毕业设计薄膜半导体太阳能电池光电特性研究.doc

本 科 毕 业 设 计题目薄膜半导体太阳能电池光电特性研究学生姓名： 葛涛 专 业： 集成电路设计与制造 指导教师： 王强 完成日期： 2010-4-102010-5-24 摘 要近几年来，由于能源减少和环境污染的双重压力，使得光伏产业迅猛发展。太阳电池是利用太阳光与材料相互作用直接产生电，只要有阳光就可以产生电。不消耗煤、 石油等一次能源，对环境无污染，是新能源发展的重要组成部分。本文从概述开始叙述了太阳能光伏电池的发展历史现状及未来发展趋势。分析了太阳能光伏电池的分类，介绍每种光伏电池的特点，详细解释太阳能发电的技术原理，分析其参数特性。在了解太阳能发电原理的基础上，通过SILVAC-TCAD软件对设计的非晶硅薄膜太阳能电池单元结构进行建模仿真，分析其参数特性。关键词：太阳能电池，非晶硅，TCAD，仿真ABSTRACTIn recent years, due to the dual energy reduction and environmental pressures, making the rapid development of photovoltaic industry. Solar cell is to use sunlight to produce electricity directly interact with the material, as long as the sunshine can produce electricity. Do not consume coal, oil and other primary energy, environmental pollution, the new energy development an important part. This paper describes an overview of the beginning history of the development of solar photovoltaic cells present situation and future trends. Analysis of the classification of solar photovoltaic cells, introducing the characteristics of each type of photovoltaic cells, solar power generation technology detailed explanation of the principle characteristics of its parameters. In understanding the basis of the principle of solar power through SILVAC-TCAD software to design the structure of amorphous silicon thin film solar cell modules for modeling and simulation, analysis of characteristics of its parameters. Key words：solar cells， amorphous silicon， TCAD， simulation目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 概述11.2 太阳能光伏产业发展迅速21.3 太阳能光伏产业发展空间巨大31.4 太阳能发电发展史31.5 国际太阳能光伏产业现状51.6 我国光伏发电的技术现状和发展趋势61.7 太阳能电池分类71.71 按照结构的不同可分类如下各类71.72 按材料的不同可分为如下各类7第二章 硅材料太阳能光伏电池错误！未定义书签。2.1 硅材料半导体光伏效应92.2 硅太阳能光伏电池介绍122.2.1 晶体硅太阳能电池122.2.2 薄膜硅太阳能电池122.3 单晶硅、非晶硅、多晶硅的区别132.4 太阳能电池的基本特征132.5 目前非晶硅电池存在的主要问题以及解决办法192.5.1 转换效率低的原因及解决办法192.5.2 光致衰减效应及解决办法202.6 结束语21第三章 利用软件TCAD TCAD对太阳能光伏特性仿真223.1 TCAD TCAD概述223.2设计非晶硅太阳能电池单元原理图223.3 silvaco-TCAD工具软件建 .24致 谢31第一章 绪论 1.1 概述太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为 3.75×1026W）的 22 亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于 500 万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。