光电池的制备方法与应用.docx
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光电池的制备方法与应用
武汉职业技术学院
毕业论文
光电池的制备方法与应用
系部:
电子信息工程学院
专业:
光电子技术
班级:
09303
设计者:
胡雁楠
指导教师:
宋露露
2011-11-24
目录
1.摘要-2-
2.光伏产业发展背景-4-
2.1光伏发电产业的过去、现在与未来-4-
3.光伏发电原理-10-
3.1晶体硅太阳电池原理-10-
3.2晶体硅太阳电池的结构与性能参数-12-
3.2.1体硅太阳电池的结构-12-
3.2.2晶体硅太阳电池的性能参数-12-
4.光电池的种类与制备方法-17-
4.1光电池的种类-18-
4.1.1单晶硅太阳电池-18-
4.1.2多晶硅太阳电池-22-
4.1.3非晶硅太阳电池-23-
4.1.4光致衰减效应-25-
4.1.5几种主流光电池的应用-25-
5.总结语-29-
6.参考文献-30-
1.摘要
光电池又名太阳能电池。
直接把太阳光转变成电。
因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。
它是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。
光电池的种类很多,常用有GaAs太阳电池、CdTe太阳电池、硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。
主要用于仪表,自动化遥测和遥控方面。
有的光电池可以直接把太阳能转变为电能,这种光电池又叫太阳能电池。
太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处光电池是一种特殊的半导体二极管,能将可见光转化为直流电。
有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。
光电池是太阳能电力系统内部的一个组成部分,太阳能电力系统在替代现在的电力能源方面正有着越来越重要的地位。
最早的光电池是用掺杂的氧化硅来制作的,掺杂的目的是为了影响电子或空穴的行为。
其它的材料,例如CIS,CdTe和GaAs,也已经被开发用来作为光电池的材料。
有二种基本类型的半导体材料,分别叫做正电型(或P型态)和负电型(或N型态)。
在一个PV电池中,这些材料的薄片被一起放置,而且他们之间的实际交界叫做P-N节。
通过这种结构方式,P-N节暴露于可见光,红外光或紫外线下,当射线照射到P-N节的时候,在P-N节的两侧产生电压,这样连接到P型材料和N型材料上的电极之间就会有直流通过。
一套PV电池能被一起连接形成太阳的模组,行列或面板。
用来产生可用电能的PV电池就是光电伏特计。
光电伏特计的主要优点之一是没有污染,只需要装置和阳光就可工作。
另外的一个优点是太阳能是无限的。
一旦光电伏特计系统被安装,它能提供在数年内提供能量而不需要花费,并且只需要最小的维护。
直接把太阳光转变成电。
因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。
关键词:
光电池、元件、太阳能、电能、半导体材料
Abstract
Atestandsolarcells.Thesunlightdirectlyintoelectricity.Sothecharacteristicsofthetestistobeabletomaketheearthfromthesunradiationabsorptionoflightenergytransformationoftheintoelectricalenergy.Itisakindoflightisirradiatedelectromotiveforceofsemiconductordevices.Therearemanykindsoftest,thecommonlyusedsolarcell,CdTehasGaAssolarcell,seleniumsi-basedones,andcuringphotocellthallium,vulcanizationsilverbattery,etc.Mainlyusedforinstrument,automationtelemetryandremotecontrol.Sometestcanbedirectlytoconvertthesun'senergyintoelectricity,thetestalsocalledsolarcells.Solarbatteryenergyaswidelyusedinartificialsatellites,lighthouses,andnooneplacesuchasweatherstationtestisaspecialkindofsemiconductordiode,canbevisiblelightintothedirectcurrent.Sometestcanalsoinfraredandultravioletlightintothedirectcurrent.Solarpowersysteminternaltestisacomponentofsolarpowersysteminthealternativeofelectricenergyisnowhasamoreandmoreimportantrole.Thefirsttestistousedopingoxidationsilicontomake,thepurposeistoinfluencedopedelectronicorholebehavior.Othermaterials,suchastheCIS,CdTeandGaAs,hasalsobeendevelopedtoasthematerialtest.Therearetwobasictypesofsemiconductormaterials,werecalledchargedmodel(orPtype)andnegativemodel(orNtype).InaPVbatteries,thesematerialschipsareplacedtogether,andtheactualborderbetweenthemiscalledP-Nsection.Throughthisstructure,P-Nsectionexposuretovisiblelight,andinfraredlightortheultravioletray,whenraytoP-Nquarter,intheP-Nsectiononbothsidesofthevoltageproduced,sothatconnecttoPtypematerialsandn-typematerialsbetweenelectrodetherewillbedcthrough.AsetofPVcellscanbeconnectedtogetherformthesunmodule,ranksorpanel.UsedtoproducetheelectricityisavailablePVcellsphotoelectricFuTeJi.ThemainadvantageofthephotoelectricFuTeJiisoneofnopollution,needonlydeviceandsunshinecanwork.Anotheradvantageissolarenergyisinfinite.OncethephotoelectricFuTeJisystemisinstalled,itcanprovideprovidetheenergyinanumberofyearsanddonotneedtospend,andonlyneedthesmallestmaintenance.Thesunlightdirectlyintoelectricity.Sothecharacteristicsofthetestistobeabletomaketheearthfromthesunradiationabsorptionoflightenergytransformationoftheintoelectricalenergy.
Keywords:
photocell,components,solarenergy,electricpower,semiconductormaterials
2.光伏产业发展背景
2.1光伏发电产业的过去、现在与未来
1839年,法国人EdmundBequerel发现了光伏效应,到了1954年,贝尔实验室的Chapin,FullerandPearson制备了世界上第一个效率为6%的晶体硅太阳电池。
从此,航天技术和地面特殊领域的需求驱使对光伏有兴趣的学者进行着艰苦的探索,效率很快由当初的6%提高到10%,并于1958年首先在航天器上得到应用。
