光伏物理与光伏材料-第四章 高效III-V族化合物太阳能电池
III-V族化合物半导体太阳能电池_2023年学习资料
從能隙大小來看，磷化銦-InP、砷化镓GaAs、以-及碲化鎘CdTe等半導體材料，是極適合於製作高-效率的 陽能電池·-■能带間隙小於1.4~1.5電子伏特的半導體材料，其光波-的波長分布於紅外光的光譜區域，適合於 外光的光-波吸收。-■倘若將不同能隙的半導體材料，進行不同薄膜層的堆-叠，可以使其波長感度變得較大的區域分 ，因而可-以吸收不同波長的光譜，進而提升光電轉换效率。
大部分III-V族化合物半導體，是直接能隙半-導體，其能量與動量的轉移過程僅需要光子的-釋出-■-在間接能 半導體方面，其能量與動量的轉移-過程不僅僅是光子的釋出，而且其晶體的晶格-熱振動將產生動量的變化，進而衍生 聲子的-遷移效應
電子能量-電洞-hc-Eg能隙能量-動量-a
砷化镓太陽能電池基本特性-1.-高的光電能量轉换效率。-2.-適合於大面積薄膜化製程·-3.-高的抗輻射線 能·-4.-可耐高溫的操作。-5.-低成本而高效率化的生產製程。-6.-適用於太空衛星系統·-7.-可設計 特殊性光波長吸收的太陽能電池。-8.-極適合於聚光型或集光型太陽能電池應用。-9.-具有正負電極導電支架而 於插件安排。
III-V族化合物半導體太陽能電池
III-V族化合物半導體，是發光二極體元件製-作的主要材料，亦是太陽能電池元件的主要材-料之一，其中又以砷 镓為代表性材料。-■太陽能電池的基本原理是「光電效應Opto-Electro Effect」o-太陽能電池 件是二極體元件中的一種，它不-能發光而能夠發電，故又稱為「光伏特二極體-元件Photovoltaic Di de;PVD」或「光伏-特電池Photovoltaic Cell;PWC」。
砷化镓鋁/砷化镓AlGaAs/GaAs-20-矽Si-10-照度：135mW1cm2-100--50-15 -200-250-集光型太陽能電池的光電轉换效率-及其電池操作溫度的關係圖
太阳能电池介绍
2014全球多晶硅产量
日本其他 , 4% , 1% 德国, 17%
2014全球硅片生产
其他 欧盟 东南亚 日本 3% 2%2% 韩国 3% 5%
中国台湾 9% 中国, 43%
中国大陆 76%
韩国, 16% 美国, 19%
中国
美国
韩国
德国
日本
其他
中国大陆
东南亚
中国台湾
欧盟
韩国
其他
日本
全球组件生产
东南亚, 10% 日本, 5% 中国台 湾, 5%
设备复杂，维护费用高，需要解决炉内 热损失，炉壁重金属污染等问题
改良西门子法依然“综合素质”最 优的多晶硅生产工艺，短时间内被 其他工艺替代的可能很小。 四大多晶硅供应商（保利协鑫、德 国Wacker、美国Hemlock、韩国OCI）
03
Part Three
多晶硅太阳能电池制备工艺
工艺流程
一次清洗
流化床法
经过化学提纯得到的高纯 多晶硅的基硼浓度应小于 0.05ppba(十亿分之一原子 比)， 基磷浓度小于0.15ppba， 金属杂质浓度小于1.0ppba。
冶金法
西门子法
三氯氢硅氢还原法于1954年由西门子公司研究成功，因此又 称为西门子法。主要化学反应主要包括以下2个步骤：
1、三氯氢硅（Si HCI）的合成； 3 2、高纯硅料的生产：
12000
10000 8000
6000
4000
4011
0
0%
2007 2008 2009 2010
2004
中国多晶硅电池产业自2004年疯狂扩张，不到 10年，规模全球第一
然而，好景不长，2011 年，欧债危机和双反危 机使中国光伏遭遇寒冬
光伏发电技术习题及答案期末考试
第一章光伏发电系统 习題一・填空题住宅用离网光伏发电系境主要用太阳能作为供电能量。
白天太HI 能离网 发电系统对蓄电池进行；晚间，太阳能离网发电系鋭对蓄电池所存储的电能进行。
独立光伏发电系统按照哄电类型可分为、和，其主要区别是系统中是否 有。
为能I6JAC220V 的电器提供电能,需要将太皿能发电系统所发出的直流电 能转换成交流电能,因此需要使用。
8 •太阳能光伏电站按照运行方式可分为和。
未与公共电网相联接独立供电的 太讯能光伏电站称为。
二.选择题1. 与常规发电技术相比，光伏发电系貌有很名优点。
