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

- 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. DHOMBRES-FIRMAS adresse quelques fragments dos fossiles quila trouvs aux environs dAlais, dans une localit dj signale par luicomme contenant en abondance des dbris de cette sorte. Ceux quil avaitrencontrs jusquici se prsentaient la surface du sol rduits en fragmentstrop petits et trop confondus entre eux pour quil ft facile de dterminerles espces auxquelles ils avaient appartenu. M. DHombres Firmassouponna que ces os, trouvs au milieu de champs laboures, provenaientde la couche dargile superpose aux bancs de marne crayeuse, couchequi en cette localit forme la superficie du sol et est chaque annebouleverse par la charrue. Il dirigea, en consquence, ses, recherchevers des points o cette couche navait point encore t remue, etcest en effet dans un de ces points rests vierges quil trouv deuxportions dos quil adresse aujourdhui lAcadmie; ces os taient brissen plusieurs fragments, mais les fragments avaient conserv leur positionassez bien pour quon pt rapprocher les pices correspondantes de ma- nire ne conserver aucun doute sur leurs vritables rapports.Ces fragments sur la demande de M. DHombres-Firmas, sont renvoys lexamen dune Commission compose de MM. de Blainville, Flourens etCordier. MMOIRES LUS.lfirrtoire sur les effets lectriques produits sous linfluence des rayonssolaires; par M. EDMOND BECQUEREL. Ier. Action de la radiation sur les lames mtalliques. Dans le dernier Mmoire que jai eu lhonneur de prsenter lAca-dmie, dans sa sance du lundi 29 juillet I839, je me suis attach mettre en vidence, laide des courants lectriques, les ractions chi-miques qui ont lieu au contact de deux liquides, sous linfluence de lalumire solaire. Le procd que jai employ ncessitait lemploi de deuxlames de platine, en relation avec les deux extrmits du fil dun multi-plicateur trs sensible et qui plongeaient chacune dans une des disso- lutions superposes. Or comme ces deux lames prouvaient elles-mmesles effets de la radiation, il a d en rsulter des phnomnes omposs,dont je vais moccuper dans ce nouveau Mmoire. On sera mme 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 Easy to deposit CBD, Thermal evaporation, Sputtering 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/mAcm-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 Light 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. Light 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 Light 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 。