太陽(yáng)能電池的基本理論與工藝

太陽(yáng)能電池的基本理論與工藝

電池效率決定于每一步，你這一步就是決定因素！2025/6/132工藝學(xué)習(xí)，講述要怎么做？

理論學(xué)習(xí)，講述為什么這么做？2025/6/133太陽(yáng)能電池：基本理論與工藝半導(dǎo)體物理的基本概念（2lectures）太陽(yáng)能電池理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)（2lectures）太陽(yáng)能電池相關(guān)的光電特性分析（2lectures）（以后再講）太陽(yáng)能電池組件物理問(wèn)題（2lectures）太陽(yáng)能電池板質(zhì)量檢測(cè)紅外熱成像系統(tǒng)

2025/6/134半導(dǎo)體基本概念（一）

缺陷載流子壽命擴(kuò)散長(zhǎng)度，影響擴(kuò)散長(zhǎng)度的因素載流子的傳輸（擴(kuò)散與漂移）

硅的晶體結(jié)構(gòu)電子與空穴

p型，n型，導(dǎo)帶與價(jià)帶載流子2025/6/1351.1硅的晶體結(jié)構(gòu)2025/6/136Si原子最外層有四個(gè)電子：3s23p2硅原子基態(tài)3s3p激發(fā)態(tài)Sp3雜化態(tài)Sp3雜化理論2025/6/1373s3pz3py3px雜化前雜化后2025/6/138正四面體結(jié)構(gòu)2025/6/139共價(jià)鍵半導(dǎo)體材料主要靠的是共價(jià)鍵結(jié)合。共價(jià)鍵的特點(diǎn)：飽和性：一個(gè)原子只能形成一定數(shù)目的共價(jià)鍵；方向性：原子只能在特定方向上形成共價(jià)鍵。2025/6/1310共價(jià)電子對(duì)2025/6/1311硅晶體：正四面體結(jié)構(gòu)2025/6/1312從不同方向看晶體，原子堆積是不同的，所以不同的面具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)?；瘜W(xué)腐蝕表現(xiàn)出擇優(yōu)腐蝕，用NaOH+H2O腐蝕，腐蝕后在硅片表面形成很多個(gè)（111）面組成的金字塔。2025/6/1313電池絨面制備2025/6/1314硅的晶格常數(shù)：0.54nm單位cm3中，硅的原子數(shù)：5x1022/cm3注：半導(dǎo)體中不用嚴(yán)格的MKS單位制2025/6/1315絕對(duì)溫度與攝氏溫度什么是溫度？溫度是反映物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)快慢的量。分子運(yùn)動(dòng)愈快,物體愈熱,即溫度愈高;分子運(yùn)動(dòng)愈慢,物體愈冷,即溫度愈低。絕對(duì)溫度=攝氏溫度+273.15℃室溫下：25℃，300K絕對(duì)零度：所有原子分子絕對(duì)靜止。（事實(shí)上不存在）2025/6/13161.2電子與空穴，導(dǎo)帶與價(jià)帶禁帶寬度Eg低溫下，價(jià)鍵電子全部在價(jià)帶。低溫時(shí)，硅是絕緣體。2025/6/1317隨著溫度的升高，共價(jià)鍵電子被激發(fā)，離開(kāi)共價(jià)鍵位置，成為自由電子，這樣就可以導(dǎo)電了。空穴的遷移，也會(huì)產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。禁帶寬度Eg怎樣才能導(dǎo)電？2025/6/1318導(dǎo)帶中的電子，價(jià)帶中的空穴為什么硅可以吸收光？光激發(fā)可以打斷共價(jià)鍵，產(chǎn)生自由電子；將價(jià)電子激發(fā)到導(dǎo)帶。硅的禁帶寬度1.1eV(1100nm),吸收可見(jiàn)紅外光。2025/6/13191.4直接帶隙、間接帶隙2025/6/1320GaAs,Si,Ge中本征載流子濃度與溫度的關(guān)系硅，室溫下1.3x1010cm-31.5本征半導(dǎo)體2025/6/13211.6摻雜、n型和p型半導(dǎo)體IIIV2025/6/1322摻雜原子的電離能P導(dǎo)帶價(jià)帶共價(jià)電子電離能P是施主：電子是多數(shù)載流子

