光伏器件原理与设计(二).ppt

实验室用的ZMR 设备 层转移技术 层转移技术流程图 由德国斯图加特大学保持的层转移技术制备的晶硅薄膜电池效率可以达到16.7%，大大超越了其他各类薄膜太阳电池。 层转移技术是基于优质晶体硅衬底的外延剥离技术，所以需要一块质量上乘的晶体硅衬底（单晶硅或者大晶粒多晶硅）。 为了能够剥离外延出的晶硅薄膜，首先要对硅衬底进行表面处理，制备出一定厚度的多孔硅层。 然后在多孔硅层上外延制备出晶硅薄膜电池结构。 最后将薄膜电池固定在载板上并将衬底与薄膜剥离开来。 陶瓷衬底多晶硅薄膜太阳电池结构示意图 管式退火炉 磁控溅射加快速热退火设备实物图 硅层厚度小于铝层厚度时多晶硅晶粒的树枝生长 非晶硅层与铝层厚度比略大于1 的样品结晶情况 薄膜多晶硅材料制备初步结果 晶体结构测试分析-1 晶体结构测试分析-2 晶体结构测试分析-3 少子寿命测试-1 少子寿命测试-2 §3.3 化合物太阳电池基本结构 不锈钢衬底a-Si太阳电池结构 单结非晶硅异质结太阳电池 非晶硅太阳电池内光生载流子的生成主要在i层，入射光在到达i层之前，一部分被掺杂层所吸收。因为对于非晶硅材料，掺杂将会使材料带隙降低，造成对太阳光谱中的短波部分的吸收系数变大。 研究表明，即使掺杂层厚度仅有10nm，仍会将入射光的20%左右吸收掉。从而削弱了电池对短波长光的响应，限制了短路电流的大小。 为了减少入射方向掺杂层对光的吸收以使到达i层的光增加的目的，人们提出了单结非晶硅异质结太阳能电池结构。 单结非晶硅异质结太阳电池，是指在迎光面采用宽带隙的非晶碳化硅膜来代替带隙较窄的非晶硅做窗口的结构。利用宽带隙的非晶碳化硅膜可以明显改善太阳能电池在短波区域的收集效率。 下图是一个实际的三层太阳电池的例子，该结构是用宽带隙的非晶碳化硅薄膜为第一层，用窄带隙的非晶锗硅作为第三层，中间夹以非晶硅层。其转换效率理论上最高可达24%，基本上与单晶硅太阳电池的理论最高值一样。 利用宽带隙材料做成异质结结构，不仅是通过窗口作用提高短路电流，还可以通过内建电势的升高提高开路电压。因为在p层中加碳，能隙变宽， p、i两层中的费米能级的相对位置被相应拉开，因而对升高内建电势也有好处。 在非晶硅太阳电池的发展过程中，转换效率的一次幅度较大的提高就是用p型的非晶碳化硅膜代替p型的非晶硅的结果。对于带隙为1.7eV左右的i层，要求p层材料的带隙最好在2.0eV左右。当非晶碳化硅膜中碳的成分比在20-30%时，就能满足这一要求，而且并没有给电池的制造工艺增加多少麻烦，而电池的性能却得到很大改善。 Staebler-Wronski Effect 1977 年，D.L.Staebler 和C.R.Wronski 发现非晶硅样品在经过长时间光照后，其光电导和暗电导都显著减小，将照样品放在150度下退火30分钟，再冷却到室温，样品又恢复原来状态。这一现象被称为Staebler-Wronski 效应，简称S-W效应。研究表明在光照后非晶硅中缺陷密度明显增加。 S-W效应的机制还是一个有待进一步研究解决的问题，人们提出了各种模型进行解释。 有的认为是光照在样品中产生了新的缺陷，这种缺陷增加了隙态密度，降低了光电导和暗电导。 有的认为是光照产生了亚稳态缺陷。 还有的认为是光照引起了非晶硅结构的变化，如H-Si键的断裂。 以及材料中的杂质变化等等。 由于S-W效应，非晶硅太阳电池在光照后，非晶硅膜中缺陷态密度增加，导致电池内的光生电子和空穴复合几率增加，电池的转换效率下降。 非晶硅太阳电池的不稳定性集中反映在其能量转换效率随辐照时间的延长而变化，直到数百或数千小时后才稳定。这个问题在一定程度上影响了这种低成本太阳电池的应用。 作为解决方案 可以将电池中i层的厚度减薄，同时为了避免厚度减薄带来的对入射光吸收的减弱，可以用多个电池串联的方式，形成多级太阳能电池组以保证足够的光吸收。 微晶硅接触层 在单结非晶硅太阳电池中，利用微晶硅来做掺杂层的电池结构也是较为常用的一种。微晶硅有较高的掺杂效率，在同样的掺杂水平下，其费米能级远离带隙中央的程度比非晶硅高。另一方面，微晶硅的带隙不会因为掺杂而有明显的降低，因此用微晶硅做太阳电池的接触层，既可减小串联电阻，也可增加开路电压，是理想的n+或p+材料。 非晶硅叠层电池 对于单结太阳电池，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。 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。 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