光伏技术发展评述与新型硅基异质结-太阳电池研究进展-沈辉-solarbe文库

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- 0 - 2018-9-6沈辉 - 1 - 2018-9-6 光伏技术溯源太阳电池发展评估新型硅基异质结太阳电池古代太阳文化与技术快闪结束语（ SiliconPV 2018, EPFL, Lausanne, Switzerland） - 2 - 2018-9-6 意大利（ 1786， 1800）伽瓦尼、伏打 A.Volta－电化学、直流电法国（ 1839）埃德蒙 ˙ 贝克勒尔－光电流现象德国（ 1887）海因里希 ˙ 赫兹－光电效应德国（ 1905）阿尔贝特 ˙ 爱因斯坦－光子假说，光电效应方程美国（ 1954）贝尔实验室－发明实用单晶硅电池美国（ 1961）肖特莱－太阳电池效率上限电压单位伏特（ V Volt） - 3 - 2018-9-6 A. E. Becquerel, Memoire sur les effets electriques produits sous l’influcence des rayons solaries, Compt. Rendns de L’Academie des Sciences 9 1839, S. 561 56tM. D HOMBRES-FIRMAS adresse quelques fragments d os fossiles qu ila trouvés aux environs d Alais, dans une localité déjà signalée par luicomme contenant en abondance des débris de cette sorte. Ceux qu il avaitrencontrés jusqu ici se présentaient à la surface du sol réduits en fragmentstrop petits et trop confondus entre eux pour qu il fût facile de déterminerles espèces auxquelles ils avaient appartenu. M. D Hombres Firmassoupçonna que ces os, trouvés au milieu de champs labourées, provenaientde la couche d argile superposée aux bancs de marne crayeuse, couchequi en cette localité forme la superficie du sol et est chaque annéebouleversée par la charrue. Il dirigea, en conséquence, ses, recherchevers des points où cette couche n avait point encore été remuée, etc est en effet dans un de ces points restés vierges qu il trouvé deuxportions d os qu il adresse aujourd hui à l Académie; ces os étaient brisésen plusieurs fragments, mais les fragments avaient conservé leur positionassez bien pour qu on pût rapprocher les pièces correspondantes de ma- nière à ne conserver aucun doute sur leurs véritables rapports.Ces fragments sur la demande de M. D Hombres-Firmas, sont renvoyésà l examen d une Commission composée de MM. de Blainville, Flourens etCordier. MÉMOIRES LUS.lfiérrtoire sur les effets électriques produits sous l influence des rayonssolaires; par M. EDMOND BECQUEREL. § Ier. Action de la radiation sur les lames métalliques.« Dans le dernier Mémoire que j ai eu l honneur de présenter à l Aca-démie, dans sa séance du lundi 29 juillet I839, je me suis attaché àmettre en évidence, à l aide des courants électriques, les réactions chi-miques qui ont lieu au contact de deux liquides, sous l influence de lalumière solaire. Le procédé que j ai employé nécessitait l emploi de deuxlames de platine, en relation avec les deux extrémités du fil d un multi-plicateur très sensible et qui plongeaient chacune dans une des disso- lutions superposées. Or comme ces deux lames éprouvaient elles-mêmesles effets de la radiation, il a dû en résulter des phénomènes çomposés,dont je vais m occuper dans ce nouveau Mémoire. On sera à même en-suite de faire la part de chacun des effets produits.发现光的电流现象后被称为 “ 光伏效应 ” - 4 - 2018-9-6 A. Smee, 1849, 电子生物学，人的伏打机制p11, p14 photo-voltaic battery; p15 photo-voltaic circuit 英文 “ 光伏 ” 一词的出处 - 5 - 2018-9-6 A. Einstein, Annalen der Physik, 4 17, p132-148, 1905 “关于光的产生与转化的一个启发性观点 ” 爱因斯坦指出光的波动理论的不足，用光的粒子性解释黑体辐射，提出光子理论假设，光子 photon – light quantum 能量为E hν。