1、太陽能電池：基本理論與工藝劉愛民 博士 教授錦州陽光能源有限公司 & 大連理工大學 電池效率決定于每一步， 你這一步就是決定因素！2022/9/202半導體基本概念（一）工藝學習，講述要 怎么做？ 理論學習，講述 為什么這么做？ 2022/9/203半導體基本概念（一）太陽能電池：基本理論與工藝半導體物理的基本概念（2 lectures）太陽能電池理論、結構設計、工藝技術（2 lectures）太陽能電池相關的光電特性分析（2 lectures）（以后再講）太陽能電池組件物理問題（2 lectures）太陽能電池板質量檢測紅外熱成像系統 2022/9/204半導體基本概念（一）半導體基本概念（

2、一） 缺陷 載流子壽命擴散長度，影響擴散長度的因素載流子的傳輸（擴散與漂移） 硅的晶體結構 電子與空穴 p型，n型， 導帶與價帶 載流子2022/9/205半導體基本概念（一）1.1 硅的晶體結構2022/9/206半導體基本概念（一）Si原子最外層有四個電子： 3s2 3p2硅原子基態3s 3p激發態Sp3雜化態Sp3雜化理論2022/9/207半導體基本概念（一）3s3pz3py3px雜化前雜化后2022/9/208半導體基本概念（一）正四面體結構2022/9/209半導體基本概念（一）共價鍵半導體材料主要靠的是共價鍵結合。共價鍵的特點：飽和性：一個原子只能形成一定數目的共價鍵；方向性：原

3、子只能在特定方向上形成共價鍵。2022/9/2010半導體基本概念（一）共價電子對2022/9/2011半導體基本概念（一）硅晶體：正四面體結構2022/9/2012半導體基本概念（一）從不同方向看晶體，原子堆積是不同的，所以不同的面具有不同的物理化學性質。化學腐蝕表現出擇優腐蝕，用NaOH+H2O腐蝕，腐蝕后在硅片表面形成很多個（111）面組成的金字塔。2022/9/2013半導體基本概念（一）電池絨面制備2022/9/2014半導體基本概念（一）硅的晶格常數：0.54 nm單位cm3中，硅的原子數：5x1022/cm3注： 半導體中不用嚴格的MKS單位制2022/9/2015半導體基本概念

4、（一）絕對溫度與攝氏溫度什么是溫度？溫度是反映物體內部分子運動快慢的量。分子運動愈快,物體愈熱,即溫度愈高;分子運動愈慢,物體愈冷,即溫度愈低。 絕對溫度=攝氏溫度+273.15 室溫下：25，300K絕對零度：所有原子分子絕對靜止。（事實上不存在）2022/9/2016半導體基本概念（一）1.2 電子與空穴，導帶與價帶禁帶寬度 Eg低溫下，價鍵電子全部在價帶。低溫時，硅是絕緣體。2022/9/2017半導體基本概念（一）隨著溫度的升高，共價鍵電子被激發，離開共價鍵位置，成為自由電子，這樣就可以導電了。空穴的遷移，也會產生空穴導電。禁帶寬度 Eg怎樣才能導電？2022/9/2018半導體基本概

5、念（一）導帶中的電子，價帶中的空穴為什么硅可以吸收光？光激發可以打斷共價鍵，產生自由電子；將價電子激發到導帶。硅的禁帶寬度1.1eV (1100nm), 吸收可見紅外光。2022/9/2019半導體基本概念（一）1.4 直接帶隙、間接帶隙2022/9/2020半導體基本概念（一）GaAs, Si, Ge 中本征載流子濃度與溫度的關系硅，室溫下 1.3x1010cm-31.5 本征半導體2022/9/2021半導體基本概念（一）1.6 摻雜、n型和p型半導體III V2022/9/2022半導體基本概念（一）摻雜原子的電離能P導帶價帶共價電子電離能P是施主：電子是多數載流子 2022/9/202

6、3半導體基本概念（一）AlAl是受主，空穴是多數載流子2022/9/2024半導體基本概念（一）摻雜半導體中載流子濃度室溫下： n 型半導體的電子濃度：n=ND， p型半導體的空穴濃度： p=NA 2022/9/2025半導體基本概念（一）在半導體中 np=ni2 Si：ni=1.3x1010cm-3如果n=ND=1017cm-3，那么p=103cm-3電子是多數載流子，空穴是少數載流子。這類半導體是n型半導體。P型半導體以此類推。2022/9/2026半導體基本概念（一）如果既有施主又有受主：如果是NDNA, n型半導體， n=ND-NA如果是NAND, p型半導體， p=NA-ND施主和受

