课件--非晶硅太阳能电池基础知识.
非晶硅太阳电池
三、非晶硅太阳能电池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，特别是下面要介绍的非晶硅太阳能电池最有希望。
因而它在整个半导体太阳能电池领域中的地位正在不断上升。
从其诞生到现在，全世界以电力换算计太阳能电池的总生产量的约有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。
1、非晶态半导体与晶态半导体材料相比，非晶态半导体材料的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是完全杂乱无章地分布的。
由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的微小范围内，可以看到与晶体非常相似的结构特征。
所以，一般将非晶态材料的结构描述为：“长程无序，短程有序”。
晶硅的结构模型很多，左面给出了其中的一种，即连续无规网络模型的示意图。
可以看出，在任一原子周围，仍有四个原子与其键合，只是键角和键长发生了变化，因此在较大范围内，非晶硅就不存在原子的周期性排列。
在非晶硅材料中，还包含有大量的悬挂键、空位等缺陷，因而其有很高的缺陷态密度，它们提供了电子和空穴复合的场所，所以，一般说，非晶硅是不适于做电子器件的。
1975年，研究人员通过辉光放电技术分解硅烷，得到的非晶硅薄膜中含有一定量的氢，使得许多悬挂键被氢化，大大降低了材料的缺陷态密度，并且成功地实现了对非晶硅材料的p型和n 型掺杂。
电导激活能的变化说明了材料的费米能级随着掺杂浓度的变化而被调制，表明确实可以对非晶硅进行掺杂以控制它的导电类型和导电能力。
2、非晶硅太阳能电池的特点及发展历史It wasn't until 1974 that researchers began to realize that amorphous silicon could be used in PV devices by properly controlling the conditions under which it was deposited and by carefully modifying its composition. Today, amorphous silicon is commonly used for solar-powered consumer devices that have low power requirements (e.g., wrist watches and calculators).非晶硅太阳能电池的特点非晶硅太阳能电池之所以受到人们关注和重视，是因为它具有以下优点：1、非晶硅具有较高的光吸收系数。
《非晶硅结构及性质》课件
非晶硅的氧化特性与其结构密切相关。
详细描述
非晶硅的硅原子排列无序，使得其表面存在大量的悬挂键 ，这些悬挂键的存在使得非晶硅容易被氧化。
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非晶硅的物理性质
非晶硅的电学性质
非晶硅的导电机理
非晶硅中的电子结构不同于晶体硅， 其导电机理主要是基于电子的弱局域 化效应。
电导率与温度的关系
非晶硅的电导率随温度升高而增大， 这是由于热激发使得更多的电子从局 域态进入扩展态。
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太阳能电池
非晶硅太阳能电池具有较 高的光电转换效率和较低 的成本，广泛应用于光伏 发电领域。
电子器件
非晶硅材料具有优异的光 电性能和稳定性，可用于 制造电子器件，如场效应 晶体管、二极管等。
传感器
非晶硅材料具有灵敏度高 、响应速度快等特点，可 用于制造传感器，如气体 传感器、湿度传感器等。
非晶硅的形成机制
快速冷却
通过快速冷却液态硅，可以使其在结晶之前固化 ，形成非晶硅结构。
离子注入
通过离子注入技术，可以将特定元素注入到单晶 硅中，形成非晶硅结构。
溅射沉积
在溅射沉积过程中，单晶硅靶材受到高速粒子轰 击，形成非晶硅薄膜。
非晶硅的稳定性分析
热稳定性
非晶硅在高温下容易发生晶化，转化为晶体硅。其热 稳定性取决于制备方法和退火条件。
非晶硅的发现及发展历程
非晶硅的发现可以追溯到20世纪70 年代，当时研究者发现非晶硅薄膜具 有光伏效应，随后在80年代初实现 了非晶硅太阳能电池的商业化应用。
随着科技的发展，非晶硅材料在电子 、光电子、太阳能等领域得到了广泛 应用，其制备技术也不断进步，如化 学气相沉积、物理气相沉积等方法。
