薄膜半導體太陽能電池光電特性畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 同的，但光電轉換的原則是一致的。，在PN結的內建電場作用下，N區的空穴向P區運動，而P區的電子向N區運動。圖2。5晶體硅太陽能電池工作原理最后造成在太陽能電池受光面（上表面）有大量負電荷（電子）積累，而電池背光面（下表面）有大量正電荷（空穴）積累。如在電池上、下表面做上金屬電極，并且導線接上負載，載負載上就有電流通過。只要太陽光照射持續不斷，負載上就一直有電流通過。由于半導體不是電的良導體，電子在通過p－n結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋p－n結 （：梳狀電極），以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它涂上了一層反射系數非常小的保護膜，將反射損失減小到5％甚至更小。 一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個）并聯或串聯起來使用，形成太陽能光電板。 硅太陽能光伏電池介紹目前，硅太陽能電池占太陽能電池的絕大部分(94％)[3]，根據硅片厚度的不同，可分為晶體硅太陽能電池和薄膜硅太陽能電池兩大類. 晶體硅太陽能電池 晶體硅太陽能電池有單晶硅(cSi)和多晶硅(pSi)太陽能電池兩類，最早出現的是利用切片技術()制備的cSi太陽能電池，而后帶狀硅技術的出現，避免了切片的操作，隨著絲網印刷和機械刻槽技術的出現,cSi太陽能電池的性能得到了進一步提高。而后用pSi代替cSi并應用cSi太陽能電池的一些技術，如選擇腐蝕發射結、金屬吸雜、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極等等，制備了pSi太陽能電池。與cSi太陽能電池相比,pSi太陽能電池成本低,但存在明顯的晶粒界面和晶格錯位等缺陷而導致光電轉化效率相對較低。目前cSi和pSi太陽能電池的應用已經進入大規模發展階段，然而，cSi和pSi太陽能電池的成本因需高純Si原材料而居高不下，其發展受到了一定的限制。％( 理論最高光電轉化效率為25％)[4]，Geogia采用磷吸雜和雙層減反射膜技術，％的pSi太陽能電池[5]；新南威爾士大學光伏中心采用類似PERL電池技術，％的pSi太陽能電池[6]；中國能源網報道，德國弗勞恩霍夫協會科研人員于2004年采用新技術，在世界上率先使pSi太陽能電池的光電轉換效率突破20％大關，％。 薄膜硅太陽能電池 薄膜硅太陽能電池(硅膜厚約50μm)的出現，相對晶體硅太陽能電池，所用的硅材料大幅度減少，很大程度上降低了晶體硅太陽能電池的成本。薄膜硅太陽能電池主要有非晶硅(aSi)、微晶硅(μcSi)和多晶硅pSi)薄膜太陽能電池，前兩者有光致衰退效應，其中μcSi薄膜太陽能電池光致衰退效應相對較弱但μcSi薄膜沉積速率低()，光致衰退效應致使其性能不穩定，發展受到一定的限制，而后者則無光致衰退效應問題，因此是硅系太陽能電池的發展方[7]。日本三菱公司在石英(SiO2)％，德國Fraunhofer研究所在石墨和碳化硅(SiC)襯底上制備的pSi薄膜太陽能電池的光電轉化效率分別為11％％，％；％[8]；％。 單晶硅、非晶硅、多晶硅的區別 區別晶體非晶體 日常所見到的固體分為非晶體和晶體兩大類，非晶體物質的內部原子排列沒有一定的規律，當斷裂時斷口也是隨機的，如塑料和玻璃等，而稱之為晶體的物質。而外形呈現天然的有規則的多面體，具有明顯的棱角與平面，其內部的原子是按照一定的規律整齊的排列起來，叫非晶體。所以破裂時也按照一定的平面斷開，如食鹽、水晶等。 區別單晶體和多晶體 有的晶體是由許許多多的小晶粒組成，若晶粒之間的排列沒有規則，這種晶體稱之為多晶體，如金屬銅和鐵。但也有晶體本身就是一個完整的大晶粒，這種晶體稱之為單晶體，如水晶和晶剛石。 單晶硅與多晶硅光伏電池的比較 單晶硅電池具有電池轉換效率高，穩定性好，但是成本較高。多晶硅電池成本低，轉換效率略低于直拉單晶硅太陽能電池，材料中的各種缺陷，如晶界、位錯、微缺陷，和材料中的雜質碳和氧，以及工藝過程中玷污的過渡族金屬。[9] 太陽能電池的基本特征（1） 等效電路為了描述太陽能電池的工作狀態，往往將太陽能電池及負載系統用一等效電路來模擬。在恒定光照下，一個處于工作狀態的太陽能電池，其光電流不隨工作狀態而改變，在等效電路中可把他看坐是恒流源。光電流一部分流經負載RL，在負載兩端建立起端電壓V，反過來它又正向偏置于PN結二極管，引起一股與光電電流方向相反的暗電流Ibk，但是，由于前面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區和頂層都不可避免的要引入附加電阻。