太阳能利用主要涉及两个技术领域，通过转换装置把太阳辐射能转换成热能属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换，因此又称太阳能光伏技术。过去 10 年里，全球太阳能电池产业 19902006 十几年里增长了 50 多倍，太阳能光伏发电是能源技术领域发展最快的一个行业，近几年的增长速度都在 40%以上，而发达国家太阳能产业增长速度更是飞快。2006 年全球总产量达到 2500MW, 同比增长42.1%，累计装机发电容量已超过 7GW。全球总产量中，日本产量最大，为 928MW，占全世界的 37.1；欧洲总产量 657MW，约占 26.2%；美国总产量 202MW，约为8%；其他国家总产量 714MW，其中我国产量已达到 369MW，已经超过美国成为世界第三大太阳能电池生产国。在美、日、德三国大规模的太阳能屋顶计划的推动下，以太阳能光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场已经超过离网应用，成为世界光伏工业的最主要发动机。国外太阳能光伏产业市场拉动了我国光伏产业的发展，但国内的光伏市场太阳能应用只刚进入起步阶段。我国目前的太阳能光伏产业主要在两方面发挥作用：一是国家示范项目、民心工程和国际合作项目，如“西藏无电县建设”、“送电到乡”、“光明工程”等项目的建设；另外，就是无电地区通信、卫星信号的传输和接收，以及输油、输气管道的阴极保护等系统所用的电源；还有极少部分用作带有“科技示范效应”的路灯、广告牌、草坪灯等电源。除此以外，其他方面的应用还比较少。 1.2 太阳能光伏产业发展迅速能源日益紧缺和环保的压力促使各国都掀起了开发、利用太阳能和可再生能源的热潮，开发和利用太阳能已成为了各国可持续发展战略的重要组成部分，近三十年来，太阳能利用技术在研发、产业化、市场开拓方面都取得了长足的进展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。光伏产业是 20 世纪 80 年代后世界上增长最快的高新技术产业之一。自 1990 年开始，随着各国对可再生能源的重视和太阳电池转换效率不断提高而使成本不断降低，太阳电池产量快速增长。2000 年以后全球光伏市场的发展超过了工业历史上有过的任何一次飞跃，2006 年光伏工业增长 42%，达 2.5GWp。光伏发电的前景已经被越来越多的国家和金融界所认识，许多发达国家和地区纷纷制定发展计划。1973 年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980 年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达 8 亿多美元。1992 年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。美国规划“百万太阳能屋顶计划”，到 2010 年将为 100 万个家庭安装太阳能屋顶，每个光伏屋顶将有 3kW5kW 光伏并网发电系统。有太阳时，太阳能屋顶供电；无太阳时，电网向家庭供电。仅此计划，美国到 2010 年将用太阳能供电至少可达 3000MW 以上。美国能源部曾宣布：计划到 2010 年累计安装的太阳能发电装置所能达到的容量将超过4600MW，这势必会大大刺激美国太阳能电池行业的发展。日本在 70 年代制定了“阳光计划”，1993 年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。日本政府对“新阳光计划”的支持力度很大。日本政府提出在2010年实现全国太阳能发电装机总容量5000MW的新能源工程，截至2004年累计安装量已达到1900MW，而且近两年来发展速度惊人，增长率达到70%以上。欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲的光伏产业发展的里程碑。它的总目标是到 2010 年，欧盟内的光伏发电装机容量要达到 3700MW，并同时出口 3000MW。欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙也开始制定本国的可再生能源法案，通过给予大量补贴和政策优惠，加速驱动光伏工业的发展。我国在2005年3月，正式颁布了中华人民共和国可再生能源法，并于2006年1 月 1 日正式实施。我国在新的可再生能源中长期规划提出，到 2010 年，我国太阳能光伏发电总容量将达到 40 万千瓦，2020 年达到 220 万千瓦。新政策的出台，将促进我国太阳能光伏发电产业的发展，将使太阳能光伏发电量上升到一个新的水平。