光电及光化学转化原理与应用电化学课件：第1章光伏发电技术.pptx

1、任课教师：任课教师：李明涛李明涛、沈少华、沈少华2015.03.04西安交通大学西安交通大学-新能源科学与工程新能源科学与工程为什么要讲这门课？为什么要讲这门课？讲些什么内容？讲些什么内容？ 热能转化利用热能转化利用 机械能转化利用机械能转化利用 光能转化利用光能转化利用 生物质能、化学能转化利用生物质能、化学能转化利用p光是一种电磁波电子能级跃迁原子核能级跃迁我国液体燃料短缺，我国液体燃料短缺，燃煤造成了严重的燃煤造成了严重的环境污染。环境污染。太阳能清洁无污染太阳能清洁无污染可再生，我国大部可再生，我国大部分地区太阳能较为分地区太阳能较为丰富。丰富。太阳能电池太阳能电池原理、影响因素、工艺

2、、系统优缺点、现状水电解与光电化学分解水制氢水电解与光电化学分解水制氢原理、关键问题、提高效率的途径光电化学与新型太阳能电池光电化学与新型太阳能电池染料敏化太阳电池量子点太阳电池电化学方法原理与应用电化学方法原理与应用光电化学与悬浮颗粒体系光电化学与悬浮颗粒体系光催化分解水制氢光催化污染物降解教材及主要参考书教材及主要参考书 沈辉等主编沈辉等主编，太阳能光伏发电技术太阳能光伏发电技术，化学工业化学工业出版社，出版社，2005.08，ISBN 7-5025-7535-9； 波利斯科夫著，张天高译，光电化学太阳能转换波利斯科夫著，张天高译，光电化学太阳能转换，科学科学出出版社版社，1994.04；

3、 阿伦阿伦.J. 巴德，巴德， 拉里拉里. R. 福克纳著，电化学方法原理和应用福克纳著，电化学方法原理和应用，化学工业出版社，化学工业出版社，2005.05，ISBN 7-5025-6704-6； 相关科技文献。相关科技文献。课时安排课时安排周次周次日期日期内容内容1 103.0403.04概论，光伏概论，光伏1 103.0603.06光伏光伏2 22 203.1103.11光伏光伏3 303.1303.13光电化学光电化学1 13 303.1803.18光电化学光电化学2 203.2003.20光电化学光电化学3 34 403.2503.25光电化学光电化学4 403.2703.27光电化

4、学光电化学5 55 504.0104.01电化学方法电化学方法1 104.0304.03电化学方法电化学方法2 26 604.0804.08电化学方法电化学方法3 304.1004.10电化学方法电化学方法4 4周次周次日期日期内容内容7 704.1504.15染料敏化电池等染料敏化电池等04.1704.17燃料电池等燃料电池等8 804.2204.22光催化光催化1 104.2404.24光催化光催化2 29 904.2904.29光催化光催化3 305.0105.01光催化光催化4 4101005.0605.06光催化光催化5 505.0805.08光催化光催化6 6111105.1305

5、.13实验105.1505.15实验2121205.2005.20实验3考核办法考核办法 平时成绩平时成绩 20% 其中考勤其中考勤5% 作业作业15%， 作业与考勤合格是考试的前提条作业与考勤合格是考试的前提条件。件。 期末考试期末考试 80%李明涛李明涛电话电话：15209215157电电邮：邮：办公室办公室：北二楼：北二楼15楼楼81517旁旁联系方式联系方式接受预约答疑接受预约答疑太阳能电池的利用情况太阳能电池的利用情况日本、欧洲、日本、欧洲、美国一直是美国一直是发展和利用发展和利用太阳能电池太阳能电池的主要国家的主要国家和地区。和地区。太阳能电池的利用情况 新千年开始，世界其他国家和

6、地区的太阳能电池产业发展新千年开始，世界其他国家和地区的太阳能电池产业发展速度明显加快了。速度明显加快了。 太阳能太阳能光电转换光电转换是直接是直接将太阳能转换为电能，实现转换的将太阳能转换为电能，实现转换的主要部件是主要部件是太阳电池太阳电池。 太阳电池太阳电池也称光伏电池，它没有任何运动的机械部件，在能也称光伏电池，它没有任何运动的机械部件，在能量转换中具有重要的地位，被认为是量转换中具有重要的地位，被认为是“最优雅的能量转换器最优雅的能量转换器”。1839年法国科学家贝克勒尔贝克勒尔发现“光生伏打效应光生伏打效应”。1883年Charles Fritts 在锗半导体上覆上金层形成半导体异

