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！2023/1/62工藝學習，講述要怎么做？

理論學習，講述為什么這么做？2023/1/63太陽能電池：基本理論與工藝半導體物理的基本概念（2lectures）太陽能電池理論、結構設計、工藝技術（2lectures）太陽能電池相關的光電特性分析（2lectures）（以后再講）太陽能電池組件物理問題（2lectures）太陽能電池板質量檢測紅外熱成像系統

2023/1/64半導體基本概念（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2023/1/651.1硅的晶體結構2023/1/66Si原子最外層有四個電子：3s23p2硅原子基態3s3p激發態Sp3雜化態Sp3雜化理論2023/1/673s3pz3py3px雜化前雜化后2023/1/68正四面體結構2023/1/69共價價鍵鍵半導導體體材材料料主主要要靠靠的的是是共共價價鍵鍵結結合合。。共價價鍵鍵的的特特點點：：飽和和性性：：一一個個原原子子只只能能形形成成一一定定數數目目的的共共價價鍵鍵；；方向向性性：：原原子子只只能能在在特特定定方方向向上上形形成成共共價價鍵鍵。。2022/12/2910共價價電電子子對對2022/12/2911硅晶體：正四四面體結構2022/12/2912從不同方向向看晶體，，原子堆積積是不同的的，所以不不同的面具具有不同的的物理化學學性質。化化學腐蝕表表現出擇優優腐蝕，用用NaOH+H2O腐蝕蝕，，腐腐蝕蝕后后在在硅硅片片表表面面形形成成很很多多個個（（111）面面組組成成的的金金字字塔塔。。2022/12/2913電池絨面面制備2022/12/2914硅的晶晶格常常數：：0.54nm單位cm3中，硅硅的原原子數數：5x1022/cm3注：半半導導體中中不用用嚴格格的MKS單位制制2022/12/2915絕對溫度與與攝氏溫度度什么是溫度度？溫度是反映映物體內部部分子運動動快慢的量量。分子運運動愈快,物體愈熱,即溫度愈高高;分子運動愈愈慢,物體愈冷,即溫度愈低低。絕對溫度=攝氏溫度+273.15℃室溫下：25℃，300K絕對零度：：所有原子子分子絕對對靜止。（（事實上不不存在）2022/12/29161.2電子與空穴穴，導帶與與價帶禁帶寬度Eg低溫下，價價鍵電子全全部在價帶帶。低溫時時，硅是絕絕緣體。2022/12/2917隨著溫度度的升高高，共價價鍵電子子被激發發，離開開共價鍵鍵位置，，成為自自由電子子，這樣樣就可以以導電了了。空穴的遷遷移，也也會產生生空穴導導電。禁帶寬度度Eg怎樣才能能導電？？2022/12/2918導帶中的電子子，價帶中的的空穴為什么硅可以以吸收光？光激發可以打打斷共價鍵，，產生自由電電子；將價電電子激發到導導帶。硅的禁帶寬度度1.1eV(1100nm),吸收可見紅外外光。2022/12/29191.4直接帶隙、間間接帶隙2022/12/2920GaAs,Si,Ge中本征載流子子濃度與溫度度的關系硅，室溫下1.3x1010cm-31.5本征半導體2022/12/29211.6摻雜、n型和p型半導體IIIV2022/12/2922摻雜雜原原子子的的電電離離能能P導帶帶價帶帶共價價電電子子電電離離能能P是施施主主：：電電子子是是多多數數載載流流子子2022/12/2923AlAl是受受主主，，空空穴穴是是多多數數載載流流子子2022/12/2924摻雜半導體中中載流子濃度度室溫下：n型半導體的電電子濃度：n=ND，p型半導體的空空穴濃度：p=NA2022/12/2925在半導體中np=ni2Si：ni=1.3x1010cm-3如果n=ND=1017cm-3，那么p=103cm-3電子是多數載載流子，空穴穴是少數載流流子。這類半導體是是n型半導體。P型半導體以此此類推。2022/12/2926如果既有施主主又有受主：：如果是ND>NA,n型半導體，n=ND-NA如果是NA>ND,p型半導體，p=NA-ND施主和受主雜雜質同時摻雜雜，會影響載載流子遷移率率，從而降低低電導率。2022/12/29271.7費米能能級：：表示示電子子空穴穴濃度度的標標尺2022/12/29281.7*允許能能態的的占有有幾率率2022/12/2929費米能能級，，費米米-迪拉克克統計計分布布N(E)=g(E)f(E)對于潔潔凈的的半導導體材材料，，費米米能級級位于于禁帶帶中央央附近近。2022/12/2930費米－狄拉拉克分布函函數2022/12/29311.7電導率，電電阻率電導率：=qnn+qhp為載流子遷遷移率n型半導體：：=qnn，施主，電子子是多數載載流子p型半導體：：=qpp受主，空穴穴是多數載載流子電阻率=1/光照后n=n0+n，p=p0+△p,隨光強變化化。