1、非晶硅薄膜太陽能電池基礎知識大全.txt恨一個人和愛一個人的區別是:一個放在嘴邊,一個藏在心里。人生三愿:一是吃得下飯,二是睡得著覺,三是笑得出來。本文由ywg820502貢獻doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優先選擇TXT,或下載源文件到本機查看。非晶硅太陽電池的原理非晶硅太陽電池是 20 世紀 70 年代中期發展起來的一種新型薄膜太陽電池, 與其他太陽電池相比,非晶硅電池具有以下突出特點: 1.制作工藝簡單,在制備非晶硅薄膜的同時就能制作 pin 結構. 2.可連續,大面積,自動化批量生產. 3.非晶硅太陽電池的襯底材料可以是玻璃,不銹鋼等,因而成本小. 4.可以設計成各種形式,

2、利用集成型結構,可獲得更高的輸出電壓和光電轉換效率. 5.薄膜材料是用硅烷 SiH4 等的輝光放電分解得到的,原材料價格低. 1.非晶硅太陽電池的結構,原理及制備方法非晶硅太陽電池是以玻璃, 不銹鋼及特種塑料為襯底的薄膜太陽電池, 結構如圖 1 所示. 為減少串聯電阻, 通常用激光器將 TCO 膜, 非晶硅(A-si膜和鋁(Al電極膜分別切割成條狀, 如圖 2 所示.國際上采用的標準條寬約 1cm,稱為一個子電池,用內部連接的方式將各子電池串連起來, 因此集成型電池的輸出電流為每個子電池的電流, 總輸出電壓為各個子電池的串聯電壓.在實際應用中,可根據電流,電壓的需要選擇電池的結構和面積,制成非

3、晶硅太陽電池.1.1 工作原理非晶硅太陽電池的工作原理是基于半導體的光伏效應. 當太陽光照射到電池上時, 電池吸收光能產生光生電子空穴對,在電池內建電場 Vb 的作用下,光生電子和空穴被分離, 空穴漂移到 P 邊, 電子漂移到 N 邊, 形成光生電動勢 VL, VL 與內建電勢Vb 相反, VL = Vb 當時,達到平衡; IL = 0, VL 達到最大值,稱之為開路電壓 Voc ; 當外電路接通時,則形成最大光電流,稱之為短路電流 Isc,此時 VL= 0;當外電路加入負載時,則維持某一光電壓 VL 和光電流 IL.其 I-V 特性曲線見圖 3非晶硅太陽電池的轉換效率定義為:Pi 是光入射到

4、電池上的總功率密度,Isc 是短路電流密度,FF 為電池的填充因子,Voc 為開路電壓,Im 和 Vm 分別是電池在最大輸出功率密度下工作的電流密度和電壓. 目前,子電池的開路電壓約在 0.8V0.9V 之間,Isc 達到 13mA/cm2,FF 在 0.7-0.8 之間,達到12%以上. 由于太陽光譜中的能量分布較寬,主要部分由 0.3m1.5m 的波長范圍組成.現有的任何一種半導體材料都只能吸收能量比其能隙值高的光子,即只能在一有限波段轉換太陽能量, 故單結太陽電池不可能完全有效地利用太陽能. 采用分波段利用太陽能光譜的疊層電池結構則是有效提高光電轉換效率的有效方法之一, 而且也是主要趨勢

5、. 疊層太陽電池的結構見圖 4. 目前常規的疊層電池結構為 a-Si/a-SiGe, a-Si/a-Si/a-SiGe, a-Si/a-SiGe/a-SiGe, a-SiC/a-Si/a-SiGe 等.1.2 非晶硅太陽電池的制備圖 5 是非晶硅太陽能電池制備方法示意圖, 把硅烷(SiH4等原料氣體導入真空度保持在 101000Pa 的反應室中,由于射頻(RF電場的作用,產生輝光放電,原料氣體被分解,在玻璃或者不銹鋼等襯底上形成非晶硅薄膜材料. 此時如果原料氣體中混入硅烷(B2H6即能生成 P 型非晶硅,混入磷烷(PH3即能生成 N 型非晶硅.僅僅用變換原料氣體的方法就可生成 pin 結,做成

