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1、毕业论文答辩课件,题目：提高太阳能电池的转换效率,第1章 绪论,人类过去过依赖的化石燃料的储藏量正急剧减少，而且，由于大量利用石油、天然气和煤炭等化石燃料，造成了严重的环境污染，和全球变暖。太阳能作为一种无污染的可再生能源具有极大的发展潜力。太阳能电池是利用太阳能的重要途径。然而，当前太阳能电池的转换效率依然很低，本文就是针对提高太阳能电池转换效率相关方法进行研究与论述。,论文主要内容 太阳能电池的基础理论提高晶体硅太阳能电池转换效率的方法提高太阳电池转换效率的新发展结论,第2章 太阳能电池的基础理论,2.1 太阳能电池的发电原理 太阳电池发电的原理是基于光伏效应：当太阳光或其他光照射到太阳电
2、池上的时候，电池吸收光能，产生电子-空穴对，在电池内建电场的作用下光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是光生伏特效应。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，于是负载中就有电流，从而获得输出功率，这样太阳能就转化成了电能。,下图为太阳能电池的原理图：,2.2 太阳电池性能参数1.短路电流 ISC ISC=Iph（光生电流）太阳电池的光电流密度Jph由光子流密度F()和光谱响应SR()决定：2.开路电压 理论上最大的开路电压应当由P-N结的内建势垒电压所决定。内建势垒电压与半导体的禁,（2-1）,带宽度Eg、导带能级Ec、价带能级Ev及费米能级Ef之间的关系为:3
3、.填充因子 下图是太阳电池的伏安特性曲线。不同的电压和电流对应不同的输出功率。太阳电池有一个最大的输出功率点，对应的电压和电流分别是Vm和Im。填充因子用“FF”表示：,（2-2）,（2-3）,图21太阳电池的光照伏安特性曲线,其中ISCVOC是太阳电池的极限输出功率。4.转换效率 太阳电池的转换效率的通常定义是：太阳电池的最大输出功率（VmIm）与入射到太阳电池的光总功率之比。即:,（2-4）,Pin是太阳光输入功率，其值为：式中：At太阳电池总的光照面积；F(）波长的单位频带宽度内每秒 投射到单位面积上的光子数，即光子流密度；hc/光子携带的能量；h普朗克常量；c光速。,（2-5）,假设能
4、量大于禁带宽度的光子100%地吸收，产生的载流子100%地被收集，而且忽略接触电阻的影响，接触电极掩蔽面积的光的反射，那么太阳电池理想的转换效率是：式中nph（Eg）为能量大于的光子流的密度。,（2-6）,第3章 提高晶体硅太阳能电池转换效率的方法,3.1影响晶体硅太阳能电池转换效率的因素目前的研究成果表明，影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面：(1)光学损失。主要包括电池前表面反射损失、接触栅极的阴影损失以及长波段的非吸收损失。(2)电学损失。它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的体电阻以及金属-半导体接触(欧姆接触)电阻损失。,3.2 提高晶体硅太阳能电池
5、转换效率 下面用目前正在研究和提高的几种太阳能电池为例，来介绍提高晶体硅太阳能电池转换效率方法和技术。3.2.1 背接触电池1.IBC电池（PCC电池）IBC(正负极交叉背接触）电池，其特点是正面无栅状电极，正负极交叉排列在背面，量子效率可达19%20%。这种把正面金属栅线去掉的电池结构有很多优点：(1)减少正面遮光损失；(2)可能大大降低组件装配成本；(3)从建造结构的观点来看提供了视觉增值。,图2-2 普通太阳能电池结构,图2-3 IBC太阳能电池结构,2.金属环绕穿通（MWT）电池 MWT技术，即通过激光钻孔将电池正面收集的能量穿过电池再转移至电池背面。在金属环绕穿通（MWT）器件中，较
6、薄的金属接触“手指”被移到背面。通过激光钻微型通孔，将上表面与下表面接触连接起来。一般MWT每块硅片需要钻约200个通孔。,图2-4 MWT电池结构,3.发射极环绕穿通（EWT）电池 与MWT电池不同的是，在发射极环绕穿通（EWT）器件中，传递功率的栅线也被转移至背面，使得上表面完全没有金属。与MWT电池类似，EWT电池也是通过在电池上钻微型通孔来连接上、下表面。相比较于MWT的每块硅片约200个通孔，EWT要求每块硅片上大约有2万个这种通孔。与IBC电池相似，EWT电池由于正面没有栅线和电极，使模组装配更为简便，同时由于避免了遮光损失且实现了双面收集载流子，使光生电流有了大幅度的提高。,图2
7、-5 EWT电池,图2-6 激光钻孔,图2-7 EWT电池结构,3.2.2 PERL电池 PERL（Passivated Emitter，Rear Locally-Diffused）电池是钝化发射极、背面定域扩散太阳能电池的简称。PERL电池具有高效率的原因在于：(1)双面钝化。(2)淡磷、浓磷分区扩散。(3)背面进行定域、小面积的硼扩散。电池正面采用“倒金字塔”结构。,图2-8 PERL电池的结构,3.2.3 HIT电池 该电池以n型晶体硅材料为基底材料，并在两侧沉淀本征层i和p及n型非晶硅薄膜，形成n型硅和非晶硅异质结结构（HIT）太阳能电池。非晶硅材料的带宽在1.7eV左右，远大于晶体硅
8、1.1eV的带宽，因此此种HIT电池结构对于电池表面有很好的钝化作用。由于非晶硅几乎没有横向导电性能，因此必须在硅表面淀积一层大面积的透明导电膜（TCO）以有效收集电池的电流。,图2-9 HIT电池结构,3.2.4 激光刻槽埋栅电池 激光刻槽埋栅电池极技术即利用激光技术在硅表面上刻槽，然后填入金属，以起到前表面电接触栅极的作用。与传统工艺的前表面镀敷金属层相比，激光刻槽埋栅电池所具有的优点是：栅电极遮光率小、电流密度高，埋栅电极深入到硅衬底内部可增加对基区光生电子的收集，浓磷扩散降低了浓磷区电阻功耗和栅指电极与衬底的接触电阻功耗，提高了电池的开路电压等。,图2-10 激光刻槽埋栅电池结构,3.
