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非晶硅薄膜太阳能电池应用分析
非晶硅薄膜太阳能电池应用分析1. 简介非晶硅薄膜太阳能电池是一种主要由非晶硅薄膜材料制成的光伏电池。
本章将介绍非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理和优点，以及其在太阳能行业中的前景和应用。
2. 非晶硅薄膜太阳能电池的技术原理本章将详细介绍非晶硅薄膜太阳能电池的技术原理，包括其制备、结构、物理特性等方面的内容。
同时，还将重点探讨非晶硅薄膜太阳能电池的能量转换效率、光电性能、光损失等方面的问题。
3. 非晶硅薄膜太阳能电池的应用现状本章将介绍非晶硅薄膜太阳能电池在各个领域的应用情况，包括建筑、汽车、移动电源、航空航天等方面。
同时，还将分析非晶硅薄膜太阳能电池在实际应用中面临的挑战和前景。
4. 非晶硅薄膜太阳能电池的未来发展方向本章将分析非晶硅薄膜太阳能电池的未来发展趋势和方向。
主要从材料、工艺、结构和技术方面探讨非晶硅薄膜太阳能电池的改进和提高能量转换效率等方面的发展。
5. 结论本文对非晶硅薄膜太阳能电池的技术原理、应用现状和未来展望进行了比较全面的介绍和分析。
结合当前的环境和产业背景，本文认为非晶硅薄膜太阳能电池具有广阔的市场前景，并有望在未来成为太阳能电池领域的主流产品之一。
第一章：简介随着全球能源需求的不断增长和对可再生能源的需求越来越强烈，太阳能电池作为最具代表性的新能源技术之一，正变得越来越受到人们的关注。
非晶硅薄膜太阳能电池（Amorphous Silicon Thin Film Solar Cell，简称a-Si电池）是目前人们对太阳能电池的一种有效研究和开发方向之一。
相较于传统的多晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池，a-Si电池具有材料和制造成本低、可扩展性高、透明性好等特点。
本章将介绍非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理和优点，以及其在太阳能行业中的前景和应用。
1.1 非晶硅薄膜太阳能电池的基本原理多晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池的构造非常相似，主要由n型硅和p型硅两种材料组成。
在阳光的照射下，太阳能会被电池中的半导体材料吸收，产生电子与空穴。
单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池的工作原理及区别1
单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池的工作原理及区别硅太阳能电池的外形及基本结构如图1。
其中基本材料为P型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm左右。
上表面为N+型区，构成一个PN+结。
顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。
上下电极分别与N+区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。
当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN+结空间电荷区和P区中激发出光生电子一一空穴对。
各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。
光生电子留于N+区，光生空穴留于P区，在PN+结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。
当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N+区，负载中就有功率输出。
太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。
靠近顶区湿产生阳光电流对短波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源电流的5—10%（随N+区厚度而变），PN+结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5%左右。
电池基体域产生的光电流对红外光敏感，占80—90%，是光生电流的主要组成部分。
iS电E1•太阳能电池的基本结构及工作原理2.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。
这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999%。
为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。