6、電池.為了得到重復性好,性能良好的太陽電池,避免反應室內壁和電極上殘存的雜質摻入到電池中, 一般都利用隔離的連續等離子反應制造裝置, p,i,n 各層分別在專用即的反應室內沉積.2.非晶硅太陽電池的應用非晶硅太陽電池的應用市場有兩個方面:一個是弱光電池市場,如計算器,手表等熒光下工作的微功耗電子產品;二是電源及功率應用領域.如太陽能收音機,太陽帽,庭園燈, 微波中繼站,航空航海信號燈,氣象監測及光伏水泵,戶用電源等.隨著非晶硅電池穩定效率的不斷提高以及生產規模的不斷擴大, 成本的大幅度下降, 促進了非晶硅太陽電池更大范圍和更大規模的應用.非晶硅薄膜太陽能電池的優點2. 非晶硅的禁帶寬度比單晶硅

7、大,隨制備條件的不同約在 1.5-2.0 eV 的范圍內變化, 這樣制成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高.3.制備非晶硅的工藝和設備簡單,淀積溫度低,時間短,適于大批生產.制作單晶硅電池一般需要 1000 度以上的高溫,而非晶硅電池的制作僅需 200 度左右.4.由于非晶硅沒有晶體硅所需要的周期性原子排列,可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問題.因而它幾乎可以淀積在任何襯底上,包括廉價的玻璃襯底,并且易于實現大面積化. 5.制備非晶硅太陽能電池能耗少,約 100 千瓦小時,能耗的回收年數比單晶硅電池短很多:獨立光伏電源系統設計方法經過光伏工作者們堅持不懈的努力,太陽能電池的生產

8、技術不斷得到提高,并且日益廣泛地應用于各個領域.特別是郵電通信方面,由于近年來通信行業的迅猛發展,對通信電源的要也越來越高, 所以穩定可靠的太陽能電源被廣泛使用于通信領域. 而如何根據各地區太陽能輻射條件, 來設計出既經濟而又可靠的光伏電源系統, 這是眾多專家學者研究已久的課題,而且已有許多卓越的研究成果,為我國光伏事業的發展奠定了堅實的基礎.筆者在學習各專家的設計方法時發現, 這些設計僅考慮了蓄電池的自維持時間 (即最長連續陰雨天 , 而沒有考慮到虧電后的蓄電池最短恢復時間 (即兩組最長連續陰雨天之間的最短間隔天數 . 這個問題尤其在我國南方地區應引起高度重視, 因為我國南方地區陰雨天既長又

9、多, 而對于方便適用的獨立光伏電源系統, 由于沒有應急的其他電源保護備用, 所以應該將此問題納入設計中一起考慮. 本文綜合以往各設計方法的優點, 結合筆者多年來實際從事光伏電源系統設計工作的經驗, 引入兩組最長連續陰雨天之間的最短間隔天數作為設計的依據之一, 并綜合考慮了各種影響太陽能輻射條件的因素,提出了太陽能電池,蓄電池容量的計算公式,及相關設計方法. 影響設計的諸多因素太陽照在地面太陽能電池方陣上的輻射光的光譜, 光強受到大氣層厚度 (即大氣質量 , 地理位置,所在地的氣候和氣象,地形地物等的影響,其能量在一日,一月和一年內都有很大的變化,甚至各年之間的每年總輻射量也有較大的差別. 太陽

10、能電池方陣的光電轉換效率, 受到電池本身的溫度, 太陽光強和蓄電池電壓浮動的影響,而這三者在一天內都會發生變化,所以太陽能電池方陣的光電轉換效率也是變量. 蓄電池組也是工作在浮充電狀態下的,其電壓隨方陣發電量和負載用電量的變化而變化.蓄電池提供的能量還受環境溫度的影響. 太陽能電池充放電控制器由電子元器件制造而成, 它本身也需要耗能, 而使用的元器件的性能,質量等也關系到耗能的大小,從而影響到充電的效率等. 負載的用電情況, 也視用途而定, 如通信中繼站, 無人氣象站等, 有固定的設備耗電量. 而有些設備如燈塔,航標燈,民用照明及生活用電等設備,用電量是經常有變化的. 因此,太陽能電源系統的設

11、計,需要考慮的因素多而復雜.特點是:所用的數據大多為以前統計的數據,各統計數據的測量以及數據的選擇是重要的. 設計者的任務是:在太陽能電池方陣所處的環境條件下(即現場的地理位置,太陽輻射能,氣候,氣象,地形和地物等,設計的太陽能電池方陣及蓄電池電源系統既要講究經濟效益,又要保證系統的高可靠性. 某特定地點的太陽輻射能量數據, 以氣象臺提供的資料為依據, 供設計太陽能電池方陣用.這些氣象數據需取積累幾年甚至幾十年的平均值. 地球上各地區受太陽光照射及輻射能變化的周期為一天 24h.處在某一地區的太陽能電池方陣的發電量也有 24h 的周期性的變化,其規律與太陽照在該地區輻射的變化規律相同. 但是天

