流 太阳电池的伏安特性 太阳电池的性能表征 太阳电池的测试技术 太阳电池的效率分析

4.6 太阳电池效率分析-极限效率
太阳电池的理论效率
VOC I SC ? FF ?? ?100% Pin
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定后, 为获得较高的转换效率, 需要增加Voc、Isc和FF
填充因子FF
在理想情况下(当voc>10),填充因子FF仅是开路电压Voc的函数
Voc的函 数
voc ? ln(voc ? 0.72) q FF ? voc ? Voc , voc ? 1 kT

4.6 太阳电池效率分析-极限效率
短路电流Isc
I sc ? ? I L I L ? qAG ? Le ? W ? Lh ? ,
假设到达电池表面的每一个能量大于材料禁 带宽度Eg的光子,会产生一个电子-空穴对。 将光通量对波长进行积分,可以得到产生率G。
开路电压Voc
Voc ?
2
? kT ? I L ln ? ? 1? q ? I0 ?
? Eg ? I 0 =1.5 ? 10 exp ? ? ? kT ? ?
5
Eg ) I0∝ ni ? N C N V exp(? kT
禁带宽度Eg减小,I0增加,Voc减小

4.6 太阳电池效率分析-极限效率
最佳带隙宽度
禁带宽度Eg减小
Isc增加
Voc减小

太阳能电池工作原理和应用

太阳能电池的分类简介 (1)硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%(截止2011,为18%)。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于单晶硅成本价格高,大幅度降 低其成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶硅 薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代 产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低 廉,而效率高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转 换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%(截 止2011,为17%)。因此,多晶硅薄膜电池不久 将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻,转换效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么,非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

2)多晶体薄膜电池 多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产 品。 砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率 可达28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光学 带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热 不敏感,适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用 GaAs电池的普及。 (3)有机聚合物电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本低等优势,从而对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始,不论是使用寿命,还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品,还有待于进一步研究探索。 (5)有机薄膜电池 有机薄膜太阳能电池,就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉,这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里,95%以上是硅基的,而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的 6)染料敏化电池 染料敏化太阳能电池,是将一种色素附着在TiO2粒子上,然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射,生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收,从电极流出进入外电路,再经过用电器,流入电解液,最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低,这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。 (7)塑料电池 塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料,能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产,其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟,预计在未来5年到10年,基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。 太阳能工作原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式,一种是光一热一电转换方式,另一种是光一电直接转换方式。其中,光一电直接转换方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光一电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型

晶硅太阳能电池的特点和种类

晶体硅太阳能电池的种类及特点 太阳能电池已经有30多年的发展历史。目前世界各国研制的硅太阳能电池种类繁多,;主要系列有单晶、多晶、非晶硅几种。其中单晶硅太阳能电池占50%,多晶硅电池占20%、非晶占30%。我国光伏发电发展需解决的关键问题。太阳能光伏发电发展的瓶颈 是成本高。为此,需加大研发力度,集中在降低成本和提高效率的关键技术上有所突破,主要包括:a)晶体硅电池技术。降低太阳硅材料的制备成本:开发专门用于晶体硅太阳 能电池的硅材料,是生产高效和低成本太阳电池的基本条件;同时实现硅材料国产化和 提高性能,从产业链的源头,抓好降低成本工作。提高电池/组件转换效率:高效钝化 技术,高效陷光技术,选择性发射区,背表面场,细栅或者单面技术,封装材料的最佳 折射率等高效封装技术等。光伏技术的发展以薄膜电池为方向,高效率、高稳定性、低 成本是光伏电池发展的基本原则。 单晶硅在太阳能的有效利用当中,太阳能光电利用是近些年来发展最快,也是最具 活力的研究领域。而硅材料太阳能电池无疑是市场的主体,硅基(多晶硅、单晶硅)太阳 能电池占80%以上,每年全世界需消费硅材料3000t左右。生产太阳能电池用单晶硅, 虽然利润比较低,但是市场需求量大,供不应求,如果进行规模化生产,其利润仍然很 可观。目前,中国拟建和在建的太阳能电池生产线每年将需要680多吨的太阳能电池用 多晶硅和单晶硅材料,其中单晶硅400多吨,而且,需求量还以每年15%~20%的增长 率快速增长。硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%,技术也最为成熟。高性能单晶 硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅 的电池工艺已近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂 等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率 主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳 能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制 成倒金字塔结构。通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率:通过以上制得 的电池转化效率超过23%。单晶硅具有完整的金刚石结构。通过掺杂得到n,P型单晶硅,进而制备出p/n结、二极管及晶体管,从而使硅材料有了真正的用途。单晶硅太阳能电 池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶 硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度 降低其成本是非常困难的。 多晶硅众所周知,利用太阳能有许多优点,光伏发电将为人类提供主要的能源,但 目前来讲,要使太阳能发电具有较大的市场,被广大的消费者接受,提高太阳电池的光 电转换效率,降低生产成本应该是我们追求的最大目标,从目前国际太阳电池的发展过 程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合 1

