学习情境3：太阳能电池结构和制备.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,学习情境,3,太阳能电池结构和制备,太阳能电池结构,P-N,结,不是简单的物理结合,制备,PN,结方式：,合金法（,早期使用,）,扩散法（,最简单、最常用,）,离子注入法,薄膜生长法（,最新,）,按结构分类,按基质材料和扩散杂质不同而分类：,基质材料为,P,型，扩散杂质为,N,型，,N,型材料为受光面；,基质材料为,N,型，扩散杂质为,P,型，,P,型材料为受光面；,基质材料：,P,型,扩散材料：,N,型,表面：减反涂层,背面：背电场（正极）,工作原理,PN,结结合，由于浓度梯度，,P,型区空穴、,N,型区电子分别互扩散，形成空间电荷区（,空间电场，电场由,N,指向,P,）。,当用太阳光照射太阳能电池表面时，光子能量将使电池片内部电子激发，产生电子,-,空穴对,电子向带正电的,N,区移动，空穴向带负电的,P,区移动；,最后造成太阳能电池受光面（,上表面,）有大量负电荷（,电子,）累积，在电池背光面（,下表面,）有大量正电荷（,空穴,）累积；,在电池上、下表面做金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流流过；,太阳能电池制造工艺,以单晶硅电池为例：,单晶棒拉制（,P,型）,晶片加工（切割，,300,m,）,腐蚀、清洗（目的？）,扩磷（形成,P-N,结）,制作减反膜,制作上下电极（蒸发或丝网印刷）,绒面结构：,选择择优腐蚀，可以在晶片表面形成金字塔结构，称为,绒面结构，又叫表面织构化,；,作用：,比平整的化学抛光片表面具有更好的减反射效果，能够更好地吸收和利用太阳光。,优势：,当一束光线照射在平整的抛光硅片上时，约有,30%,的太阳光会被反射掉；,如果光线照射在金字塔形的绒面结构上，反射的光线会进一步照射在相邻的绒面结构上，减少了太阳光的反射；,同时，光线斜射入晶体中，从而增加了太阳光在硅片内部的有效运动长度，也就是增加了光线被吸收的机会。,制备绒面结构腐蚀液：,NaOH,或,KOH,（,利用其各向异性腐蚀特性进行腐蚀,）；,Si+2NaOH+H,2,O NaSiO,3,+H,2,由于绒面结构，使得硅片表面的反射率大大降低，表面呈黑色,；,P-N,结制备,原材料,：,（,100,）方向掺硼的,P,型硅作为基底；,制作工艺：,900,，通过扩散磷形成,N,型半导体，形成,P-N,结；,扩磷方式：,气态源扩散、固态源扩散、液态源扩散；,气态磷源：,磷烷（,P,2,H,5,）,反应式：,2P,2,H,5,4P+5H,2,固态磷源：,磷玻璃片（,Al,（,PO,3,）,3,）,反应式：,（,Al,（,PO,3,）,3,）,AlPO,4,+P,2,O,5,2P,2,O,5,+5Si 5SiO,2,+4P,太阳能电池片扩散炉,石英舟（装片用）,石英管,补充：,固态磷扩散还可以利用丝网印刷、喷涂、旋涂、化学气相淀积等技术，在硅片表面沉积一层磷的化合物；,通常是,P,2,O,5,，然后再高温下和硅反应，生成单质磷原子，扩散到晶片内部，形成,P-N,结。,液态磷源：,三氯氧磷（可得到较高的表面浓度）,反应式：,5POCl,3,P,2,O,5,+3PCl,5,2P,2,O,5,+5Si 5SiO,2,+4P,为使,P-N,结处有尽量多的光线到达，,P-N,结的结深要尽量浅，一般为,250nm,，甚至更浅；,扩散时采用两步扩散法：,预淀积、再扩散,；,去,PSG,膜,何谓,PSG,膜？,磷硅玻璃，二氧化硅（,SiO,2,中加磷元素,）；,如何产生？