2025/6/1323AlAl是受主，空穴是多數(shù)載流子2025/6/1324摻雜半導(dǎo)體中載流子濃度室溫下：

n型半導(dǎo)體的電子濃度：n=ND，

p型半導(dǎo)體的空穴濃度：p=NA

2025/6/1325在半導(dǎo)體中

np=ni2Si：ni=1.3x1010cm-3如果n=ND=1017cm-3，那么p=103cm-3電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。這類半導(dǎo)體是n型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體以此類推。2025/6/1326如果既有施主又有受主：如果是ND>NA,n型半導(dǎo)體，n=ND-NA如果是NA>ND,p型半導(dǎo)體，p=NA-ND施主和受主雜質(zhì)同時(shí)摻雜，會(huì)影響載流子遷移率，從而降低電導(dǎo)率。2025/6/13271.7費(fèi)米能級(jí)：表示電子空穴濃度的標(biāo)尺2025/6/13281.7*允許能態(tài)的占有幾率2025/6/1329費(fèi)米能級(jí)，費(fèi)米-迪拉克統(tǒng)計(jì)分布N(E)=g(E)f(E)對(duì)于潔凈的半導(dǎo)體材料，費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央附近。2025/6/1330費(fèi)米－狄拉克分布函數(shù)2025/6/13311.7電導(dǎo)率，電阻率電導(dǎo)率：

=qnn+qhp為載流子遷移率

n型半導(dǎo)體：=qnn，施主，電子是多數(shù)載流子p型半導(dǎo)體：=qpp受主，空穴是多數(shù)載流子電阻率=1/光照后n=n0+n，p=p0+△p,隨光強(qiáng)變化。半導(dǎo)體電導(dǎo)率收光照的影響。△2025/6/1332電導(dǎo)率隨摻雜濃度的變化2025/6/13331.8III，V族雜質(zhì)與其他缺陷雜質(zhì)：III-V族：P，BC，O，F(xiàn)e，Al，Mn等空位位錯(cuò)，晶界等2025/6/13342025/6/1335缺陷能級(jí)不同缺陷占據(jù)不同能級(jí)2025/6/1336不同雜質(zhì)對(duì)太陽(yáng)能電池的影響2025/6/13371.9載流子傳輸：擴(kuò)散與漂移濃度梯度，引起載流子擴(kuò)散2025/6/1338漂移電流n電場(chǎng)，引起載流子漂移2025/6/1339愛(ài)因斯坦關(guān)系：擴(kuò)散長(zhǎng)度與壽命關(guān)系：2025/6/1340謝謝2025/6/13412.半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（二）2025/6/13422.1光，光與半導(dǎo)體的相互作用光具有波的性質(zhì)，也具有粒子（光子）的性質(zhì)。

E=1.24/

波長(zhǎng)與能量的換算2025/6/1343硅：1.12ev，波長(zhǎng)：1.1m

E的單位eV（電子伏特）：一個(gè)電子在真空中被1v電場(chǎng)加速后獲得的能量。2025/6/1344半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體共價(jià)電子被激發(fā)為自由電子，正好在紫外、可見(jiàn)光、紅外光范圍內(nèi)E2025/6/1345硅吸收光子能量>1.12eV,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)<1100nm.能量小于禁帶寬度的光子，不能激發(fā)產(chǎn)生過(guò)剩載流子。2025/6/13462.2硅的光吸收2025/6/1347E=1.24/

2025/6/1348吸收系數(shù)α的意義

I＝I０e（-αx）α物理意義：光在媒質(zhì)中傳播１／α距離時(shí)能量減弱到原來(lái)能量的１／e。一般用吸收系數(shù)的１／α來(lái)表征該波長(zhǎng)的光在材料中的透入深度。2025/6/13492.3過(guò)剩載流子的產(chǎn)生激發(fā)前，導(dǎo)帶電子密度n0，價(jià)帶空穴密度p0，激發(fā)后：電子：n=n0+