7、主雜質同時摻雜，會影響載流子遷移率，從而降低電導率。2022/9/2027半導體基本概念（一）1.7 費米能級：表示電子空穴濃度的標尺2022/9/2028半導體基本概念（一）1.7* 允許能態的占有幾率2022/9/2029半導體基本概念（一）費米能級，費米-迪拉克統計分布N(E)=g(E)f(E)對于潔凈的半導體材料，費米能級位于禁帶中央附近。2022/9/2030半導體基本概念（一）費米狄拉克分布函數2022/9/2031半導體基本概念（一）1.7 電導率，電阻率電導率：=qnn + qhp 為載流子遷移率 n型半導體：=qnn， 施主，電子是多數載流子p型半導體：=qpp 受主，空穴是

8、多數載流子電阻率 =1/ 光照后 n=n0+ n ，p=p0+p, 隨光強變化。半導體電導率收光照的影響。2022/9/2032半導體基本概念（一）電導率隨摻雜濃度的變化2022/9/2033半導體基本概念（一）1.8 III，V族雜質與其他缺陷雜質： III-V族：P， BC，O，Fe，Al，Mn等空位位錯，晶界等2022/9/2034半導體基本概念（一）2022/9/2035半導體基本概念（一）缺陷能級不同缺陷占據不同能級2022/9/2036半導體基本概念（一）不同雜質對太陽能電池的影響2022/9/2037半導體基本概念（一）1.9 載流子傳輸：擴散與漂移濃度梯度，引起載流子擴散202

9、2/9/2038半導體基本概念（一）漂移電流n電場，引起載流子漂移2022/9/2039半導體基本概念（一）愛因斯坦關系：擴散長度與壽命關系：2022/9/2040半導體基本概念（一）謝謝2022/9/2041半導體基本概念（一）2. 半導體基礎知識（二）2022/9/2042半導體基本概念（一）2.1 光，光與半導體的相互作用光具有波的性質，也具有粒子（光子）的性質。 E=1.24 / 波長與能量的換算2022/9/2043半導體基本概念（一）硅：1.12ev， 波長：1.1m E的單位 eV（電子伏特）：一個電子在真空中被1v電場加速后獲得的能量。2022/9/2044半導體基本概念（一）

10、半導體的光吸收半導體共價電子被激發為自由電子，正好在紫外、可見光、紅外光范圍內E2022/9/2045半導體基本概念（一）硅吸收光子能量1.12eV, 對應波長1100nm.能量小于禁帶寬度的光子，不能激發產生過剩載流子。2022/9/2046半導體基本概念（一）2.2 硅的光吸收2022/9/2047半導體基本概念（一）E=1.24 / 2022/9/2048半導體基本概念（一）吸收系數的意義IIe （-x）物理意義：光在媒質中傳播距離時能量減弱到原來能量的e。一般用吸收系數的來表征該波長的光在材料中的透入深度。2022/9/2049半導體基本概念（一）2.3 過剩載流子的產生激發前，導帶電

11、子密度n0，價帶空穴密度p0，激發后：電子：n=n0+n空穴：p=p0+p一個光子只激發一個電子空穴對。光子能量大于禁帶寬度的部分就浪費掉了。 如果光子能量小于禁帶寬度，不能被吸收，也浪費掉了。太陽能電池需要選擇一個合適的禁帶寬度的半導體材料。EcEv2022/9/2050半導體基本概念（一）2.4 過剩載流子的復合光激發 1.SRH復合，2.輻射復合，3.俄歇復合，2022/9/2051半導體基本概念（一）2.5 載流子壽命2022/9/2052半導體基本概念（一）俄歇復合硅中載流子壽命2022/9/2053半導體基本概念（一）表面與界面態2022/9/2054半導體基本概念（一）表面與界面