,5POCl,3,P,2,O,5,+3PCl,5,2P,2,O,5,+5Si 5SiO,2,+4P,在硅片表面形成一层含有磷元素的,SiO,2,；,必须去除，否则影响光线的入射，影响吸收效率；,腐蚀液：,HF,（氢氟酸）,SiO,2,+4HF SiF,4,+2H,2,O,铝背场（背电极）,目的：,为了改善太阳能电池的效率，在,P-N,结制备完成后，在硅片背面，即背光面沉积一层铝膜，制备,P,+,层，称为铝背场，是为了减少少数载流子在背面复合的几率；,也可作为背面的金属电极；,制备方式：,溅射,电池背场,电池背面与正面,金属电极,传统制备方式：,真空蒸发、电镀,缺点：,成本昂贵、工艺复杂；受光面的金属会阻挡太阳光线，减少太阳光的吸收；,要求金属电极占表面的面积越小越好；,目前采用丝网印刷方式，在太阳能电池的两面制备成梳齿状的金属电极；,典型金属电极膜厚为,1025,m,，宽度为,150250,m,；,材料：,超细纯银或铅作为主体金属，然后配一定的辅助剂制成膏状，形成印刷浆料；,减反射层,目的：,与表面绒面结构一样，可有效的减少太阳光的反射。,减反射效果取决于反射膜的折射率及厚度。,原理：,利用减反射膜在上、下表面所产生的光程差，使得两束反射光叠加相消，从而减少反射，增加透射；,材料要求：,具有很好的透光性，对光线的吸收越少越好；同时具有良好的耐化学腐蚀性，良好的硅片粘接性；,减反射层材料,TiO,2,SnO,2,SiO,2,SiN,x,（,x2,是常用的减反射膜,）,MgF,2,其厚度大都在,60100nm,左右；,制备方法：,化学气相淀积、等离子体化学气相淀积、喷涂、溅射、蒸发。,Si,3,N,4,（氮化硅）,一种良好的减反射膜；,具有良好的绝缘性、致密性、稳定性和对杂质离子的掩蔽能力；,具有良好的光学性能，折射率较大；,在制备过程中，会对硅片产生氢钝化作用，可以明显改善太阳能电池光电转换效率；,氮化硅制备,常压化学气相淀积（,APCVD,）,7001000,低压化学气相淀积（,LPCVD,）,750,等离子体化学气相淀积（,PECVD,）,300400,PECVD,优点：,淀积温度低，对少子寿命影响小；,生产能耗低；,淀积速度快，生产效率高；,PECVD,淀积氮化硅膜原理：,3SiH,4,+4NH,3,Si,3,N,4,+12H,2,薄膜太阳电池,硅材料缺陷：,禁带宽度窄，光电转换效率较低；,光吸收系数较低,（欲吸收,95%,的太阳光，硅电池需要,150,m,的厚度，而,GaAs,材料只需,510,m,）；,硅材料需要多次提纯，相对成本较高；,硅太阳电池尺寸相对较小，若组成光伏系统，需要数十个相同的硅太阳电池连接起来；,薄膜太阳电池优点：,电池厚度只有,110,m,，制备在玻璃等相对廉价的衬底支撑材料上，因此，可以实现低成本、大面积的工业化生产。,主要的薄膜电池材料：,GaAs,薄膜太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池,多晶硅薄膜太阳能电池,CuInSe,薄膜太阳能电池,CdTe,（碲,di,化镉）薄膜太阳能电池,GaAs,薄膜太阳能电池,GaAs,材料优点：,直接能带结构，禁带宽度较宽，光谱响应特性好，因此其光电转换效率较高；,耐高温性、抗辐射性好；,缺点：,生产设备复杂，能耗大；,生产周期长，成本高；,仅仅使用在空间中；,GaAs,电池材料制备,早期：,n,型,GaAs,体单晶，通过扩散工艺，在表层扩散,P,型掺杂剂（,Zn,），形成,P,型,GaAs,层，构成,P-N,结太阳能电池结构。,缺陷：,GaAs,体电池复合速率很高，电池转换效率一直不高，其生产成本也很高；,现在采用液相外延（,LPE,）、金属有机物化学气相外延（,MOCVD,）等生长技术，在,GaAs,单晶衬底上，生长,n,型或,p,型,GaAs,薄膜，构成,GaAs,薄膜太阳能电池；,液相外延（,LPE,）,在,GaAs,单晶衬底上，利用低熔点的金属（,如,Ga,、,In,）作为溶剂；,加入,GaAs,材料和掺杂剂（如,Zn,、,Te,等），作为溶质；,在一定温度下，使溶质在溶剂中呈饱和状态；,逐渐降温，使溶质在溶剂中呈过饱和状态，而从溶剂中析出，在衬底上结晶；,加入不同的掺杂剂，可以分别实现,n,型,GaAs,或,p,型,GaAs,；,早期的单结,GaAs,薄膜电池都是采用液相外延制备；,生产技术简单，成本较低；,难以实现外延层参数的精确控制和异质外延生长,；,只吸收特定波长的太阳光谱，而且同质的,GaAs,界面的表面复合几率较大；,解决方法：,将两种或两种以上的不同禁带宽度的薄膜材料叠加在一起，可以形成双结、三结或四结叠层的异质结太阳电池结构（,见教材图,3.13,），吸收更多的太阳能光谱，从而提高太阳能电池的光电转换效率；,但是，,LPE,技术难以实现多结叠层薄膜太阳能电池结构,。