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太阳电池的基本结构与种类

发布日期:2017-11-17 16:17:56 【关闭】
摘要:目前,单晶硅太阳电池的输出电压约为0.6V左右,其最大输出的功率和 太阳电池本身的效率与表面积有关。譬如说一个效率16%、6时的太阳电 池,最大输出功率约为2.5W。一个太阳电池输出电压和输出功率对大部分的 电器产品相对偏低,要和一般用电兼容或配合应用,就将多个太阳电池并联和串联起来形成模块(module),其中串联的功用,是为了提高输出电压,而并联的功用,是为了增加输出功率
   目前,单晶硅太阳电池的输出电压约为0.6V左右,其最大输出的功率和 太阳电池本身的效率与表面积有关。譬如说一个效率16%、6时的太阳电 池,最大输出功率约为2.5W。一个太阳电池输出电压和输出功率对大部分的 电器产品相对偏低,要和一般用电兼容或配合应用,就将多个太阳电池并联和串联起来形成模块(module),其中串联的功用,是为了提高输出电压,而并联的功用,是为了增加输出功率。同样的道理,若需要再提高模块的输出电压或 输出功率,多个模块并联或串联起来就形成数组(array)系统。而一般太阳能应 用系统(system),不仅只有电池、模块、或数组,还可能包括储电装置(storage devices)、功率调 器(power conditioner)、和安装固定结构(mounting structures),这些接口设备,统称为平衡系统(balance of systems)。下面,我们 就简单地介绍太阳电池的基本结构,了解太阳电池工作原理、制造程序,包括半导体材料。
   在不同的材料和制造工艺程序下,会产生不同结构的太阳电池。但归纳而言,太阳电池最基本的结构可分为基板、p-n二极管、抗反射层、和金属电极 四个主要部分。基板(substrate)是太阳电池的主体,p-n二极管是光生伏特效应 的来源,抗反射层乃在减少入射光的反射来增强光电流,金属电极则是连接器件和外部负载。
   所谓ingot-based的太阳电池是使用芯片(wafer) 当基板,芯片本身就是光生伏特的作用区。因为是用芯片作基板,一般就使用扩散(diffusion)工艺技 术,在p-型芯片上进行n-型扩散,或在n-型芯片上进行p-型扩散,形成p-n二极管。单晶娃和多晶硅太阳电池都是ingot-based,其芯片是由硅ingot切割而 得。工业界使用的太阳电池硅芯片,大都是p型。当然硅芯片的制造,不一定 非由ingot切割不可,也有其它特殊的方式,如ribbon或sheet制造方式。
   薄膜太阳电池则可以使用玻璃、塑料、陶瓷、石墨,金属片等不同材料当基板,非晶或多晶薄膜光生伏特器件则沉积在基板上,基板本身并不参与光生 伏特作用。在薄膜太阳电池制造上,可使用各式各样的沉积技术,一层又一层 地把P-型或n-型材料沉积上去。常见的薄膜太阳电池有非晶硅、CUInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe薄膜。随着薄膜技术的发展, microcrystalline,甚至nanocrytalline硅薄膜也被研究开发。薄膜太阳电池大优点就是生产成本较低,但其效率和稳定性较差。
   III-V族(如GaAs、InP、GaN)太阳电池,则是使用不同的外延(epitaxy) 技术,如 metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD),或 molecular beam epitaxy (MBE)方法,将p-型和n-型晶体直接长在芯片基板上,而基板本身通 常也不参与光生伏特作用。这样的epitaxy方式生长晶体的优点,使得电池结构 多样化,例如:异质结、多结、量子井、量子点、和超晶格等结构。正因如此,III-V族太阳电池通常具有较高的效率,但其生产成本也相对的偏高。
  太阳电池的光照面一般都会有抗反射层或texture结构,来减少入射阳光的反射。如果没有的话,入射阳光会有约30%的反射损失,这对太阳电池而言足是相当严重的。晶硅太阳电池一般是使用氮化硅(SiN)来形成抗反射层,它不仅 能有效地减少入射光的反射,而且还有钝化(passivation)的作用,甚至能保 护太阳电池,有防刮伤、防湿气等功能。除了使用抗反射层外,一般单晶硅太 阳能电池,期光照的表面都会先经过texture处理,来更进一步地减少入射阳光 的反射。这个texture处理,会在表面形成大小不等的金字塔(pyramid)结构, 让入射光至少要经过芯片表面的二次反射,因此就大大地降低了入射光经过第 一次反射就折冋的几率。需要注意的是,因texture金字塔的大小约儿个um, 而一般n-型扩散的深度只有0.5um作用,所以二极管实际上是形成于textur金字塔的表面。
   太阳电池需要金属电极一层来连接外部的电路。通常,光入射的表面有二条平行条状金属电极来提供外界连接的焊接处。背表面通常会全部涂上一层所谓的back surface field (BSF)金属层,在光入射的表面,会从条状金属电极,伸展出 一列很细的金属手指(finger)。BSF金属层可以增加载流子的收集,还可回收没 有被吸收的光子。金属finger的设计,除了要能有效地收集载流子,而且要尽 量减少金属线遮蔽入射光的比例,因光照面的金属线通常会遮蔽3〜5%的入射 光。太阳电池金属电极用的材料通常是铝和其它金属的合金,但在薄膜太阳电池中,为了实现一体成型(monolithically)的要求,上层金属电极则会使用透明导电的氧化物 transparent conducting oxide (TCO)。
   必须注意的是,有别于一般平板(flat plate)模块的结构,太阳电池还可以 使用额外的聚光器(concentrator)来增加入射光的强度。聚光器可以是一般透 镜,或是特殊结构的Fresne透镜,或者甚至是Fresnel zone plate。聚光器的使 用,可以大幅度地提高系统光照的有效面积。但是,聚光器要求太阳电池的正 射,因此应用上必须配合tracking系统。

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