n空穴：p=p0+

p一個(gè)光子只激發(fā)一個(gè)電子空穴對(duì)。光子能量大于禁帶寬度的部分就浪費(fèi)掉了。如果光子能量小于禁帶寬度，不能被吸收，也浪費(fèi)掉了。太陽(yáng)能電池需要選擇一個(gè)合適的禁帶寬度的半導(dǎo)體材料。EcEv2025/6/13502.4過(guò)剩載流子的復(fù)合光激發(fā)1.SRH復(fù)合，2.輻射復(fù)合，3.俄歇復(fù)合，2025/6/13512.5載流子壽命2025/6/1352俄歇復(fù)合硅中載流子壽命2025/6/1353表面與界面態(tài)2025/6/1354表面與界面復(fù)合2025/6/1355有效壽命2025/6/13562.5器件方程太陽(yáng)能電池中載流子傳輸，產(chǎn)生與復(fù)合：2025/6/13572.6pn結(jié)2025/6/1358pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)是太陽(yáng)能電池發(fā)電的核心2025/6/1359內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)是太陽(yáng)能電池發(fā)電的核心:電場(chǎng)強(qiáng)度E，空間電荷區(qū)寬度WP區(qū)和n區(qū)，摻雜濃度越高，空間電荷區(qū)越窄?！臻g電荷區(qū)的參數(shù)2025/6/13602.7金屬-半導(dǎo)體接觸：電極制備功函數(shù)親和勢(shì)功函數(shù)2025/6/13612025/6/1362對(duì)電極下襯底進(jìn)行重?fù)诫s例如：SE電池勢(shì)壘高，而且窄，電子通過(guò)隧穿的形式傳輸2025/6/1363勢(shì)壘低，而且寬，電子通過(guò)熱激發(fā)射的形式傳輸2025/6/1364謝謝2025/6/13653.太陽(yáng)能電池基本理論2025/6/13663.1太陽(yáng)能電池工作原理光2025/6/13672025/6/13683.2太陽(yáng)能電池工作的兩個(gè)要素：可以吸收光，產(chǎn)生電子空穴對(duì)2025/6/13692.具有光伏結(jié)構(gòu)，可以分開(kāi)電子和空穴2025/6/13703.3太陽(yáng)能電池的輸出參數(shù)太陽(yáng)能電池I-V特性開(kāi)路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率2025/6/1371１、開(kāi)路電壓ＶＯＣ：在p-n結(jié)開(kāi)路情況下（Ｒ＝∞），此時(shí)pn結(jié)兩端的電壓為開(kāi)路電壓ＶＯＣ。即：

２、短路電流ＩＳＣ：如將pn結(jié)短路(V=0),因而ＩＦ＝０，這時(shí)所得的電流為短路電流ＩＳＣ。2025/6/1372３、填充因子ＦＦ在光電池的伏安特性曲線任一工作點(diǎn)上的輸出功率等于該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的矩形面積，其中只有一點(diǎn)是輸出最大功率，稱為最佳工作點(diǎn)，該點(diǎn)的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓Ｉmax和最佳工作電壓Vmax。填充因子定義為：2025/6/13734、光電轉(zhuǎn)換效率

光電池的光電轉(zhuǎn)換效率定義為最大輸出功率與入射的光照強(qiáng)度之比，即：2025/6/1374量子效率量子效率光生電流中電子數(shù)吸收某波長(zhǎng)的光子數(shù)量子效率=2025/6/13753.4太陽(yáng)光譜與能量2025/6/13763.5載流子產(chǎn)生數(shù)分布不同波長(zhǎng)，吸收系數(shù)不同，吸收長(zhǎng)度不同2025/6/1377不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)光，載流子產(chǎn)生率分布2025/6/1378對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光，硅的載流子產(chǎn)生數(shù)2025/6/13793.6太陽(yáng)能電池對(duì)載流子的收集效率收集率2025/6/1380有效電流電子=產(chǎn)生數(shù)x收集效率2025/6/1381量子效率量子效率2025/6/13823*.1原子擴(kuò)散原理2025/6/13832025/6/13842025/6/13852025/6/13862025/6/1387濃度梯度是原子擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力。2025/6/13884.影響效率的因素，太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)2025/6/13894.1禁帶寬度的影響2025/6/13902025/6/13912025/6/1392效率隨禁帶寬度的變化Si2025/6/13934.2.太陽(yáng)能電池效率2025/6/1394制約光電池轉(zhuǎn)換效率的因素