7、质结，成功制备第一块第一块太阳电池太阳电池，效率只有1%。1954年美国贝尔实验室研制成实用型实用型硅太阳电池硅太阳电池，效率6%，为光伏发电大规模应用奠定了基础；同年，首次发现了砷化镓有光伏效应，制成了第一块薄膜太阳电池第一块薄膜太阳电池。1958年太阳电池首次在空间应用首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。1958年我国开始太阳电池研制，1971年首次发射用太阳电池作为电池的人造卫星。1959年 第一个多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池问世，效率达5%。1978年 美国建成100 kWp太阳地面光伏电站光伏电站。 光生伏特效应光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。太阳光是由光是太阳能光电转

8、换的基本过程。太阳光是由光子组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳子组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以产生电能。可以产生电能。光电效应 爱因斯坦的光电效应（金属的光电效应） 在光的照射下，从物体发射出电子的现象 对于不同物体，存在不同的极限频率，当光子的频率大于这个极限频率时才会产生光电效应。 光强越强，产生的电子越多 光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光的频率的增大而增大 应用：光电倍增管 光电效应方程W逸出功，对应极限频率初动能h

9、v光电子数的光电子数的最大初动能最大初动能随入射光的随入射光的频率频率增大增大而线性增大，而与入射光强度无关而线性增大，而与入射光强度无关单位时间从金属表面逸出的单位时间从金属表面逸出的光电子数目光电子数目与入与入射光强射光强IS成正比。成正比。当光照射到某一给定的金属时，无论光的强当光照射到某一给定的金属时，无论光的强度如何，度如何，小于极限小于极限频率的入射光都不能产生频率的入射光都不能产生光电效应。光电效应。光子能量hcE光电效应的应用光电倍增管光电倍增管固体的光吸收的基本过程固体中的光吸收过程以半导体为代表，吸收区主要可以划分为六个区。 基本吸收区 吸收边缘界限 自由载流子吸收 晶体振

10、动引起的吸收 杂质吸收 自旋波或回旋共振吸收吸收系数实验发现，当一束光照射到某一固体上时，可能被反射、实验发现，当一束光照射到某一固体上时，可能被反射、吸收或透过。吸收或透过。常用吸收率常用吸收率A、反射率、反射率R和透过率和透过率T表示它们之间的关系表示它们之间的关系即即A+R+T=1实验还发现，光在固体中传播时，其强度一般要发生衰实验还发现，光在固体中传播时，其强度一般要发生衰减，而且遵从指数衰减律。即当光在物质中传播减，而且遵从指数衰减律。即当光在物质中传播d距离后，距离后，光强的变化可以简单地表示为光强的变化可以简单地表示为I=I0e-d式中式中叫做吸收系数，常用的单位为叫做吸收系数，

11、常用的单位为cm-1，表示光在固体，表示光在固体中传播距离中传播距离d=1/ 时，光强衰减到原来的时，光强衰减到原来的1/e。对于电导率。对于电导率不为零的耗散介质，也就是吸收介质，吸收系数相当大不为零的耗散介质，也就是吸收介质，吸收系数相当大光生伏打效应 光生伏打效应是一种重要的光电效应，是光能转化的重要方式。 一般使用半导体材料来构成的器件来实现。因此我们有必要先复习半导体材料的能带结构，载流子生成、迁移和复合，再学习pn结的电学特性，从而了解太阳电池的基本工作规律和影响因素，得到太阳电池的电流电压曲线，及相关工作参数。金属电阻率：金属电阻率： 10-8m 绝缘体电阻率：绝缘体电阻率： 1

12、014 1020m 半导体电阻率：半导体电阻率： 10-4107m 半导体半导体的导电能力介于导体和非导体之间，其的导电能力介于导体和非导体之间，其依靠电子依靠电子-空空穴对导电，穴对导电，导电性能非常独特。导电性能非常独特。这些独特的导电性是由其内部的这些独特的导电性是由其内部的微观物质微观物质结构所决定的。下面结构所决定的。下面以半导体以半导体硅硅为例来进行介绍。为例来进行介绍。 硅原子有硅原子有1414个电子，其最外层有个电子，其最外层有4 4个电子，称为个电子，称为价电价电子子，在光生伏特效应中起重要作用。，在光生伏特效应中起重要作用。硅的原子结构示意图硅的原子结构示意图价电子价电子原

13、子核原子核 大量的硅原子通过价电子结合在一起，形成大量的硅原子通过价电子结合在一起，形成晶体晶体。在晶体。在晶体中，每个硅原子通常和邻近的中，每个硅原子通常和邻近的4 4个硅原子以共价键的形式分别共个硅原子以共价键的形式分别共享享4 4个价电子。个价电子。硅晶体结构示意图硅晶体结构示意图 在一定温度或强光的照射下，在一定温度或强光的照射下，由于热能或光能转化为电子的由于热能或光能转化为电子的动能，如果动能足够大，电子动能，如果动能足够大，电子就可以挣脱束缚而成为就可以挣脱束缚而成为自由电自由电子子。共价电子挣脱束缚而成为。共价电子挣脱束缚而成为自由电子以后，便留下一个自由电子以后，便留下一个空

