大面积单结集成型a-Si:H太阳电池的结构设计与制

2011-05-19 13:13:49来源: 互联网

摘要:大面积单结集成型a-Si:H太阳电池的结构设计技术,并分析了制备工艺对其性能的影响。

关键词:太阳电池设计分析

Structural Device and Preparation Analysis of Large Area
Single Junction Integrated a- Si:H Solar Cells

Abstract: This psper reports structural device of large area single junction integrated amorphous silicon solar cells,and analyses influence on performance by preparation.

Keywords:Solar Cell Device Analysis

1引言

a-Si:H太阳电池的出现,犹如一道曙光,照亮了太阳电池大规模地面向应用的道路,经过十几年的发展,其制备工艺日趋稳定和成熟,它巧妙的结构设计和廉价的制备工艺向人们说明:太阳能要从补充能源走向替代能源,这种结构设计技术和制备方法是必须采纳的,否则太阳电池昂贵的价格将会成为其发展的瓶颈。本文阐述了a-Si:H太阳电池的结构设计与制备分析,同时对影响其性能的工艺参数进行了讨论。

2大面积单结集成型a-Si:H太阳电池的结

构设计

2.1a-Si:H太阳电池的结构

  a-Si:H太阳电池是在玻璃基板上利用辉光放电沉积形成非晶硅PIN结构的平板式光电换能器件,单电池的结构如图1所示,当太阳光照射到电池上时,电池吸收光能产生电子-空穴对,在光电池的内建电场作用下,光生电子和空穴被分离,光电池的两端出现异性电荷积累,即产生光生电压,若在两侧引出电极并接上负载,则负载中就有光生电流流过,从而获得功率输出。图2示出了a-Si:H太阳电池的等效电路。IL为光生电流,Id为二极管的暗电流,Rsh为并联电阻,Rs为串联电阻,RL为负载电阻。

  目前,a-Si:H单电池的开路电压Uoc约为0.8V,工作电压Um约为0.55V,短路电流密度Jsc约为13.4mA/cm2,工作电流密度Jm约为11mA/cm2。这么小的电能输出基本上没有用处,若要输出较高的电压和较大的电流,就必须在结构上采取有效的串并联措施。

图1a-Si:H单电池结构       图2a-Si:H太阳电池的等效电路

2.2集成型a-Si:H太阳电池的结构设计

为了获得一定的功率输出,就必须把众多的a-Si:H太阳电池有效地串并联起来,然而,a-Si:H太阳电池是一种薄膜器件,靠外引线串联既不可靠也不方便,因而在制备时就必须考虑在内部集成。图3示出了它的内部集成结构图。图中1、2、3、4为四个单电池,组合形式为串联,电流流动方向如图中所示。

图3集成型a-Si:H太阳电池的内部结构图

若要设计一个给6V、4AhVRLA蓄电池充电的a-Si:H太阳电池组件,那么所需的太阳电池组件的工作电压为:

Um≥3×UT+Ud=8V

式中:UT为VRLA蓄电池的过充阈值电压,Ud为防反充二极管的正向压降。

由于单节a-Si:H太阳电池的工作电压约为0.55V,则至少需15节电池串联,若按C/10的电流充电,则所需的a-Si:H太阳电池组件的输出电流至少应大于400mA,那么单节太阳电池的面积至少应大于37cm2,考虑到内部串联布线所占的面积,最后单节太阳电池的面积取为1×51cm2。

因此所要求的a-Si:H太阳电池组件为15节单电池面积为1×51cm2的太阳电池串联。

3大面积单结集成型a-Si:H太阳电池的制备分析

a-Si:H太阳电池由多层薄膜有机结合而成,制备时按图4的工艺顺序制作。

图4a-Si:H太阳电池工艺顺序

3.1TCO的制备

TCO为绒面SnO2:F薄膜,它可由化学气相沉积(CVD)工艺来制备,制备选用平直度好、透射率高、新鲜、无污染、无水腐蚀的浮法玻璃做衬底,将其切割成上述计算的面积大小,洗涤烘干后送入CVD炉开始沉积,发生的化学反应如下:

SnCl4+O2=SnO2+2Cl2

SnCl4+2H2O=SnO2+4HCl

沉积完后将其放在钇钕石榴石激光器的平台上进行激光刻划,刻划的多少由所要求的串联电池数决定。

3.2P层的制备

P层成份为a-Si:H:B:C,制备工艺为等离子增强型化学气相沉积(PECVD),它是一种高频(13.56MHz)辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术,此法的优点是沉积速率快,成膜质量好,针孔少,不易龟裂,沉积的气源为SiH4,CH4,B2H6和He的混合气体。B2H6用来实现材料搀杂,He用作稀释气体,CH4的搀入是为了改善P层的光学性质。通过改变沉积过程中的气体分压比,就可以获得含C量不同的P层(a-Si:H:B:C)薄膜,而不同的含C量,就有不同的光电性质。

3.3I层的制备

I层成份为a-Si:H,制备工艺仍为PECVD,沉积的气源为SiH4和H2。本征层是光生电流的产生区,因而其成膜质量直接影响到a-Si:H太阳电池的性能,其性能主要由制备时的放电功率、基体温度、反应压力和气体流量来决定。成膜过程中,在保持一定的成膜速率下,尽量采用低的放电功率以提高薄膜的光电子学性能。

3.4N层的制备

N层为a-Si:H:P,沉积的气源为SiH4、PH3、H2和He的混合气体,其中PH3用来实现材料搀杂。a-Si:H:P薄膜的结构和光电性能同基体温度、气源配比、反应压力、放电功率和气体流量等因素紧密相关。

  在制备上述各层薄膜的过程中,反应压力、放电时间、气体流量和反应室温度均由计算机自动监测和控制,所需的控制参数由软件来实现。

  各层薄膜制备完毕后,将组件放到机械梳刻台上械梳,刻线线宽应小于0.2mm,硅刻线应紧贴在激光刻线的近旁,两者的公差为0.2~0.7mm,刻透率应大于80%,目的是形成各单电池的非晶硅层,并使Al与TCO良好接触。

3.5蒸铝

采用真空蒸发的方法制做Al电极,在集成型a-Si:H太阳电池中,铝不但用作各子电池的负极,而且它将各单电池在结构上串联起来。除此之外,铝薄膜还可反射没有被非晶硅合金层吸收的长波限光子,增加太阳电池对光的利用率。

  按上述要求设计制备出的集成型a-Si:H太阳电池组件,在美国CHRONAR公司的太阳电池测试台上测出的电池输出特性如图5所示。测试条件为:标准光强,AM1.5,100mW/cm2,25℃。从结果来看,达到了设计要求。

图5实验集成型a-Si:H太阳电池的输出特性

4结论

集成型a-Si:H太阳电池结构简单,制备工艺成本较低,容易设计成不同的形式以满足不同的用户需求。它的出现,极大的促进了整个太阳电池行业的发展。

关键字:太阳电池

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0519/article_8743.html
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