半導體體電導率收收光照的影影響。△2022/12/2932電導率隨摻摻雜濃度的的變化2022/12/29331.8III，V族雜質與其其他缺陷雜質：III-V族：P，BC，O，Fe，Al，Mn等空位位錯，晶界界等2022/12/29342022/12/2935缺陷能級級不同缺陷陷占據不不同能級級2022/12/2936不同雜質質對太陽陽能電池池的影響響2022/12/29371.9載流子傳傳輸：擴擴散與漂漂移濃度梯度度，引起起載流子子擴散2022/12/2938漂移電流流n電場，引引起載流流子漂移移2022/12/2939愛因斯坦關系系：擴散長度與壽壽命關系：2022/12/2940謝謝2022/12/29412.半導體基礎礎知識（二二）2022/12/29422.1光，光與半半導體的相相互作用光具有波的的性質，也也具有粒子子（光子））的性質。。E=1.24/波長與能量量的換算2022/12/2943硅：1.12ev，波長：：1.1mE的單位eV（電子伏特特）：一個個電子在真真空中被1v電場加速后后獲得的能能量。2022/12/2944半導體的光光吸收半導體共價價電子被激激發為自由由電子，正正好在紫外外、可見光光、紅外光光范圍內E2022/12/2945硅吸吸收收光光子子能能量量>1.12eV,對應應波波長長<1100nm.能量量小小于于禁禁帶帶寬寬度度的的光光子子，，不不能能激激發發產產生生過過剩剩載載流流子子。。2022/12/29462.2硅的的光光吸吸收收2022/12/2947E=1.24/2022/12/2948吸收系數數α的意義I＝I０e（-αx）α物理意義義：光在在媒質中中傳播１１／α距離時能能量減弱弱到原來來能量的的１／e。一般用用吸收系系數的１１／α來表征該該波長的的光在材材料中的的透入深深度。2022/12/29492.3過剩載流流子的產產生激發前，，導帶電電子密度度n0，價帶空空穴密度度p0，激發后：：電子：n=n0+n空穴：p=p0+p一個光子子只激發發一個電電子空穴穴對。光子能量量大于禁禁帶寬度度的部分分就浪費費掉了。。如果光子子能量小小于禁帶帶寬度，，不能被被吸收，，也浪費費掉了。。太陽能能電池需需要選擇擇一個合合適的禁禁帶寬度度的半導導體材料料。EcEv2022/12/29502.4過剩載載流子子的復復合光激發發1.SRH復合，，2.輻射復復合，，3.俄歇復復合，，2022/12/29512.5載流子子壽命命2022/12/2952俄歇復復合硅中載載流子子壽命命2022/12/2953表面與界面面態2022/12/2954表面與界面面復合2022/12/2955有效效壽壽命命2022/12/29562.5器件件方方程程太陽陽能能電電池池中中載載流流子子傳傳輸輸，，產產生生與與復復合合：：2022/12/29572.6pn結2022/12/2958pn結內建電場是太太陽能電池發發電的核心2022/12/2959內建電電場內建電電場是是太陽陽能電電池發發電的的核心心:電場強強度E，空間間電荷荷區寬寬度WP區和n區，摻摻雜濃濃度越越高，，空間間電荷荷區越越窄。。—＋空間電電荷區區的參參數2022/12/29602.7金屬-半導體體接觸觸：電電極制制備功函數數親和勢勢功函數數2022/12/29612022/12/2962對電電極極下下襯底底進進行行重重摻摻雜雜例如如：：SE電池池勢壘壘高高，，而而且且窄窄，，電電子子通通過過隧隧穿穿的的形形式式傳傳輸輸2022/12/2963勢壘壘低低，，而而且且寬寬，，電電子子通通過過熱熱激激發發射射的的形形式式傳傳輸輸2022/12/2964謝謝2022/12/29653.太陽能電電池基本本理論2022/12/29663.1太陽能電池池工作原理理光2022/12/29672022/12/29683.2太陽能電池池工作的兩兩個要素：：可以吸收光光，產生電子空空穴對2022/12/29692.具有光伏結結構，可以分開電電子和空穴穴2022/12/29703.3太陽能電池池的輸出參參數太陽能電池池I-V特性開路電壓、、短路電流流、填充因因子、轉換換效率2022/12/2971１、開路電電壓ＶＯＣ：在p-n結開路情況況下（ＲＲ＝∞），，此時pn結兩端的電電壓為開路路電壓ＶＶＯＣ。即：２、短路電電流ＩＳＣ：如將pn結短路(V=0),因而ＩＦ＝０，這時時所所得的電流流為短路電電流ＩＳＣ。2022/12/2972３、填充因子子ＦＦ在光電池的伏伏安特性曲線線任一工作點點上的輸出功功率等于該點點所對應的矩矩形面積，其中只只有一點是輸輸出最大功率率，稱為最佳佳工作點，該該點的電壓和和電流分別稱為最佳工工作電壓Ｉmax和最佳工作電電壓Vmax。