1、非晶硅薄膜太阳能电池基础知识大全非晶硅太阳电池的原理非晶硅太阳电池是 20世纪70年代中期发展起来的一种新型薄膜太阳电池， 与其他太阳电池相比，非晶硅电池具有以下突出特点：1).制作工艺简单，在制备非晶硅薄膜的同时就能制作 pin结构。2).可连续、大面积、自动化批量生产。3).非晶硅太阳电池的衬底材料可以是玻璃、不锈钢等，因而成本小。4).可以设计成各种形式，利用集成型结构，可获得更高的输出电压和光电转换效率。5).薄膜材料是用硅烷SiH4等的辉光放电分解得到的，原材料价格低。1.非晶硅太阳电池的结构、原理及制备方法TCOP1s不光CMl非晶硅太阳电池是以玻璃、 不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜
2、太阳电池， 结构如图1所示。为减少串联电阻，通常用激光器将 TCO膜、非晶硅(A-si)膜和铝(Al)电极膜分别切割成 条状，如图2所示。国际上采用的标准条宽约 1cm,称为一个子电池，用内部连接的方式将各子电池串连起来，因此集成型电池的输出电流为每个子电池的电流， 总输出电压为各个子电池的串联电压。在实际应用中，可根据电流、电压的需要选择电池的结构和面积，制成非 晶硅太阳电池。图2菲晶硅太阳电池爼件1.1 工作原理非晶硅太阳电池的工作原理是基于半导体的光伏效应。 当太阳光照射到电池上时， 电池吸收光能产生光生电子一空穴对，在电池内建电场 Vb的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到P边，电
3、子漂移到N边，形成光生电动势 VL, VL与内建电势Vb相反，当VL = Vb 时，达到平衡；IL = 0, VL 达到最大值，称之为开路电压 Voc ;当外电路接通时，则形成最大光电流，称之为短路电流 Isc，此时VL= 0;当外电路加入负载时，则维持某一光电压VL和光电流IL。其I-V 特性曲线见图3非晶硅太阳电池的转换效率定义为Pi 是光入射到电池上的总功率密度， Isc是短路电流密度，FF为电池的填充因子，Voc为开路电压，Im和Vm分别是电池在最大输出功率密度下工作的电流密度和电压。目前，子电池的开路电压约在 0.8V 0.9V之间，Isc达到13mA/cm2 FF在0.7-0.8之
4、间，n达到12%以上。由于太阳光谱中的能量分布较宽，主要部分由 0.3卩m1.5卩m的波长范围组成。现有的任采用分波段利用太阳能光谱的叠层电池而且也是主要趋势。叠层太阳电池的结构a-Si/a-Si/a-SiGe, a-Si/a-SiGe/a-SiGe,何一种半导体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转换太阳能 量，故单结太阳电池不可能完全有效地利用太阳能。结构则是有效提高光电转换效率的有效方法之一， 见图4。目前常规的叠层电池结构为 a-Si/a-SiGe,a-SiC/a-Si/a-SiGe 等.1.2 非晶硅太阳电池的制备图5是非晶硅太阳能电池制备方法示意图， 把硅烷(S
5、iH4)等原料气体导入真空度保持在10 1000Pa的反应室中，由于射频(RF)电场的作用，产生辉光放电，原料气体被分解，在玻 璃或者不锈钢等衬底上形成非晶硅薄膜材料。 此时如果原料气体中混入硼烷 (B2H6)即能生成P型非晶硅，混入磷烷(PH3)即能生成N型非晶硅。仅仅用变换原料气体的方法就可生成 pin结，做成电池。为了得到重复性好、 性能良好的太阳电池，避免反应室内壁和电极上残存的杂质掺入到电池中，一般都利用隔离的连续等离子反应制造装置， 即p,i,n各层分别在专用的反应室内沉积。SiH.+CH4+BiHT|SiH#+PH, I SiH. I 泗+晅亠!衬底阁冒非晶硅衣阳电池的制签2.非
6、晶硅太阳电池的应用非晶硅太阳电池的应用市场有两个方面： 一个是弱光电池市场，如计算器、手表等荧光下工作的微功耗电子产品；二是电源及功率应用领域。如太阳能收音机、太阳帽、庭园灯、 微波中继站、航空航海信号灯、 气象监测及光伏水泵、户用电源等。随着非晶硅电池稳定效率的不断提高以及生产规模的不断扩大、 成本的大幅度下降，促进了非晶硅太阳电池更大范围和更大规模的应用。非晶硅薄膜太阳能电池的优点非晶硅太阳能电池之所以受到人们的关注和重视 ，是因为它具有如下诸多的优点 ：1.非晶硅具有较高的光吸收系数 特别是在0.3-0.75um 的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级因而它比单晶硅对太阳能辐
7、射的吸收率要高 40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1um厚）就能吸收90%有用的太阳能这是非晶硅材料最重要的特点 ,也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素2.非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在 1.5-2.0 eV 的范围内变化,这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高3.制备非晶硅的工艺和设备简单 ，淀积温度低,时间短，适于大批生产.制作单晶硅电池一般需要1000度以上的高温，而非晶硅电池的制作仅需 200度左右.4.由于非晶硅没有晶体硅所需要的周期性原子排列 ，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题 .因而它几乎可以淀积在任何衬底上 ，包括廉价的玻璃衬底，并