12、復合2022/9/2055半導體基本概念（一）有效壽命2022/9/2056半導體基本概念（一）2.5 器件方程太陽能電池中載流子傳輸，產生與復合：2022/9/2057半導體基本概念（一）2.6 pn結2022/9/2058半導體基本概念（一）pn結內建電場是太陽能電池發電的核心2022/9/2059半導體基本概念（一）內建電場內建電場是太陽能電池發電的核心: 電場強度E，空間電荷區寬度WP區和n區，摻雜濃度越高，空間電荷區越窄。空間電荷區的參數2022/9/2060半導體基本概念（一）2.7 金屬-半導體接觸：電極制備功函數親和勢功函數2022/9/2061半導體基本概念（一）2022/9

13、/2062半導體基本概念（一）對電極下襯底進行重摻雜例如：SE電池勢壘高，而且窄，電子通過隧穿的形式傳輸2022/9/2063半導體基本概念（一）勢壘低，而且寬，電子通過熱激發射的形式傳輸2022/9/2064半導體基本概念（一）謝謝2022/9/2065半導體基本概念（一）3. 太陽能電池基本理論2022/9/2066半導體基本概念（一）3.1 太陽能電池工作原理光2022/9/2067半導體基本概念（一）2022/9/2068半導體基本概念（一）3.2 太陽能電池工作的兩個要素：可以吸收光，產生電子空穴對2022/9/2069半導體基本概念（一）2. 具有光伏結構，可以分開電子和空穴202

14、2/9/2070半導體基本概念（一）3.3 太陽能電池的輸出參數太陽能電池I-V特性開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率2022/9/2071半導體基本概念（一）、開路電壓：在p-n結開路情況下（），此時pn結兩端的電壓為開路電壓。即：、短路電流：如將pn結短路(V=0),因而，這時所得的電流為短路電流。2022/9/2072半導體基本概念（一）、填充因子在光電池的伏安特性曲線任一工作點上的輸出功率等于該點所對應的矩形面積，其中只有一點是輸出最大功率，稱為最佳工作點，該點的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓max和最佳工作電壓Vmax。填充因子定義為：2022/9/2073半導體基本概念（一）4

15、、光電轉換效率光電池的光電轉換效率定義為最大輸出功率與入射的光照強度之比，即：2022/9/2074半導體基本概念（一）量子效率量子效率光生電流中電子數吸收某波長的光子數量子效率 =2022/9/2075半導體基本概念（一）3.4 太陽光譜與能量2022/9/2076半導體基本概念（一）3.5 載流子產生數分布不同波長，吸收系數不同，吸收長度不同2022/9/2077半導體基本概念（一）不同波長的太陽光，載流子產生率分布2022/9/2078半導體基本概念（一）對標準太陽光，硅的載流子產生數2022/9/2079半導體基本概念（一）3.6 太陽能電池對載流子的收集效率收集率2022/9/208

16、0半導體基本概念（一）有效電流電子=產生數 x 收集效率2022/9/2081半導體基本概念（一）量子效率量子效率2022/9/2082半導體基本概念（一）3*.1 原子擴散原理2022/9/2083半導體基本概念（一）2022/9/2084半導體基本概念（一）2022/9/2085半導體基本概念（一）2022/9/2086半導體基本概念（一）2022/9/2087半導體基本概念（一）濃度梯度是原子擴散的驅動力。2022/9/2088半導體基本概念（一）4. 影響效率的因素，太陽能電池設計2022/9/2089半導體基本概念（一）4.1 禁帶寬度的影響2022/9/2090半導體基本概念（一）

17、2022/9/2091半導體基本概念（一）2022/9/2092半導體基本概念（一）效率隨禁帶寬度的變化Si2022/9/2093半導體基本概念（一）4.2. 太陽能電池效率2022/9/2094半導體基本概念（一）制約光電池轉換效率的因素 光學損失 電學損失 串并聯電阻損失3% 反射損失13%短波損失43%透射損失光生空穴電子對在各區的復合表面復合 （前表面和背表面）材料復合： 復合中心復合2022/9/2095半導體基本概念（一）4.3 光學損失減反射層， 陷光結構，柵線變細變稀2022/9/2096半導體基本概念（一）4.2.1減反射減反射薄膜的最佳折射率和厚度：2022/9/2097半