填充因子定義義為：2022/12/29734、光電電轉換換效率率光電池池的光光電轉轉換效效率定定義為為最大大輸出出功率率與入入射的的光照照強度度之比比，即即：2022/12/2974量子效效率量子效效率光生電電流中中電子子數吸收某某波長長的光光子數數量子效效率=2022/12/29753.4太陽光光譜與與能量量2022/12/29763.5載流流子子產產生生數數分分布布不同同波波長長，，吸吸收收系系數數不不同同，，吸收收長長度度不不同同2022/12/2977不同波長長的太陽陽光，載載流子產產生率分分布2022/12/2978對標準太太陽光，，硅的載載流子產產生數2022/12/29793.6太陽能能電池池對載載流子子的收收集效效率收集率率2022/12/2980有效電電流電電子=產生數數x收集效效率2022/12/2981量子效效率量子效效率2022/12/29823*.1原子擴散原原理2022/12/29832022/12/29842022/12/29852022/12/29862022/12/2987濃度梯度是原原子擴散的驅驅動力。2022/12/29884.影響效率的因因素，太陽能能電池設計2022/12/29894.1禁帶寬寬度的的影響響2022/12/29902022/12/29912022/12/2992效率隨禁帶帶寬度的變變化Si2022/12/29934.2.太陽能電電池效率率2022/12/2994制約光電電池轉換換效率的的因素光學損失失電學損失失串并聯電電阻損失失3%反射損失失13%短波損失失43%透射損失失光生空穴穴—電子對在各區的的復合表面復合合（（前表面面和背表表面）材料復合合：復復合合中心復復合2022/12/29954.3光學損失減反射層，陷陷光結構，，柵線變細變變稀2022/12/29964.2.1減反射減反射薄膜膜的最佳折射率率和厚度：：2022/12/2997減反射厚度和折折射率：關關鍵參數2022/12/2998不同厚度的的減反射薄薄膜，顏色色不同2022/12/29994.2.2單晶晶硅硅表表面面絨絨化化2022/12/29100單晶晶硅硅表表面面絨絨化化2022/12/29101陷光原原理1.減少反反射2.增加光光程2022/12/29102陷光效效果2022/12/291034.2.3背反射射sincethepathlengthoftheincidentlightcanbeenhancedbyafactorupto4n2wherenistheindexofrefractionforthesemiconductor(YablonovitchandCody,1982).Thisallowsanopticalpathlengthofapproximately50timesthephysicaldevicesthicknessandthusisaneffectivelighttrappingscheme.2022/12/29104高效單單晶硅硅電池池結構構2022/12/29105厚度對太太陽能電電池效率率的影響響GaAsSi2022/12/291064.4載流子復合的的影響載流子復合影影響短路電流流和開路電壓壓復合可分為五五個區域：前表面發射區(n型區）空間電荷區基體（p型區）背面2022/12/29107愛因斯坦關系系：擴散長度與壽壽命關系：載流子擴散長長度與壽命光生載流子在在空間電荷區區兩側一個個擴散長度范范圍內產生，，才可能被收集。其被收集的幾幾率受載流子子復合幾率（（載流子壽命命的倒數）的的限制。2022/12/29108為了更有限限地收集p-n結的光生載載流子，硅硅電池的表表面和體復復合必須最最大限度的的降低。通常，電流流收集所要要求的兩個個條件：光生載流子子必須在結結的兩側，，一個載流流子擴散長長度范圍內內。在局域高復復合區（未未被鈍化的的表面或者者多晶器件件的晶界）），載流子子必須產生生于近結的的地方而不不是近復合合區；在局局域較為輕輕的復合區區（鈍化的的表面），，載流子可可以產生于于近復合區區，可以不不被復合而而擴散到結結的區域。。4.3.1復合對電流流的影響2022/12/29109藍光有著高高的吸收系系數和能在在近前表面面得到吸收收；但是當當近前表面面是高復合合區的話，，它不能產產生少數載載流子。2022/12/29110電荷荷收收集集電池池的的量量子子效效率率可可以以作作為為評評價價光光生生載載流流子子復復合合效效應應的的手手段段。。