太阳能电池原理及效率的影响因素课件.pptx

1、一、绪论一、绪论二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素三、提高短路电流三、提高短路电流主要内容四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素五、总结五、总结第1页/共61页一、绪论一、绪论二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素三、提高短路电流三、提高短路电流主要内容四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素五、总结五、总结第2页/共61页一、绪论一、绪论 太阳能电池就是一个pn结，由于pn结势垒区内存在较强的内建电场，结两边的光生少数载流子受该场的作用，定向移动产生正向电流。1.1太阳能电池基本原理太阳能电池基本原理第3页/共61页一、绪论一、绪论1.2太阳能电池的各表征参数太阳能

2、电池的各表征参数第4页/共61页一、绪论一、绪论1.2太阳能电池的各表征参数太阳能电池的各表征参数表征参数表征参数说明说明TemperatureTemperature测试温度E E测试光强PmppPmpp最佳工作点处工作功率UmppUmpp最佳工作点处工作电压ImppImpp最佳工作点处工作电流UocUoc开路电压IscIsc短路电流RsRs串联电阻RshRsh并联电阻第5页/共61页一、绪论一、绪论1.2太阳能电池的各表征参数太阳能电池的各表征参数表征参数表征参数说明说明FFFF填充因子NcellNcell转化效率IapIap操作点的电流Irev1Irev1反向电压为6伏时的反向电流Irev

3、2Irev2反向电压为12伏时的反向电流Pmpp_2Pmpp_2光强为500时最佳工作点的功率Uoc_2Uoc_2光强为500时最佳工作点的电压Isc_2Isc_2光强为500时最佳工作点的电流FF_2FF_2光强为500时的填充因子NCell_2NCell_2光强为500时的转化效率第6页/共61页一、绪论一、绪论1.3太阳能电池转换效率的影响因素太阳能电池转换效率的影响因素EffPm/MS FFIscVoc/MSPmIscVoc其中：其中：FF=Pm/IscVoc；M1000W/m2 100mW/cm2高的短路电流短路电流，开路电压开路电压，填充因子填充因子能有效的提高电池片转化效率。第7

4、页/共61页一、绪论一、绪论二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素测试温度、原材料、电流电压特性的影响三、提高短路电流三、提高短路电流主要内容四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素五、总结五、总结第8页/共61页随着温度的升高，开路电压会下降。2.1测试温度对开路电压的影响测试温度对开路电压的影响二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素为了保证测试数据的稳定性及可比性，我们的测试温度有一定要求，我们控制在20度到26度。第9页/共61页当硅片厚度在200um以上时，开路电压和硅片厚度是独立关系。当硅片厚度小于200um时，随着硅片厚度的降低，开路电压随之减少！二、开路电压的影响

5、因素二、开路电压的影响因素2.2原材料对开路电压的影响原材料对开路电压的影响 2.2.1硅片厚度的影响硅片厚度的影响第10页/共61页 理论上最大的开路电压是由PN结的内建势垒电压所决定。内建势垒电压与半导体的禁带宽度Eg。导带能级Eo，价带能级Ev及费米能级Ef之间的关系为：2.2原材料对开路电压的影响原材料对开路电压的影响 2.2.2禁带宽度的影响禁带宽度的影响二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素第11页/共61页 从上式可以看出如果费米能级越接近导带底和满带顶，则内建电压越高。但实际上开压VOC有一个峰值。当顶区浓度过高时，会引起重掺杂效应，重掺杂效应的结果，会引起禁带宽度收缩，

6、导致开路电压降低。二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素2.2原材料对开路电压的影响原材料对开路电压的影响 2.2.2禁带宽度的影响禁带宽度的影响第12页/共61页 禁带宽度是材料的固有属性。对于硅，禁带宽度为1.12ev，理论上所得到的最大开压为700mv，相应的最高FF为84%。二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素2.2原材料对开路电压的影响原材料对开路电压的影响 2.2.2禁带宽度的影响禁带宽度的影响第13页/共61页 根据p-n结整流方程，在正向偏压下，通过结的正向电流为：IF=Isexp(qV/kT)-1 其中：V是光生电压，Is是反向饱和电流。pn负载光电流IL结正向

7、电流IFI二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素2.3电流电压特性对开路电压的影响电流电压特性对开路电压的影响第14页/共61页Io为反向饱和电流。n：掺杂浓度。Il：短路电流。影响Voc的因素为短路电流，反向饱和电短路电流，反向饱和电流和温度流和温度。掺杂浓度掺杂浓度是由扩散工序决定。二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素2.3电流电压特性对开路电压的影响电流电压特性对开路电压的影响第15页/共61页随着测试温度的升高，开路电压会变小。二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素2.3电流电压特性对开路电压的影响电流电压特性对开路电压的影响 2.3.1温度的影响温度的影响第16页