下面那一顶不是光伏 发电系貌的优点()oC.蓄电也组1. 太阳能利用的基本方式可以分为、、、2. 光伏并网发电主要用Tfllo3. 光伏与建旅相结合光伏发电系貌主要分为、。
4. 5. 6. 太阳能户用电源系境一般由太阳能电也极、和构成。
7. A. 清洁坏保，不产生公害B.取之不尽.用之不琳C. 不存在机械磨损、无蝶声D.维护成本高、管理繁硕 2. 与并网光伏发电系貌相比()是独立光伏发电系统不可觎少的一部分。
A. 太讯能电也扳B.控制器D.逆变器3•关于光伏翟筑一体化的应用叙述不对的是（）。
A.造价低、成本小、稳定性好B.采用并网光伏系统，不需要配备蓄电池C.绿色能源，不会羽染坏境。
D.起到建笳节能作用4.（）是整个独立光伏发电系筑的核心部件。
A、充笊电控制器B、蓄电池组C、太皿能电池方阵D、肾能元件5.独立光伏发电系貌较并网光伏发电系貌建设成本、绒护成本（）A、无法硕算B、偏低C、一致D、偏高6.目前国外普遍果用的并网光伏发电系貌是（）A、有逆流里并啊系筑B、无逆流型并网系貌C、切换里并啊系筑D、直、交流型并网系统三、简答题1•简述太皿能发电原理。
2.什么是光伏效应?3.简述光伏系筑的组成。
4.BAPVfllBIPV有什么区别？5.目前光伏发电产品主要用于哪些方面。
6.简述太阳能光伏发电系统的种类。
光伏组件的主要材料 -回复
光伏组件的主要材料-回复光伏组件是利用光电效应将太阳能转化为电能的装置。
它由多个关键材料组成，每个材料都在太阳能转换和电能产生中扮演着重要的角色。
本文将逐步回答关于光伏组件的主要材料的问题，详细介绍它们的特性、应用和未来发展趋势。
一、硅：光伏组件的主要材料之一是硅。
硅是一种半导体材料，具有优良的光电转换性能。
它主要通过锗和砷等掺杂剂来改变其导电性质。
硅可以分为单晶硅、多晶硅和非晶硅三种类型。
单晶硅具有最高的转换效率，但成本较高。
多晶硅则更为常见，成本较低，但相对效率略低。
非晶硅是最便宜的，但也是最低效的。
硅材料的稳定性、可靠性和长寿命是其在光伏行业中被广泛使用的重要原因之一。
二、硒化铟：硒化铟是一种II-VI族化合物，具有较高的吸光度和光电转换效率。
硒化铟可以作为薄膜太阳能电池的光敏材料。
相对于硅，硒化铟可以在更薄的层次上吸收更多的光线，并将其转化为电能。
硒化铟光伏组件具有高度可定制性和灵活性，可以生产出各种形状和尺寸的光伏设备。
三、砷化镓：砷化镓是一种III-V族化合物，也是一种重要的光伏材料。
砷化镓具有优异的光电特性，其能带结构使之能够在更高频率的光谱范围内吸收光线。
它的光电转换效率高，适用于特定的光伏应用，如航空航天和军事领域。
尽管砷化镓是昂贵的材料，但由于其高效率和可靠性，它仍然是一种可行的选择。
四、碲化铟镉：碲化铟镉是一种II-VI族化合物，也是光伏组件中常用的材料之一。
碲化铟镉具有较高的吸光度和较高的光电转换效率。
它在光谱范围内的光吸收性能非常高，能够实现较高的转换效率。
然而，由于镉的环境污染风险，碲化铟镉在某些地区的使用受到限制。
除了上述材料外，还有许多其他材料在光伏组件中得到应用。
例如，有机材料（如聚合物）和钙钛矿等新型材料被广泛研究和开发，以改善光伏组件的性能和降低成本。
未来，随着对可再生能源需求的不断增长，光伏技术将不断发展，并且新的材料将会被发现和应用于光伏组件中。
人们将继续寻求更高效率、更持久、更环保以及生产成本更低的光伏材料。
第4章 Ⅲ-V族化合物太阳电池
Ⅲ-V族或Ⅱ-Ⅵ族的化合物太阳电池。
除了硅可以用在太阳电池以外，也可使用Ⅲ-V族或 Ⅱ-Ⅵ族的化合物太阳电池。 所谓的Ⅲ-V族化合物是指由周期表的Ⅲ族元素（例如 Ga、In等）与V族元素（例如P、As等）所形成的半 导体材料，例如砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）等， 使用这类Ⅲ-V族化合物太阳电池的最主要的优点是， 它可以达到超过30%以上的转换效率，特别适用在太 空卫星的能源系统上。 这是因为Ⅲ-V族是具有直接能隙的半导体材料，仅仅 2um厚的材料，就可以在AM1的辐射条件下吸光97% 左右。
MOCVD设备的示意图