《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-1

第四章 太阳电池基础 光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应34.1太阳电池的伏安特性34.34.5太阳电池的效率分析 太阳电池的性能表征4.6

太阳电池基本结构 以晶体硅太阳电池为例。 (1)以p型晶体硅半导体材料为衬底; (2)为了减少光的反射损失,常制作绒面减反结构(3)采用扩散法在硅衬底上制作重掺杂的n型层(4)PECVD生长SiO 减反层 2 (5)在n型层上面制作金属栅线,作为正面接触电极(6)在衬底背面制作金属膜,作为背面欧姆接触电极

半导体 吸收光子产生电子空穴对,电子空穴对在p-n结内建电场作用下分离,从而在p-n结两端产生电动势。 p-n结是太阳电池的核心 光生载流子形成一个与热平衡结电场方向相反的电场,使得势垒降低;光生电流与正向结电流相等时,pn结建立稳定的电势差,即光生电压 Electric Field

载流子运动的角度 太阳电池工作原理:当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时,其中 的光子能把价带中电子激发到导带上去,形成 能量大于禁带宽度E g 自由电子,价带中留下带正电的自由空穴,即电子—空穴对,通常 称它们为光生载流子。自由电子和空穴在不停的运动中扩散到p-n结的空间电荷区,被该区的内建电场分离,电子被扫到电池的n型一例,空穴被扫到电池的p型一侧,从而在电池上下两面(两极)分别形成了正负电荷积累,产生“光生电压”,即“光伏效应”。如果在电 池的两端接上负载,在持续的太阳光照下,就会不断有电流经过负载。这就是太阳电池的基本工作原理。

能带的角度 持续光照条件下,大量的光生载流子产生,光生电子和空穴被源源不断地分别扫到n型和p型一两侧,致使n区和p区费米能级的分裂,若太阳电池断路,光生电压V即为开路电压V 。若外电路短路,pn结正向电流为 oc 零,外电路电流为短路电流,理想情况下也就是光电流。