在后来的10多年里,硅太阳电池在空间的应用不断扩大,工艺不断改进,电池设计不断改型,新的光伏材料也在不断探索之中,这是硅太阳电池发展的第一个时期。
第二个时期开始于70年代初,在这个时期对太阳电池材料、结构和工艺进行了广泛的研究,背表面电场、细栅金属化、浅结表面扩散和表面织构化开始引入到电池的制造工艺中,太阳电池转换效率有了较大提高。
与此同时,硅太阳电池开始在地面应用,到了70年代末,地面用太阳电池产量已超过空间电池产量,但单晶硅太阳电池高昂的成本促使科学家们把目光瞄准了其它光伏电池。
其间最具影响的是1976年制成了AM1效率达10%的多晶硅太阳电池。
同年,RCA’sDavidSarnoffResearchCenter的光伏专家D.E.Carlson制成了世界上第一个光电转换效率为2.4%的可供实用的非晶硅太阳电池,在这个消息的鼓舞下,迅速掀起了非晶硅太阳电池的研究热潮,并且取得了很大的成绩,另外CIS/CdS、CdTe/CdS等光伏电池的研究也取得了可喜的成就。
进入80年代,硅太阳电池进入快速发展的第三个时期。
这个时期的主要特征是把表面钝化技术、降低接触复合效应、后处理提高载流子寿命、改进陷光效应引入到电池的制造工艺中。
以各种高效电池为代表,电池效率大幅度提高,商业化生产成本进一步降低,应用不断扩大,形成了非晶硅、多晶硅和单晶硅三足鼎立之势。
但基础领域的一些问题愈来愈制约着迅猛发展的实践,多线切割技术的发展使人们获得更薄的晶体硅片成为可能,原来的晶体硅太阳电池技术必须做出相应的改变。
采用薄的晶体硅片,载流子的表面复合问题就突现了出来;碎片率的上升促使人们得重新设计电极的制备工艺。
只有这样,才能保证得到更高的性能价格比。
太阳级单晶硅电池的衰减也逐渐显示出来,多晶硅中的晶界效应限制了多晶硅光伏电池效率的进一步提高,多晶硅光伏电池并没有显示出优于单晶硅电池的成本,非晶硅光伏电池中的S—W效应及有限的市场使得首先将这一高新技术产业化的公司面临倒闭的危机。
进入90年代后,光伏专家们加紧了对缺陷晶体硅中载流子行为的研究,并将高效工艺产业化,努力将这一最具发展前景的太阳电池稳步推向前进[1-3]。
光伏电池是光伏发电系统的心脏,其光电转换效率和成本对光伏发电的进程具有决定性的影响。
自1941年出现了有关硅光伏电池的报道之后,科学家们就没有停止过对进一步提高效率和廉价新材料的研究,半个世纪以来,人们为太阳电池的研究、发展和产业化付出了很大的努力。
光伏技术中新技术、新工艺、新材料和新结构层出不穷,研制成功许多种太阳电池。
在太阳电池的整个发展历程中,先后出现过各种不同结构的电池,从结构上看,有同质n-p结、肖特基(MS)电池、MIS电池、MINP电池、异质结电池、垂直多结等类型。
其中同质结中的钝化发射区电池(PERL),钝化发射区背面整个扩散电池(PERT),刻槽埋栅电池(BCSC),背面点接触电池(PCC),深结局部背场电池(LBSF)等是高效电池的代表。
目前世界上太阳电池的实验室效率最高水平:
单晶硅电池24.7%(4cm2),多晶硅电池19.8%(4cm2),InGaP/GaAs双结电池30.28%(AM1),非晶硅电池14.5%(初始),12.8%(稳定),CdTe/CdS电池为15.8%,带硅电池14.6%,二氧化钛有机纳米电池10.96%[4]。
经过光伏专家们的辛勤劳动,晶体硅(包括单晶硅和多晶硅)太阳电池的工业化生产效率已从上世纪80年代的10-12%提高到目前的15-17%,单片面积也从当时的78.5cm2增加到243.36cm2,硅片的厚度也从当时的450um降低到当前的180um,这极大地降低了光伏发电的成本,更为重要的是人们对太阳能成为未来替代能源树立了信心,一些国家和政府相继制定了光伏发电上网的补贴政策,以加快光伏发电的商业化进程。
目前,光伏市场上销售的太阳电池主要是基于片状硅的第一代太阳电池,包括单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池;基于非晶硅及多晶化合物半导体的第二代太阳电池约占市场份额不足整个光伏市场的10%,包括非晶硅、CIS、CdTe、纳米氧化钛染料电池及多晶硅薄膜太阳电池。
在第二代太阳电池中,a-Si:
H太阳电池存在衰减,CIS太阳电池在制造上存在难题,CdTe太阳电池对环境有害,纳米氧化钛染料电池的发展还不明朗,因此人们普遍认为第一代太阳电池将会在很长的一段时间里是太阳能光伏发电的主力。