14、空穴穴。通常把电子看成带负电的。通常把电子看成带负电的载流子，把空穴看成带正电的载流子，把空穴看成带正电的载流子。载流子。 由光照产生的载流子叫做由光照产生的载流子叫做光光生载流子生载流子。电子电子- -空穴示意图空穴示意图 自由电子在电场或热运动作用下，可能遇到已经产生的空穴，自由电子在电场或热运动作用下，可能遇到已经产生的空穴，与空穴进行复合，从而使载流子消失。空穴载流子的不断产生与空穴进行复合，从而使载流子消失。空穴载流子的不断产生和消失，相当于空穴（正电荷）的移动。由于和消失，相当于空穴（正电荷）的移动。由于电子和空穴的移电子和空穴的移动动，就使半导体具有导电性。，就使半导体具有导电性

15、。电子电子- -空穴移动示意图空穴移动示意图 禁带具有一定的能量，这种能量叫做禁带具有一定的能量，这种能量叫做禁带宽度禁带宽度。实际。实际上，这个能量是导带的最低能级与满带的最高能级的能量差。上，这个能量是导带的最低能级与满带的最高能级的能量差。内光电效应内光电效应：当半导体表面受到光的照射时，光可能被反射、吸：当半导体表面受到光的照射时，光可能被反射、吸收或透射。有些光子的能量大到足以使电子挣脱原子的束缚，同收或透射。有些光子的能量大到足以使电子挣脱原子的束缚，同时把电子由价带激发到导带，使半导体中产生大量的电子时把电子由价带激发到导带，使半导体中产生大量的电子- -空穴空穴对。对。实现内光

16、电效应的实现内光电效应的条件条件是：是：其中：其中： 为光子的能量，为光子的能量，eVeV； 为普朗克常数，为普朗克常数，4.13610-15eVs； 是光的频率，是光的频率，1/s1/s； 为禁带宽度，为禁带宽度，eVeV。ghEhgE半导体的光吸收半导体的光吸收为了解释光电效应，1905年，爱因斯坦在德国物理学家普朗克研究电磁辐射的基础上提出了光子说。他指出：在空间传播的光不是连续的，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。每个光子所具有的能量而是一份一份的，每一份叫做一个光子。每个光子所具有的能量E跟光跟光的频率的频率成正比成正比。E=h其中h是一个常量，叫普朗克常

17、量。h=6.6310-34焦.秒直接带隙：直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。间接带隙：间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。由于由于 有有波长大于截止波长的光不能实现光电转换。波长大于截止波长的光不能实现光电转换。cghcE截止材料材料禁带宽度禁带宽度/eV截止波长截止波长/m可供利用的太阳能比率可供利用的太阳能比率硅硅1.121.100.76磷化铟磷化铟1.250.970.69砷化镓砷化镓1.350.900.65碲化镉碲化镉1

18、.450.840.61硒硒1.500.810.58锑化铝锑化铝1.550.780.57硒化镉硒化镉1.700.720.51磷化镉磷化镉2.300.530.28硫化镉硫化镉2.400.500.24光子能量通量光子能量通量：单位时间通过单位截面的光子能量。：单位时间通过单位截面的光子能量。其中：其中： 为在深度为在深度x处的光的强度，处的光的强度，W/m2； 为射入正交表面的光强，为射入正交表面的光强，W/m2； 为吸收系数，为吸收系数，1/m。 说明说明：太阳能电池对半导体材料的薄膜厚度有一定的要求。：太阳能电池对半导体材料的薄膜厚度有一定的要求。 例：若要吸收例：若要吸收90%以上的光子能量，

19、半导体以上的光子能量，半导体Si的薄膜厚度需的薄膜厚度需超过超过100m，而半导体，而半导体GaAs的薄膜厚度只需的薄膜厚度只需1m。 0 expI xIax I x 0Ia3 半导体的掺杂特性本征半导体本征半导体完全无杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。半导体的半导体的本征导电能力本征导电能力很小，很小，Si在在300K的本征电阻率的本征电阻率为为2.3105 cm。 具有断键的硅晶体具有断键的硅晶体3 半导体的掺杂特性杂质半导体杂质半导体在半导体中加入少量可能改变其导电机制的杂质。 3 半导体的掺杂特性杂质半导体杂质半导体在半导体中加入少量可能改变其导电机制的杂质。 Si半导体中掺入半导体中掺入