非晶硅的应用领域
非晶硅太阳电池的原理
非晶硅太阳电池的原理2010-11-1314:54目录一、非晶硅薄膜太阳电池基础知识简介二、非晶硅薄膜太阳电池生产线及制造流程简介三、国产提供的非晶硅薄膜太阳电池生产线介绍一、非晶硅薄膜太阳电池基础知识简介1976年美国RCA实验室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在Spear形成和控制p-n结工作的基础上利用光生伏特(PV)效应制成世界上第一个a-Si太阳能电池，揭开了a-Si在光电子器件或PV组件中应用的幄幕。
目前a-Si多结太阳能电池的最高光电转换效率己达15%。
图1为一般单结的非晶硅太阳能电池结构图，图2为非晶硅太阳能电池图1非晶硅太阳能电池结构图图2非晶硅柔性太阳能电池第一层，为普通玻璃,是电池载体。
第二层为绒面的TCO。
所谓TCO就是透明导电膜，一方面光从它穿过被电池吸收，所以要求它的透过率高；另一方面作为电池的一个电极，所以要求它导电。
TCO制备成绒面起到减少反射光的作用。
太阳能电池就是以这两层为衬底生长的。
太阳能电池的第一层为P层，即窗口层。
下面是i层，即太阳能电池的本征层，光生载流子主要在这一层产生。
再下面为n 层，起到连接i和背电极的作用。
最后是背电极和Al/Ag电极。
目前制备背电极通常采用掺铝ZnO(A1),或简称AZO。
由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特点，a-Si的p-n结是不稳定的，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。
所以，a-Si太阳能电池基本结构不是p-n 结而是p-i-n结。
掺硼形成P区，掺磷形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层(因为非掺杂的a-Si是弱n型)。
重掺杂的p、n区在电池内部形成内建势，以收集电荷。
同时两者可与导电电极形成欧姆接触，为外部提供电功率。
i区是光敏区，光电导／暗电导比在105～106，此区中光生电子、空穴是光伏电力的源泉。
非晶体硅结构的长程无序破坏了晶体硅电子跃迁的动量守恒选择定则，相当于使之从间接带隙材料变成了直接带隙材料。
课件--非晶硅太阳能电池基础知识
非晶硅叠层电池对于单结太阳能电池，即便是用晶体材料制备 的，其转换效率的理论极限一般在AM1.5的光照条件下也只有 25%左右。这是因为，太阳光谱的能量分布较宽，而任何一种 半导体只能吸收其中能量比自己带隙值高的光子。其余的光子 不是穿过电池被背面金属吸收转变为热能，就是将能量传递给 电池材料本身的原子，使材料发热。这些能量都不能通过产生 光生载流子变成电能。不仅如此，这些光子产生的热效应还会 升高电池工作温度而使电池性能下降。 为了最大程度的有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量。人 们把太阳光谱分成几个区域， 用能隙分别与这些区域有最好 匹配的材料做成电池， 使整个电池的光谱响应接近与太阳光 光谱，如图所示， 具有这样结构的太阳能电池称为叠层电池。
1、太阳电池的等效电路由下列元件构成 1）电流源； 2）二极管 3)串联电阻 4）并联电阻
非晶硅等效电路
集成型等效电路
A、电流源－光电产生的光电流，在一定光强照射下，产生的光电 流IDh， B、二极管：太阳电池由于本身实际上是一个大面积的二极管 C、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； D、并联电阻，Rsh由于制造工艺上的原因，如针孔等造成漏电，相当于 和二极管并联一个电阻。 2、太阳电池的伏－安特性： Io=Is 其中Is是二极管的反向饱和电流。 e是电子电荷，VD是二极管的电压，K-常数，T—绝对温度，n叫二极 管指数在1～2之间。单个电池： IL=ID+Ish+I I = IL－ID－Ish =IL－Is
非晶硅太阳能电池内光生载流子主要产生于未掺杂的i层，与 晶态硅太阳能电池中载流子主要由于扩散而移动不同，在非晶 硅太阳能电池中，光生载流子主要依靠太阳能电池内电场作用 做漂移运动。 在非晶硅太阳能电池中，顶层的重掺杂层的厚度很薄几乎是半 透明的，可以使入射光最大限度地进入未掺杂层并产生自由的 光生电子和空穴。而较高的内建电场也基本上从这里展开，光 生载流子产生后立即被扫向n+侧和p+侧。 由于未掺杂的非晶硅实际上是弱n型材料，因此，在淀积有源 集电区时适当加入痕量硼，使其成为费米能级居中的i型，有 助于提高太阳能电池的性能。因而在实际制备过程中，常常将 淀积次序安排为p-i-n，以利用淀积p层时的硼对有源集电区进 行自然掺杂。这一淀积顺序决定了透明导电衬底电池总是p+层 迎光，而不透明衬底电池总是n+层迎光。