,20,实际,80,年代以后，,MOCVD,薄膜生长技术出现，为多结叠层薄膜太阳能电池的应用创造了可能！,两种结构：,双结,AlGaAs/GaAs,薄膜太阳能电池,双结,GaInP/GaAs,薄膜太阳能电池,（界面复合速率低，电池抗辐射性能好，具有更好的光电性能和更长的寿命）,新提出三结、四结薄膜太阳能电池结构。,非晶硅薄膜太阳能电池,特点：,重量轻、工艺简单、成本低、能耗少；,用途：,电子计算器、手表、路灯等消费产品；,结构：,pin,结构（,i,：绝缘层）,非晶硅薄膜电池,原因：,非晶硅晶体原子无周期性排列，对载流子具有很强的散射作用；,载流子扩散长度很短，使得光生载流子在太阳能电池中只有漂移运动而无扩散运动；,隧道电流占主导地位，使其呈电阻特性，而无整流特性；,不能制作太阳能电池；,在,P,层和,N,层之间加入较厚的本征层,i,，以抑制其隧道电流；,为解决光生载流子由于扩散限制而很快复合的问题，非晶硅薄膜太阳能电池一般被设计成,pin,结构；,p,：,入射光层,i,：,本征吸收层,n,：,基底层,光生伏特原理：,入射光穿过,P,型入射光层，在本征吸收层中产生电子,-,空穴对，很快被内建电场分开，空穴漂移到,P,层，电子漂移到,N,层，形成光生电流和光生电压。,p,i,n,+,结构,单结；,在玻璃、不锈钢、陶瓷、塑料等柔性衬底上，制备,pin,非晶硅层。,玻璃衬底：,玻璃：,不锈钢衬底：,不锈钢,/,ZnO/n,-a-Si,：,H/i-a-Si,（,Ge,）：,H/p-Si,：,H/ITO,（氧化铟锡）,制备工艺流程：,清洗和烘干玻璃衬底,生长透明导电膜（,TCO,）,激光切割,生长,pin,非晶硅结构,蒸发、溅射铝膜,切割制成电极（,或直接掩膜蒸发铝膜,）,玻璃,/TCO,Al,（金属接触层）,问题：,为了增加光电转换效率，一般尽量增加光敏区,i,层的厚度；,非晶硅中载流子的迁移率很低，因此，需要有足够电场强度的内建电场将光生载流子输送到电极。为了保证内建电场的强度，本征,i,层又尽量薄；,所以，,pin,结构的非晶硅薄膜太阳能电池的,i,层厚度设计在,500nm,左右；,p,层、,n,层的厚度要尽量薄，一般设计在,10nm,数量级；,非晶硅薄膜制备,化学气相淀积,辉光放电,溅射,真空溅射,热丝蒸发,等离子体化学气相淀积,常用淀积反应式：,SiH,4,Si+2H,2,掺杂剂：,磷烷（,PH,5,），获得,n,型非晶硅；,硼烷（,B,2,H,6,），获得,p,型非晶硅；,非晶硅薄膜电池光电转换效率低,非晶硅带隙较宽，但实际可以利用的太阳光谱主要光谱段是,0.050.7,m,，相对较窄；,掺杂杂质离化形成的电子或空穴仅有一定比例的部分成为自由电子，而且，非晶硅缺陷多，载流子扩散长度很短，电流很小；,因此，非晶硅薄膜太阳能电池的开路电压比预期值要小；,解决这些问题比较困难，,可通过利用不同光学带隙的材料通过改善非晶硅薄膜电池的设计以增加电池的效率,。