8、/共61页适当的提高掺杂浓度能很好的提高开路电压；但是，当浓度过大，引起重掺杂时，会使禁带宽度收缩，开路电压反而减小。二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素2.3电流电压特性对开路电压的影响电流电压特性对开路电压的影响 2.3.2掺杂浓度的影响掺杂浓度的影响第17页/共61页 因此，为了获得较好的电性能参数，必须选择合适的顶区掺杂浓度，使这一浓度能有较好的开路电压，同时又不致引起电场衰退。这个掺杂浓度由于受禁带宽度，基体材料特性的影响，一般通过实验确定，选择最佳的掺杂浓度。二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素2.3电流电压特性对开路电压的影响电流电压特性对开路电压的影响 2.3.

9、2掺杂浓度的影响掺杂浓度的影响第18页/共61页电流影响分为短路电流及暗电流的影响。暗电流会降低开路电压，同时还会降低短路电流，暗电流的相关影响会详细介绍。二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素2.3电流电压特性对开路电压的影响电流电压特性对开路电压的影响 2.3.3电流的影响电流的影响第19页/共61页 结合以上我们知道开路电压主要受测试温度，硅片的厚度及材料的禁带宽度，电池工艺设计的掺杂浓度以及电流，包括短路电流，暗电流的影响。二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素2.4小结小结第20页/共61页一、绪论一、绪论二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素三、提高短路电流三、提

10、高短路电流提高吸光、多激发电子空穴对、降低暗电流主要内容四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素五、总结五、总结第21页/共61页 增大光强直接增大了注入的太阳光光子流的数量。直接的提高了可激发电子空穴对数目，很好的提高了短路电流。三、提高短路电流三、提高短路电流3.1提高吸光提高吸光 3.1.1增大光强增大光强第22页/共61页3.1提高吸光提高吸光 3.1.2增大吸光增大吸光三、提高短路电流三、提高短路电流前后清洗前后清洗前清洗的绒面绒面做到了光的二次吸收，一定程度上增大了太阳光的吸收。进行绒面改善能提高电池的转化效率；后清洗减少刻边宽度减少刻边宽度，增大电池表面的可利用面积，提高了电

11、池短路电流，进而改善了转化效率。第23页/共61页3.1提高吸光提高吸光 3.1.2增大吸光增大吸光三、提高短路电流三、提高短路电流PECVDPECVD的减反射膜减反射膜，增大了表面光的二次吸收，提高的太阳光的二次利用，增大了短路电流。第24页/共61页3.1提高吸光提高吸光 3.1.2增大吸光增大吸光三、提高短路电流三、提高短路电流丝网丝网丝网端的正面电极正面电极也遮住了一定的光的吸收，正面电极一般遮住了约约10%的太阳光；增大栅线的高宽比，选择合适的栅线数目能从一定程度上提高太阳能电池的转化效率。第25页/共61页3.1提高吸光提高吸光 3.1.2增大吸光增大吸光三、提高短路电流三、提高短

12、路电流丝网丝网电池片过薄，会有一部分光透过电池片，造成光的损失，现采用全背面印刷铝浆对这部分损失有很大削弱。由于背面的漂移场漂移场的存在，使一部分原本透过电池片的光子再次回到硅片机体内，增大了光子的再次吸收。第26页/共61页 太阳电池的特性极大的受到顶区和基区性能的影响。硅是一种非竖直跃迁的材料，他的吸收系数随着波长的变化较为缓慢。因此光谱中有很大一部分的光子将透过PN结，在基区内被吸收。由此可见，硅太阳电池的性能一定程度上取决于基区情况。3.2多激发电子空穴对多激发电子空穴对 3.2.1禁带宽度禁带宽度三、提高短路电流三、提高短路电流第27页/共61页 材料的禁带宽度越大，电池的开路电压越

13、高，但由于能量小于禁带宽度的光子不能激发电子空穴对，因此随着材料的禁带宽度的增大，太阳光中产生光电流的光子比例也相应得降低，从而减弱光电流。三、提高短路电流三、提高短路电流3.2多激发电子空穴对多激发电子空穴对 3.2.1禁带宽度禁带宽度第28页/共61页三、提高短路电流三、提高短路电流3.2多激发电子空穴对多激发电子空穴对 3.2.1禁带宽度禁带宽度第29页/共61页在扩散区中，由于不活泼磷原子处于晶格间隙位置，会引起晶格缺陷，而且，由于磷和硅的原子半径不匹配，高浓度的磷会造成晶格缺陷。因此，在硅电池表层中，少数载流子的寿命极低，表层吸收短波光子所产生的光生载流子对电池的光电流输出贡献甚微，