有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。
将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。
硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。
加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。
扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。
这样就在硅片上形成PN 结。
然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。
晶硅,多晶硅,非晶硅性能比较幻灯片PPT
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%
7.实验结论与分析
对比数据可发现，单晶硅电池电流密度最大， 多晶硅电池转化效率高，非晶硅电池性能最差
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
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
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
了解测量手段与方法，包括对光强的测 量，电池电压和电流的测量
在实验中体会各方面因素对阳能电池
2.三种电池外观
多晶硅太阳能电池
2.三种电池外观
非晶硅太阳能电池
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
晶硅,多晶硅,非晶硅性能比 较幻灯片PPT
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1.实验目的
通过在阳光照射下对不同种类电池外特 性进行测定，比较不同种类电池的不同 特性
电流表
电阻箱
电压表
非晶硅太阳电池共73页
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
非晶硅太阳电池
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 ——罗·伯顿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
非晶硅薄膜太阳能电池工艺-PECVD
NIP型非晶硅薄膜太阳能电池
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• 在NIP 太阳能电池中,采用适当晶化的晶化硅薄膜作为P 型窗口层,晶化硅薄膜高的电导可以提高NIP 结的内建电势, 改善TCO 膜和P 型窗口层间的N/ P 界面隧穿特性,降低电 池的串联电阻;另外,适当晶化的P 型晶化硅薄膜可以提高 窗口层的光学带隙 ,得到高的开路电压和短路电流,从而得 到高的光电转换效率。但是,在非晶硅(a-Si) 层表面生长P 型晶化硅薄层非常困难,即使在很高的H 稀释率下,在a-Si 层表面生长的P 型晶化硅薄层仍然极有可能是非晶结构 。 如何处理好I/ P 界面,在a-Si 表面生长出合适的P 型晶化硅 薄膜,是制备优质的NIP 型a-Si 电池的关键问题之一。
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非晶硅薄膜厚度均匀性对其透射光谱的影响
• 非晶硅薄膜是一种重要的光电材料，在廉价太阳 能电池、薄膜场效应管和光敏器件中都有广泛的 应用．通过测量透射光谱，人们可以获得折射率、 色散关系、膜厚以及光学能隙这些重要的光学参 量．但在测量时，我们注意到样品由于制备条件 的限制，厚度难以保证理想均匀，而且考虑到光 衍射、仪器灵敏度等方面的原因，采用的光栏或 狭缝一般不会太细，有一定的照射面积． 因此在 分析薄膜的透射谱时，应该顾及膜厚均匀性的影 响．已有文献报道在利用光透射谱或反射谱测定 膜厚和吸收时考虑到这个问题，并提出了合理的 解决方法来测定薄膜正确的光学参量
非晶硅薄膜
太阳能电池核心原材料
01 简介
03 应用前景
目录
02 性质
基本信息
非晶硅薄膜是太阳能电池核心原材料之一，也称微晶硅。
简介
简介
按照材料的不同，当前硅太阳能电池可分为三类：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池 三种。非晶硅薄膜就是相对于单晶硅和多晶硅来说的。当然除了使用除硅材质以外目前国内外还研制出了非硅系 的薄膜技术，如采用CIGS、CdTe等作基质。
性质
性质
非晶硅（amorphous silicon α-Si ）又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅 不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。