太阳能电池材料

太阳能电池材料 1.说明三氯氢硅还原法制备高纯硅的具体步骤 答:工业级硅经过酸洗、粉碎(60~100目),符合粒度的送入干燥炉,经热氮气流干燥后,送入沸腾炉,同时从炉底部通入适量的干燥HCL,进行三氯氢硅的合成。 2.论述拉制无错位单晶硅的工艺 无错位晶核是生长无错位单晶的基础 3.论述直拉法工艺的定义、工艺流程、需控制的参数、特点 答:生长方法:在直拉单晶炉内,向盛有熔硅坩埚中,引入籽晶作为非均匀晶核。然后控制热场,将籽晶旋转并缓慢向上提拉,单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。直拉法工艺流程:炉体、籽晶、多晶硅、掺杂剂、石英坩埚;清洁处理;装炉;抽真空(或通保护气体);加热熔化;单晶生长;降温出炉;性能测试。 单晶工艺流程:1.熔化;2.稳定;3.引晶;4.缩颈;5.放肩;6.等径;7.收尾。需控制的参数、特点:坩埚的位置、转速、上升速度,以及籽晶的转速和上升速度,热场的设计和调整。 4.论述在直拉法中杂质的掺入方法以及单晶中杂质均匀分布的控制方法 答:共熔法:纯材料与杂质(不易挥发的材料)一起放入坩埚熔化; 投杂法:向已熔化的材料中加入杂质(易挥发的材料) 单晶中杂质均匀分布的控制方法:1.直拉法单晶纵向电阻率均匀性的控制:变速 拉晶法:原理C S =KC L 。双坩埚法:连通坩埚法和浮置坩埚法。2.径向电阻率均匀 性的控制:在晶体生长过程中,如果熔体搅拌均匀,则固液交界面是等电阻面。 5.论述直拉工艺中降低氧含量的措施 6.什么是分凝现象?平衡分凝系数?有效分凝系数?小平面效应? 答:分凝现象:将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时,杂质在晶体的固体浓度Cs和未结晶的液体中浓度C l不同的现象。 平衡分凝系数:在一定温度的平衡状态下,杂质的固液两相中浓度的比值:K0=C S/C L

太阳能电池基础知识

一,基础知识 (1)太阳能电池的发电原理 太阳能电池是利用半导体材料的光电效应,将太阳能转换成电能的装置. ?半导体的光电效应所有的物质均有原子组成,原子由原子核和围绕原子核旋转的电子组成.半导体材料在正常状态下,原子核和电子紧密结合(处于非导体状态),但在某种外界因素的刺激下,原子核和电子的结合力降低,电子摆脱原子核的束搏,成为自由电子. 光激励 核核 电子 空穴电子 电子对?PN 结合型太阳能电池 太阳能电池是由 P 型半导体和 N 型半导体结合而成,N 型半导体中含有较多的空穴,而P 型半导体中含有较多的电子 ,当 P 型和 N 型半导体结合时在结合处会形成电势当芯 片在受光过程中,带正电的空穴往 P 型区移动,带负电子的电子往 N 型区移动,在接上连线和负载后,就形成电流.. (2)太阳能电池种类 - ++- - +P 型

铸 造 2 工 PN 结合(正面 N 极,反 面 P 极 ) 减 反膜形成 通过电极,汇集电 ※在现在的太阳能电池产品中,以硅半导体材料为主,其中又以单晶硅和多晶硅为代表.由于 其原材料的广泛性,较高的转换效率和可靠性,被市场广泛接受.非晶硅在民用产品上也有 广泛的应用(如电子手表,计算器等),但是它的稳定性和转换效率劣于结晶类半导体材料. 化合物太阳能电池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害,现阶段未被市场广泛采用. ※现在太阳能电池的主流产品的材料是半导体硅,是现代电子工业的必不可少的材料,同时 以氧化状态的硅原料是世界上第二大的储藏物质. ※京瓷公司早在上世纪的八十年代就认识到多晶硅太阳能电池的光阔前景和美好未来,率先 开启多晶硅太阳能电池的工业化生产大门.现在已经是行业的龙头,同时多晶硅太阳能电 池也结晶类太阳能电池的主流产品(太阳能电池的 70%以上). (3)多晶硅太阳能电池的制造方法 空间用 民用 转换效率:24% 转换效率:10% 转换效率:8% (1400 度以上) 破锭(150mm *155mm ) N 极烧结 电极 印刷 ( 正 反