光學(xué)損失

電學(xué)損失

串并聯(lián)電阻損失3%反射損失13%短波損失43%透射損失光生空穴—電子對(duì)在各區(qū)的復(fù)合表面復(fù)合（前表面和背表面）材料復(fù)合：復(fù)合中心復(fù)合2025/6/13954.3光學(xué)損失減反射層，陷光結(jié)構(gòu)，柵線變細(xì)變稀2025/6/1396減反射減反射薄膜的最佳折射率和厚度：2025/6/1397減反射厚度和折射率：關(guān)鍵參數(shù)2025/6/1398不同厚度的減反射薄膜，顏色不同2025/6/1399單晶硅表面絨化2025/6/13100單晶硅表面絨化2025/6/13101陷光原理1.減少反射2.增加光程2025/6/13102陷光效果2025/6/131034.2.3背反射sincethepathlengthoftheincidentlightcanbeenhancedbyafactorupto4n2wherenistheindexofrefractionforthesemiconductor(YablonovitchandCody,1982).Thisallowsanopticalpathlengthofapproximately50timesthephysicaldevicesthicknessandthusisaneffectivelighttrappingscheme.

2025/6/13104高效單晶硅電池結(jié)構(gòu)2025/6/13105厚度對(duì)太陽(yáng)能電池效率的影響GaAsSi2025/6/131064.4載流子復(fù)合的影響載流子復(fù)合影響短路電流和開(kāi)路電壓復(fù)合可分為五個(gè)區(qū)域：前表面發(fā)射區(qū)(n型區(qū)）空間電荷區(qū)基體（p型區(qū)）背面2025/6/13107愛(ài)因斯坦關(guān)系：擴(kuò)散長(zhǎng)度與壽命關(guān)系：載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度與壽命光生載流子在空間電荷區(qū)兩側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)產(chǎn)生，才可能被收集。其被收集的幾率受載流子復(fù)合幾率（載流子壽命的倒數(shù)）的限制。2025/6/13108

為了更有限地收集p-n結(jié)的光生載流子，硅電池的表面和體復(fù)合必須最大限度的降低。通常，電流收集所要求的兩個(gè)條件：光生載流子必須在結(jié)的兩側(cè)，一個(gè)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)。在局域高復(fù)合區(qū)（未被鈍化的表面或者多晶器件的晶界），載流子必須產(chǎn)生于近結(jié)的地方而不是近復(fù)合區(qū)；在局域較為輕的復(fù)合區(qū)（鈍化的表面），載流子可以產(chǎn)生于近復(fù)合區(qū)，可以不被復(fù)合而擴(kuò)散到結(jié)的區(qū)域。復(fù)合對(duì)電流的影響2025/6/13109藍(lán)光有著高的吸收系數(shù)和能在近前表面得到吸收；但是當(dāng)近前表面是高復(fù)合區(qū)的話，它不能產(chǎn)生少數(shù)載流子。2025/6/13110電荷收集