非晶硅的化学性质比晶体硅活泼。可由活泼金属(如钠、钾等)在加热下还原四卤化硅，或用碳等还原剂还原 二氧化硅制得。结构特征为短程有序而长程无序的α-硅。纯α-硅因缺陷密度高而无法使用。采用辉光放电气相 沉积法就得含氢的非晶硅薄膜，氢在其中补偿悬挂链，并进行掺杂和制作pn结。非晶硅在太阳辐射峰附近的光吸 收系数比晶体硅大一个数量级。禁带宽度1.7～1.8eV，而迁移率和少子寿命远比晶体硅低。现已工业应用，主要 用于提炼纯硅，制造太阳电池、薄膜晶体管、复印鼓、光电传感器等。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
近年来，非晶硅薄膜太阳电池逐渐从各种类型的太阳电池中脱颖而出，在全球范围内掀起了一股投资热潮。 大尺寸玻璃基板薄膜太阳电池投入市场，必将极大地加速光伏建筑一体化、屋顶并网发电系统以及光伏电站等的 推广和普及。同时，非晶硅薄膜电池在高气温条件下衰减微弱，所以也适合高温、荒漠地区建设电站。
此外，不难看出，晶体硅电池产业链从上游多晶硅到硅棒、硅片、电池、组件，整个链条非常清晰，每一个 上游环节的产品即是下游环节的原材料。而薄膜电池的产业链并不像晶体硅电池那样纵深，设备以及原材料采购 完成后将在薄膜电池厂统一加工制造完成。
非晶硅薄膜太阳能电池基础知识大全共9页文档
非晶硅太阳电池的原理非晶硅太阳电池是20世纪70年代中期发展起来的一种新型薄膜太阳电池，与其他太阳电池相比，非晶硅电池具有以下突出特点：1).制作工艺简单，在制备非晶硅薄膜的同时就能制作pin结构。
2).可连续、大面积、自动化批量生产。
3).非晶硅太阳电池的衬底材料可以是玻璃、不锈钢等，因而成本小。
4).可以设计成各种形式，利用集成型结构，可获得更高的输出电压和光电转换效率。
5).薄膜材料是用硅烷SiH4等的辉光放电分解得到的，原材料价格低。
1.非晶硅太阳电池的结构、原理及制备方法非晶硅太阳电池是以玻璃、不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池，结构如图1所示。
为减少串联电阻，通常用激光器将TCO膜、非晶硅(A-si)膜和铝(Al)电极膜分别切割成条状，如图2所示。
国际上采用的标准条宽约1cm,称为一个子电池，用内部连接的方式将各子电池串连起来，因此集成型电池的输出电流为每个子电池的电流，总输出电压为各个子电池的串联电压。
在实际应用中，可根据电流、电压的需要选择电池的结构和面积，制成非晶硅太阳电池。
1.1 工作原理非晶硅太阳电池的工作原理是基于半导体的光伏效应。
当太阳光照射到电池上时，电池吸收光能产生光生电子—空穴对，在电池内建电场Vb的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到P边，电子漂移到N边，形成光生电动势VL, VL 与内建电势Vb相反，当VL = Vb时，达到平衡; IL = 0, VL达到最大值，称之为开路电压Voc ; 当外电路接通时，则形成最大光电流，称之为短路电流Isc，此时VL= 0;当外电路加入负载时，则维持某一光电压VL和光电流IL。
其I--V特性曲线见图3非晶硅太阳电池的转换效率定义为:Pi是光入射到电池上的总功率密度，Isc是短路电流密度，FF为电池的填充因子，Voc为开路电压，Im 和 Vm 分别是电池在最大输出功率密度下工作的电流密度和电压。
目前，子电池的开路电压约在0.8V—0.9V之间，Isc达到13mA/cm2，FF在0.7-0.8之间，η达到12%以上。
非晶硅薄膜太阳电池材料特性及PN结
05
性能优化与改进
提高光电转换效率
优化材料结构
通过调整非晶硅薄膜的化学成分 和结构，提高光吸收能力和载流 子收集效率，从而提高光电转换 效率。
表面绒面结构
采用特殊的表面处理技术，形成 绒面结构，增加光在表面的散射 和反射，延长光程，提高光吸收。
叠层结构
将多个非晶硅薄膜层叠在一起， 形成多结太阳能电池，利用不同 波段的光谱吸收，提高整体的光 电转换效率。
激光诱导化学气相沉积
激光诱导化学气相沉积是一种制备非 晶硅薄膜的方法，其基本原理是通过 激光诱导反应气体在衬底上形成非晶 硅薄膜。该技术具有较高的沉积质量 和较广的工艺窗口，适用于大规模生 产。
VS
激光诱导化学气相沉积可分为脉冲激 光和连续激光诱导化学气相沉积等几 种方式。其中，脉冲激光诱导化学气 相沉积具有较高的沉积速率和较低的 成本，是制备非晶硅薄膜的常用方法 之一。
物理气相沉积
物理气相沉积是一种制备非晶硅薄膜的方法，其基本原理 是将硅烷等反应气体在低温条件下进行物理蒸发，然后在 衬底上沉积形成非晶硅薄膜。该技术具有较高的沉积质量 和较广的工艺窗口，适用于大规模生产。
物理气相沉积可分为真空蒸发、溅射和离子镀等几种方式 。其中，真空蒸发具有较高的沉积速率和较低的成本，是 制备非晶硅薄膜的常用方法之一。
特点
非晶硅薄膜太阳电池具有较高的 光电转换效率、稳定性、可靠性 和长寿命等优点，同时其制造成 本相对较低，适合大规模生产。
工作原理
光吸收
非晶硅薄膜太阳电池利用光生伏 特效应，当太阳光照射到非晶硅 材料上时，光子被吸收并转化为