1.3 太阳能光伏产业发展空间巨大太阳能利用中最重要的是光伏产业。20 世纪 80 年代以来，光伏产业是世界上增长最快的高新技术产业之一。这些年来人们对太阳能光电池所做的努力，已经使多晶硅光电池转化率达到15%，单净硅光电转化率到20%，砷化镓光电池是25%，在实验室中特制的砷化镓光电池甚而已高达 3536%。专家认为，太阳能光伏发电是目前已知发电方式中最清洁、最安全、潜力最大的新兴发电方式之一。在现有太阳能光电池的发电模式中，多数采用方位固定的大面积的平板式光电转化模式。如果能有高转化率的聚光光电池供应，亦即这一光电池不仅在通常太阳光的辐照下能维持 25%35%的光转化率，而且能在聚光条件下，如将太阳光聚光 300700 倍，将能期望用较少量的聚光电池，获得较大的光伏能源。现在国际市场上已出现有这种聚光电池，其光电转化率高达30%。太阳能光发电比太阳能热发电有更为迅速的价格下降空间，而且还可能下降到比煤发电成本更为低廉。煤是全程污染的能源，所以，如果太阳能光发电的成本能够下降到10 美分千瓦时，就将有巨大的经济效益。很多人认为到了 2020 年，光伏电池成本将由现在的 25 美分千瓦时下降到 10 美分千瓦时，也有认为到 2010 年即能下降到 10美分千瓦时。可以预见，随着技术进步和生产能力不断扩大，光电转换效率会逐步提高，太阳能电池光伏发电成本会逐步降低，并且价格也会随之下降。沙漠地区将能集中地提供丰富的太阳能。我国现有沙漠约 52 万平方公里，大部分集中在内蒙古地区和新疆地区。如果太阳能转化为电的效率是 15，每平方米的面积将能提供约 0.036 千瓦的电能，其日平均将能提供约 0.41 千瓦小时的电能。所以，仅内蒙古自治区的沙漠地区的太阳能就能为中国在 2050 年以及今后的发展提供所需要的足够的电力。太阳能的利用并不限于光能转化为电能的光电效应。太阳能还能广泛地用做日常生活的供暖和供冷，而太阳能定日镜的广泛利用，还能提供各类工业和家庭生活中所需要的处于高温状态下的热能。人类的未来将是一个太阳能时代的未来。1.4 太阳能发电发展史 太阳能发电发展史如下表1.4.1所示，太阳能发电的历史可以追溯到1800年，伯克莱氏发现对某种半导体材料光照后，会引起其伏安特性改变。最终，发现了光伏效应，并以此半导体制成的太阳能电池。其后，对硒，氧化铜等半导体的研究，同样发现此种光伏效应，也制成类似的太阳能电池。年份成就18001876190419401954195519561958197219741976198419851991199219942003发现光伏效应硒的光伏效应研究Cu，Cu2O对光的敏感性研究PN结理论的研究单晶硅太阳能电池的发明（美国贝尔实验室）CdS太阳能电池发明GaAs太阳能电池发明在先驱者1号通信卫星上应用太阳能电池美国制定新能源开发计划日本制定太阳能发电发展的“阳光计划”非晶硅太阳能电池的发明美国7MW太阳能发电站建成日本1MW太阳能发电站建成制定再生新能源发电与公共电力网并网法规（法国）制定逆潮流供电与公共网并网法规（日本）住宅用太阳光发电系统技术规程（日本）RPS法（新能源法案）（日本）表1.4.11954年，美国贝尔实验室的皮尔松，弗朗等三名科学家利用硅晶体材料开发出性能良好的太阳能电池，其变换效率达6%，经过不断的改良后成为现在硅太阳能电池的原型。在应用发面，硅太阳能电池最早用于人造卫星（美国先驱者1号）的电源，继后用于孤岛的灯塔，远离城市的山顶无线电中续站等特殊场合。1976年，美国CA公司的卡尔松发明了非晶硅太阳能电池，该电池的变换效率虽低于单晶硅，但制造时可以任意选配电压电流比，故大量用于计算机，手表和各种家用电子产品作为电源。下面简述各国“新能源政策”对太阳能发电的促进作用。由于太阳能电池较其它能源价格高，目前，它在与常规能源（火力，水力发电）的竞争中尚处于劣势地位，需要政府在政策与法律发面给予资助才能促进其发展与普及。例如，德国在1991年发布了鼓励“再生能源发展法”，从法律上规定，电力公司有义务以一定合理价格，收购太阳能发电的多余电力。日本从1992年开始规定电力公司收购太阳能发电和水力发电等分散型电源的多余电力的具体方法（例如，安装逆潮流电度表及如何计价）。2003年，日本又颁布了RPS法，其内容包含设立清洁能源电力发展基金和市民安装小型太阳能发电的资金补助（一般补助资金科大全部设备购置费的50%）。以上举措均对太阳能发电等新能源的发展起了重要的促进作用。日本从1994年开始制定住宅用太阳能发电系统的规划，预计到2010年实施的总发电量目标为5×109W。11.5 国际太阳能光伏产业现状太阳能电池追求的总体目标仍然是提高转换效率和降低成本。单晶硅太阳能电池使用年限较长，转换效率较高，一般在 1516之间，但相对较贵；而多晶硅太阳能电池制造流程较为简单，相对也比较便宜，但转换效率较低，约 1415，两者为目前全球太阳能光电应用比例最高者，合计市场占有率已经达到90。