钙钛矿太阳能电池材料

背景 在能源紧缺的现代社会,为了维持人类的可持续发展,科学家们一直致力于新能源的研究,其中至少在几十亿年内都取之不尽的太阳能便成了热门的研究对象。 太阳能电池大家都不陌生,它通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能。钙钛矿材料我们也很熟悉,就是一类有着与钛酸钙(CaTiO3)相同晶体结构的材料,其结构式一般为ABX3,其中A和B是两种阳离子,X是阴离子。 但钙钛矿太阳能电池却是一个比较新的概念。 2009年日本桐荫横滨大学的宫坂力教授将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于染料敏化太阳能电池,获得了最高%的光电转化效率,此为钙钛矿光伏技术的起点 但它直到2014年左右才被人们重视起来。是因为在短短几年间其效率一直在显著提升,这是NREL上实验室最高电池效率的图,我们可以看出钙钛矿材料的效率上升速率远远超过了其他同类型材料。钙钛矿材料被认为是最有可能取代硅晶材料作为太阳能电池的材料 概述 钙钛矿太阳电池一般采用有机无机混合结晶材料——如有机金属三卤化物CH3NH3PbX3(X=Cl, Br, I)作为光吸收材料。该材料具有合适的能带结构,其禁带宽度为,因与太阳光谱匹配而具有良好的光吸收性能,很薄的厚度就能够吸收几乎全部的可见光并用于光电转换。 如图所示,这是钙钛矿太阳能电池的一般结构结构,由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层(ETM)、钙钛矿光敏层、空穴传输层(HTM)和金属电极。其中电子传输层常常用TiO2 钙钛矿电池一个显著的特点是IV曲线(伏安曲线)的滞后(I-V hysteresis)(通常叫滞后现象或迟滞现象),一般从反向扫描(开路电压-短路电流)得到的曲线比正向扫描(短路电流-开路电压)看起来好很多。现在对钙钛矿的这种现象还没有一个很好的解释,目前比较合理的解释是:钙钛矿材料具有很强的铁电性能(ferroelectricity)以及巨大的介电常数,导致电池的低频电容很大,比其他任何一种光伏电池都显著。 文献

CIGS 太阳电池材料结构与特性

CIGS 太陽電池材料結構與特性 1.CIGS 元件構造 CIGS 薄膜太陽電池具有層狀結構,其典型結構為:蘇打玻璃(Soda-lime glass, SLG)/Mo 薄膜電極/p 型吸收層 CIGS 薄膜/n 型緩衝層 CdS 薄膜/雙層結構的ZnO 薄膜窗口層(i-ZnO/n-ZnO)/抗反射層 MgF2/Ni-Al 電極薄膜 [1],如圖1所示。 圖 1 CIGS 薄膜太陽電池結構示意圖[1] 2.CIGS 吸收層特性 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2的太陽電池薄膜的化學成分較佳的比值為Cu:In:Se = 1:1:2 的 成分組成,其銅對三族(Cu/Ⅲ)最佳理想化學計量比值近於0.93[26]。Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族的 CIGS 薄膜太陽電池為黃銅礦(Chalcopyrite)晶體結構,而黃銅礦結構由閃鋅礦結構(Sphalerite)演變而來。閃鋅礦結構如圖2 (a)所示,是以Ⅱ族鋅和Ⅵ族硒原子組成 的。黃銅礦結構如圖2 (b)所示,I族Cu和Ⅲ族In元素取代Ⅱ的Zn原子的位子,原 本Ⅵ族的硒(Se)則維持不變,且黃銅礦立方晶格c軸方向單位長度大約為閃鋅礦結構 的兩倍,故此結構實為兩個閃鋅礦結構所形成。在黃銅礦結構中每個銅原子都有四個 鍵結連接到一個硒原子上,且每個銦也有四個鍵結連接到一個硒原子上,所以表示每 個Se原子有兩個鍵鍵結到Cu和兩個鍵鍵結到In。由於黃銅礦結構中,有部分因不 同原子半徑所造成的晶格畸變,因此,此結構之晶格比例c/a 不等於2,所以導致I- Ⅵ (Cu-Se)原子和Ⅲ-Ⅵ (InSe/Ga-Se)原子之間的鍵結強度也會不相同。