单晶硅多晶硅非晶硅性能比较知识讲解
6.实验数据处理 6.2绘制电压-电流密度曲线
多晶硅电池电压-电流密度曲线
6.实验数据处理 6.2绘制电压-电流密度曲线
非晶硅电池电压-电流密度曲线
6.实验数据处理 6.2绘制功率密度-电流密度曲线
单晶硅电池
6.实验数据处理 6.2绘制功率密度-电流密度曲线
多晶硅电池
6.实验数据处理 6.2绘制功率密度-电流密度曲线
三种电池特性曲线形状相同，工作原理基本相 同
7.实验结论与分析
非晶硅电池由于电极没有牢固接点，需用手按 住导线，所以数据可靠性降低
实验在阴天情况下进行，光强度较低，因此数 据数值偏小，偏差可能加大
结束
结束一组实验后，再次记录当时的光强度
6.实验数据处理 6.1绘制外特性曲线
单晶硅电池外特性曲线 光强：175.90W/m2
6.实验数据处理 6.1绘制外特性曲线
多晶硅电池外特性曲线 光强：177.66W/m2
6.实验数据处理 6.1绘制外特性曲线
非晶硅电池外特性曲线 光强：189.09W/m2
3.实验器材
光强度测试仪 三种太阳能电池（串联） 万用表、电阻箱、镀银铜导线
4.实验电路
电流表
电阻箱
电压表
电池
5.实验过程与内容
由于当时天气是阴天，因此只测试平放时的数 据
将实验电路连接好后，打开光强度计，记下数 据
开始测试，选择合适间隔，测量十组电压电流 值，并测量开路电压和短路电流
非晶硅电池
6.实验数据处理 6.3填充因子（FF）计算
单晶硅FF：0.55 多晶硅FF：0.64 非晶硅FF：0.54
6.实验数据处理 6.4转化效率计算
单晶硅转化效率：8.69% 多晶硅转化效率：12.7% 非晶硅转化效率：4.48%
非晶硅薄膜太阳能电池基础知识
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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
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.
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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• 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。
第1章-非晶硅薄膜及非晶硅薄膜太阳电池
艾斌 博士 副教授
中山大学太阳能系统研究所
Institute for Solar Energy System
第一章 非晶硅薄膜以及非晶硅薄膜太阳电池 §1-1 非晶态半导体物理基础 §1-2 非晶硅薄膜太阳电池基础知识 §1-3 非晶硅薄膜太阳电池生产线及制造工艺
Institute for Solar Energy System
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理论上： 1957年，Anderson 定域化理论。 60年代，Mott-CFO 能带模型（Cohen, Fritzsche, Ovshinsky）。 1977年，Mott，Anderson 获诺贝尔奖。
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电导激活能的变化说明了材料的费米能级随着掺杂 浓度的变化而被调制，表明确实可以对非晶硅进行 掺杂以控制它的导电类型和导电能力。
3. 非晶硅薄膜的制备
非晶硅薄膜的制备技术有很多，包括辉光放电等离子 体增强化学气相沉积（PECVD），热丝化学气相沉 积（HWCVD）和电子回旋共振等离子体化学气相淀 积（ECRCVD）技术等。其中最常用的是PECVD方 法。典型的PECVD装置由高频电源，反应腔体系
5. 结构分析方法
5.1 a-Si:H 红外吸收谱
振动模式分两类: 成键原子之间有相对位移。 键长有变化——伸缩模 （stretch）; 键角有变化——弯折模 （bend）. 成键原子之间无相对位移。 摆动（wag）; 滚动（rock）; 扭动（twist）.