历史进入二十一世纪,环境污染和能源短缺迫人们寻找可持续发展且清洁的能源发展方向,最有效的行动就是采用清洁的可再生能源技术替代常规化石燃料能源技术。
从上世纪70年代地面应用开始,美国就先后制定了一系列鼓励光伏发电应用政策;1974年日本开始执行阳光计划,颁布了相应的鼓励政策。
此后许多国家,先后颁布了几十种鼓励光伏发电应用的政策,包括减免税、补贴、贴息、租赁、电力配额等政策。
但截至2004年以前,各种政策所发挥的作用都相当有限。
如上世纪90年代初,克林顿政府提出百万屋顶计划及相应鼓励政策就收效不大,但直到德国的可再生能源法出现,人们才真正找到了科学的、行之有效的措施。
上世纪90年代中后期德国对世界几种较成熟的光伏技术进行认真研究和分析。
依据光伏组件30年来的成本变化规律以及规模效应,得出光伏组件成本随累计安装量呈指数下降趋势(LearningCurve),安装量每扩大一倍,成本下降20%。
分析结果表明,只要通过开拓市场,扩大组件生产,晶硅电池、CdTe电池和CIGS电池等都可以使组件成本下降到1美元/W左右。
上述的研究结果成为上网电价法的理论依据。
德国在实施十万屋顶计划(1999-2003)基础上,对光伏上网电价进行修订,2004年1月1日实施。
修正后的上网电价更加科学、更加合理,更加容易操作。
上网电价法还规定,以后每年上网电价下降5%,既符合实际,又符合上网电价法实施的目的。
自2004年起,德国一跃成为世界光伏市场和光伏产业发展最快的国家,并拉动了其他国家光伏产业的发展,表1-1给出了德国的上网电价,表1-2给出了德国2008年的PV上网电价。
对比表1-1和表1-2可知:
《可再生能源法》是加速可再生能源发展、实现及时替代化石燃料能源的唯一保证和必要条件。
《上网电价法》的科学性、有效性和可操作性,很快被世界许多国家认同、接受和效法,目前已经有40多个国家和地区实施了《上网电价法》,光伏市场从德国很快扩张到整个欧洲、美国、南韩国家,而且还正在向更大范围扩大[6-8]。
毫无疑问,在各个国家可再生能源法的保障下,太阳能将会成为人类的支柱能源之一,人们预测:
本实际中叶前能源结构将发生根本性变革,如图1-1所示。
图1-2给出了欧洲JRC预测本世纪内常规能源及新能源发展趋势。
表2-1德国2004年的PV上网电价
上网价格/kWh
<30kWp
30-100kWp
>100kWp
建筑屋顶
57.4欧分
54.6欧分
54.0欧分
建筑幕帘
62.4欧分
59.6欧分
59.0欧分
地面系统
45.7欧分
45.7欧分
45.7欧分
表2-2德国2008年的PV上网电价
上网价格/kWh
<30kWp
30-100kWp
>100kWp
建筑屋顶
46.75欧分
44.48欧分
43.99欧分
建筑幕帘
35.54欧分
35.54欧分
35.54欧分
地面系统
35.49欧分
35.49欧分
35.49欧分
图2-1能源结构变化趋势
图2-22004年欧洲JRC预测本世纪内常规能源及新能源发展趋势
2007年世界太阳电池产量达4410MW,近10年太阳电池的年平均增长率为42.7%,
近5年的年平均增长率为51%,在原材料供应紧张的情况下,2006和2007年太阳电池的年增长率仍然分别达到50%和67%。
从资源的潜力和长远前景来看,光伏发电是很具潜力的可再生替代能源。
图1-3示出了1999-2007年全球太阳电池产量的增长情况。
图2-31998-2007年全球太阳电池产量的增长情况
世界上一些发达国家纷纷宣布了自己的光伏发展计划,美国能源部国家光伏规划目标是到2010年光伏发电装机达到4.7GW;日本计划到2010年光伏发电装机达到5GW;欧洲提出到2010年光伏发电装机达到3GW;再加上其它国家近年一直保持占世界光伏组件总产量10%左右的装机量,预计到2010年,世界光伏发电累计安装容量达到15GW。
太阳能发电主要用于并网发电,在美国、日本、德国等国家,已有专业从事太阳能发电的公司,即这些公司租用土地建设并经营太阳能发电厂,他们通过将太阳能产生的电力销售给电力公司来获利(有可再生能源法保障)。
一些个人也在自己的屋顶上利用太阳能发电,通过并网逆变器和大电网并网。
图1-4示出了正在国外建设的家庭太阳能发电方案。
图2-4正在国外建设的家庭太阳能发电方案
我国的光伏产业自2003年以来,以超常的速度发展,年增长率达到100%-300%。