2006年全球太阳能电池总产量2500MW，比2005年产量1758兆瓦增长41.1%，其中日本的产量达到928兆瓦,比2005年 833兆瓦增长11.4%，是全世界第一大生产国，占全世界 37.1%；欧洲太阳能电池的生产量为 657 兆瓦, 比 2005 年 470 兆瓦增长39.8%；美国太阳能电池的生产量为 202.0 兆瓦, 比 2005 年 154 兆瓦增长 31.1%；其他国家地区太阳能电池的生产量为 714 兆瓦, 比 2005 年 302 兆瓦增长 136.4%，大幅增长，中国、台湾增长很快，其中中国太阳能 2006 年电池产量达到 369.5MW，已经超过美国成为世界第三大太阳能电池生产国。下图给出了 19952006 年世界太阳电池生产量的增长情况：1995年之2006年世界太阳能电池产量1.6 我国光伏发电的技术现状和发展趋势 我国从 1958 年开始研制太阳能电池，1959 年第一块有实用价值的太阳能电池诞生，1971 年 3 月首次应用太阳能电池为科学实验卫星的电源，开始了太阳能电池的空间应用，1973 年首次在灯浮标上进行应用太阳能供电的实验，开始了太阳能电池的地面应用。在“九五”以前，我国太阳能电池产量还很小，只占世界太阳能电池的很少一部分。近几年来，随着全球光伏产业的蓬勃发展，我国太阳能光伏产业也迅速成长，尤其在无锡尚德太阳能电力有限公司扩产进入世界前八位之后，太阳能电池产业无论从产量和技术研发上都有了长足的进展，新增了数条规模在 25MW 以上的太阳能电池片生产线，形成了一定的规模的生产能力，我国光伏产业规模和技术水平都已有很大提高。到2005 年底，我国已有 10 多家具有规模的太阳能电池专业生产厂，晶体硅太阳能电池的年生产能力已超过 300 兆瓦，非晶硅太阳能电池年生产能力达 10 兆瓦以上，太阳能电池组件的生产能力已在400MW 以上。2005 年我国太阳能电池片的总产量达112MW 左右，比 2004 年 54MW，增长 107%。2006 年我国太阳能电池产业更是获得爆发是增长，全年电池片产量达到369.5MW，同比增长230。而太阳能电池总产能初步估计已经达到1600MW。1.7 太阳能电池分类太阳能电池多为半导体材料制造，发展至今，已经种类繁多，形式各样。可用各种方法对太阳能电池进行分类，如按照结构的不同进行分类，按照材料的不同分类，按照用途的不同分类，按照工作方式的不同分类，下面对按照结构和材料进行的分类加以介绍。1.71 按照结构的不同可分类如下各类1， 同质结太阳能电池由同一种半导体材料所形成的P-N结或梯度结称为同质结。用同质结构成的太阳能电池称为同质结太阳能电池，如硅太阳能电池，砷化镓太阳能电池等2， 异质结太阳能电池由两种禁带宽度不同的半导体材料形成的结称为异质结。用异质结构成的太阳能电池称为异质结太阳能电池，如氧化锡/硅太阳能电池，硫化亚铜/硫化镉太阳能电池、砷化镓/硅太阳能电池等。如果两种异质结晶格结构相似，界面的晶格匹配较好，则称为异质面太阳能电池，如砷化铝钾砷化镓异质面太阳能电池。3， 肖特基太阳能电池利用金属-半导体界面的肖特基势垒而构成的太阳能电池，也称为MS太阳能电池，如铂硅肖特基太阳能电池，铝硅肖特基太阳能电池等。其原理是基于金属-半导体接触时，在一定的条件下可产生整流接触的肖特基效应。目前已发展称为了金属-氧化物-半导体（MOS）结构制成的太阳能电池和金属-绝缘体-半导体（MIS）结构制成的太阳能电池，这些总称为导体-绝缘体-半导体（CIS）太阳能电池。4， 多结太阳能电池由多个P-N结形成的太阳能电池，又称为复合结太阳能电池，有垂直多结太阳能电池，水平多结太阳能电池等。5， 液结太阳能电池用浸入电解质中的半导体构成的太阳能电池，也称为光化学电池。 1.72 按材料的不同可分为如下各类1， 硅太阳能电池系指以硅为集体材料的太阳能电池，有单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能。池。多晶硅太阳能电池又有片状多晶硅太阳能电池，铸锭多晶硅太阳能电池，筒状多晶硅太阳能电池，球状多晶硅太阳能电池等。2， 化合物半导体太阳能电池系指有两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池，如硫化镉太阳能电池，砷化镓太阳能电池。碲化镉太阳能电池、硒铟铜太阳能电池，磷化铟太阳能电池等。化合物半导体主要包括：晶态无机化合物（如-族化合物半导体砷化镓，磷化钾、磷化铟、锑化铟等，-族化合物半导体硫化镉，硫化锌等）及其固溶体（如砷铝钾，镓砷磷等）;非晶态无机化合物，如玻璃半导体；有机化合物，如有机半导体；氧化物半导体，如MnO、Cr2O3、FeO、Fe2O3、Cu2O等。3， 有机半导体太阳能电池系指用含有一定数量的C-C键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的太阳能电池。