12、氣的變化將影響方陣的發電量.如果有幾天連續陰雨天,方陣就幾乎不能發電,只能靠蓄電池來供電, 而蓄電池深度放電后又需盡快地將其補充好. 設計者多數以氣象臺提供的太陽每天總的輻射能量或每年的日照時數的平均值作為設計的主要數據. 由于一個地區各年(1蓄電池的選用能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多,目前廣泛采用的有鉛酸免維護蓄電池, 普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種. 國內目前主要使用鉛酸免維護蓄電池, 因為其固有的"免"維護特性及對環境較少污染的特點,很適合用于性能可靠的太陽能電源系統,特別是無人值守的工作站. 普通鉛酸蓄電池由于需要經常維護及其環境污染較大, 所以主要適

13、于有維護能力或低檔場合使用.堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫,過充,過放性能,但由于其價格較高,僅適用于較為特殊的場合. (2蓄電池組容量的計算蓄電池的容量對保證連續供電是很重要的.在一年內,方陣發電量各月份有很大差別. 方陣的發電量在不能滿足用電需要的月份, 要靠蓄電池的電能給以補足; 在超過用電需要的月份,是靠蓄電池將多余的電能儲存起來.所以方陣發電量的不足和過剩值,是確定蓄電池容量的依據之一.同樣,連續陰雨天期間的負載用電也必須從蓄電池取得.所以,這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一. 因此,蓄電池的容量 BC 計算公式為: BC=A×QL×NL×TO/

14、CCAh(1式中:A 為安全系數,取 1.11.4 之間; QL 為負載日平均耗電量,為工作電流乘以日工作小時數;NL 為最長連續陰雨天數;TO 為溫度修正系數,一般在 0以上取 1,-10以上取 1.1,-10以下取 1.2;CC 為蓄電池放電深度,一般鉛酸蓄電池取 0.75,堿性鎳鎘蓄電池取 0.85. 4 太陽能電池方陣設計 (1太陽能電池組件串聯數 Ns 將太陽能電池組件按一定數目串聯起來,就可獲得所需要的工作電壓,但是,太陽能電池組件的串聯數必須適當.串聯數太少,串聯電壓低于蓄電池浮充電壓,方陣就不能對蓄電池充電.如果串聯數太多使輸出電壓遠高于浮充電壓時,充電電流也不會有明顯的增加.

15、因此, 只有當太陽能電池組件的串聯電壓等于合適的浮充電壓時,才能達到最佳的充電狀態. 計算方法如下: Ns=URUoc=(Uf+UD+UcUoc(2式中:UR 為太陽能電池方陣輸出最小電壓;Uoc 為太陽能電池組件的最佳工作電壓;Uf 為蓄電池浮充電壓;UD 為二極管壓降,一般取 0.7V;UC 為其它因數引起的壓降. 蓄電池的浮充電壓和所選的蓄電池參數有關, 應等于在最低溫度下所選蓄電池單體的最大工作電壓乘以串聯的電池數. (2太陽能電池組件并聯數 Np 在確定 NP 之前,我們先確定其相關量的計算方法. 將太陽能電池方陣安裝地點的太陽能日輻射量 Ht,轉換成在標準光強下的平均日輻射時數H(

16、日輻射量參見表 1:H=Ht×2.778/10000h(3式中:2.778/10000(h?m2kJ為將日輻射量換算為標準光強(1000Wm2下的平均日輻射時數的系數. 太陽能電池組件日發電量 QpQp=Ioc×H×Kop×CzAh(4式中:Ioc 為太陽能電池組件最佳工作電流;Kop 為斜面修正系數(參照表 1;Cz 為修正系數,主要為組合,衰減,灰塵,充電效率等的損失,一般取 0.8. 兩組最長連續陰雨天之間的最短間隔天數 Nw,此數據為本設計之獨特之處,主要考慮要在此段時間內將虧損的蓄電池電量補充起來,需補充的蓄電池容量 Bcb 為:Bcb=A&#