14、此表层称为死层。三、提高短路电流三、提高短路电流3.2多激发电子空穴对多激发电子空穴对 3.2.2死层死层第30页/共61页 死层的存在是不可避免的，但是可以利用一些方法来减少死层的影响。为了改善电池的短波光谱响应，可以将发射结结深做的很浅，以减少死层的影响。消除死层，提高了短波光谱在顶区的光电效应。三、提高短路电流三、提高短路电流3.2多激发电子空穴对多激发电子空穴对 3.2.2死层死层第31页/共61页制备浅结的器件能够相当可观的提高光电流。三、提高短路电流三、提高短路电流3.2多激发电子空穴对多激发电子空穴对 3.2.3浅结工艺浅结工艺第32页/共61页当结深减少时，由于降低了复合损失，

15、此外基区提供的光电流比顶区提供的大，因此顶区中高的表面复合速度和低的少子寿命对光电流的影响显得没那么重要了。增加基区的电阻率，减少电离杂质的散射，有利于增大扩散长度和少子寿命，从而改善了光电流。三、提高短路电流三、提高短路电流3.2多激发电子空穴对多激发电子空穴对 3.2.3浅结工艺浅结工艺第33页/共61页通过前面讨论知道降低暗电流可以有效的提高开路电压和短路电流。暗电流分为注入电流，隧道电流和复合电流三种。电池片的暗电流密度是注入电流密度，隧道电流密度和复合电流密度三者之和。一般通过减少复合电流的方法来减少暗电流。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流第34页/共61页

16、 在非平衡PN结中，有载流子越过势垒高度从N区注入P区或从P区注入N区而形成的电流，称为注入电流。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.1注入电流注入电流第35页/共61页 他相当于载流子不必越过势垒高度，可以直接穿过禁带进入另一区域形成的电流。这种电流称为隧道电流。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.2隧道电流隧道电流第36页/共61页实际上在势垒中，存在着电子和空穴的复合，产生复合电流。工艺端能通过适当工艺手法减少复合电流的大小。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.3复合电流复合电流第37页/共6

17、1页三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.3复合电流复合电流前后清洗前后清洗前清洗通过去除机械损伤层去除机械损伤层，减少减少硅片的表面态硅片的表面态，能适当的减少表面复合。切片油污，金属离子等是较强的复合中心，去除油污，金属离子等能适当的改善复合电流，表面的洁净度对扩散有很大的帮助。第38页/共61页三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.3复合电流复合电流PECVDPECVD的钝化能很好的减少硅片的表面态，减少硅片的晶格缺陷等，它的表表面钝化及体钝化面钝化及体钝化大大减少了复合中心，很好的减少了暗电流，提升了开路电压及短路电流。第39

18、页/共61页三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.3复合电流复合电流丝网丝网丝网端的背场背场，利用杂质在金属中的溶解度大于在硅中的溶解度。背场有很好的吸杂作用吸杂作用，进一步减少了复合中心的存在，同时，背场的存在能很好的进行再次钝化钝化，很好的去除悬挂键，减少了复合电流。所以，铝背场对电池的暗电流有很大影响，同时影响了开路电压及短路电流。第40页/共61页 较长的少子寿命和扩散长度能提高电子空穴对的分离时间，能减少电子空穴对的复合。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.4少子寿命专题少子寿命专题第41页/共61页 用扩散法制备的扩散层

19、，其少子寿命和扩散长度依赖于参杂剂的类型，表面浓度以及扩散之前的表面处理情况。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.4少子寿命专题少子寿命专题第42页/共61页 少子寿命和扩散长度与晶体生长方法，基区制备工艺，基区电阻率，复合中心杂质（如氧，铜等）的含量，退火温度和退火时间等有着密切联系。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.4少子寿命专题少子寿命专题第43页/共61页少子寿命一般少子寿命一般有以下因素影有以下因素影响响杂质能级和杂杂质能级和杂质浓度的影响质浓度的影响热处理的影响热处理的影响表面复合及晶表面复合及晶粒间界的影响粒间界的

20、影响三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.4少子寿命专题少子寿命专题第44页/共61页1.存在着大量的“有害”杂质-深陷阱能级杂质，如铜，铁和金等。2.存在着浓度高的浅杂质能级的杂质，虽然他们的俘获截面小，但浓度高，因此俘获也显著。3.通过能带间的俄歇复合作用，使少子寿命按掺杂浓度的平方成反比的衰减。4.重掺杂引起晶格畸变，能带收缩，增大复合。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.4少子寿命专题少子寿命专题杂质能级和杂质浓度的影响第45页/共61页三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.4少子寿命专题少子寿