8、且易于实现大面积化.5.制备非晶硅太阳能电池能耗少 ，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短很多：独立光伏电源系统设计方法经过光伏工作者们坚持不懈的努力，太阳能电池的生产技术不断得到提高，并且日益 广泛地应用于各个领域。 特别是邮电通信方面， 由于近年来通信行业的迅猛发展， 对通信电 源的要也越来越高， 所以稳定可靠的太阳能电源被广泛使用于通信领域。 而如何根据各地区 太阳能辐射条件， 来设计出既经济而又可靠的光伏电源系统， 这是众多专家学者研究已久的 课题， 而且已有许多卓越的研究成果， 为我国光伏事业的发展奠定了坚实的基础。 笔者在学 习各专家的设计方法时发现， 这些设计仅考虑了蓄
9、电池的自维持时间 （即最长连续阴雨天） ， 而没有考虑到亏电后的蓄电池最短恢复时间 （即两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数） 。 这个问题尤其在我国南方地区应引起高度重视， 因为我国南方地区阴雨天既长又多， 而对于 方便适用的独立光伏电源系统， 由于没有应急的其他电源保护备用， 所以应该将此问题纳入 设计中一起考虑。 本文综合以往各设计方法的优点， 结合笔者多年来实际从事光伏电源系统 设计工作的经验， 引入两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数作为设计的依据之一， 并综 合考虑了各种影响太阳能辐射条件的因素， 提出了太阳能电池、 蓄电池容量的计算公式， 及 相关设计方法。影响设计的诸多因素太阳
10、照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、 光强受到大气层厚度 （即大气质量） 、 地理位置、 所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、 一月和一年内都有很 大的变化，甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。太阳能电池方阵的光电转换效率， 受到电池本身的温度、 太阳光强和蓄电池电压浮动的 影响，而这三者在一天内都会发生变化，所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量。蓄电池组也是工作在浮充电状态下的，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变 化。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成， 它本身也需要耗能， 而使用的元器件 的性能、质量等也关系到
11、耗能的大小，从而影响到充电的效率等。负载的用电情况， 也视用途而定， 如通信中继站、 无人气象站等， 有固定的设备耗电量。 而有些设备如灯塔、航标灯、民用照明及生活用电等设备，用电量是经常有变化的。因此， 太阳能电源系统的设计， 需要考虑的因素多而复杂。特点是：所用的数据大多为 以前统计的数据，各统计数据的测量以及数据的选择是重要的。设计者的任务是： 在太阳能电池方阵所处的环境条件下 （即现场的地理位置、 太阳辐射 能、气候、气象、地形和地物等），设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源系统既要讲究经济 效益，又要保证系统的高可靠性。某特定地点的太阳辐射能量数据， 以气象台提供的资料为依据， 供设计太
12、阳能电池方阵 用。这些气象数据需取积累几年甚至几十年的平均值。地球上各地区受太阳光照射及辐射能变化的周期为一天 24h。处在某一地区的太阳能电池方阵的发电量也有 24h 的周期性的变化，其规律与太阳照在该地区辐射的变化规律相同。 但是天气的变化将影响方阵的发电量。 如果有几天连续阴雨天， 方阵就几乎不能发电， 只能 靠蓄电池来供电， 而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充好。 设计者多数以气象台提供的 太阳每天总的辐射能量或每年的日照时数的平均值作为设计的主要数据。 由于一个地区各年的数据不相同， 为可靠起见应取近十年内的最小数据。 根据负载的耗电情况， 在日照和无日 照时，均需用蓄电池供电。