2006年我国太阳电池产量438MWp,占世界总产量2561.2MWp的17.1%,超过美国179.6MWp),成为继日本(926.9MWp)和欧洲(680.3MWp)之后的第三大太阳电池生产国,
2007年我国太阳电池产量1088MWp,超过日本(920MWp)和欧洲(1062.8MWp),成为世界第一大太阳电池生产国。
在短短的四年间,我国光伏电池的产量,由2002年的仅占世界总产量的1.07%,增长到2007年的占27.2%,图1-5给出了世界各国近几年来太阳电池的生产情况,从该表中可直观地看出我国近几年的发展情况[9-12]。
图2-5世界各国近几年来太阳电池的生产情况
表1-3给出了2007年电池产量等于和大于20MWp的生产商排名,共有35家公司表中有名,其中14家为中国公司(4家台湾公司),占35家的40%。
表2-32007年电池产量等于和大于20MWp的生产商排名
序号
公司名称
2006年
2007年
产量,MWp
排名
产量,MWp
排名
1
Q-Cell(DE)
253.1
2
389.2
1
2
Sharp(JP)
434.4
1
363.0
2
3
Suntech(CH)
157.5
4
327
3
4
Kyocera(JP)
180
3
207
4
5
Firstsolar(US+DE)
60
13
207
4
6
Motech(TW)
102
7
196
5
7
Sanyo(JP)
155
5
165
6
8
SunPower(PH)
62.7
11
150.0
7
9
BaodingYingli(CH)
35.0
17
142.5
8
10
Solarworld(whole)
86.0
9
130.0
9
11
Misubishi(JP)
111
6
121
10
12
Jing-Ao(CH)
25.0
20
113.2
11
13
BPSolar(whole)
85.7
9
101.6
12
14
Solarfun(CH)
25.0
20
88.0
13
15
Isofoton(SP)
61
12
85
14
16
SchottSolar(DE+US)
93.0
8
80.0
15
17
CEEGNanjing(CH)
54.0
14
78.0
16
18
E-TON(TW)
32.5
17
72.0
17
19
ATS-Solar(CH)
25
20
55
18
20
Gintech(TW)
15.0
21
55.0
18
21
Ersolr(DE)
40
15
53
19
22
Ever-Q(DE)
15
21
49.8
20
23
UnitedSolar(US)
28.0
19
48.0
21
24
Scancell(NW)
37.0
16
46.0
22
25
NingboSolar(CH)
30
18
45
23
26
Delsolar(TW)
20
20
45.0
23
27
Kaneka(JP)
28.0
19
40.0
24
28
Solland(NE)
18.0
21
37.0
25
29
TrinaSolar(CH)
7.0
37.0
25
30
Sunways(DE)
30.0
18
36.0
26
31
JiangsuJunxin(CH)
14
35
27
32
Photovoltaic(BE)
18.0
29.1
28
33
MicrosolInter.(UAE)
15.0
28.0
29
34
交大泰阳(CH)
21
25
30
35
Photowatt
24
20
31
和产业相适应,欧美和日本等发达国家用于光伏研究的科研经费大幅增加,我国的光伏研究也日渐活跃,国家自然科学基金及“973”项目都加大了对光伏发电的支持,研究队伍也随之加强,可以预料:
在大量资金和人力的投入下,光伏产业和研究必将取得长足的进展。
3.光伏发电原理
3.1晶体硅太阳电池原理
如图2-1(a)所示,在一块半导体中n型和p型的接触处,n区一侧的电子浓度高,形成一个要向p区扩散的正电荷区域;同样,p区一侧的空穴浓度高,形成一个要向n区扩散的负电荷区域。
n区和p区交界面两侧的正、负电荷薄层区域,称之为“空间电荷区”,即p-n结,如图2-1(b)所示。
p-n结内有一个由p-n结内部电荷产生的,从n区指向p区的电场,叫做“内建电场”或“自建电场”。
由于存在内建电场,
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