20、3价元素的半导价元素的半导体（如硼、镓、铝等），在晶体体（如硼、镓、铝等），在晶体中会出现一个空穴，形成中会出现一个空穴，形成p型半型半导体导体。多数载流子：空穴多数载流子：空穴 Si半导体中掺入半导体中掺入5价元素的半导价元素的半导体（如磷、砷、锑等），在共价体（如磷、砷、锑等），在共价键之外会出现一个多余的电子，键之外会出现一个多余的电子，形成形成n型半导体型半导体。多数载流子：电子多数载流子：电子4 p-n结结 n型半导体中含有较多的电子，而型半导体中含有较多的电子，而p型半导体中含有较型半导体中含有较多的空穴，这样，当多的空穴，这样，当p型和型和n型半导体结合在一起时，就会型半导体结合

21、在一起时，就会在接触面形成电势差形成在接触面形成电势差形成p-n结。结。电子扩散方向电子扩散方向空穴扩散方向空穴扩散方向扩散运动扩散运动空穴：空穴：p区区 n区区电子：电子：n区区 p区区内电场内电场4 p-n结 5 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理材料吸收光子后，产生电子材料吸收光子后，产生电子-空穴对空穴对电性相反的光生载流子被半导体中电性相反的光生载流子被半导体中p-n结所产生的静电场分开结所产生的静电场分开光生载流子被太阳能电池的两极所收集，并在电路中产生电光生载流子被太阳能电池的两极所收集，并在电路中产生电流，因而获得电能流，因而获得电能 太阳能电池的工作原理太阳能电池等效电

22、路太阳能电池等效电路 光照情况下的太阳能电池可以等效为一个理想的电流源、光照情况下的太阳能电池可以等效为一个理想的电流源、一个理想二极管、旁路电阻一个理想二极管、旁路电阻 和串联电阻和串联电阻 的组合。的组合。scIDIshILIRRshRLRVshRRR太阳能电池的等效电路图太阳能电池的等效电路图太阳能电池等效电路 在没有光辐射的情况下，太阳能电池在没有光辐射的情况下，太阳能电池就是一个普通的半导体二极管。恒定的入射就是一个普通的半导体二极管。恒定的入射辐射使太阳能电池内部形成稳定的从辐射使太阳能电池内部形成稳定的从n n型区型区到到p p型区的反向光生电流型区的反向光生电流 ，二极管中的，

23、二极管中的电流电流 是由于空穴、电子扩散而形成的正是由于空穴、电子扩散而形成的正向电流。向电流。 为为p p型区和型区和n n型区半导体材料的体电阻、型区半导体材料的体电阻、p-np-n结扩散层的薄层电阻、电结扩散层的薄层电阻、电池电极的欧姆接触电阻等。池电极的欧姆接触电阻等。为考虑电流损失而增加的电阻。为考虑电流损失而增加的电阻。 当流过负载当流过负载 的电流为的电流为 ，负载的端电压为，负载的端电压为 时，有时，有scIDIshRRRLRLIVLscDshIIII负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电池的伏安特性方程。伏安特性和转换效率伏安特性和转换效率图中的曲线是负载从零变图中的曲线是负

24、载从零变到无穷到无穷大大时，时，太阳能电池太阳能电池的的负载特性负载特性曲曲线。工作点线。工作点（V V，I I）界定）界定的矩形的矩形面积是电池在该面积是电池在该工作点的工作点的输出功输出功率。率。使达到使达到最大值最大值的工作点的工作点（VmpVmp，ImpImp）称为最佳称为最佳工作点工作点。负载特性负载特性曲线不会超过曲线不会超过开路电压开路电压VocVoc和短路电流和短路电流IscIsc界定界定的矩形的矩形范围。这就意味着太阳能电池的输出特性曲线越充满该矩形越范围。这就意味着太阳能电池的输出特性曲线越充满该矩形越好。常用好。常用填充因子填充因子的大小来评价太阳能电池输出特性的优劣。的

25、大小来评价太阳能电池输出特性的优劣。u填充因子填充因子定义定义：电池最大输出功率与开路电压与短路电流乘积的比值。：电池最大输出功率与开路电压与短路电流乘积的比值。u光电转换效率光电转换效率定义定义：太阳能电池的最大输出电功率与输入光功率之比。：太阳能电池的最大输出电功率与输入光功率之比。其中：其中： 是太阳能电池单位表面积上的入射太阳总辐射；是太阳能电池单位表面积上的入射太阳总辐射； 为太阳能电池的上表面积。为太阳能电池的上表面积。伏安特性和转换效率mocscPFFV ImgTPAIgTIAu光电转换效率光电转换效率由开路电压、短路电流和太阳能电池表面的入射太阳辐射的关由开路电压、短路电流和太