与LPE相比较，MOCVD的设备成本比较昂贵， 且技术较复杂，但它可以生长出多层很薄的均 匀异质外延层，增大了电池设计的灵活性，因 此有潜力获得更高的太阳能电池转换效率。
4.3.4 分子束外延法（MBE）
分子束外延技术，是在超高真空状态下（～ 10-10torr），让热原子或热分子束自原料中 分离出来，然后在基板表面进行反应，而沉积 产生外延薄膜的一种技术。 由于使用高真空及十分洁净的设备，因此可以 用来产生高纯度的外延层。
Ⅲ-V族化合物与硅比较具有的特性
高能量转换效率
由于太阳电池的理论转换效率，与半导体的能 隙大小有关，一般最佳的太阳电池测量的能隙 为1.4～1.5eV之间，所以能隙为1.43eV的 GaAs及1.35eV的InP会比1.1eV的硅更适合用 在高效率的太阳电池上， 利用各种Ⅲ-V族化合物所形成的多接面太阳电 池可增加被吸收波长的范围，更可达到高效率 化的目的。
耐放射性佳，因此这样的太阳电池更适合太空 用途。
更适合聚光技术
第四章：化合物半导体材料《半导体材料》课件
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽
室温下与空气中稳定，3600C下开始离解
InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的 电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；
InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优 于GaAs
InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光 纤通信中传输损耗最小的波段；
地区＼条件·效益
条件
能源节约
降低二氧化碳排放
美国
5％白炽灯及55％日光灯被 每年节省350亿美元电 每年减少7.55亿吨二氧
白光LED取代
费。
化碳排放量。
日本
100％白炽灯被白光LED取 代
可少建1-2座核电厂。
每年节省10亿公升以上 的原油消耗。
台湾
25％白炽灯及100％日光灯 节省110亿度电，约合
砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。
砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
硅
最大频率范围 最大操作温度 电子迁移速率
2～300GHz 200oC 高
<1GHz 120oC
低
抗辐射性
高
低
具光能
光伏材料与太阳能电池专业
光伏材料与太阳能电池专业太阳能电池是一种将太阳光转化为电能的装置，是可再生能源的重要组成部分。
光伏材料作为太阳能电池的核心组成部分，起着至关重要的作用。
本文将介绍光伏材料与太阳能电池专业的相关知识，包括光伏材料的种类、特性以及太阳能电池的工作原理和应用领域。
光伏材料主要分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、染料敏化太阳能电池（DSSC）和钙钛矿太阳能电池等几类。
单晶硅是最常见的光伏材料，具有高转化效率和较长的寿命，但成本较高。
多晶硅是目前应用最广泛的光伏材料，其成本相对较低，但转化效率略低于单晶硅。
非晶硅是一种非晶态的硅材料，具有较高的光吸收能力，但转化效率较低。
染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池，利用染料吸收光能并将其转化为电能。
钙钛矿太阳能电池由于其高转化效率和低成本，被认为是太阳能电池领域的未来发展方向。
不同类型的光伏材料具有不同的特性。
单晶硅具有较高的电子迁移率和较低的缺陷密度，因此具有较高的转化效率。
多晶硅的晶粒边界和缺陷会导致电子迁移的阻碍，从而降低转化效率。
非晶硅由于其非晶态结构，具有较高的缺陷密度，转化效率较低。
染料敏化太阳能电池具有较低的制造成本和较高的光吸收能力，但其稳定性和寿命仍然是一个挑战。
钙钛矿太阳能电池具有较高的转化效率和较低的成本，但其稳定性仍需进一步改进。
太阳能电池的工作原理是利用光伏材料的光电效应将光能转化为电能。