2022/12/29111基體體中中載載流流子子壽壽命命對對開開路路電電壓壓的的影影響響2022/12/29112摻雜濃度對開開路電壓的影影響2022/12/29113并聯電阻由并聯電阻造造成的器件效效率嚴重損失失主要是材料料和器件制備備中的缺陷，，而不是器件件設計問題。。小的并聯電電阻提供了光光生電流的另另一個通道，，而不再通過過負載。這樣樣就降低了電電池的開路電電流和短路電電壓.在弱光下，并并聯電阻的影影響尤為顯著著。2022/12/29114降低表表面與與界面面復合合2022/12/29115背場電電池2022/12/29116背表面復合合速率對電電池參數的的影響表面復合2022/12/291174.4串聯電阻阻2022/12/291184.4.1體電阻2022/12/291194.4.2薄層電阻阻2022/12/29120發射層電阻2022/12/291214.4.3接觸電阻2022/12/29122柵線設計2022/12/291234.4.4串聯電電阻的的來源源與影影響發射區區基區接觸電電阻降低填填充因因子，，特別別大的的串聯聯電阻阻還降降低短短路電電流。。2022/12/29124短路電電流依依賴于于電池面面積太陽能能光強強度光譜分分布光生載載流子子收集集率。。2022/12/291254.5串聯聯電電阻阻和和并并聯聯電電阻阻的的分分辨辨2022/12/291264.6影響響量量子子效效率率的的因因素素2022/12/291274.7電池結構構與效率率2022/12/29128對于一個個單結太太陽能電電池，假假如表面面反射、、載流子子收集、、以及串串并聯電電阻，都都得到優優化，他他的理論論最高效效率：25%2022/12/291294.7.1材料選選擇(一般是是硅)原料豐豐富工藝成成熟禁帶寬寬度略略低，，間接禁禁帶半半導體體，光光吸收收系數數小，，但通通過陷陷光結結構可可以克克服。。目前還還沒有有找到到其他他材料料能夠夠代替替硅。。2022/12/291304.7.2電池厚厚度(100-500微米)具有陷陷光和和良好好表面面反射射層的的電池池，其其厚度度100微米，，就可可以了了。目前市市場上上，電電池厚厚度200～500微米之之間，，目的的是生生產中中容易易操作作。2022/12/291314.7.3電阻率(~1歐姆厘米)高的摻雜濃濃度，可以以產生高的的開路電壓壓，并降低低電池串聯聯電阻。但是過高的的摻雜濃度度會降低載載流子擴散散長度，反反過來影響響載流子收收集。2022/12/291324.7.4擴散層(n-type)擴散層：負負極基底：正極極2022/12/291334.7.5擴散層厚度度(<1微米)大量的太陽陽光是在擴擴散層被吸吸收的，這這一層比較較薄，使得得更多的光光生載流子子在一個擴擴散長度范范圍內產生生，從而被被pn結收集。2022/12/291344.7.6擴散層摻雜濃濃度擴散層的摻雜雜濃度要在一一個適當的程程度。摻雜濃度偏高高，有利于降降低電阻損耗耗，傳輸光生生載流子。但但是會增大擴擴散層中光生生載流子的復復合，影響載載流子收集。。2022/12/291354.7.7柵線收集電流。2022/12/291364.7.8背面電極.背面電極和前前面相比，不不那么重要。。但是隨著電電池效率的升升高和電池厚厚度變薄，降降低背面復合合也是非常必必要的。2022/12/291374.8效率測試2022/12/291382022/12/291394.9電池池效效率率受受溫溫度度的的影影響響2022/12/291404.10光強的影影響2022/12/291414.11晶體硅電電池制備備2022/12/29142太陽電電池產產業鏈鏈硅砂（（SiO2）冶金級級硅（（3N）太陽級級硅（（6N）硅棒硅錠切方破錠切片制備電電池封裝2022/12/29143太陽能電池池的研究工工作

簡介介2022/12/29144太陽能電電池的研研究工作作實驗制備備太陽能能電池，，包括尋找找新技術術，新手手段。提提高電池池效率，，降低太太陽能電電池成本本。技術術的突破破，給產產業的發發展，往往往是跨跨越式的的。表征分析析，太陽能電電池研究究過程中中，遇到到的技術術和科學學問題，，必須進進行測試試和理論論分析。。理論分析析也是太太陽能電電池研究究不可或或缺的部部分。2022/12/29145新技術的的突破實驗研究究：提高效率率+1%進一步降降低成本本-1%，-10%，-50%薄膜、薄薄、多晶晶硅、顆顆粒帶硅硅等等。。2022/12/29146表征分析串聯電阻、并并聯電阻原因因分析復合在什么位位置？多大？？什么原因引引起的復合？？缺陷分布？什什么缺陷？等等。。。。。凡是實驗和生生產提出的問問題，都是我我們研究的對對象。