9、2.5 OECO电池1.标准OECO电池OECO(Obliquely evaporated contact)电池结构基于金属-绝缘体-半导体（MIS）接触，利用表面沟槽形貌的遮掩在极薄的氧化隧道层上倾斜蒸镀低成本的Al作为电极.OECO电池具有高效性的原因包括：(1)几乎是无遮挡的表面。(2)优异的MIS结构设计。OECO电池同时也是一种很低成本的电池，这是因为：(1)采用特殊的磨具可以使开槽工艺成本大为降低；(2)使用便宜的金属Al代替昂贵的Ag做前表面电极；(3)制作前表面,电极无需掩膜并且蒸镀金属几乎无损失；(4)无需光刻和其他高温工艺；(5)利用倾斜方式可以一次性蒸镀大批量电池；(6)
10、适合于大面积和薄的硅片制作电池。,图2-11 OECO电池结构,2.背接触双面BACK OECO电池 BACK OECO电池，即将所有的电极设计在电池的背光面上，与标准OECO电池的不同的是，BACK OECO电池正表面采用PECVD整面镀制SiN膜，实现了较好的钝化效果；而金属-绝缘体-半导体（MIS）接触线以波浪形分布在背表面，波脊的一侧是n型接触线，另一侧是p型接触线。这样的设计使电池兼具有OECO和背接触电池的优点，而其非常突出的一个优点是该电池可以十分有效地利用在背面之间来回反射的光，故能显著提高输出功率。,图2-12 BACK OECO电池结构,3.3 最大功率点跟踪 最大功率跟踪
11、(maximu power point-tracking,MPPT)是并网发电中的一项重要的关键技术，它是指控制改变太阳电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上，根据太阳电池的特性，目前实现的跟踪方法主要有恒压法、功率匹配电路、曲线拟合技术、微扰观察法和增量电导法。,第4章 提高太阳能电池转换效率的新发展,4.1 寻找光电转换新材料 以含有铟、镓和氮的合金(Inl-xGaxN)为基础的光电池将对所有太阳光谱的辐射从近红外线一直到紫外线都灵敏。利用这种合金可以研制比较廉价的太阳能电池板，而且新型太阳能电池板将比现有的更结实和更高效。近期，科学家正在研究一种新型金属纳米颗粒材料，
12、与传统的光学材料相比，这种物质能更好的捕获太阳光能量。,根据美国两所大学的研究人员们实验证实，一种名为“硅藻”(diatom)的微小海藻有助于使染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell)的电力输出提高三倍。4.2 蝶翅结构让太阳能电池更高效 生活在寒带及高纬度地区的蝴蝶，其翅膀鳞片所具有的微结构，有助于个体充分、高效地吸收利用太阳能，以保持其体温，维持其物种的延续。受此启发，研究小组设计了一种全新的具有高光采集效能的太阳能电池的光阳极构件，并对此进行了研,究和验证。可利用具有精细分级的蝶翅作为模板，来制备染料敏化太阳能电池用的Ti02光采集器件。研究发现，相对于普
13、通的Ti02薄膜，具有蝶翅结构Ti02的光吸收率可提高2倍以上，以此为光阳极，可以大大提高光采集效率，进而有望提高此类太阳能电池的光-电转换效率。4.3 可改进太阳能电池的新型电特性 美国Rutgers大学的一组物理学家发现了一种材料所具有的特殊电特性，能够提,升太阳能电池效率并改善计算机芯片设计。这种由铋、铁和氧组成的晶体能够实现可逆的二极管，这种二极管在光照条件下就能产生电流。这种晶体在频谱的蓝色端对光非常敏感，这一特性能够提升太阳能电池的效率。晶体的铁电本质说明它能表现出电极化。这种极化现象被称为“体效应”，遍布整个晶体，并控制其充当二极管的能力。当这种铁电晶体加上外加电压，其两极极性就会翻转，与其极性相同的方向电流可以通过。,第5章 结论,本文通过对影响太阳能电池转换效率的因素的分析，结合目前研究的实例来阐述了提高太阳能电池转换效率方法。主要方法有背接触法、钝化技术、激光打孔技术、激光刻槽埋栅技术，倾斜蒸镀等技术。同时，通过对当前热门研究的介绍，指明了今后提高太阳能电池转换效率的研究方向。提高太阳能电池转换效率的方法是多方面的，可以从多方面来考虑与研究，不仅从材料，工艺研究还可以从外界环境分析。太阳能电池技术发展的终极目标是提高效率并降低成本。,