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统，样品传输系统，真空抽气系统和反应气体流量控 制系统等几部分组成 。
非晶硅薄膜太阳能电池.ppt
2020/7/9
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低成本
单结晶硅太阳电池的厚度<0.5um。
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，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本约 RMB3.5-4（效率高于6%）
且晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um，相差200多倍，大规模生产 需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太阳电池成本的65-70%， 在中国1瓦晶体硅太阳电池的硅材料成本已上升到RMB22以上。
商品晶体硅太阳电池还是以156mm*156mm和125mm*125mm为主。
2020/7/9
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短波响应优于晶体硅太阳电池
上海尤力卡公司曾在中国甘肃省酒泉市安装一套6500瓦非晶硅太阳能电 站，其每千瓦发电量为1300KWh，而晶体硅太阳电池每千瓦的年发电量约 为1100-1200KWh。非晶硅太阳电池显示出其极大的使用优势。下图为该 电站的现场照片，第一代非晶硅太阳电池的以上优点已被人们所接受。 2019年以来全世界太阳能市场需求量急剧上升，非晶硅太阳电池也出现 供不应求的局面。
中国情况更加严重，市场价达到人民币33元，且有价无市。这一情况在 3-5年内是得不到根本解决的，必定会严重影响光伏产业的健康发展。
提高单位硅材料的发电量，现在存在转换效率，成品率的制约。此2项技 术是否能突破，直接影响其与其他薄膜太阳能电池的竞争。但硅材短缺 问题要从根本上解决十分困难。
2020/7/9
目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的10％左右。但由 于晶体硅的短缺及价格上涨将是长期存在的事实，即使晶体硅瓶颈突破， 能源节省优势仍然能保障非晶硅太阳能电池的生存空间。
2020/7/9
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非晶硅薄膜太阳能电池的优点
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自1974年人们得到可掺杂的非晶硅薄膜后，就意识到它在太阳 能电池上的应用前景，开始了对非晶硅太阳能电池的研究工作。 1976年：RCA公司的Carlson报道了他所制备的非晶硅太阳能电 池，采用了金属-半导体和p-i-n两种器件结构，当时的转换效 率不到1%。 1977年：Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。 1978年：集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。 1980年：ECD公司作成了转换效率达6.3%的非晶硅太阳能电池， 采用的是金属-绝缘体-半导体（MIS）结构；同年，日本三洋公 司向市场推出了装有面积为5平方厘米非晶硅太阳能电池的袖珍 计算器。 1981年：开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳能电池的研究。 1982年：市场上开始出现装有非晶硅太阳能电池的手表，充电 器、收音机等商品。 1984年：开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能电池组合板。
4、最大输出功率Pm----“峰值功率”在一定光照下（AM1.5）太阳电池 能够输出的最大功率:Pm=Im*Vm 由太阳电池的输出特性曲线可以看出：虽然在同样的光照下同一块太 阳电池负载不同，太阳电池的输出功率也不同， A点：负载电阻RA,RA.VA/Id(1/RA的斜率)此时太阳电池的输出功率为： PA=Id*VA B点：“负载电阻为RB的输出功率为PB=IdVB,显然PB＞PA P点：输出功率最大，Vm=Im-Vm称作 太阳电池的最大输出功率相对应的 负载电阻Pm称为最佳负载，在设计 太阳电池的应用产品时，一定要注 意选用的负载，使其电阻等于最佳 负载电阻，使其输出功率Pm最大， 即尽量发挥太阳电池的潜力。