26、阳能电池表面的入射太阳辐射的关系，得系，得综上可得太阳能电池的效率为综上可得太阳能电池的效率为伏安特性和转换效率scgTImIln/gocsoscEkTVIIeeln/gsoscEFF mkTIIAee开路电压、短路电流和开路电压、短路电流和入射辐射强度的关系入射辐射强度的关系影响太阳能电池转换效率的因素主要有三类：影响太阳能电池转换效率的因素主要有三类：u太阳能电池半导体材料的性质太阳能电池半导体材料的性质包括基体材料性质和掺杂特性。材料性质影响到对光辐射的吸包括基体材料性质和掺杂特性。材料性质影响到对光辐射的吸收和反射，禁带宽度，载流子的产生、扩散与复合等光电转换中的基收和反射，禁带宽度，

27、载流子的产生、扩散与复合等光电转换中的基本微观物理过程。本微观物理过程。u太阳能电池的制造工艺太阳能电池的制造工艺制造工艺是否精良直接关系到电池的等效串联电阻和等效并联制造工艺是否精良直接关系到电池的等效串联电阻和等效并联电阻。电阻。u太阳能电池的工作条件太阳能电池的工作条件如工作温度。如工作温度。影响太阳能电池转换效率的因素影响太阳能电池转换效率的因素光损耗光损耗复合损失复合损失电压因子损失电压因子损失串联电阻上的损失串联电阻上的损失本小节主要介本小节主要介绍的影响因素绍的影响因素u光损耗光损耗光损耗来自三个方面：光损耗来自三个方面： 入射光在太阳能电池表面受到反射；入射光在太阳能电池表面受

28、到反射； 能量小于能量小于 的光子的能量变为热能损耗掉；的光子的能量变为热能损耗掉； 光谱中长波一侧的一小部分辐射能量穿透电池片损失掉。光谱中长波一侧的一小部分辐射能量穿透电池片损失掉。光谱因子：受入射光子激发而产生的光生载流子获得的能量与光谱因子：受入射光子激发而产生的光生载流子获得的能量与入射总光强度的比。入射总光强度的比。影响太阳能电池转换效率的因素gE不同材料的表面对光的反射系不同材料的表面对光的反射系数不同，可在表面镀减反射膜数不同，可在表面镀减反射膜两者统称为量子损失，它依赖两者统称为量子损失，它依赖于材料的禁带宽度。于材料的禁带宽度。 00ggiiEIdhcSFId 为截止波长为

29、截止波长为入射光强度为入射光强度giIu复合损失复合损失半导体电池在接受光照工作时，其内部可能同时存在三种机制半导体电池在接受光照工作时，其内部可能同时存在三种机制的载流子复合：直接复合、中心复合和表面复合。载流子的复合导致的载流子复合：直接复合、中心复合和表面复合。载流子的复合导致被吸收能量的损失。被吸收能量的损失。l 直接复合直接复合在光生电池和热运动的作用下，有一部分电子少子和空穴少子在光生电池和热运动的作用下，有一部分电子少子和空穴少子分别向分别向p p型方向和型方向和n n型方向作扩散运动，当一个少子在扩散运动中遇到型方向作扩散运动，当一个少子在扩散运动中遇到一个多子时，就发生直接复

30、合，电子从导带回归满带，实现了电子一个多子时，就发生直接复合，电子从导带回归满带，实现了电子- -空穴对的湮灭，同时释放出从辐射光获得的等于禁带宽度的能量，造空穴对的湮灭，同时释放出从辐射光获得的等于禁带宽度的能量，造成光电转换的能量损失。成光电转换的能量损失。影响太阳能电池转换效率的因素u复合损失复合损失l 中心复合中心复合在内建电场力的作用下，从在内建电场力的作用下，从p p型区和型区和n n型区运动到与型区运动到与p-np-n结边界的结边界的距离在扩散长度以内的多子被吸入势垒区；在这个区域范围内产生的距离在扩散长度以内的多子被吸入势垒区；在这个区域范围内产生的少子被扫入势垒区；在势垒区里

31、有电子少子被扫入势垒区；在势垒区里有电子- -空穴对生成。此处电子与空空穴对生成。此处电子与空穴的复合属于复合中心的复合，复合使电子释放出能量。穴的复合属于复合中心的复合，复合使电子释放出能量。l 表面复合表面复合由于电池的表面结构异常复杂，形成了大量的表面复合中心。由于电池的表面结构异常复杂，形成了大量的表面复合中心。光的辐照首先在电池表面层激发产生电子光的辐照首先在电池表面层激发产生电子- -空穴对，其中一部分少子空穴对，其中一部分少子还来不及向晶体内部扩散就被表面复合中心复合了，导致能量损失。还来不及向晶体内部扩散就被表面复合中心复合了，导致能量损失。影响太阳能电池转换效率的因素u电压因