2022/12/291472022/12/291482022/12/29149變波波長長，，變光光強強變溫溫度度瞬態態信信號號分分析析2022/12/291502022/12/29151太陽陽能能電電池池：：基基本本理理論論與與工工藝藝半導導體體物物理理的的基基本本概概念念太陽陽能能電電池池理理論論、、結結構構設設計計、、工工藝藝技技術術太陽陽能能電電池池相相關關的的光光電電特特性性分分析析太陽陽能能電電池池組組件件物物理理問問題題2022/12/29152謝謝2022/12/291537.太陽能電池組組件2022/12/29154組件的材料料2022/12/291552022/12/29156組件的設計計2022/12/291572022/12/291582022/12/291592022/12/291602022/12/291612022/12/291622022/12/291632022/12/291642022/12/291652022/12/291662022/12/291672022/12/291682022/12/291692022/12/291702022/12/291712022/12/291722022/12/291732022/12/291742022/12/291752022/12/29176世界最高紀紀錄的PERL電池效率為24.7%PERL(passivatedemitter,rearlocally-diffused)cellstructure.P型襯底全全硼背場到到金子塔塔

雙肩反反射層背背面氧化層層鈍化發發射結重摻摻趙建華2022/12/29177全硼背場N型襯底PERT(passivatedemitter,reartotally-diffused)太陽電池效率為22.7%N型襯底全全硼背場到到金子塔塔

雙肩反反射層背背面氧化層層鈍化發發射結重摻摻趙建華2022/12/29178效率21.6%LFC––PERC電池適于于產業化化效率：21.6%LFC(laserfiredcontact)背面全部部SiO2鈍化激光燒結結接觸點點德國FraunhoferISE2022/12/291792022/12/291802022/12/29181厚度的的影響響2022/12/291822022/12/291832022/12/291842022/12/291852022/12/291862022/12/291872022/12/291882022/12/291892.5方塊電阻2022/12/291902022/12/291912022/12/29192半導導體體基基本本概概念念（（二二））減反反射射薄薄膜膜原原理理與與制制備備技技術術，，化化學學氣氣相相沉沉積積的的原原理理，，陷陷光光效效率率的的原原理理與與實實現現。。太陽陽光光譜譜與與能能量量，，光光的的吸吸收收，，電電池池結結構構設設計計應應考考慮慮的的幾幾個個因因素素，，電電極極制制備備，，電電極極設設計計，，電電流流收收集集理理論論，，2022/12/291932022/12/29194AM(0),AM(1.5)2022/12/291952022/12/291962022/12/291979、靜夜夜四無無鄰，，荒居居舊業業貧。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。12:17:5412:17:5412:1712/29/202212:17:54PM11、以我獨獨沈久，，愧君相相見頻。。。12月-2212:17:5412:17Dec-2229-Dec-2212、故人江海別別，幾度隔山山川。。12:17:5412:17:5412:17Thursday,December29,202213、乍乍見見翻翻疑疑夢夢，，相相悲悲各各問問年年。。。。12月月-2212月月-2212:17:5412:17:54December29,202214、他鄉生生白發，，舊國見見青山。。。29十十二月202212:17:54下下午12:17:5412月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月2212:17下午12月-2212:17December29,202216、行動出成果果，工作出財財富。。2022/12/2912:17:5412:17:5429December202217、做前，能能夠環視四四周；做時時，你只能能或者最好好沿著以腳腳為起點的的射線向前前。。12:17:54下下午12:17下午12:17:5412月-229、沒有失敗，，只有暫時停停止成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多多事情情努力力了未未必有有結