18、導體基本概念（一）減反射厚度 和折射率：關鍵參數2022/9/2098半導體基本概念（一）不同厚度的減反射薄膜，顏色不同2022/9/2099半導體基本概念（一）4.2.2單晶硅表面絨化2022/9/20100半導體基本概念（一）單晶硅表面絨化2022/9/20101半導體基本概念（一）陷光原理1. 減少反射2. 增加光程2022/9/20102半導體基本概念（一）陷光效果2022/9/20103半導體基本概念（一）4.2.3 背反射since the pathlength of the incident light can be enhanced by a factor up to 4n2

19、where n is the index of refraction for the semiconductor(Yablonovitch and Cody, 1982). This allows an optical path length of approximately 50 times the physical devices thickness and thus is an effective light trapping scheme. 2022/9/20104半導體基本概念（一）高效單晶硅電池結構2022/9/20105半導體基本概念（一）厚度對太陽能電池效率的影響GaAsSi2

20、022/9/20106半導體基本概念（一）4.4 載流子復合的影響載流子復合影響短路電流和開路電壓復合可分為五個區域：前表面發射區(n型區）空間電荷區基體（p型區）背面 2022/9/20107半導體基本概念（一）愛因斯坦關系：擴散長度與壽命關系：載流子擴散長度與壽命光生載流子在空間電荷區兩側 一個擴散長度范圍內產生，才可能被收集。其被收集的幾率受載流子復合幾率（載流子壽命的倒數）的限制。2022/9/20108半導體基本概念（一） 為了更有限地收集p-n結的光生載流子，硅電池的表面和體復合必須最大限度的降低。通常，電流收集所要求的兩個條件：光生載流子必須在結的兩側，一個載流子擴散長度范圍內。

21、在局域高復合區（未被鈍化的表面或者多晶器件的晶界），載流子必須產生于近結的地方而不是近復合區；在局域較為輕的復合區（鈍化的表面），載流子可以產生于近復合區，可以不被復合而擴散到結的區域。4.3.1復合對電流的影響2022/9/20109半導體基本概念（一）藍光有著高的吸收系數和能在近前表面得到吸收；但是當近前表面是高復合區的話，它不能產生少數載流子。2022/9/20110半導體基本概念（一）電荷收集 電池的量子效率可以作為評價光生載流子復合效應的手段。2022/9/20111半導體基本概念（一）基體中載流子壽命對開路電壓的影響2022/9/20112半導體基本概念（一）摻雜濃度對開路電壓的影

22、響2022/9/20113半導體基本概念（一）并聯電阻由并聯電阻造成的器件效率嚴重損失主要是材料和器件制備中的缺陷，而不是器件設計問題。小的并聯電阻提供了光生電流的另一個通道，而不再通過負載。這樣就降低了電池的開路電流和短路電壓. 在弱光下，并聯電阻的影響尤為顯著。2022/9/20114半導體基本概念（一）降低表面與界面復合2022/9/20115半導體基本概念（一）背場電池2022/9/20116半導體基本概念（一）背表面復合速率對電池參數的影響表面復合2022/9/20117半導體基本概念（一）4.4 串聯電阻2022/9/20118半導體基本概念（一）4.4.1體電阻2022/9/20

23、119半導體基本概念（一）4.4.2 薄層電阻2022/9/20120半導體基本概念（一）發射層電阻2022/9/20121半導體基本概念（一）4.4.3 接觸電阻2022/9/20122半導體基本概念（一）柵線設計2022/9/20123半導體基本概念（一）4.4.4 串聯電阻的來源與影響發射區基區接觸電阻降低填充因子，特別大的串聯電阻還降低短路電流。2022/9/20124半導體基本概念（一）短路電流依賴于電池面積太陽能光強度光譜分布光生載流子收集率。2022/9/20125半導體基本概念（一）4.5 串聯電阻和并聯電阻的分辨2022/9/20126半導體基本概念（一）4.6 影響量子效率

24、的因素2022/9/20127半導體基本概念（一）4.7 電池結構與效率2022/9/20128半導體基本概念（一）對于一個單結太陽能電池，假如表面反射、載流子收集、以及串并聯電阻，都得到優化，他的理論最高效率：25%2022/9/20129半導體基本概念（一）4.7.1 材料選擇 (一般是硅) 原料豐富工藝成熟禁帶寬度略低，間接禁帶半導體，光吸收系數小，但通過陷光結構可以克服。目前還沒有找到其他材料能夠代替硅。2022/9/20130半導體基本概念（一）4.7.2 電池厚度 (100-500微米)具有陷光和良好表面反射層的電池，其厚度100微米，就可以了。目前市場上，電池厚度 200 500