32、子损失电压因子损失 理论上，开路电压应等于理论上，开路电压应等于p-np-n结的势垒：结的势垒： 实际上，由于电池的实际上，由于电池的p-np-n结等处存在电流泄漏，使开路电压降低，结等处存在电流泄漏，使开路电压降低，从而造成效率损失。从而造成效率损失。常用电压损失因子来表示这种损失：常用电压损失因子来表示这种损失：影响太阳能电池转换效率的因素gocjEVVeocgeVVFE影响太阳能电池转换效率的因素u串联电阻上的损失串联电阻上的损失 太阳能电池串联电阻的存在直接影响填充因子的大小。在运行条太阳能电池串联电阻的存在直接影响填充因子的大小。在运行条件下，太阳能电池的填充因子永远不可能达到件下，

33、太阳能电池的填充因子永远不可能达到1 1。对于理想电池，填。对于理想电池，填充因子为充因子为0.80.8，由于串联电阻的存在，填充因子为，由于串联电阻的存在，填充因子为0.70.70.750.75。故太阳。故太阳能电池的效率远小于图中的值。能电池的效率远小于图中的值。电池的极限转换效率电池的极限转换效率/ /理想理想转换效率可以表示为：转换效率可以表示为：VF FF SF极限不同太阳能电池的理论效率不同太阳能电池的理论效率pn结的特性与光电压的产生结的特性与光电压的产生半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区两个条件两个条件太阳电池的特性太阳

34、电池的特性IV特性开路电压短路电流最大工作点填充因子转换效率量子效率影响效率的因素光谱响应特性能量效率影响效率的因素影响效率的因素带隙典型的太阳能电池I-V特性曲线光照强度温度的影响PHOTORESPONSIVITYEXTERNAL QUANTUM EFFICIENCYThe photoresponsivity is defined as the photocurrent extracted from the solar cell divided by the incident power of the light at a certain wavelength.The external qu

35、antum efficiency is defined as the number of charges Ne extracted at the electrodes divided by the number of photons Nph of a certain wavelength incident on the solar cell太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应按结构按结构分类分类同质结同质结太阳电池太阳电池异质结异质结太阳电池太阳电池肖特基肖特基太阳电池太阳电池按材料按材料分类分类硅太阳硅太阳电池电池敏化纳米晶敏化纳米晶太阳电池太阳电池有机化

36、合物有机化合物太阳电池太阳电池塑料塑料太阳电池太阳电池无机化合物无机化合物半导体半导体太阳电池太阳电池太阳电池的分类太阳电池的分类太阳电池太阳电池体电池体电池太阳电池的分类与发展薄膜电池薄膜电池锗硅单晶硅多晶硅带硅硅微晶硅非晶硅化合物薄膜CISCIGSGaAs染料敏化、量子点CdTe几种太阳电池效率比较多结电池薄膜电池块硅电池有机太阳电池各种太阳电池市场份额比较1998年以前，单晶硅电池占世界光伏生产的主导地位，其次是多晶硅电池。从1998年开始，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。非晶硅从20世纪80年代初开始商业化生产，但由于效率低和光衰减问题，市场份额增加不快。CdTe电池从20世纪80年

37、代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，除技术因素外，人们对Cd的毒性的疑虑也是原因之一。 CIS电池的产业化进程比较缓慢，原因是生产过程中化学剂量比难以控制，大面积均匀性和重复性较差。硅的基本性质金属硅金属硅石英砂（石英砂（SiO2）多晶硅多晶硅单晶硅单晶硅单晶硅多晶硅非晶硅l禁带宽度1.1eV1.7eV，以直接带隙半导体为佳；l组成的材料不具有毒性；l材料易取得，成本低；l有良好的光电转换效率；l有长期的稳定性；太阳能电池材料太阳能电池材料晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池是典型的晶体硅太阳能电池是典型的p-n结型太阳电结型太阳电池，它的研究最早、应用最广。池，它的研究最早、

38、应用最广。分类：单晶硅电池和多晶硅电池。分类：单晶硅电池和多晶硅电池。u单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池原料原料: 高纯的单晶硅棒，高纯的单晶硅棒，纯度要求纯度要求99.999。单晶硅太阳能电池的实验单晶硅太阳能电池的实验室最高效率为室最高效率为25%（澳大利亚新（澳大利亚新南威尔士大学，马丁南威尔士大学，马丁格林教授组）格林教授组）单晶硅棒的制备：单晶硅棒的制备：坩埚拉直法和悬浮区熔法坩埚拉直法和悬浮区熔法晶体硅太阳能电池u多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池目前太阳电池使用的多晶硅目前太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废弃单晶硅料和的集合体，或用

39、废弃单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。冶金级硅材料熔化浇铸而成。多晶硅太阳电池的制作工艺多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率稍低于单晶硅太阳电电转换效率稍低于单晶硅太阳电池，但是材料制造简便，节约电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。到大量发展。晶体硅太阳能电池u非晶硅与单晶硅、多晶硅非晶硅与单晶硅、多晶硅非晶硅的禁带宽度为非晶硅的禁带宽度为1.6eV，非常接近最优值，非常接近最优值1.5eV。其吸收系数比单晶硅高其吸收系数比单晶硅高12个数量级。个数量级。非晶硅的晶体结构不规则

