绘芯电池测试 - 专业的电池测试平台!

电池测试在线  - 电池测试仪|超级电容测试仪|电池测试系统|超级电容

当前位置: 电池测试 > 知识库 >

HIT电池工作原理

时间:2018-05-20 18:08来源:未知 作者:admin 点击:
太阳能以其独具的优势,其开发利用是最终解决常规能源特别是化石能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径。HIT 电池由日本Sanyo 公司于1990 年提出,目前已达到23.7%的最高效率。HIT太阳能电池,即含有本征薄层的异质节太阳能电池,属于硅薄膜太阳能电

HIT电池工作原理

  

     【电池测试在线太阳能以其独具的优势,其开发利用是最终解决常规能源特别是化石能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径。HIT 电池由日本Sanyo 公司于1990 年提出,目前已达到23.7%的最高效率。HIT太阳能电池,即含有本征薄层的异质节太阳能电池,属于硅薄膜太阳能电池的一种。本文详细论述HIT太阳能电池的各部分构成、相关原理及其制作。

关键词HIT 电池;缓冲层;PECVD;能带理论

 1.人类面临的能源问题

能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。随着不可再生资源日益减少,光伏发电逐渐受到人们的重视。

太阳能以其独具的优势,其开发利用是最终解决常规能源特别是化石能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径,是人类理想的替代能源。太阳能的优势有:①储量的“无限性”。②存在的普遍性。③利用的清洁性。④利用的经济性。关于太阳能的利用,基本分为太阳能热能工程和太阳能光伏工程两大类。

100 多年前科学家就开始了对光伏发电技术的研究。1839 年法国物理学家 A.E.贝克勒尔意外地发现,用两片金属浸入溶液构成的伏特电池,光照时会产生额外的电势,他把这种现象称为“光生伏特效应”。 1880 Charles Fritts 开发出以硒为基础的光伏电池。以后人们即把能够产生光生伏特效应的器件称为“光伏器件”。半导体 p-n结器件在阳光下的光电转换效率最高,通常称这类光伏器件为“光伏电池”或“太阳能电池”(Solar Cell)

太阳能电池的种类很多,单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池。多年来各国科学家一直在努力研究低成本高效薄膜太阳电池技术,1990年日本Sonya 公司在非晶硅薄膜太阳电池的基础上提出了a-Si/c-Si 异质结太阳电池,并称其为HIT(hetero-junction with intrinsic thin layer)电池。HIT 电池既利用了薄膜电池的制造工艺优势,又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点,具有实现高效、低成本太阳电池的发展前景。

2.太阳能电池工作原理

太阳能电池的基本工作原理如图 2-1 所示p-n 结两侧因多数载流子(n+区中的电子和 p 区中的空穴)向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区 W,建立自建电场。它对两边的多数载流子是势垒,阻挡其继续向对方扩散;但它对两边的少数载流子(n+区中的空穴和 p 区中的电子)却有牵引作用,能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时,少数载流子极少,难以构成电流,输出电能。但是,当光伏电池受到太阳光的照射时,在光伏电池内部产生出大量处于非平衡状态的电子-空穴对,这些光生非平衡少数载流子(即 n+区中的非平衡空穴和 P 区中的非平衡电子)可以被内建电场牵引到对方区域,然后在光伏电池的 p-n 结中形成光生电场 。其中光生电场 的方向与内建电场 相反。当接通外电路,即可流出电流,有电能输出。

 

     太阳能电池工作原理示意图  2-1

 

等价电路图

3.HIT电池的构造及原理

在太阳能电池家族中,单晶硅太阳能电池的转换效率很高,技术成熟。但是由于其需要高温工艺和高质量的单晶硅作为衬底,使得电池的造价昂贵,难以大规模推广应用。非晶硅薄膜太阳能电池运用等离子增强型化学气相淀积(PECVD)进行制备,其低温工艺过程使得廉价衬底的使用成为可能;同时极薄的非晶硅层减少了原料的消耗,降低了电池成本。但非晶硅太阳能电池的转换效率(<10 %)远低于单晶硅太阳能电池,光致衰退效应(S-W 效应)的存在更使得电池的稳定性差,效率损失严重,这构成了非晶硅太阳能电池的致命缺陷。Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer (HIT)太阳能电池结合了单晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池的优势。