电能。
电极收集电流
顶层透明导电膜和底面电极分别作 为电池的正负极，收集由非晶硅基 底产生的电流。
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2020/7/9
8
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
10
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
7
非晶硅薄膜太阳能电池的优点
低成本 能量返回期短 大面积自动化生产 高温性好 弱光响应好(充电效率高) 其他
非晶硅薄膜太阳能电池
2020/7/9
1， 前言 2， 薄膜太阳能电池分类 3， 太阳能电池的未来市场需求 4， 为何要发展薄膜非晶硅太阳电池 5， 非晶硅太阳电池的发展及趋势 6， 非晶硅薄膜太阳能电池的优点 7， 非晶硅薄膜太阳能电池存在的问题 8， 非晶硅薄膜太阳能电池的主要市场 9， 世界主要非晶硅太阳电池生产厂家 10，中国非晶薄膜电池产业现状及存在问题 11，中国应当抓住的机遇
2020/7/9
3
太阳能电池的未来市场需求
2020/7/9
进入21世纪以来，全球范围内对太阳能电池的需 求快速增长，每年以40%以上的速度递增。国内外 也分别实施了上网电价补贴法，进一步促这一产业 的增长步伐。
中国已于2019年通过了“可再生能源法”2019年 将采用“一案一议”的办法实施上网电价补贴法。 可以预计，世界范围内光伏产业的新的可持续发展 阶段即将到来。表1列出了到2030年世界光伏市场 的年需求量。到2019年，年需求量为14000兆瓦， 而目前，全世界光伏工业的总产能约为1500兆瓦， 在4年内要达14000兆瓦，可见其发展速度十分惊 人。
6
非晶硅太阳电池的起源
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。
大力发展薄膜型太阳能电池不失为当前最明智的选择，但也有其不利 的一面，为何如此而言请听下面分解。
2020/7/9
2
ห้องสมุดไป่ตู้
薄膜太阳能电池分类
非晶硅薄膜太阳能电池 微(多)晶硅薄膜太阳能电池 铜铟硒薄膜太阳能电池 铜铟镓硒薄膜太阳能电池 碲化隔薄膜太阳能电池 染料敏化薄膜太阳能电池 有机薄膜太阳能电池 其他
4
表1 国际光伏市场需求及预测
国别
年 2000
美国(GWp) 0.14
欧洲(GWp) 0.15
日本(GWp) 0.25
总计(GWp) 1.0
2019 2.1 3.0 4.8 14.0
2020 36 41 30 200
2030 200 200 205 1850
2020/7/9
5
为何要发展非晶硅薄膜太阳电池？
2020/7/9
11
非晶硅太阳能电池存在的问题
效率较低
单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO)，而柔性基体非晶硅太阳 电池组件（约1000平方厘米）的效率为10-12%，还存在一定差距。
相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，对于对太阳能电池占地面积 要求不高的场合尤其适用，如农村和西部地区。
光伏工业的高速发展和关键原材料高纯硅短缺的矛盾
按照目前全世界年产1500兆瓦晶体硅太阳能，约需16500吨高纯硅，近 几年全世界高纯硅的产能仅为25000吨，70%左右回用于制造集成电路， 二极管，三极管等半导体器件，绝对满足不了光伏工业的需求，供需矛 盾十分突出，并导致全球范围内高纯硅从25美元/公斤上升至200美元/公 斤以上，使得2019年前国际市场每瓦太阳能电池2美元左右上升到3.5美 元。
从原材料供应角度分析，人类大规模使用阳光发电，最终的选择只能是 非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，别无它法！
2020/7/9
9
能量返回期短
转换效率为6%的非晶硅太阳电池，其生产用电约1.9度电/瓦，由它发电 后返回的时间约为1.5-2年，这是晶硅太阳电池无法比拟的。
大面积自动化生产
目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是Switzland Unaxis的KAI-1200 PECVD 设备生产的1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池，起初是效率 高于9%。其稳定输出功率接近80W/片。
1
前言
新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术 领域之一。光伏电池是一种重要的可再生能源，既可作为独立能源， 亦可实现并网发电，而且是零污染排放。
硅太阳能电池由于成本原因，最初只能用于空间，随着技术发展和工 艺成熟，应用也逐步扩大。面对今天的能源供应状况和日益严重的环 境污染，以至危及人类自身生存的现实，开发新能源和可再生能源的 理念已被世界各国广泛接受。