当光线照射到光伏材料上时，光子激发了光伏材料中的电子，并产生了电子-空穴对。
电子和空穴在光伏材料中的电场作用下分离，并在电极间产生电流。
这个过程是通过p-n结构实现的，其中p型半导体富含正空穴，n型半导体富含负电子。
太阳能电池的工作原理类似于普通的二极管，但其p-n结构的材料是光伏材料。
太阳能电池在能源领域有着广泛的应用。
大规模的太阳能电池组成太阳能电站，可以供应城市的电力需求。
小型的太阳能电池板可以用于家庭和商业建筑的屋顶发电，实现自给自足的能源供应。
太阳能电池还可以用于无线电通信设备、航天器和船舶等领域，为远程地区提供电力支持。
太阳能电池优秀课件
2 、光电导效应
电子能量
在光线作用下，电子吸收光
子能量从束缚状态过渡到自由
hv
状态，而引起材料电导率的变
导带 Eg
价带
化，这种现象被称为光电导效
应。
当光照射到半导体光电导材料上时，若光辐
射能量足够强，材料价带上的电子将被激发到导
带,从而使材料中的自由载流子增加，致使材料
的电导变大。
光电导产生的条件
6、温度效应
太阳能电池用半导体的禁带 宽度的温度系数为负，随温度 上升带隙变窄，会使短路电流 略有上升，但同时会使I0增加， Voc下降。
综合所有参数，转换效率随 温度上升而下降。
7、辐照效应 作为卫星和飞船的电源，太阳电池必然暴露
在外层空间的高能粒子的辐照下。高能粒子 辐照时通过与晶格原子的碰撞，将能量传给 晶格，当传递的能量大于某一阈值时，便使 晶格原子发生位移，产生晶格缺陷。这些缺 陷将起复合中心的作用，从而降低少子寿命。 大量研究工作表明，寿命参数对辐照缺陷最 为灵敏，也正因为辐照影响了寿命值，从而 使太阳电池性能下降。
理想情况下的效率
舍弃太阳光中波长大于长波限的光 谱，在理想情况下，能量大于禁带宽 度的光子全部被材料吸收形成光电流， 显然，最大短路电流Isc仅与材料的带隙 有关。
理想情况下Voc为：
Voc
kT q
ln
I ph I0
1
式中Iph为光生电流，I0为二 极管饱和电流：
I0
A
qDn
n2 i
LN nA
图一
将表面制成金字塔型的组织结构，以减少光的反射 量。
将金属电极埋入基板中，以减少串联电阻。(图二)
图二
减少背电极与硅的接触面积，以减少因金属与硅的 接合处引入的缺陷， (图三)
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1 III-V族材料的特性
III-V族化合物与Si相比的优点
GaAs太阳电池的温度系数较小，能在较高的温度下正常工作。
GaAs电池效率的温度系数约为-0.23%/℃，而Si电池效率的温度系数约为-
0.48%/℃。
温度升高到200℃，GaAs，电池效率下降近50%，而硅电池效率下降近75%。
ISC ILAq (L nG L p)
GaAs基系太阳电池具有较强的抗辐照性能。 辐照实验结果表明，经过1Mev高能电子辐照，即使其剂量达到1×1015cm-2
之后，GaAs基系太阳电池的能量转换效率仍能保持原值的75%以上，而先进的 高效空间Si太阳电池在经受同样辐照的条件下，其转换效率只能保持其原值的 66%。
以低地球轨道的商业卫星为例，对于初期效率分别为18%和13.8%的GaAs 电池和Si电池，初始两效率之比为1:1.3。经低地球轨道运行的质子辐照后，其 终期效率(EOL效率)将分别下降为14.9%和10.0%，此时GaAs电池的效率为Si电 池的1.5倍。
1 III-V族材料的特性
III-V族化合物包括 磷化铝(AlP) 砷化铝(AlAs) 锑化铝(AlSb) 磷化镓(GaP) 砷化镓(GaAs) 锑化镓(GaSb) 氮化铟(InN) 砷化铟(InAs)等化合物及化合物 组合(固溶体化合物)
1 III-V族材料的特性
硅为间接带隙半导体，几 乎所有的Ⅲ-V族化合物为直接 带隙半导体，这两者的差别在 于，当电子从价带激发到导带 时，除了能量的改变之外，具 有间接带隙的硅会同时发生晶 体动量的改变，但具有直接带 隙的Ⅲ-V族化合物不会发生晶 体动量的改变，这使得Ⅲ-V族 化合物在许多微电子的应用上 比硅具有更佳的特性。
Байду номын сангаасIII-V族化合物优点