40、，通过渗入氢，可以弥补大非晶硅的晶体结构不规则，通过渗入氢，可以弥补大部分的晶体缺陷，同时氢又相当于硅中的杂质。部分的晶体缺陷，同时氢又相当于硅中的杂质。由于制造工艺简单，非晶硅受到了科学家和制造商的由于制造工艺简单，非晶硅受到了科学家和制造商的关注。关注。晶体硅太阳能电池u硅太阳电池的生产流程硅太阳电池的生产流程生产过程大致可分为五个步骤：生产过程大致可分为五个步骤：a a、提纯过程、提纯过程 b b、拉、拉棒过程棒过程 c c、切片过程、切片过程 d d、制电池过程、制电池过程 e e、封装过程。、封装过程。 晶体硅晶体硅太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺2 2 冶金级硅提纯为半导体级硅

41、冶金级硅提纯为半导体级硅4 4 单晶硅片制成太阳能电池单晶硅片制成太阳能电池3 3 半导体级多晶硅转变为单晶硅片半导体级多晶硅转变为单晶硅片1 1 由砂还原为冶金级硅由砂还原为冶金级硅5 5 太阳能电池封装成太阳能电池组件太阳能电池封装成太阳能电池组件6 6 能量收支结算能量收支结算1 由砂还原为冶金级硅由砂还原为冶金级硅 提炼硅的原始材料是SiO2，是砂的主要成分。 在电弧炉中加入碳，利用氧化还原反应提取硅： 所得到的硅为冶金级硅（MG-Si），纯度为98%99%。2SiO +2CSi+2CO 将液态硅倒入铸模内进行凝固，用压碎机压成小块。生产冶金级多晶硅原料的电弧炉生产冶金级多晶硅原料的电

42、弧炉电能加热石墨电极产生电弧 焦炭、煤炭和木屑为还原剂电弧炉外观液态硅倒入铸模铝和铁为主要杂质冶金级硅中杂质的浓度冶金级硅中杂质的浓度 可在液化硅中加入氧化气体，与比硅活性强的元素（Al，Ca，Mg等）发生反应，形成炉渣，从而移除杂质。只有很少的一部分用于半导体行业，用于制作太阳能电池的更少。 生产的冶金级硅中，大部分被用于钢铁与铝工业上。2 冶金级硅提纯为半导体级硅冶金级硅提纯为半导体级硅 将冶金级硅转变为挥发性的化合物，采用分馏的方法将它冷凝、提纯，然后提取超纯硅。23HSiHCl3HClSi3HClSiHSiHCl23 1. 利用HCl将冶金级硅原料转换为液态的三氯硅烷SiHCl3。 2

43、. SiHCl3为无色易燃液体，沸点为31.9 ，通过多重的分馏法可将它与其他卤化物分离，提高纯度。 3. 采用西门子化学沉积法，将SiHCl3及H2通入1100反应炉内，进行200300小时：Si被还原，以细晶粒的多晶硅形式沉积到电加热的硅棒上。这一过程中，Fe、Al、B等杂质也形成了各自的卤化物。在600三氯硅烷的制造与纯化三氯硅烷的制造与纯化858523HSiHCl3HClSi600 时， 低温保存，避免日照，防止SiHCl3发生急速气化而爆炸。Siemens方法生产多晶硅方法生产多晶硅3HClSiHSiHCl231100反应炉：将晶种固定在电极上，加热电极H2还充当了SiHCl3的运输

44、气体被还原的Si将沉积在晶种上多晶硅原料多晶硅原料多晶棒块状多晶原料 硅多晶棒经过敲打成为块状，通过酸洗、干燥、包装等程序后，成为CZ硅单晶生长或铸造多晶硅使用的块状原料。半导体级硅原料制备流程图半导体级硅原料制备流程图88883 半导体级多晶硅转变为单晶硅片半导体级多晶硅转变为单晶硅片 单晶硅片通常都拥有比较好的材料性能，但因为需要精确和缓慢的制造过程，但成本较高，是最为昂贵的硅材料。单晶硅原子的价带结构。每个硅原子的最外层都有四个电子，与相邻原子共享电子对。单晶硅通常被制成大的圆筒形硅锭，然后切割成圆形或半方的太阳能电池。还需将边缘切掉，便于装入模块。单晶硅片的制备单晶硅片的制备生长单晶硅