非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世 纪70年代中期开发成功，80年代其生产曾达到高潮， 约占全球太阳能电池总量的20％左右，但由于非晶 硅太阳能电池转化效率低于晶体硅太阳能电池，而 且非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点：光 电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，其发展 速度逐步放缓。 目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池 总量的10％左右。但由于晶体硅的短缺及价格上涨 将是长期存在的事实，即使晶体硅瓶颈突破，能源 节省优势仍然能保障非晶硅太阳能电池的生存空间。
5、温度系数 电压、电流，最大输出功率的温度系数 在某一温度，温度每升一度，参数相对变化。 如：25℃ （Isc(26℃)-Isc（25℃）/Isc(25℃)×100%/℃ 电池电压温度系数：-0.33%/℃， 电流温度系数：0.09%/℃, 输出功率温度系数：-0.23%/℃ 6、转换效率 η -----在一定光照下（Am1.5(1000nw)/cm²），太 阳电池的最大输出功率Pm与入射光能之比。 η =Vm.Im/Pin η =pm/pin 转换效率是一个太阳电池性能好坏的最主要的标志，显然转换 效率越高太阳电池把太阳能转换变成电能越强，太阳能的利用 越高，在相同的条件下，输出的电能越大。 目前单晶硅电池，实验室可排到18%，批量生产可达到14%； 非晶硅电池，实验室可达到13.2%，批量生产可达到6-10%；
非晶硅太阳能电池基础知识
太阳能电池是能把光能直接转换成电能的半导体器件，主要是 半导体材料制造成的。 太阳电池把光能转化成电能，包括下面三个过程； 1、太阳光或其他光照射到太阳能电池的表面。 2、太阳能电池的半导体能吸收光子，并激发出电子－空穴对， 这些电子空穴对被太阳电池的内建场分离，分离的条件： a、有内建电场； b、电子空穴有足够长的寿命和迁移率，使μ t足够大， μ t 为在内建场的作用下，在电子空穴的寿命时间内漂移的距离， 这个距离保证电子空穴“分开”，电子集中在一边，空穴集中 在另一边，太阳电池利用PN结或PIN结势垒区的静电场达到分 离电子、空穴的目的。 3、被分离的电子空穴，经电极收集输出到电池体外，形成电池。
1、太阳光是以辐射的方式向空间传输能量的，地球每年 接受到的阳光的能量相当于现在世界年发电量的14万倍。 太阳光谱的波长： 0.7－几百微米 红外光 0.4－0.75微米 可见光 0.3－0.4微米 紫外光 0.3微米以下 X射线 2、波长与频率的关系 λ ＝L / V λ ：波长， V：频率， L：光速 hv＝E 光子能量
大气层对太阳光吸收、散射: 1）太阳光穿透大气层，峰底波长向长波方向偏移，水气二氧化碳滤 掉一部分红外光，臭氧滤掉一部分紫外光。 2）大气层外，太阳光谱的峰值在0.5μ 附近 大气层的厚度在100公里左右。 大气层外“大气质量为0”为：AM0 太阳垂直照射在海平面“大气质量为1”为：AM1 太阳光与海平面的法线夹角60度时它通过大气的质量为：AM2 AM0太阳光谱总投射功率为：135.3mw/cm2 AM1太阳光谱总投射功率为：100mw/cm2 AM2太阳光谱总投射功率为：72—75mw/cm2 测试太阳电池的标准光强是：AM1.5 1000W/m2 温度为：25℃
1、晶体硅太阳电池
2、非晶硅太阳电池
1、短路电流Isc ----- 在一定的光照下通常取AM1.5=100mw/cm²输 出端短路时，太阳电池的输出电流。 2、开路电压Voc---在一定的光照(AM1.5)输出端开路时，太阳电池 的两端的电压。 3、填充因子 FF 填充因数FF定义为：FF=Pm / (Isc * Voc) =(Im * Vm) / Isc*voc 即最大输出功率与短路电流和开路电压乘积的比，“有时也把 Isc称作太阳电池的极限功率”填充因数是太阳电池质量好坏的 一个重要标志，FF越大，说明电池的最大输出功率越接近极限输 出的功率。 影响FF的重要因素是串联电阻Rsh，Rs越大，间应用：卫星、通讯卫星、间谍卫星、气象卫星、资 源普查卫星、宇宙飞船、空间站。 b、地面应用：太阳能电站、通讯、广播、交通、气象站、 地质勘察、管道保护、道口信号、边防哨所、计算器、手 表、照相机、玩具、水泵、照明、家用电器 2、按使用方式： 干板式、聚光式、自动跟踪式 3、按使用材料分：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非 晶硅太阳电 4、按“结”分：PN结电池、PIN结电池、多结电池、异质结电 池 5、其他薄膜太阳电池：a-Si、CIS 研究中的铜铟硒、及各 种非晶硅基合金电池。