圖 2 (a)閃鋅礦結構 (b)黃銅礦結構[2] 由圖 3 所示,α–CuInSe2 為黃銅礦結構屬於四方晶系(Tetragonal crystal system),在室溫時,當 Cu 的化學成份比介於 24 至 24.5 at %,會有 CuInSe2(α) 相存在,且當退火熱處理溫度達到 973K 時,CuInSe2 薄膜的成分組成可容許約 5mol%的變異誤差,這表示即便 CuInSe2 薄膜成份組成偏離比值 Cu:In:Se=1:1:2 的成份組成,只要在該組成區域範圍內,就能具有黃銅礦結構及其相同的物理和化學性質。然而 CuInSe2 薄膜偏移化學組成時,處於富 Cu (Cu-rich) 的情況下,會得到混合的α 和 Cu2Se 的相。換句話說,當薄膜處於富 In (In-rich)的情況下,會得到混合的α 和有序缺陷化合物(Ordered defect compound, ODC)相存在。另外,在 Cu2Se–In2Se3 相圖中存在β 與γ 相分別是代表(CuIn3Se5)、(CuIn5Se8),而β 稱為有序空位化合物(Ordered vacancy compound , OVC)。 圖 3 Cu2Se–In2Se3 二元相圖[3]

太阳能电池材料

太阳能材料的研究和发展 1 引言 随着人类社会的不断发展,人与自然的矛盾也愈来愈突出。目前全世界范围面临的最为突出的问题是环境与能源,即环境恶化和能源短缺。这个问题当然要通过各国政府采取正确的对策来处理,发展新材料及相应的技术.将是解决这一问题最为有效的方法。事实上近年来人们对太阳能材料的研制和利用,已显示了积极有效的作用。这一新型功能材料的发展,既可解决人类面临的能源短缺,又不造成环境污染。尽管太阳能材料的成本还较高和性能还有待进一步提高,但随着材料科学的不断进步,太阳能材料愈来愈显示了诱人的发展前景。可以预见,在下个世纪,太阳能材料将扮演更为重要的角色。就象半导体等功能材料的发展带来电信和计算机产业的兴起和发展一样,太阳能材料及相关技术也将带来太阳能器件的产业化的发展,使人类在环境保护和能源利用两方面的和谐达到更加完善的境界。大阳能是人类取之不尽,用之不竭的可再生能源,也是清洁能源,不产生任何的环境污染。为了充分有效地利用太阳能,人们发展了多种太阳能材料。按性能和用途大体上可分为光热转换材料,光电转换材料,光化学能转换材料和光能调控变色材料等。由此而形成太阳能光热利用,光电利用,光化学能利用和太阳能光能调控等相应技术。从目前世界范围内经济发展状况来看,太阳能材料及相应利用技术是发展最快和最有发展前景的高科技产业之一。随着科学技术的不断进步,将不断地出现更为经济,性能更好的新型太阳能材料。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源.也是清洁能源,不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中;大阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。为此,人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应,根据所用材料的不同,太阳能电池可分为:1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的大阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池,对太阳能电池材料一般的要求有:1、半导体材料的禁带不能太宽; ②要有较高的光电转换效率:3、材料本身对环境不造成污染;4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑,硅是最理想的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。 1 硅系太阳能电池 1.1 单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合.通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率:通过以上制得的电池转化效率超过23%,是大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面积(225cm2)单电晶太阳能电池转换效率为19.44%,国内北京太

太阳能电池的分类简介

太阳能电池的分类: 太阳能电池的分类简介 太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(以下表示为a-)两大类,而前者又分为单结晶形和多结晶形。 按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形,而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形 (a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化锌 (Zn 3 p 2 )等。 太阳能电池根据所用材料的不同,太阳能电池还可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池,其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。 (1)硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于单晶硅成本价格高,大幅度降低其成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉,而效率高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。因此,多晶硅薄膜电池不久将会国际空间站太阳能电池板在太阳能电地市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻,转换效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么,非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。 (2)多元化合物薄膜太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐,其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。 硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。 砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感,适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs 电池的普及。 铜铟硒薄膜电池(简称CIS)适合光电转换,不存在光致衰退问题,转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源,由于铟和硒都是比较稀有的元素,因此,这类电池的发展又必然受到限制。 (3)聚合物多层修饰电极型太阳能电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本底等优势,从而对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始,不论是使用寿命,还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品,还有待于进一步研究探索。 (4)纳米晶太阳能电池 纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的,优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/5~1/10.寿命能达到20年以上。 此类电池的研究和开发刚刚起步,不久的将来会逐步走上市场。 (5)有机太阳能电池 有机太阳能电池,就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉,这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里,95%以上是硅基的,而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的。 Page 1 of 1