下图为 HIT 太阳能电池的结构示意图。该电池在单晶硅衬底上依次淀积本征非晶硅薄膜和掺杂非晶硅。不同的是 HIT 电池采用的是异质结结构。异质结定义为用两种不同材料所组成的结。HIT 电池是以晶体硅作为衬底,上面的非晶硅薄膜作为发射极来构成 p-n 异质结,将光能转换为电能输出。

HIT具体结构如下图所示,c-Sin)为吸收层,光学帯隙比较小,大概1.2ev左右,c-Si的作用一是形成p-n结,产生内建电场二是在光照条件下产生载流子(作为吸收层),三是与背面a-Si形成背电场。a-Sii)层的作用是钝化c-Si,减少载流子的复合从而增大电流。n+a-Si 作为背电场,与n 型的c-Si形成 n-n+结构,形成n+区指向 n 区的内建电场,相当于一个钝化场,极大地减小了载流子的复合。TCO是透明导电氧化物,这一层作为电极。另外无论是a-si层还是TCO层,其光学帯隙分别为1.7ev4.0ev左右,比c-si帯隙大有利于更多的光到达c-si

        HIT太阳能电池结构示意图

 

对于HIT电池,一般都以n-c-si作为吸收层。下图是 p 型和 n Si 衬底HIT 结构电池能带结构示意图。非晶Si 和晶体Si 的导带△EC 和价带带阶差△EV 分别约为0.15, 0.45 eV, 显然价带带阶更大。

n Si 衬底HIT 电池, 前表面处较小的光学帯隙有利于多数载流子即电子的收集,而较大的价带带阶, 形成少子空穴陷阱, 势阱中空穴势垒较高, 热发射概率小, 有效地阻止了光产生空穴的传输。背面薄本征a-SiH n a-SiH n c-Si形成有效的背表面场( BSF) , 其价带处较大的带阶及较厚的本征层形成了空穴镜。而导带处较小的带阶差对电子的传输不构成阻碍。也就是说a-SiH( i/ n) 提供了完美的多子输运的背接触及少子反射的反射镜。

p 型衬底HIT 电池, 前表面处, 导带带阶小, 少数载流子即电子受到较小的阻滞, 比在n 型衬底结构中更容易被收集, 因此内建电压比n 型衬底的低很多。在背面, 导带带阶小, 形成的反射镜作用弱得多。另外, 价带处大的带阶, 极大阻碍了多子即空穴的收集。可见, 理论上从带阶的比较中可以看出n Si衬底HIT 电池性能更为优越。

n Si 衬底还具有其他优势, 一方面n 型衬底Si 电池克服了p Si 衬底上电池的光致衰退现象,另外n Si 材料中高效复合中心的密度远低于p型材料; 电子具有更高的寿命及扩散长度; 高温稳定性也更好; n Si 电池的光电转换效率更高。人们对n Si 电池给予了相当大的期望。


                            apsi



                          bnsi

NSi衬底和pSi衬底上HIT结构太阳能电池的能带图

 

4.HIT电池的优势与制备

HIT 太阳能电池利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor  Deposition )法 ,即 PECVD 法制备而成。一方面实现了单晶硅太阳能电池的高转换效率(22.3%)另一方面其低温工艺也使得廉价衬底(如太阳电池级硅)的使用成为可能,有效降低了成本。相对于传统晶硅电池,HIT 电池具有明显的优势。与传统晶硅电池相比它还具有优良的温度特性,同时可以获得很高的开路电压。概括起来,HIT 太阳能电池有以下显著优点

(1)低温工艺

HIT 太阳能电池结合了薄膜太阳能电池低温(200~250℃)制造的优点,使得a-Si:H 薄膜掺杂、禁带宽度和厚度得以较精确控制,工艺上易于优化器件特性;而且低温工艺对硅衬底的热损伤较小,由此引起的少子寿命下降几乎可以忽略。从而允许采用“低品质”的单晶硅甚至多晶硅做衬底。

(2)高效率

HIT 电池继承了单晶硅的高迁移率特点,独有的带本征薄层的异质结结构,在形成 p-n 结的同时完成了对单晶硅表面的钝化,大大降低了异质结界面复合,提高了电池效率。