有机半导体可分为三类：分子晶体，如萘、蒽、苾（嵌二萘）、酚菁铜等；电荷转移络合物，如芳烃-卤素络合物、芳烃-金属卤化物等；高聚物。4， 薄膜太阳能电池系指用单质元素，无机化合物或有机材料等制作的薄膜为基体材料的太阳能电池。通常把薄膜无机片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的大致标准，通常规定其厚度为12m.这些薄膜通常用辉光放电，化学气相沉积、溅射、真空蒸度等方法制的。目前主要由非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池，微晶硅薄膜太阳能电池等。非晶硅薄膜太阳能电池是指用非晶硅材料及其合金制造的太阳能电池，也称为无定形硅薄膜太阳能电池，简称a-Si太阳能电池。目前主要有PIN(NIP)非晶硅薄膜太阳能电池，集成型非晶硅薄膜太阳能电池、叠层（级联）非晶硅太阳能电池等。按照太阳能电池的结构来分类，其物理意义比较明确，因而我国国家标准将其作为太阳能电池型号命名方法的依据。此外，按照应用还可以将太阳能电池分为空间用太阳能电池和地面用太阳能电池两大类。地面用太阳能电池又可分为电源用太阳能电池和消费品用太阳能电池两种。对太阳能电池的技术经济要求因应用而异：空间用太阳能电池的主要要求是耐辐射性好、可靠性高、光电转换效率高、效率面积比和功率质量比优等；地面电源用太阳能电池的主要要求是光电转换效率高、坚固可靠、寿命长、成本低等；地面消费品用太阳能电池的主要要求是薄小轻、美观耐用等。2第二章 硅材料太阳能光伏电池2.1 硅材料半导体光伏效应太阳能光伏电池组要功能是将光能转换为电能，这个现象称之为光伏效应。光伏效应在19世纪即被发现，早期用来制造硒光电池，直到晶体管发明后半导体特性及其相关技术才逐渐成熟，使太阳能光伏电池的制造变为可能。太阳能光伏电池之所以能将光能转换成电能的主要因素有两个：一是光导效应，二是内部电场，因此在选取太阳能光伏电池的材料时，必须要考虑到材料的光导效应一级如何产生内部电场。目前我们所了解的光导效果最好的的物质是Si或GaAs等半导体材料，硅由于含量丰富且相关技术都很成熟，因此实用的太阳能光伏电池都是以硅为主要材料。硅的主要结构如图2.1图 2。1图2.1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质(如硼、磷等)，掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照图2.2：图 2.2图2.2中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如图2.3所示：图2.3 N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。如图2.4。图 2.4 当P型和N型半导体结合在一起时,在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。在光照条件下，只要具有足够能量的光子进入P-N区附近才能产生电子-空穴对。对于晶体硅太阳能电池来说，太阳光谱中波长小于1.1m的光线都可能产生光伏效应。对于不同材料的太阳能电池来说，尽管光谱相应的范围是不同的，但光电转换的原则是一致的。如图2.5所示，在P-N结的内建电场作用下，N区的空穴向P区运动，而P区的电子向N区运动。图2。5晶体硅太阳能电池工作原理最后造成在太阳能电池受光面（上表面）有大量负电荷（电子）积累，而电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。如在电池上、下表面做上金属电极，并且导线接上负载，载负载上就有电流通过。只要太阳光照射持续不断，负载上就一直有电流通过。由于半导体不是电的良导体，电子在通过pn结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖pn结 （如图2.9：梳状电极），以增加入射光的面积。图2.9另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到5甚至更小。 一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。2.2 硅太阳能光伏电池介绍目前，硅太阳能电池占太阳能电池的绝大部分(94)3，根据硅片厚度的不同，可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池两大类.2.2.1 晶体硅太阳能电池 晶体硅太阳能电池有单晶硅(c-Si)和多晶硅(p-Si)太阳能电池两类，最早出现的是利用切片技术(硅片厚度约0.5mm)制备的c-Si太阳能电池，而后带状硅技术的出现，避免了切片的操作，随着丝网印刷和机械刻槽技术的出现,c-Si太阳能电池的性能得到了进一步提高。