1 III-V族材料的特性
III-V族化合物优点
III-V族化合物的带隙宽，而且使用三元或四元的混合III-V族化合物（如InGaP、
AlGaAs、GaInNAs、GaNAs等）更能使带隙的设计的变化更大
一些常见半导体材料的晶格常数与带隙，在不同材料之间的连接线，表示结
合不同比例的这两种材料所形成的三元或四元化合物的带隙大小。
2 III-V族材料的生长技术
到高效率化的目的。
1 III-V族材料的特性
III-V族化合物与Si相比的优点
硅是间接带隙材料，对于光的吸收系数较小，一般需要采用200um以上的厚度， 才能吸收到足够的太阳光，而Ⅲ-V族化合物多为直接带隙材料，对于光的吸收较 强，仅需要数微米的厚度，就能吸收到足够的太阳光。只要使用薄膜的III-V族化 合物，就可达到很高的效率。
GN0exp x()
Voc
nkT q
ln I L
I0 1
nkT q
ln
IL I0
I0
qADnLnnp0
Dppn0 Lp
1 III-V族材料的特性
III-V族化合物与Si相比的优点
可制成效率更高的多结叠层太阳电池 随着外延技术的日益完善，Ⅲ~Ⅴ族三元、四元化合物半导体材料（GaInP、
AlGaInP、GaInAs）的生长技术取得重大突破，为多结叠层太阳电池研制提供了 多种可供选择的材料。
2 III-V族材料的生长技术
III-V化合物的薄膜生长技术
液相外延法是由液态物质来长出外延层。 在生长GaAs的外延过程，它可借由添加杂质来降低液态物质的熔点（例如 GaAs+As的熔点比纯GaAs来得低），因此液态物质可以保持在比较低的温度，而 不会去把GaAs的衬底熔化掉。 慢慢降低溶液的温度，使得化合物因过饱和而在GaAs衬底上析出。 因为溶液中的杂质浓度会随着晶体的生长而递增，因此溶液的熔点会递减， 所以LPE的温度也要不断调降，以维持外延的生长。
1 III-V族材料的特性
各种太阳能电池抗辐照特性
III-V族化合物与Si相比的优点
1 III-V族材料的特性
III-V族化合物材料的缺点
III-V族太阳电池也有其固有的缺点，主要有以下几方面: GaAs材料的密度较大(5.32g/cm3)，为Si材料密度(2.33g/cm3)的两倍多; GaAs材料的机械强度较弱(易解理)，易碎; GaAs材料价格昂贵，约为Si材料价格的10倍； InP基系太阳电池的抗辐照性能比GaAs基系太阳电池还好，但转换效率 略低，而且InP材料的价格比GaAS材料更贵； 材料表面易氧化而形成复合中心，钝化困难； 材料生长对设备要求高，制作成本高。
多应用于空间领域
2 III-V族材料的生长技术
2 III-V族材料的生长技术
III-V化合物的薄膜生长技术
III-V族化合物的薄膜生长技术，主要是利用外延生长法，又可细分为液相 外延、有机金属化学气相淀积法、分子束外延等 所谓的外延是指在一晶体上有次序的生长另一层晶体 如果衬底与所长的外延层材料相同的话，就叫做同质外延，如果衬底与所长 的外延层材料不相同的话，就叫做异质外延 使用不同的衬底材料会影响所生长的Ⅲ-V族化合物薄膜的电学及光学性能。 在生长这些薄膜时要注意的是晶格常数的匹配性，如果衬底与薄膜的晶格常数 的差异过大的话，会导致过大的应力和晶格缺陷。例如Ge、GaAs、AlAs三者间 的晶格常数就很接近 当衬底与所要长的薄膜的晶格常数差异太大时，可以慢慢调节变化Ⅲ-V族 化合物中元素组成比例，来逐步改变晶格常数
课号课序号 0123312910-100
光伏物理与光伏材料
光伏的能源应用
III-V族化合物太阳能电池
2014.4.10
1
III-V族材料的特性
2
III-V族材料的生长技术
3 III-V族太阳能电池的发展历程
4 III-V族太阳能电池研究热点
5 III-V族太阳能电池设计考虑因素
1
III-V族材料的特性
1 III-V族材料的特性
III-V族化合物与Si相比的优点
太阳电池的理论转换效率与半导体的能隙大小有关，一般最佳的太阳电池测量的
能隙为1.4～1.5eV之间，所以能隙为1.43eV的GaAs及1.35eV的InP会比1.1eV的硅更适
合用在高效率的太阳电池上， 利用各种Ⅲ-V族化合物所形成的多结太阳电池可增加被吸收波长的范围，更可达