13、气象台提供的太阳能总辐射量或总日照时数对决定蓄电池的容量 大小是不可缺少的数据。对太阳能电池方阵而言， 负载应包括系统中所有耗电装置 （除用电器外还有蓄电池及线路、控制器等)的耗量。方阵的输出功率与组件串并联的数量有关， 串联是为了获得所需要的工作电压， 并联是 为了获得所需要的工作电流，适当数量的组件经过串并联即组成所需要的太阳能电池方阵。3 蓄电池组容量设计 太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。 与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工 作在浮充状态下， 其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。 它的容量比负载所需的 电量大得多。 蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。 为了与太阳能电池
14、匹配， 要蓄电池工 作寿命长且维护简单。(1)蓄电池的选用 能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、 普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。 国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池， 因为其固有 的“免”维护特性及对环境较少污染的特点， 很适合用于性能可靠的太阳能电源系统， 特别 是无人值守的工作站。 普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大， 所以主要适于 有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、 过充、过放性能，但由于 其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。(2)蓄电池组容量的计算 蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内，方阵发电量
15、各月份有很大差别。 方阵的发电量在不能满足用电需要的月份， 要靠蓄电池的电能给以补足； 在超过用电需要的月份， 是靠蓄电池将多余的电能储存起来。 所以方阵发电量的不足和过剩值， 是确定蓄电池容量的依据之一。同样， 连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。 所以， 这期间的 耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此，蓄电池的容量 BC计算公式为：BC=A X QLX NLX TQ/CCAh(1)式中：A为安全系数，取 1.11.4之间；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数； NL为最长连续阴雨天数；TQ为温度修正系数，一般在 0C以上取1 , - 10C以上取1.1，- 10C
16、以下取1.2;CC为蓄电池放电 深度，一般铅酸蓄电池取 0.75 ，碱性镍镉蓄电池取 0.85 。4 太阳能电池方阵设计(1 )太阳能电池组件串联数 Ns 将太阳能电池组件按一定数目串联起来， 就可获得所需要的工作电压， 但是， 太阳能电池组 件的串联数必须适当。 串联数太少， 串联电压低于蓄电池浮充电压， 方阵就不能对蓄电池充 电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此， 只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。计算方法如下：Ns=URUoc= ( Uf + UM Uc) Uoc (2)式中：UR为太阳能电池方阵输出最小
17、电压； Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压； Uf为蓄电池浮充电压；UD为二极管压降，一般取 0.7V ； UC为其它因数引起的压降。 蓄电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关， 应等于在最低温度下 所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。(2)太阳能电池组件并联数 Np在确定NP之前，我们先确定其相关量的计算方法。1将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量 Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H (日辐射量参见表1):H=Ht X 2.778 / 10000h (3)式中：2.778 /10000 ( h?m2kJ)为将日辐射量换算为标准光 强(1000Wm2下的平均日辐射时数的系