,解决方式,将太阳能电池窗口材料的,p,型的,a-Si,薄膜改为带隙更宽的材料，如,p,型的,a-,SiC,：,H,或,p,型的,a-SiN,：,H,薄膜材料，以减少光线在表面的吸收；,多级带隙材料结构，即利用多层不同宽带隙材料的叠加以替代,p,型的,a-Si,薄膜，尽量增加长波长光线的吸收，使得非晶硅薄膜太阳电池的吸收光谱最大地接近太阳光谱；,多晶硅薄膜太阳能电池,单晶硅太阳能电池成本较高，非晶硅薄膜电池效率较低，而且存在光衰减现象；,在廉价衬底上制备多晶硅薄膜太阳能电池成为目前国际上研究的重点；,多晶硅薄膜电池优势：,衬底便宜、硅用料少；,无光的衰减现象；,结合单晶硅和非晶硅的优点；,多晶硅薄膜电池缺陷：,晶粒较小，光电转换效率依然较低；,到目前为止，依然未有大规模的工业生产；,多晶硅薄膜电池结构,与单晶硅电池结构相似，区别在于材料的形式不同；,衬底材料：,玻璃、晶体硅、多晶硅、,SiC,等；,减反层,n-Si,p-Si,衬底,制备工艺：,基底选择,p,型多晶硅薄膜制备（,等离子体化学气相淀积、溅射、液相外延,）,扩磷，形成,n,型多晶硅薄膜,减反层制备,。,CdTe,薄膜太阳能电池,优势：,禁带宽度宽（,1.45ev,）；,生产成本低；,相对光电转换效率高；,可大面积生产；,是一种具有重要应用前景的薄膜太阳能电池；,CdTe,薄膜太阳能电池结构,纯的,SnO,2,是透明的,n,型半导体材料，禁带宽度在,3.6ev,，透光率在,80%,以上；,掺入,1%,的,Sb,等杂质，可使,SnO,2,的导电能力大大提高，变为良好的导体；,玻璃,（衬底）,SnO,2,（透明导电膜）,CdS,（,n,型窗口层）,CdTe,（,p,型电池材料）,背面接触金属层,SnO,2,的制备,常压化学气相淀积,低压化学气相淀积,磁控溅射（,原料：,SnO,2,和,Sb,2,O,3,）,热分解成膜（,原料：,SnO,4,或,SnCl,4,）,磁控溅射和热分解已在工业中得到广泛的应用。,反应式：,SnCl,4,+2H,2,O,SnO,2,+4HCl,如何提高,SnO,2,的光透率及电导率？,为了增加电导率，在制备过程中，通常需要加入,NHF,4,、,SbCl,3,的材料；,掺锑的,SnO,2,薄膜简称,ATO,，掺氟的,SnO,2,薄膜简称,FTO,；,除,SnO,2,薄膜以外，,ZnO,、,In,2,O,3,薄膜也常被用作导电膜；,制备高电导率、浅同质结很困难，实际中，都是采用异质结结构，需要采用窗口层；,窗口层材料：,CdSe,、,ZnO,、,CdS,（,结构与,CdTe,相同，晶格常数差异小，最适合作窗口层，得到广泛的应用,）；,因此，,CdTe,薄膜电池又常称为,CdS,/,CdTe,薄膜电池；,CdTe,薄膜制备方法：,真空蒸发（成本较高）,化学气相淀积,近空间升华（,CSS,）,电沉积法,溅射（成本较高）,热分解,近空间升华法：沉积速率高、设备简单、薄膜质量好、生产成本低、电池光电转换效率高，得到广发应用；,近空间升华法原理：,以氩气作为保护气体，采用高纯,CdTe,薄片或粉料作为原材料，在,700,左右升华，在加热的衬底上沉积,CdTe,多晶薄膜材料；,CdTe,薄膜沉积速率主要取决于源温度和反应室气压，典型的沉积速率为,1.6160nm/s,，最高沉积速率可达,750nm/s,；,CuInSe,2,薄膜太阳电池,CuInSe,2,（,CIS,）是另一种重要的太阳能光电材料；,禁带宽度,1.02ev,，光吸收系数大，可形成,n,型和,p,型半导体；,如果用,Ga,取代,1%30%,的,In,，就会形成与,CIS,薄膜材料同系列的,CuIn,x,Ga,1-x,Se,2,（,CIGS,）薄膜，具有更合适的禁带宽度；,是目前制备该系列太阳能电池最主要的实际应用材料；,CIS,单结薄膜电池结构,玻璃衬底,CdS,CuInSe2,Mo,导电膜,减反膜,SiO,2,以玻璃或氧化铝作为衬底；,以,Mo,薄膜作为导电层；,以厚度为,2,m,的,n,型,CdS,作为窗口层；,以,p,型,CuInSe,2,薄膜作为电池,pn,结结构；,P,N,总结：,CuInSe,2,薄膜太阳电池在太阳光谱长波区域的量子效率高，因此，如果与其它薄膜太阳能电池结合组成多结电池，可以有效地提高太阳电池的光电转换效率。,练习题,1,、,CdTe,薄膜制备方式有哪些？,2,、简述多晶硅薄膜制备过程。,3,、阐述,LPE,技术制备,GaAs,薄膜原理。,4,、非晶硅薄膜电池中，,PN,结中间加入,i,层绝缘层的目的是什么？,5,、请阐述太阳能光伏发电的优势。,