爱因斯坦在这篇文章中首次提出的光量子概念（Lichtquant - Energiequant），能量 E R/N βν hv 根据能量守恒定律，爱因斯坦提出光电效应方程 hν 1/2mvm2 A 1/2mv m2 －光电子的最大初动能； A －电子逸出功圆满解释光电效应现象 - 6 - 2018-9-6 J. Bardeen, W. H. Brattain, The Transistor, A Semi-Conductor Triode, The Physics Review, 711948, p230 J. Bardeen 后来还由于建立超导理论第二次获得诺贝尔物理奖肖克利（ W. B. Shockley），美国物理学家，1956诺贝尔物理奖获得者 , 他发表了 p-n结论文与太阳电池效率方面的论文 W. B. Shockley, “The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors”, The Bell System Technical Journal, 28 p435-489, 1949 William Bradford Shockley February 13, 1910 – August 12, 1989 - 7 - 2018-9-6 First Paper for Silicon Solar Cell Form Journal of Applied Physics, 251954, p676A New Silicon p-n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical PowerD. M. CHAPIN, C. S. FULLER, AND G. L. PEARSONBell Telephone Laboratories, Inc. Murray Hill, New JerseyReceived January 11, 1954 - 8 - 2018-9-6 W. Shockley and H. J. Queisser, Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells, J. Appl. Phys., 32 1961 510 - 9 - 2018-9-6 - 10 - 2018-9-6PV Modules of Solarex, produced in 1982 in USA, installed in 1985 in China, until now the degradation rate less than 10 - 11 - 2018-9-6 Until now, no revolutionary change, just technical progress for solar cell technology Three features have not changed– Semiconductor Si; p-n junction; Ohmic contact or metallization Just one generation of solar cells c-Si for mass production and application DSSc, a-Si, CdTe and CIGS solar cells have not been able to replaces c-Si solar cells Now, perovskite cells It’s enough for each kind of solar cells to find the right market such as a-Si for consumer goods, CIGS for BIPV or mobile or flexible power. - 12 - 2018-9-6 Which solar cells will dominate the PV market in the future c-Si or thin film If c-Si continues to be the mainstream, two questions will be often asked Mono or Multi Si, and p-type or n-type It’s determined by the market The production cost per watt is an important factor - 13 - 2018-9-6 Poly-Si thin film solar cells 2000-2003Tech. from FhG-ISE, Inventor Dr.Eyer 13 Concept SSP Silicon sheets from powder RTCVD Poly-Si thin films –Eff. 8-10 - 14 - 2018-9-6 Evergreen Solar Wuhan, China 武汉工厂内的带硅生长设备 2009年下半年起陆续从美国搬来，2010年 3月开始量产；武汉工厂到 2012年第二季度关闭时，量产设备有 160 台，均为 4片（ 150 mm x 80 mm）设计，其中 2台改装为 2片（标准 156 mm x156 mm 硅片），产能为 75 MW/年； 2片设备的设计年产能为 0.5 MW/台，带硅的总长度约为 2 m；硅片尺寸为 - 半硅片 150 mm x 80 mm，厚度 170-190 μm; - 标准硅片 156 mm x 156 mm，厚度 170-190 μm - 15 - 2018-9-6 Evergreen Solar Si ribbon tech美国 1366公司硅片技术是否能够成功 Ribbon length 2 m, width156 mm, thickness 170-190 μm Total production capacity 75 MW/a - 16 - 2018-9-6 We focus on the development of new heterojunction Si solar cells Motivations Using Si wafer as the base material No diffusion process No high temperature process PVD technology Thermal evaporation or magnetron sputtering Materials Sulfide CdS, ZnS, In 2S3 p-Si Oxide CrOx, WOx, MoOx n-Si 金属 /氧化物 /金属为空穴选择性接触 MgFx/Mg/Al为电子选择性接触等多层膜结构 - 17 - 2018-9-6 Why chose p-type Si as substrate p-type Si modules have occupied the biggest part of PV market High efficiency can also achieved on p-type Si base Voc 726.6 ± 1.8 mV, Jsc 42.62 ± 0.4 mA/cm2 , FF84.28 ± 0.59 , PCE26.1 on p-Si with a designated cell area of 4 cm2 ISFH . - 18 - 2018-9-6 Material Selection cadmium sulfide CdS Basic property Ø Easy to deposit CBD, Thermal evaporation, SputteringØ Widely used as window layer in thin film solar cells eg CdTe, CIGS solar cells https//en.wikipedia.org/wiki/ https//www.nrel.gov/pv/ CdS has a bigger band gap than a-SiH 1.75 eV and is also more conductive, thus it is very suitable as window layer.In CIGS, CdTe and CZTS thin film solar cells, the CdS thickness usually ≥ 50 nm - 19 - 2018-9-6 Dopant free Heterojunction solar cells on p-Si waferYear Institute/Author PCE Area（ cm2） Jsc（ mA/cm2） Voc（ mV） FF Method1967 Tokyo Institute of Technology 4.9 - 16 480 - Thermal evaporation1977 F. M. Livingstone 7 1 24 490 72 Electron beam evp.1980 C. Coluzza 9.5 - 29.3 500 65 Co-evaporation1982 Brown University 11 0.185 30.19 506 73 Thermal evaporation30 520 52 Screen printingToshiya Hayashi 15 510 65 Thermal evaporation2012 Peking University 0.52 - 10.68 245 20 CBD 