而后用p-Si代替c-Si并应用c-Si太阳能电池的一些技术，如选择腐蚀发射结、金属吸杂、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极等等，制备了p-Si太阳能电池。与c-Si太阳能电池相比,p-Si太阳能电池成本低,但存在明显的晶粒界面和晶格错位等缺陷而导致光电转化效率相对较低。目前c-Si和p-Si太阳能电池的应用已经进入大规模发展阶段，然而，c-Si和p-Si太阳能电池的成本因需高纯Si原材料而居高不下，其发展受到了一定的限制。据报道c-Si太阳能电池最高光电转化效率已达24.7( 理论最高光电转化效率为25)4，Geogia采用磷吸杂和双层减反射膜技术，制备了光电转化效率为18.6的p-Si太阳能电池5；新南威尔士大学光伏中心采用类似PERL电池技术，制备了光电转化效率为19.8的p-Si太阳能电池6；中国能源网报道，德国弗劳恩霍夫协会科研人员于2004年采用新技术，在世界上率先使p-Si太阳能电池的光电转换效率突破20大关，达到20.3。2.2.2 薄膜硅太阳能电池 薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约50m)的出现，相对晶体硅太阳能电池，所用的硅材料大幅度减少，很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅(a-Si)、微晶硅(c-Si)和多晶硅p-Si)薄膜太阳能电池，前两者有光致衰退效应，其中c-Si薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但c-Si薄膜沉积速率低(仅1.2nm/s)，光致衰退效应致使其性能不稳定，发展受到一定的限制，而后者则无光致衰退效应问题，因此是硅系太阳能电池的发展方7。日本三菱公司在石英(SiO2)衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池的光电转化效率达到16.5，德国Fraunhofer研究所在石墨和碳化硅(SiC)衬底上制备的p-Si薄膜太阳能电池的光电转化效率分别为11和9.3，日本SONY公司用多孔硅分离技术制备的p-Si薄膜太阳能电池的光电转换效率达到12.5；a-Si薄膜太阳能电池的光电转换效率已达14.58；c-Si薄膜太阳能电池的光电转换效率已达9.8。 2.3 单晶硅、非晶硅、多晶硅的区别2.3.1 区别晶体非晶体 日常所见到的固体分为非晶体和晶体两大类，非晶体物质的内部原子排列没有一定的规律，当断裂时断口也是随机的，如塑料和玻璃等，而称之为晶体的物质。而外形呈现天然的有规则的多面体，具有明显的棱角与平面，其内部的原子是按照一定的规律整齐的排列起来，叫非晶体。所以破裂时也按照一定的平面断开，如食盐、水晶等。 2.3.2 区别单晶体和多晶体 有的晶体是由许许多多的小晶粒组成，若晶粒之间的排列没有规则，这种晶体称之为多晶体，如金属铜和铁。但也有晶体本身就是一个完整的大晶粒，这种晶体称之为单晶体，如水晶和晶刚石。 2.3.3 单晶硅与多晶硅光伏电池的比较 单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高。多晶硅电池成本低，转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属。92.4 太阳能电池的基本特征（1） 等效电路为了描述太阳能电池的工作状态，往往将太阳能电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳能电池，其光电流不随工作状态而改变，在等效电路中可把他看坐是恒流源。光电流一部分流经负载RL，在负载两端建立起端电压V，反过来它又正向偏置于P-N结二极管，引起一股与光电电流方向相反的暗电流Ibk，但是，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过他们时，必然引起损耗，在等效电路中，可将他们的总效果用一个串联电阻RS来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹，划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这中作用的大小可用一并联电阻RSH来等效。其等效电路就绘制成图2.10的形成。IL为光生电流，ID为二极管电流，RS为串联电阻，RSH为并联电阻，I为输出电流，V为输出电压。RL为负载电阻其中暗电流等于总面积与Jbk乘积，而光电流IL为电池的有效受光面积。