《太阳能电池基础与应用》期中

第 1 页 绝密★启用前 江西冶金职业技术学院 2013-2014学年第一学期《太阳能电池基础与应用》期中考试试卷 一、选择题(请在备选答案中选出最恰当的一项,每小题2分,共20分) 1、在衡量太阳电池输出特性参数中,表征最大输出功率与太阳电池短路电流和开路电压乘积比值的是( )。 A 、转换效率 B 、填充因子 C 、光谱响应 D 、方块电阻 2、下列表征太阳电池的参数中,哪个不属于太阳电池电学性能的主要参数( )。 A .开路电压 B.短路电流 C. 填充因子 D 、掺杂浓渡 3、某单片太阳电池测得其填充因子为77.3%,其开路电压为0.62V ,短路电流为5.24A,其测试输入功率为15.625W,则此太阳电池的光电转换效率为( )。 A 、16.07% B 、15.31% C 、16.92% D 、14.83% 4、太阳能光伏发电系统的最核心的器件是( )。 A 、控制器 B 、逆变器 C 、太阳电池 D 、蓄电池 5、下列选项中,不属于减反射膜材料的是( )。 A 、TiO2 B 、SiF4 C 、SiNx D 、SiO2 6、目前已被实用化的太阳能电池中98%使用的是( )材料。 A 、硅 B 、锗 C 、镓 D 、铟 7、下列仪器中,用来测量方块电阻的是( ) A 、少子寿命测量仪 B 、辉光放电质谱仪 C 、金相电子显微镜 D 、四探针测试仪 8、硅在常温下很稳定,只能与 发生反应生成 。( ) A 、HCL 和SiCl 4 B 、HNO 3和SiNx C 、F 2和SiF 4 D 、HF 和SiF 4 9、磷硅玻璃由( )组成。 A CF 4 B SiO 2 C 磷 D SiF 4 10、单晶硅绒面呈( )形。 A 、三角形 B 、金字塔形 C 、圆形 D 、正方形 二、填空题(每空 1分,共 20分) 11、晶体硅太阳电池制造设备主要由 、 、RENA 后清洗机、 、丝网印刷机、 等。 12、丝网印刷工艺流程主要分为三步,分别是 , 和 。 13、去PSG 中用到的化学试剂是HF ,它的反应方程式是 。 14、刻蚀分为干法刻蚀和 刻蚀;其中,等离子体刻蚀属 刻蚀。 15、三氯氢硅氢还原法制多晶硅的化学反应式是: 。 16、丝网印刷的目的是 17、PECVD 的中文是 ,它的目的是 。 18、直拉法生产单晶硅的设备是 。 19、Isc 的中文意思是 ,Uoc 的中文意思是 20、125Χ125mm 规格的单晶硅太阳能电池,它的输出电压是 V ,输出功率是 W 左右 21、粗硅制备的化学原理 三、判断题(每小题2分,共20分) 22、太阳能电池片的正面电极为正极 ( ) 23、光伏组件参数的测试中,不需要冰雹测试。 ( ) 24、人体吸入高浓度氧气会引起“氧中毒”。 ( ) 25、光伏企业一般采用氢氧化钠溶液在80~90度腐蚀数分钟来出去晶体硅表面的机械损伤层。 ( ) 26、各向异性腐蚀主要用于单晶硅绒面制备。 ( ) 27、SiNx 减反射膜既有减少光的反射作用,又能对表面进行钝化。 ( ) 28、TPT 的作用是为了防水和绝缘。( ) 29、硅烷法是目前国际上多晶硅制造的主流工艺。 ( ) 30、实现多晶硅定向凝固生长的方法有四种,常用的是布里奇曼法。 ( ) 31、POCl 3在有O 2的情况下分解为P 2O 5和Cl 2。( ) 四、简答题( 每小题6 分,共30分) 32、为什么要对太阳能电池片进行组合和封装? 33、写出太阳能电池片的生产流程。 34、丝网印刷的工作原理? 适用班级:12光伏班 姓名: 系部:机电工程系 出卷人:聂行 密 封 线