流經負載的電流，經過他們時，必然引起損耗，在等效電路中，可將他們的總效果用一個串聯電阻RS來表示。由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時，在電池的微裂紋，劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應通過負載的電流短路，這中作用的大小可用一并聯電阻RSH來等效。IL為光生電流，ID為二極管電流，RS為串聯電阻，RSH為并聯電阻，I為輸出電流，V為輸出電壓。RL為負載電阻其中暗電流等于總面積與Jbk乘積，而光電流IL為電池的有效受光面積。AE與JL的乘積，這時的結電壓Vj不等于負載的端電壓，由圖可見結點電壓的表達式為： Vj=IRS+V （）（2） 輸出特性 根據上圖就可以寫出太陽能電池輸出電流I和輸出電壓V之間的關系 （）其中暗電流Ibk應為結電壓Vj的函數。當負載RL從0變化到無窮大時，輸出電壓V則從0變化到Voc，同時輸出電流I便從ISC變到0，由此得到電池的輸出特性曲線。曲線上任何一點都可以作為工作點，工作點對應的縱橫坐標，即為工作電流和工作電壓，其乘積P=IV為電池的輸出功率。1. 短路電流太陽能電池的短路電流等于其光生電流。分析短路電流的最方便的方法是將太陽光譜劃分成許多段，每一段只有很窄的波長范圍，并找出每一段光譜所對應的電流，電池的總短路電流是全部光譜段貢獻的總和： （）式中：λO為本證吸收波長限；R（λ）為表面反射率；F（λ）為太陽光譜中波長為λ～λ+dλ間隔內的光子數。F（λ）的值很大的程度上依賴于太陽天頂角。，當RS→0，Rsh→∞時，可得：（）當外電路短路時（R=0、V=0），此時I最大，表達式為: I=IL=ISC （）ISC稱為短路電流。由于光照產生的非平衡載流子各向相反方向擴散和漂移，從而內部構成自n區流向P區的光生電流，在P—n結短路情況下構成短路電流，ISC如果將PN結與外電路接通，對于恒定光照，就會有恒定電流流過電路，在非靜電力的作用下PN結起了電源的作用。在外電路接上負載后，負載中便有電流過，該電流稱為太陽電池的工作電流，或稱輸出電流。負載兩端的電壓稱工作電壓。2. 開路電壓 對理想PN結且不考慮太陽電池有限尺寸的影響，在開路情況下，光照PN結兩端建立光生電勢qVoc，稱Voc為開路電壓，表達式如下： （）在可以忽略串聯、并聯電阻的影響時，ISC為與入射光強度成正比的值，在很弱的陽光下ISC《IO。因此 （）其中，在很強的陽光下，ISCIO, （）由此可見，在較弱陽光時，硅太陽電池的開路電壓隨光的強度作近似直線的變化。而當有較強的陽光時，Voc則與入射光的強度的對數成正比。Si與GaAs比較，因GaAs的禁帶寬度寬，故IO值比Si的小幾個數量級，GaAs的Voc值比Si的高0．45伏左右。假如結形成的很好，禁帶寬度越寬的半導體Voc越大 開路電壓與短路電流的關系 太陽電池的工作電流和電壓隨著負載電阻的變化而變化，將不同阻值所對應的工作電壓和電流值繪制成曲線就得到太陽電池的伏安特性曲線。 由于太陽電池組件的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽能光譜的分布和太陽電池的溫度，因此太陽電池組件的測量必須在標準條件下(STC—Standard Test Condition)進行，測條件是： 光譜輻照度為1000W／m2，光譜為AM 1．5，電池溫度為25176。C。 在這種條件下，太陽電池組件所輸出的最大功率被稱為峰值功率，單位為峰瓦(Wp)。在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽模擬器測定，并和國際認證機構的標準化的。太陽電池進行比較。4. 填充因子如果負載的電阻值使得工作電流和電壓的乘積最大，即得到了最大的輸出功率，用符號Pm表示，即有： Pm=VmIm （）Vm和Im分別是太陽電池工作時的最大工作電壓和電流。填充因子是最大輸出功率與電池的短路電流和開路電壓乘積的比值。用FF表示： （）填充因子是衡量電池輸出特性的重要指標，代表電池在最佳負載時所能輸出的最大功率，其值越大表明太陽能電池輸出特性越好FF的值可由下式給出 （）式中：Voc是歸一化開路電壓；Voc=q Voc/nkT，n為二極管品質因子。當Voc15時，該公式的精確度可達4位有效數字。實際上，由于受串聯電阻和并聯電阻的影響，電池的實際填充因子的值低于上述給出的理想值。 5. 轉換效率 轉換效率表示在外電路連接最佳負載電阻