電池的量子效率可以作為評(píng)價(jià)光生載流子復(fù)合效應(yīng)的手段。2025/6/13111基體中載流子壽命對(duì)開(kāi)路電壓的影響2025/6/13112摻雜濃度對(duì)開(kāi)路電壓的影響2025/6/13113并聯(lián)電阻由并聯(lián)電阻造成的器件效率嚴(yán)重?fù)p失主要是材料和器件制備中的缺陷，而不是器件設(shè)計(jì)問(wèn)題。小的并聯(lián)電阻提供了光生電流的另一個(gè)通道，而不再通過(guò)負(fù)載。這樣就降低了電池的開(kāi)路電流和短路電壓.在弱光下，并聯(lián)電阻的影響尤為顯著。2025/6/13114降低表面與界面復(fù)合2025/6/13115背場(chǎng)電池2025/6/13116背表面復(fù)合速率對(duì)電池參數(shù)的影響表面復(fù)合2025/6/131174.4串聯(lián)電阻2025/6/13118體電阻2025/6/131194.4.2薄層電阻2025/6/13120發(fā)射層電阻2025/6/131214.4.3接觸電阻2025/6/13122柵線設(shè)計(jì)2025/6/131234.4.4串聯(lián)電阻的來(lái)源與影響發(fā)射區(qū)基區(qū)接觸電阻降低填充因子，特別大的串聯(lián)電阻還降低短路電流。2025/6/13124短路電流依賴于電池面積太陽(yáng)能光強(qiáng)度光譜分布光生載流子收集率。2025/6/131254.5串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的分辨2025/6/131264.6影響量子效率的因素2025/6/131274.7電池結(jié)構(gòu)與效率2025/6/13128對(duì)于一個(gè)單結(jié)太陽(yáng)能電池，假如表面反射、載流子收集、以及串并聯(lián)電阻，都得到優(yōu)化，他的理論最高效率：25%2025/6/131294.7.1材料選擇(一般是硅)原料豐富工藝成熟禁帶寬度略低，間接禁帶半導(dǎo)體，光吸收系數(shù)小，但通過(guò)陷光結(jié)構(gòu)可以克服。目前還沒(méi)有找到其他材料能夠代替硅。2025/6/131304.7.2電池厚度(100-500微米)具有陷光和良好表面反射層的電池，其厚度100微米，就可以了。目前市場(chǎng)上，電池厚度200～500微米之間，目的是生產(chǎn)中容易操作。2025/6/131314.7.3電阻率(~1歐姆厘米)高的摻雜濃度，可以產(chǎn)生高的開(kāi)路電壓，并降低電池串聯(lián)電阻。但是過(guò)高的摻雜濃度會(huì)降低載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，反過(guò)來(lái)影響載流子收集。2025/6/131324.7.4擴(kuò)散層(n-type)擴(kuò)散層：負(fù)極基底：正極2025/6/131334.7.5擴(kuò)散層厚度(<1微米)大量的太陽(yáng)光是在擴(kuò)散層被吸收的，這一層比較薄，使得更多的光生載流子在一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)產(chǎn)生，從而被pn結(jié)收集。2025/6/131344.7.6擴(kuò)散層摻雜濃度擴(kuò)散層的摻雜濃度要在一個(gè)適當(dāng)?shù)某潭?。摻雜濃度偏高，有利于降低電阻損耗，傳輸光生載流子。但是會(huì)增大擴(kuò)散層中光生載流子的復(fù)合，影響載流子收集。2025/6/131354.7.7柵線收集電流。2025/6/131364.7.8背面電極.背面電極和前面相比，不那么重要。但是隨著電池效率的升高和電池厚度變薄，降低背面復(fù)合也是非常必要的。2025/6/131374.8效率測(cè)試2025/6/131382025/6/131394.9電池效率受溫度的影響2025/6/131404.10光強(qiáng)的影響2025/6/131414.11晶體硅電池制備2025/6/13142太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)鏈硅砂（SiO2）冶金級(jí)硅（3N）太陽(yáng)級(jí)硅（6N）硅棒硅錠切方破錠切片制備電池封裝2025/6/13143太陽(yáng)能電池的研究工作

簡(jiǎn)介2025/6/13144太陽(yáng)能電池的研究工作實(shí)驗(yàn)制備太陽(yáng)能電池，包括尋找新技術(shù)，新手段。提高電池效率，降低太陽(yáng)能電池成本。技術(shù)的突破，給產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，往往是跨越式的。表征分析，太陽(yáng)能電池研究過(guò)程中，遇到的技術(shù)和科學(xué)問(wèn)題，必須進(jìn)行測(cè)試和理論分析。理論分析也是太陽(yáng)能電池研究不可或缺的部分。2025/6/13145新技術(shù)的突破實(shí)驗(yàn)研究：提高效率+1%進(jìn)一步降低成本-1%，-10%，-50%薄膜、薄、多晶硅、顆粒帶硅等等。2025/6/13146表征分析串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻原因分析復(fù)合在什么位置？多大？什么原因引起的復(fù)合？缺陷分布？什么缺陷？等等。。凡是實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)提出的問(wèn)題，都是我們研究的對(duì)象。2025/6/131472025/6/131482025/6/13149變波長(zhǎng)，變光強(qiáng)變溫度瞬態(tài)信號(hào)分析2025/6/131502025/6/13151太陽(yáng)能電池：基本理論與工藝半導(dǎo)體物理的基本概念太陽(yáng)能電池理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)太陽(yáng)能電池相關(guān)的光電特性分析太陽(yáng)能電池組件物理問(wèn)題2025/6/13152謝謝2025/6/131537.太陽(yáng)能電池組件2025/6/13154組件的材料2025/6/131552025/6/13156組件的設(shè)計(jì)2025/6/131572025/6/131582025/6/131592025/6/131602025/6/131612025/6/131622025/6/131632025/6/1