AE与JL的乘积，这时的结电压Vj不等于负载的端电压，由图可见结点电压的表达式为： Vj=IRS+V （2.1）图2.10太阳能电池直流模型的等效电路图（2） 输出特性 根据上图就可以写出太阳能电池输出电流I和输出电压V之间的关系 （2.2）其中暗电流Ibk应为结电压Vj的函数，而Vj又是通过式3.1与输出电压V相联系的。当负载RL从0变化到无穷大时，输出电压V则从0变化到Voc，同时输出电流I便从ISC变到0，由此得到电池的输出特性曲线，如图2.11所示。曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压，其乘积P=IV为电池的输出功率。1. 短路电流太阳能电池的短路电流等于其光生电流。分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划分成许多段，每一段只有很窄的波长范围，并找出每一段光谱所对应的电流，电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和： （2.3）式中：O为本证吸收波长限；R（）为表面反射率；F（）为太阳光谱中波长为+d间隔内的光子数。F（）的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。由图2.11可知，当RS0，Rsh时，可得：（2.4）当外电路短路时（R=0、V=0），此时I最大，表达式为:图2.11太阳能电池输出特性 I=IL=ISC （2.5）ISC称为短路电流。由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向扩散和漂移，从而内部构成自n区流向P区的光生电流，在Pn结短路情况下构成短路电流，ISC如果将P-N结与外电路接通，对于恒定光照，就会有恒定电流流过电路，在非静电力的作用下P-N结起了电源的作用。在外电路接上负载后，负载中便有电流过，该电流称为太阳电池的工作电流，或称输出电流。负载两端的电压称工作电压。2. 开路电压 对理想P-N结且不考虑太阳电池有限尺寸的影响，在开路情况下，光照P-N结两端建立光生电势qVoc，称Voc为开路电压，表达式如下： （2.6）在可以忽略串联、并联电阻的影响时，ISC为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下ISCIO。因此 （2.7）其中，在很强的阳光下，ISC>>IO, （2.8）由此可见，在较弱阳光时，硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化。而当有较强的阳光时，Voc则与入射光的强度的对数成正比。图2.12表示具有代表性的硅和GaAs太阳电池的ISC与Voc之间的关系。Si与GaAs比较，因GaAs的禁带宽度宽，故IO值比Si的小几个数量级，GaAs的Voc值比Si的高045伏左右。假如结形成的很好，禁带宽度越宽的半导体Voc越大图2.12 开路电压与短路电流的关系 3.太阳电池伏安特性曲线 太阳电池的工作电流和电压随着负载电阻的变化而变化，将不同阻值所对应的工作电压和电流值绘制成曲线就得到太阳电池的伏安特性曲线，如图2.11所示。 由于太阳电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳电池的温度，因此太阳电池组件的测量必须在标准条件下(STCStandard Test Condition)进行，测条件是： 光谱辐照度为1000Wm2，光谱为AM 15，电池温度为25°C。 在这种条件下，太阳电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，单位为峰瓦(Wp)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟器测定，并和国际认证机构的标准化的。太阳电池进行比较。4. 填充因子如果负载的电阻值使得工作电流和电压的乘积最大，即得到了最大的输出功率，用符号Pm表示，即有： Pm=Vm×Im （2.9）Vm和Im分别是太阳电池工作时的最大工作电压和电流。填充因子是最大输出功率与电池的短路电流和开路电压乘积的比值。用FF表示： （2.10）填充因子是衡量电池输出特性的重要指标，代表电池在最佳负载时所能输出的最大功率，其值越大表明太阳能电池输出特性越好FF的值可由下式给出 （2.11）式中：Voc是归一化开路电压；Voc=q Voc/nkT，n为二极管品质因子。当Voc>15时，该公式的精确度可达4位有效数字。实际上，由于受串联电阻和并联电阻的影响，电池的实际填充因子的值低于上述给出的理想值。 5. 转换效率 转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻尺时，得到的最大能量转换效率，其定义为：