2015 Indian Institute of Technology 2.96 4 16.5 430 42 Pulsed laser depositionSYSU-ISES 10.63 1 28.75 543 68.13 Thermal evaporationSYSU-ISES 9.44 3.81 27.97 467 72.3 Thermal evaporationSYSU-ISES Magnetron sputteringHistory of developments of n-CdS/p-Si solar cells *All the CdS films fabricated in our group are dopant free - 20 - 2018-9-6 Device fabrication and characteristic n-CdS/p-Si heterojunction solar cells with PCE 11.3 firstly by sputtering The best efficiency among n-CdS/p-Si heterojunction solar cells - 21 - 2018-9-6 ZnS and n-ZnS/p-Si heterojunction solar cells Eg/eV Electron affinity /eV Lattice constant/nm Raw materials Preparation methodZnS 3.7 3.9 0.541 ZnS granule Thermal evaporationa-SiH 1.7 3.9 PH3, SiH4 PECVD Comparison between ZnS and a-SiH Energy band of ZnS/p-Si HJT-SCs 2013a 2013 b 2017※Voc/mV 279 319 517Jsc/mA·cm-2 23.83 29.11 31.05FF/ 40.79 39.31 55.00PCE 2.72 3.66 8.83 Development of ZnS/p-Si HJT-SCs※ By SYSU-ISESa. Journal of Physics and Chemistry of Solids 74 2013 1403–1407 b. Ji et al. Nanoscale Research Letters 2013, 8470 ※ .Materials Letters 198 2017 23–26 Material selection zinc sulfide ZnS - 22 - 2018-9-6 Device fabrication and characteristic ZnS/p-Si heterojunction solar cells with PCE 10 by thermal evaporation Cell area 2*2 cm2 Thermal evaporation RT Voc525 mVJsc33.75 mA/cm2FF61.73PCE10.94 - 23 - 2018-9-6 Device fabrication and characteristic Power loss analysis NO.1 Shading lossMetalization ratio-8.3NO.2 NIR parasiticNO.3 Base collection loss NO.1 ZnS bulk resistance-72.32NO.2 Electrode resistance-16.88a bc d - 24 - 2018-9-6 ØLight soaking effect in ZnS/p-Si solar cells Phenomenon p Light soaking effect was observed in the ZnS/p-Si heterojunction solar cells for the first time. The device performance was found to be improved with the measurement times increasing and finally reach to saturation. - 25 - 2018-9-6 p Optical filters with different wavelength were inserted between the device and the xenon lamb of the IV simulator to find out which layer led to the light soaking effect.p The improved PCE took place mainly under the short wavelength illumination while under the other wavelength illumination the PCE kept nearly constant or even decreasing. p ZnS layer should be responsible for the light soaking effect, since the short wavelength light was absorbed mainly on the surface of the device. ØLight soaking effect in ZnS/p-Si solar cells Investigation - 26 - 2018-9-6 p The generated-holes are captured by the deep-levels states. Hence, many free electrons can release to ZnS.p The increased free electron concentration in ZnS results in bigger fermi energy difference between ZnS and p-Si then enhances the built-in electric field and Voc. Besides, the conduction band offset peak would lower and benefit for the carrier transportation minimizes. Then the FF improved. p The reduction of DLTS signal reflects the decreasing of defect states in ZnS, which indicates that the short wavelength illumination on ZnS can ‘repair’ the defect states. Deep Level Transient Spectroscopy ØLight soaking effect in ZnS/p-Si solar cells Qualitative Model - 27 - 2018-9-6 1、 p型硅为衬底，使用磁控溅射、真空热蒸发进行制备，设备要求低，工艺可行性高。2、 In2S3薄膜致密且均匀，适合作为发射极3、无需掺杂，制备工艺简单易行。4、制备中不需引入有毒或易燃的特殊气体。 In 2S3/p-Si电池结构图 In2S3/p-Si异质结太阳电池 - 28 - 2018-9-6 Device fabrication and characteristic n-In2S3/p-Si heterojunction solar cells with PCE 10 prepared firstly by magnetron spatteringSputtering 11.39Evaporation 10.72 In2S3/p-Si电池 JV曲线 - 29 - 2018-9-6 MLBC太阳电池的定义及制备工艺多层膜背接触 Multi-Layer Back Contact, MLBC太阳电池是指，空穴选择性接触或电子选择性接触结构，是采用多层薄膜沉积技术，如金属 /氧化物 /金属为空穴选择性接触、 MgFx/Mg/Al为电子选择性接触等多层膜结构。