18、数。2太阳能电池组件日发电量 QpQp=IocX HX KopX CzAh(4) 式中： Ioc 为太阳能电池组件最佳工作电流；Kop为斜面修正系数(参照表 1 )； Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰 尘、充电效率等的损失，一般取 0.8 。3两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数 Nw此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量 Bcb为：Bcb=AX QLX NLAh(5)4太阳能电池组件并联数 Np的计算方法为：Np= (Bcb+ NwX QL) (QpX Nw) (6)式(6)的表达意为： 并联的太阳能电池组组数， 在两组连续阴雨天之
19、间的最短间隔天数内所发电量， 不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。(3)太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数， 即可得出所需太阳能电池方阵的功率 P: P=PoX NsX NpW( 7)式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。光致衰减效应光致衰减效应也称 S-W效应。a-Si : H薄膜经较长时间的强光照射或电流通过 ，在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降 ,称为 Steabler-Wronski 效应。对 S-W 效应的起因 ，至今仍有不少争议 ，造成衰退的微观机制也尚无定论 ，成为迄今国内外非晶硅材料研究的热门课题。总的看法认为 ，S-W 效应起因
20、于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态 (深能级),这种缺陷态会影响 a-Si : H薄膜材料的费米能级 EF 的位置 ，从而使电子的分布情况发生变化 ，进而一方面引起光学性能的变化 ，另一方面对电子的复合过程产生影响。这些缺陷态成为电子和空穴的额外复合中心 ,使得电子的俘获截面增大、寿命下降。在a-Si : H薄膜材料中，能够稳定存在的是 Si-H键和与晶体硅类似的 Si-Si键,这些键的键能较大，不容易被打断。由于a-Si : H材料结构上的无序 ，使得一些Si-Si键的键长和键角发生变化而使 Si-Si 键处于应变状态。高应变 Si-Si 键的化学势与 H 相当 , 可以被外界能量打断
21、 ，形成 Si-H 键或重新组成更强的 Si-Si 键。如果断裂的应变 Si-Si 键没有重构 ，则 a-Si : H 薄膜的悬挂键密度增加。为了更好地理解 S-W 效应产生的机理并控制 a-Si : H 薄膜中的悬挂键 ，以期寻找稳定化处理方法和工艺 ，20 多年来 ，国内外科学工作者进行了不懈的努力 ，提出了大量的物理模型 ，主要有弱键断裂 (SJT) 模型、“H玻璃”模型、H碰撞模型、Si-H-Si桥键形成模型、 “ defect pool模型等，但至今仍没有形成统一的观点。大量实验结果对非晶硅太阳电池的光致衰减的机理有不同的解释， 但是实验现象基本 上是一致的，即光照后大都发现 Jsc
22、 于 FF 下降较大，而 Uoc 拜年话绩效。此外，最 初几个小时。电池性能衰减较快，而后趋于稳定，而且衰减快慢于光强有关。例如， 测试 N-I-P 及 P-I-N 结构的非晶硅太阳电吃，在不同负载(开路、短路、最佳负载) 下持续光照后，发现开路时效率衰减最快，短路时最稳定，效率下降主要是 Jsc 的衰 减所致。从实验结果看，光致衰减与电池的 I 层厚度有关，无论对 ITO/N-I-P/SS 还是ITO/P-I-N/SS 都是如此，其影响程度随 I 层的减薄而减小，对 ITO/N-I-P/SS 太阳电池更是如此。然而，在 I 层参入少量硼之后，太阳电池的光致衰减会大大减轻，这表 明非晶硅电池的
23、光致衰减可通过选择合适的结构以及形成结时的掺杂技术来改善。太阳能术语大气质量 AM(Air Mass)太阳光通过大气层的路径长度，简称 AM外层空间为 AMO,阳光垂直照射地球时为 AM1 (相 当春/秋分分阳光垂直照射于赤道上之光谱 )，太阳电池标准测试条件为 AM 1.5( 相当春 /秋 分阳光照射于南 / 北纬约 48.2 度上之光谱 )。日照强度 (Irradiance)单位面积内日射功率，一般以 W/怦或mW/c怦为单位，AM 0之日照强度超过1300W/怦，太阳电池标准测试条件为 1000W/tf (相当于100mW/ctf )。日射量 (Radiation)单位面积于单位时间内日
24、射总能量，一般以百万焦尔 /年.平方米(MJ/Y. m2)或百万焦尔/月.平方米(MJ/M. m) , 1焦尔为1瓦特功率于1秒钟累积能量(1J=1W.s)。太阳能电池 (Solar Cell)具有光伏效应 (Photovoltaic Effect) 将光 (Photo) 转换成电 (Voltaic) 的组件，又称为光伏 电池(PV Cell)，太阳能电池产生的电皆为直流电。太阳光电( Photovoltaic )简称 PV( photo= light 光线， voltaics=electricity 电力)，由于这种电力方式不会产 生氮氧化物，以及对人体有害的气体与辐射性废弃物，被称为清净发