45、的方法：CZ法（Czochralski） FZ法（Float Zone 浮融法）CZ 拉晶法： Czochralski于1917年发明。在石英坩埚中加入半导体级多晶硅，熔融。加入微量掺杂剂。控制温度，籽晶能够从熔融硅中拉出圆柱形单晶硅。电池理论转换效率24.7%。CZ拉晶设备92 石英坩埚（SiO2）是最为重要的热场组件。 石英坩埚内装有熔融态的硅熔液，两者会发生化学反应，产生SiO,将影响长出晶棒的质量。降低成本：设计热场，提高长晶的良率（生产不含任何位错的硅单晶棒的能力）重复加料，增加出产率CZ拉晶炉设备的外观拉晶炉内部石英坩埚2SiOSi+2O石英坩埚溶解反应：SiO易挥发，通入Ar2将

46、其带走CZ拉晶流程a.加料b.熔化c.稳定化 在石英坩埚中加入多晶硅原料和掺杂物。P型掺杂B，N型掺杂P。 长晶炉关闭并抽成真空，使其保持一定的压力值。打开石墨加热器电源，将原料加热至熔融。 将硅溶液的温度调节到适合拉晶的稳定状态。CZ拉晶流程f.晶冠和晶肩生长e.晶颈生长d.晶种浸入 一般使用方向的硅晶片，将该方向的晶种浸入硅熔液。 降低拉速与温度，使得晶体直径渐渐增大到所需大小。 将晶种快速向上提升，使长出的晶体直径缩小到一定的大小（36mm）。CZ拉晶流程g.晶身生长h.晶尾生长i.单晶棒 直径固定的部分为晶身。硅晶片取自晶身。将晶棒直径慢慢缩小，直到成一个尖点再与液面分开。 长完后的晶

47、棒被升至上炉室冷却一段时间后取出。修边与切片修边与切片 在整个太阳能电池级单晶硅片的制造中，成本构成为：多晶硅原料：40%；CZ拉晶：30%；晶圆加工成型：30%，切片最为重要。修边 圆形的单晶硅片浪费了许多面积 使用方形的硅晶片可以有效的吸收太阳能修边切片切片 在切割中，对钢线施加适当的张力，使钢线来回拉动。使用线切割机进行切片 钢 线 带 动 浆 料 （ 油 及SiC），使其对晶棒进行切割。浆料不仅是研磨剂，还带走研磨中的热量。占整个切片成本的25%35%。 太 阳 能 电 池 厚 度 为200280m。钢线直径1 8 0 m ， 碳 化 硅 为530m 。蚀刻清洗蚀刻清洗 在切割中，硅片

48、表面会有一层因机械应力所造成的结构损失层，影响了太阳能电池效率，所以需去掉。 通常用化学蚀刻的方法，加入HF和HNO3调配的混酸，去除10m 20m厚的表层。单晶硅太阳电池的制造与结构 制备多晶硅的技术相对要简单一些，成本也因此比单晶硅更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能不如单晶硅材料。多晶硅的制备多晶硅的制备1. 在石英坩埚中放入纯硅；2. 加热坩埚，直至硅熔融；3. 打开底部散热开关，硅从坩埚底部往上缓慢固化，从而得到多晶硅锭。 铸造多晶硅一般采用定向凝固定向凝固的方式。可以长出宽度约数毫米到数厘米的柱状排列晶粒。热交换法布里基曼法布里基曼法Si3N4防止多晶硅与坩埚粘结在

49、一起。凝固速度1cm/h，完成一次铸造需要23天。将坩埚缓慢移出加热器，硅从坩埚底部往上缓慢固化，从而得到多晶硅锭。晶界降低了电池的性能多晶硅的晶界多晶硅的晶界 1.晶界将额外的能级缺陷引入到了禁带中，导致了局部高复合，减少了少数载流子寿命。2.晶界还阻碍了载流子的流动，为穿过pn结的电流提供分流路径，这也降低太阳能电池的性能。方形切片切片106106多晶硅太阳电池的制造方法与结构4 单晶硅片制成太阳能电池单晶硅片制成太阳能电池（2 2）金属电极的制作）金属电极的制作（1 1） NN型杂质的掺入型杂质的掺入(1) N型杂质的掺入型杂质的掺入109109 在标准太阳能电池工艺中，通常将硼（B）加

50、入到熔料中，生产出p型硅片。 为制造pn结，需在P型硅片表面制备一层薄的、重掺杂的n型区。将硅片置入石英炉管将硅片置入石英炉管磷扩散制作工艺磷扩散制作工艺石英炉管石英炉管1.P型半导体为基板，三氯氧磷（POCl3）通过载气进入被加热的炉管；2.在高温扩散作用下（800900），硅片表面形成含磷的氧化层，磷原子进入硅晶格内，；3.硅片表面区域，磷杂质浓度超过硼杂质；322524POCl +3O2P O +6Cl2522P O +5Si4P+6SiO4.硅片表面区域，会产生一层SiO2，需用氢氟酸HF来去除。2262SiO6HFH SiF +2H O边缘绝缘处理边缘绝缘处理NPN 需把边缘的N型掺