25、微米之間，目的是生產中容易操作。2022/9/20131半導體基本概念（一）4.7.3 電阻率(1歐姆厘米)高的摻雜濃度，可以產生高的開路電壓，并降低電池串聯電阻。但是過高的摻雜濃度會降低載流子擴散長度，反過來影響載流子收集。2022/9/20132半導體基本概念（一）4.7.4 擴散層 (n-type)擴散層：負極基底：正極 2022/9/20133半導體基本概念（一）4.7.5 擴散層厚度(1微米)大量的太陽光是在擴散層被吸收的，這一層比較薄，使得更多的光生載流子在一個擴散長度范圍內產生，從而被pn結收集。2022/9/20134半導體基本概念（一）4.7.6 擴散層摻雜濃度擴散層的摻雜濃

26、度要在一個適當的程度。摻雜濃度偏高，有利于降低電阻損耗，傳輸光生載流子。但是會增大擴散層中光生載流子的復合，影響載流子收集。2022/9/20135半導體基本概念（一）4.7.7 柵線收集電流。 2022/9/20136半導體基本概念（一）4.7.8 背面電極. 背面電極和前面相比，不那么重要。但是隨著電池效率的升高和電池厚度變薄，降低背面復合也是非常必要的。2022/9/20137半導體基本概念（一）4.8 效率測試2022/9/20138半導體基本概念（一）2022/9/20139半導體基本概念（一）4.9 電池效率受溫度的影響2022/9/20140半導體基本概念（一）4.10 光強的影

27、響2022/9/20141半導體基本概念（一）4.11 晶體硅電池制備2022/9/20142半導體基本概念（一）太陽電池產業鏈硅砂（SiO2）冶金級硅（3N）太陽級硅（6N）硅棒硅錠切方破錠切片制備電池封裝2022/9/20143半導體基本概念（一）太陽能電池的研究工作簡介2022/9/20144半導體基本概念（一）太陽能電池的研究工作實驗制備太陽能電池，包括尋找新技術，新手段。提高電池效率，降低太陽能電池成本。技術的突破，給產業的發展，往往是跨越式的。表征分析，太陽能電池研究過程中，遇到的技術和科學問題，必須進行測試和理論分析。理論分析也是太陽能電池研究不可或缺的部分。2022/9/201

28、45半導體基本概念（一）新技術的突破實驗研究：提高效率 +1%進一步降低成本 -1%， -10%，-50%薄膜、薄、多晶硅、顆粒帶硅等等。2022/9/20146半導體基本概念（一）表征分析串聯電阻、并聯電阻原因分析復合在什么位置？多大？什么原因引起的復合？缺陷分布？什么缺陷？等等。 凡是實驗和生產提出的問題，都是我們研究的對象。2022/9/20147半導體基本概念（一）2022/9/20148半導體基本概念（一）2022/9/20149半導體基本概念（一）變波長，變光強變溫度瞬態信號分析2022/9/20150半導體基本概念（一）2022/9/20151半導體基本概念（一）太陽能電池：基本

29、理論與工藝半導體物理的基本概念太陽能電池理論、結構設計、工藝技術太陽能電池相關的光電特性分析太陽能電池組件物理問題2022/9/20152半導體基本概念（一）謝謝2022/9/20153半導體基本概念（一）7. 太陽能電池組件2022/9/20154半導體基本概念（一）組件的材料2022/9/20155半導體基本概念（一）2022/9/20156半導體基本概念（一）組件的設計2022/9/20157半導體基本概念（一）2022/9/20158半導體基本概念（一）2022/9/20159半導體基本概念（一）2022/9/20160半導體基本概念（一）2022/9/20161半導體基本概念（一）2022/9/20162半導體基本概念（一）2022/9/20163半導體基本概念（一）2022/9/20164半導體基本概念（一）2022/9/20165半導體基本概念（一）2022/9/20166半導體基本概念（一）2022/9/20167半導體基本概念（一）2022/9/20168半導體基本概念（一）2022/9/20169半導體基本概念（一）2022/9/20170半導體基本概念（一）2022/9/20171半導體基本概念（一）2022/9/