25、电技术。PV Syste m ，则是将太阳光能转换成电能整套系统，称为太阳光电系统或光伏系统，依分类 有独立型、并联型与混合型。PV模板(PV Module)将多只太阳电池串联提升电压，并以坚固外材封装以利应用，又称为模块 (PV Pannel 或 PVModule) 。PV组列(PV String)将模板多片串联成一列， 组列的目的在提高电压， 将 10 片模板电压 20伏特 5安培串联成组 列，组列电压即有 200伏特、电流为 5安培。PV数组(PV Array)将多个组列并联即为数组。 数组目的在提高电流， 将 5串组列电压 200 伏特 5安培并联成数 组，数组电压为 200伏特、电流
26、为 25 安培。由 1个组列构成的数组，数组就相当于组列。 独立型系统 (Stand Along System) 将多只太阳电池串联提升电压，并以坚固外材封装以利应用，又称为模块 (PV Pannel 或 PV Module) 。并联型系统 (Grided System)PV数组输出经换流器转换成交流与市电或自备发电机并联，系统无需配置蓄电装置。混合型系统 (Hybrid System)独立型与并联型混合体， 在天灾市电停止供电时， 并联型系统会停止运作， 混合型可切换于 独立型继续供电，因此又称为防灾型。瓩( kW) 千瓦，发电设备容量的计算单位； 1瓩=1000瓦( Watt)。峰瓩( k
27、Wp)P表peak，代表峰值。指装设的太阳电池模板在标准状况下，(即模板温度 25C、转换转换效率 15%)最大发电量总和。通常 1 峰瓩可发 3-5 度电。瓩时( kWh) 为衡量发电用量的单位，指使用 1000 瓦的电器设备 1小时所消耗的电力，俗称度。MW( Mega Watt ) 百万瓦，在衡量太阳光电公司产能时通常采用单位。安培小时 Ah(Ampere Hour)另一种电能量表示方式，通常用于蓄电池容量， 50Ah表示5安培10小时容量或1安培50小时容量，唯蓄电池容量不能全部利用。负载( Load) 特定时间内，每单位时间输出的电力或电流。 http:/www.a- 建材一体太阳电
28、池模板( BIPV,Building Integrated Photovoltaics )将太阳光电系统结合建筑设计的一种节能建材产品， 可直接取代传统屋顶、 窗户、 外墙及遮阳( 雨) 棚等。 可大幅改善传统太阳光电系统笨重外型， 不但美观还可以增加空间效益； 打造 另一个太阳光电建筑产业的市场商机 。电力调节器 (Power Conditioner)负责电力调节功能设备的统称，对蓄电池充电 / 放电调节的控制器，或将直流转换交流调节 的换流器皆是。充电控制器 (Charger )具蓄电池充电控制功能， 可控制充电电流大小， 当蓄电池电压达饱和电压时能予切断充电功 能的控制器，这是独立型配置
29、蓄电池必要设备。放电控制器 (Charger)蓄电池放电控制功能， 可限制放电电流大小或时间， 当蓄电池于截止电压时能予切断放电功 能的控制器，这是独立型配置蓄电池必要设备。 http:/www.a-充/ 放电控制器 (Charger/Discharger) 具充电与放电功能的控制器，常用于独立型系统上。变流器 (Inverter) 将直流电转换成交流设备，又称为逆变器，用于并网型 PV系统换流器是专属规格，不同于一般市售改变频率的换流器太阳能技术太阳能技术太阳能随着煤炭、石油、天然气储量的减少，传统化石能源价格飞涨，光伏发电逐渐由特殊场 合应用走向传统用电领域。太阳能发电将是唯一随着时间推移
30、价格逐渐下降的能源。 太阳能发电绿色无污染，不受地域限制，不会被某些国家或地区垄断。太阳能发电原理太阳能电池实质上是一个可以发电的二极管，太阳能电池的核心是 PN结。太阳光照在硅材料构成的PN结上，产生光生载流子， 正的载流子（空穴） 被PN结的内建电场扫到电池的正 极，负的载流子（电子）被扫到负极，从而在正负极间产生了光生电动势。为什么要采用非晶硅薄膜太阳能电池1.弱光性好 即使在很弱的光照下，电池也可以工作。2.温度系数小 强光照射下，电池温度上升时，电池效率下降很小。3.电池重量轻 采用硅薄膜替代了传统的硅片，电池重量显著下降。4.易于实现光伏建筑一体化 非晶硅薄膜电池可作成透光和不透光
31、两种，电池颜色可调；电池面积大，整块玻璃为一块电池，没有拼装痕迹。用于光伏建筑一体化（ BIPV ）时美观大方，轻巧耐用。晶硅光伏幕墙非晶硅光伏幕墙(PV Facades )5.耐老化 电池进光面没有 EVA塑料，避免了 EVA老化对电池光吸收的影响6.年发电量大 有单位曾经做过测定， 和单晶硅、多晶硅太阳电池相比， 同样标称功率的非晶硅薄膜电池年发电量最大。单晶硅、多晶硅、非晶硅年发电量对比7.能耗回收期短 非晶硅电池在制作过程中耗能较小， 电池投入发电后工作1年半的电量就可以弥补制作时消耗的能量，是真正的绿色能源。参数指标单晶硅电池多晶硅电池非晶硅电池厚度/卩m4004001工艺温度/ C10001000200耗能 /kW?h?m220001000100能耗回收期/year19.314.01.0-1.58.可以做成柔性电池 非晶硅薄膜电池的衬底可以是玻璃， 也可以是不锈钢、 塑料，可以根据要求做成柔性电池，进一步拓宽了应用