17、215;QL ×NLAh(5 太陽能電池組件并聯數 Np 的計算方法為:Np=(Bcb+Nw×QL(Qp×Nw(6式(6 的表達意為: 并聯的太陽能電池組組數, 在兩組連續陰雨天之間的最短間隔天數內所發電量, 不僅供負載使用,還需補足蓄電池在最長連續陰雨天內所虧損電量. (3太陽能電池方陣的功率計算根據太陽能電池組件的串并聯數, 即可得出所需太陽能電池方陣的功率 P:P=Po×Ns×NpW(7式中:Po 為太陽能電池組件的額定功率.光致衰減效應光致衰減效應也稱 S-W 效應.a-Si:H 薄膜經較長時間的強光照射或電流通過, 在其內部將產生缺陷

18、而使薄膜的使用性能下降,稱為 Steabler-Wronski 效應. 對 S-W 效應的起因,至今仍有不少爭議,造成衰退的微觀機制也尚無定論,成為迄今國內外非晶硅材料研究的熱門課題.總的看法認為,S-W 效應起因于光照導致在帶隙中產生了新的懸掛鍵缺陷態(深能級,這種缺陷態會影響 a-Si:H 薄膜材料的費米能級 EF 的位置,從而使電子的分布情況發生變化,進而一方面引起光學性能的變化,另一方面對電子的復合過程產生影響.這些缺陷態成為電子和空穴的額外復合中心,使得電子的俘獲截面增大,壽命下降. 在 a-Si:H 薄膜材料中,能夠穩定存在的是 Si-H 鍵和與晶體硅類似的 Si-Si 鍵,這些鍵

19、的鍵能較大,不容易被打斷. 由于 a-Si:H 材料結構上的無序,使得一些 Si-Si 鍵的鍵長和鍵角發生變化而使Si-Si 鍵處于應變狀態.高應變 Si-Si 鍵的化學勢與 H 相當, 可以被外界能量打斷,形成Si-H 鍵或重新組成更強的 Si-Si 鍵.如果斷裂的應變 Si-Si 鍵沒有重構,則 a-Si:H 薄膜的懸掛鍵密度增加.為了更好地理解 S-W 效應產生的機理并控制 a-Si:H 薄膜中的懸掛鍵,以期尋找穩定化處理方法和工藝,20 多年來,國內外科學工作者進行了不懈的努力,提出了大量的物理模型,主要有弱鍵斷裂(SJT模型,"H 玻璃"模型,H 碰撞模型,Si-

20、H-Si 橋鍵形成模型,"defect pool"模型等,但至今仍沒有形成統一的觀點.大量實驗結果對非晶硅太陽電池的光致衰減的機理有不同的解釋,但是實驗現象基本上是一致的,即光照后大都發現 Jsc 于 FF 下降較大,而 Uoc 拜年話績效.此外,最初幾個小時.電池性能衰減較快,而后趨于穩定,而且衰減快慢于光強有關.例如, 測試 N-I-P 及P-I-N 結構的非晶硅太陽電吃,在不同負載(開路,短路,最佳負載 下持續光照后,發現開路時效率衰減最快,短路時最穩定,效率下降主要是 Jsc 的衰減所致.從實驗結果看,光致衰減與電池的 I 層厚度有關,無論對 ITO/N-I-P/S

21、S 還是 ITO/P-I-N/SS 都是如此,其影響程度隨 I 層的減薄而減小,對 ITO/N-I-P/SS 太陽電池更是如此.然而,在 I 層參入少量硼之后,太陽電池的光致衰減會大大減輕,這表明非晶硅電池的光致衰減可通過選擇合適的結構以及形成結時的摻雜技術來改善.太陽能術語大氣質量 AM(Air Mass 太陽光通過大氣層的路徑長度,簡稱 AM,外層空間為 AM 0,陽光垂直照射地球時為 AM1(相當春/秋分分陽光垂直照射于赤道上之光譜,太陽電池標準測試條件為 AM 1.5(相當春/秋分陽光照射于南/北緯約 48.2 度上之光譜. 日照強度(Irradiance 單位面積內日射功率,一般以 W/或 mW/c 為單位,AM 0 之日照強度超過1300W/,太陽電池標準測試條件為 1000W/(相當于 100mW/c . 日射量(Radiation 單位面積于單位時間內日射總能量,一般以百萬焦爾/年.平方米(MJ/Y.或百萬焦爾/月. 平方米(MJ/M.,1 焦爾為 1 瓦特功率于 1 秒鐘累積能量(1J=1W.s. 太陽能電池(Solar Cell 具有光伏效應(Photovoltaic Effect將光(Photo轉換成電(Voltaic的組件,又稱為光伏電池(PV Cell,太陽能電池產生的電皆為直流電. 太陽光電(Photo