21、命专题热处理的影响在在450度左右退火，能使硅材料少子寿命增长很多。度左右退火，能使硅材料少子寿命增长很多。第46页/共61页在太阳能电池的制备过程中，须经相当的高温退火的高温处理，所以可以预计成品器件的少子寿命低于材料的寿命。寿命随着退火温度，冷却速度，表面处理和晶体生长方法而异，与硅中粗存在的氧的状态也有密切关系。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.4少子寿命专题少子寿命专题热处理的影响第47页/共61页 半导体表面由于存在着各种表面状态，所以会造成光生载流子的复合损失。这些表面态可能是由“悬挂键”化学残留物，金属沉积和自然氧引起的。三、提高短路电流三、提高

22、短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.4少子寿命专题少子寿命专题表面复合及晶粒间界的影响第48页/共61页由于光照表面的复合速度大，因此顶区少子寿命短，为了减少载流子的复合，一般采用浅结工艺。可以通过对硅晶体的腐蚀，降低表面复合速度。PECVD的钝化等都能有效的降低表面态。由于硅材料的电子激发多在基区内，因此，对于硅材料背面复合十分重要，所以，背场的吸杂等背场处理对电池性能影响较大。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.4少子寿命专题少子寿命专题表面复合及晶粒间界的影响第49页/共61页 对于多晶器件来说，晶粒界间的复合速度十分重要，若晶粒大小比掺杂浓度相同

23、的单晶的扩散长度小的多，那么多晶电池的有效寿命和扩散长度将大大的低于单晶中的值。三、提高短路电流三、提高短路电流3.3降低暗电流降低暗电流 3.3.4少子寿命专题少子寿命专题表面复合及晶粒间界的影响第50页/共61页结合以上，我们知道短路电流主要受测试光强，测试温度，电池的吸光面积，材料的禁带宽度，顶区掺杂浓度，死层，暗电流等的影响。暗电流又涉及隧道电流，注入电流及复合电流的影响。三、提高短路电流三、提高短路电流3.4小结小结第51页/共61页一、绪论一、绪论二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素三、提高短路电流三、提高短路电流主要内容四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素串联电阻

24、、并联电阻的影响五、总结五、总结第52页/共61页影响FF的主要因素是Rs和Rsh，Rs越小越小FF越大，越大，Rsh越大，越大，FF越大越大。串联电阻对FF的影响并联电阻对FF的影响四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素第53页/共61页 串联电阻是指材料的体电阻，薄层电阻，电极接触电阻以及电极本身传导电流所构成的总串联电阻。四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素4.1串联电阻的影响串联电阻的影响 4.1.1串联电阻概念串联电阻概念第54页/共61页P型基体电阻：主要与基体的掺杂浓度和基体厚度有关。N型重掺层电阻：主要与扩散浓度有关，在太阳电池掺杂浓度范围内，扩散浓度越大，n型层

25、电阻越小。电极的金属电阻：这与Ag浆、Al浆和AgAl浆的本来特性，以及烧结的质量有关。四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素4.1串联电阻的影响串联电阻的影响 4.1.1串联电阻的组成部分串联电阻的组成部分第55页/共61页电极和硅片的接触电阻：接触电阻受n型层和p型层掺杂浓度影响较大，掺杂浓度越高，接触电阻越小。N型层的掺杂浓度受扩散影响，p型层的掺杂浓度除与基体掺杂浓度有关外，还与银铝浆的特性有关。另外，接触电阻受烧结的影响较大，烧结不好，前电极没能烧穿SiNx层，或者AgSi合金形成的不好都会影响接触电阻的大小。四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素4.1串联电阻的影响串联

26、电阻的影响 4.1.1串联电阻的组成部分串联电阻的组成部分第56页/共61页并联电阻的影响电池边缘漏电：这主要是刻蚀不够，或者是过刻导致。pn结漏电：扩散前，硅片如果表面有沾污，沾污的地方可能没扩散到，这种情况就能导致漏电。烧结温度过高，导致pn结烧穿也会导致漏电。复合影响：包括表面复合和体复合。四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素4.2并联电阻的影响并联电阻的影响 4.2.1影响影响Rsh的因素的因素第57页/共61页一、绪论一、绪论二、开路电压的影响因素二、开路电压的影响因素三、提高短路电流三、提高短路电流主要内容四、填充因子的影响因素四、填充因子的影响因素五、总结五、总结第58页/共61页大的短路电流，开路电压和填充因数可以获得高的转化效率，前面已经讨论了个参数的影响因素。死层，大的表面复合速度，低寿命，大的串联电阻和小的旁路电阻会降低效率。防止死层，减少结深，加入漂移场，改善寿命，降低接触电阻损失是改善太阳能电池效率的重要途径。五、总结五、总结第59页/共61页THE ENDTHANKS第60页/共61页Confidential感谢您的欣赏！感谢您的欣赏！第61页/共61页