(3)高稳定性

HIT 电池的光照稳定性好, 理论研究表明非晶硅薄膜/晶态硅异质结中的非晶硅薄膜没有发现Staebler-Wronski 效应, 从而不会出现类似非晶硅太阳能电池转换效率因光照而衰退的现象。

    等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor  Deposition )法 ,即 PECVD 法,是众多的制备非晶硅薄膜的工艺技术中研究最为广泛和工业应用最成熟的制备方法,利用辉光放电的物理作用来激活化学气相沉积反应。 PECVD法从根本上改变了反应体系的能量供给方式 ,源气体反应 所需的能量从由热能供给转由带电粒子动能供给。

等离子体能够使反应所需的温度降低 ,这样可以阻止薄膜与衬底发生不必要的扩散与化学反应 ,也可以使薄膜或衬底材料的结构保持稳定, 不会对薄膜 的性能产生劣化的影响,而且反应物的活性被大大提高了,这些具有高反 应活性的中性物质很容易被吸附到基体上沉积生成薄膜。

PECVD制备非晶硅成膜,主要过程为:首先,在非平衡等离子体中,电子与Si发生初级反应,形成SiHm离子和活性基团;其次,活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运,同时发生各反应物之间的次级反应(对于PECVD制备非晶硅薄膜通常选用10-100 Pa,电子能量小于10eV,因此次级反应的离化物比例较小);最后,初级和次级反应产物经过吸附、成键和放氢等在衬底表面形成薄膜。其中放氢

过程以及H原子刻蚀作用对薄膜结构影响较为显著。

Si为例:Si+(Si-H)(Si -)        (i)

(Si -)(Si -SiH)+(放氢) (ii)

(Si-SiH)+(Si-H)(Si-Si-SiH) (iii)

(i)(ii)(iii)分别为SiH所对应的吸附成键、放氢和最后与邻近Si-H结合构成新的生长表面的过程。

HIT太阳能电池的主要性能指标有:1.短路电流Isc2.开路电压Voc3.最大工作电压Vm4.最大工作电流Im5.填充系数FF6.转换效率η、7.串联电阻Rs8.并联电阻。

5.小结

HIT 电池虽然发展很迅速, 但是仍然存在许多问题。由于生产过程中的每一步工艺要求都很严格, 所以在保证高效的情况下, 大规模的量产还需要进一步的研究。HIT 电池虽然效率已达23%, 成本也在逐渐降低, 但发电成本仍然远高于传统方法的发电成本。目前,H IT 电池研究最多的是非晶硅/ 单晶硅异质结电池, 其中廉价非晶硅的用量很少, 而价格昂贵的单晶硅仍占多数。因此, 为了满足国民生产对太阳能电池组件的需求,在以后的研究中, 一方面应大力开发新技术在保证电池转换效率的前提下降低HIT 电池的厚度; 另一方面用廉价材料代替价格昂贵的单晶硅材料来降低成本, 如多晶硅。同时也可以通过开发新技术来降低单晶硅的生产成本。

参考文献

[1]翁民航, 刘玮. 太阳能电池[M] . 科学出版社, 2013, 4

[2]A. Datta, J. Damon-Lacoste, M.Nath,P. Roca i Cabarrocasc. Dominant role of interfaces in solar cells with N-a-Si:H/P-c-Si heterojunction

with intrinsic thin layer[J] . Materials Science and Engineering B, 2009.10-13159-160

[3]刘艳红,刘爱民. 带有本征层的异质结太阳能电池[J] . 趋势与展望, 2010.01.001

[4]少飞, 吴爱民, 张学宇, 姜 辛. HIT太阳能电池的发展概况[J] . 材料导报A, 2010.725):130

[5]张佳宁, 刘爽, 张怡, 陈伟. 非晶硅薄膜表面形貌和光学性质的工艺研究[J] . 材料、结构及工艺, 2010631.3

[6]许伟民,何湘鄂, 赵红兵, 冯秋红.太阳能电池的原理及种类[J] . 发电设备, 2011.525):2

[7]宋志成,曾祥斌. 具有本征非晶硅层的异质结太阳能电池的研究[J] . 硕士论文, 2009.5.25

 


(责任编辑:admin)
织梦二维码生成器
顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
栏目列表
推荐内容