太阳能电池材料

太阳能电池材料 The materials of Solar Cells 课程编号:07310550 学分:3 学时:45 ( 其中:授课学时:45 实验学时:0 上机学时:0 ) 先修课程:新能源材料,固体物理导论 适用专业:无机非金属材料工程(光电材料与器件) 教材:《太阳能电池材料》杨德仁主编,化学工程出版社,2006 年10 月第一版开课学院:材料科学与工程学院 一.课程的性质与任务本课程是光电材料与器件专业的一门主要专业方向课程。本课程力求在介绍太阳能光电转化基本原理和太阳能电池基本结构和工艺的基础上,重点介绍太阳能电池材料的制备,材料的结构和性能。 二. 课程的基本内容及要求 第一章太阳能和光电转换 1.教学内容 (1)太阳能 (2)太阳能辐射和吸收 (3)太阳能光电的研究和应用历史 (4)太阳电池的研究与开发 2.基本要求 (1)了解太阳能电池的发展历史 (2)了解太阳能的基本参数 第二章太阳能光电材料及物理基础 1.教学内容 (1)半导体材料和太阳能光电材料 (2)载流子和能带 (3)杂质和缺陷能级 (4)热平衡下的载流子以及非平衡载流子 (5)pn 结和金属-半导体接触 (6)太阳能转换原理-光生伏特效应 2. 基本要求 (1)理解半导体材料以及太阳能光电材料的定义,分类 (2)理解载流子的分类,定义以及半导体能带理论 (3)熟练掌握杂质半导体的分类,能级理论

(4)理解非平衡载流子的产生,复合,寿命,扩散,在电场下的漂移 (5)掌握pn 结的制备,原理,电流电压特性,金属-半导体接触,欧姆接触的原理 (6)掌握半导体材料的光吸收,光生伏特效应的原理第三章单晶硅材料 1.教学内容 (1)硅的基本性质 (2)太阳能电池用硅材料 (3)高纯多晶硅的制备 (4)太阳能级多晶硅的制备 (5)区熔单晶硅 (6)直拉单晶硅 (7)硅晶片加工 2.基本要求 (1)了解硅的基本物理,化学性质 (2)理解太阳能电池用硅材料在纯度,物理,化学等方面的要求 (3)了解西门子法,硅烷法,四氯化硅氢还原法的原理 (4)掌握了解太阳能级多晶硅的制备步骤 (5)了解区熔单晶硅的制备步骤 (6)熟悉直拉单晶硅的生长原理,生长技术,掺杂技术和工艺 (7)了解硅晶片制备步骤中的切断,滚圆,切片,化学腐蚀第四章铸造多晶硅 1.教学内容 (1)概述 (2)铸造多晶硅的制备工艺 (3)铸造多晶硅的晶体生长 2.基本要求 (1)了解铸造多晶硅的定义。 (2)熟悉铸造多晶硅的制备工艺步骤。 (3)理解铸造多晶硅的晶体生长中所需的原材料,坩埚,晶体生长工艺,晶体生长的因素,晶体掺杂。 第五章太阳电池的结构和制备 1.教学内容 (1)太阳电池的结构和光电转换效率 (2)晶体硅太阳电池的基本工艺 ⑶薄膜太阳电池 2.基本要求

相关文档
最新文档