太阳能电池教程

绪论〔introduction〕波粒二象性黑体辐射太阳和它的辐射地表的日光辐射直射和散射温室效应太阳的外表运动日射率的度量全球的等通量直射和散射特性日照时间资料数据的卫星云图太阳能和光伏发电其次章半导体和P-N半导体键矩能带模型掺杂〔半导体的掺杂〕半导体的类型单晶硅多晶硅无定形硅光吸取再结合P-N光的作用光谱响应温度的影响串联电阻的作用效率光损耗重组损耗外表接触设计基体体及外表电阻率栅线距离其它损耗VS激光凹槽隐匿接触电池第五章PV电池的交互联系以及组成部件的加工组件和电路的设计单体电池多个电池多个组件热斑效应组件的构造环境保护热量考虑电绝缘机械保护衰减因素绪论光伏学是一门利用太阳能电池将太阳光直接转化为电能的一种艺术。早在1839年，法国小伙子埃德蒙贝克勒尔19岁时，在他父亲的试验室里第一次论证〔证明白〕了光电池的设计。然而，对于这种效用的理解和开发依靠于一些20世纪的重要的科学和技术的进展。一个是量子力学的进展，它是20世纪最主waterpumpingto大的与发电所连接的输电线路。伏电池的操作规章，确定正确的应用和进展简洁的光伏电池系统的设计是必需亚以及全世界增加光伏电池的应用。波粒二象性有大量的可读性强的量子理论的进展过程17纪晚期，牛顿的光是由粒子组成的理学观点是格外流行的。直到19世纪早期，杨和菲涅耳通过试验说明光束具有干预作用，这说明光是由波构成的。直到1960有波粒二象性，用公式可以表达如下：EhfhcfEh：普朗克常量，其值为6.6251034Js ；c：光速〔3.00108ms 。子或是光子。黑体辐射热的时候，它开头发光,也就是说，它开头发出电磁辐射。给金属加热就是一个渐渐的变为了白色。1900T射的能量密度，取决于辐射频率及其范围，即f和df，由普朗克辐射法则给出：c3[exp(hf kT)1]c3[exp(hf kT)1]

8hf3df(fk：玻尔兹曼常量。1.13000K1处辐射能量见光波段〔0.4～0.8m〕的只占很少的一局部，这就说明白这些灯为什么效率这么低。超过大多数金属熔点的温度能够在这个范围〔0.4－0.8m〕内转变峰值能量。1.1太阳和它的辐射〔氢离子〕转移，然后在太阳最外层外表再辐射，这就是我们看到的光球了。1.3这种辐射能近似于从一个6000K的黑体辐射的能量，见图1.3。地球外表的太阳光辐照度,到达地球外表的光是不同的。的。1(s/h)2太阳在头正上方φ角时，光程大约是1/cosφ。这光程通常称做大气质量。因此φ=60时，大气质量等于2或1(s/h)2AM

〔1.4〕h是垂直物体的高度，s是物体阴影的长度，1.5所示。附录Ｂ中的1.5AM光谱，例如整个波长段的能量总和，总的能量密度接近970W/m21000W/m2的归一化光谱是目前用于光伏行业的标准光谱。1000/970获得。1.11说明白全球和季节不同日射能量。直接辐射和漫散射30%。〔～λ通过大气中的悬浮颗粒和灰尘颗粒散射。

-4dependenc。O2、臭氧、H2OCO2吸取。1.60.3μm的被臭氧猛烈吸取。大气中臭氧的耗尽使得更多的这类短波长光到达地球，对生物系统带来危害。大约1μm的带隙是由水蒸气吸取、CO2在长波段的吸取产生的。再一次，转变大气中CO2的成分对地球上的气候和生物系统都有重要意义。有效的散射，漫反射主要在光谱末端的蓝光。因此，天空呈蓝色。10%的散射成分。这一百分比随着大气质量的增加而增加，多云天气也会增加。固然，云的掩盖是辐照度消减和散射的一个重要缘由。积云，也就是大块的，低的形式补偿。卷云，小块的、高海拔的云，不会阻挡太阳光，但是把2/3的直射温室效应为了保持地球上的温度，从太阳到达地球的能量必需与从地球散发出的能量相4-7μmCO2〔70%〕7-13μm之间。假设像月亮一样没有大气层，地球外表的平均温度将大约是-18oC。然而，大气15oC33oC。1.9发的能量的波长安排。CO2〔CFC”7-13μmCO22030年将会增1-4oC。这将会导致风的种类和降雨量的转变。大陆30cm。固然，进一步增加人为气体的排放，会产生更严峻的后果。如光伏产品能取代石化燃料，这一技术的应用将会增加。太阳的明显运动35oN1.10所在春分和秋分321923，太阳由东边升起西边落下。在子午线，高度A给出了计算太阳在天空的任何时间任何点的公式。、日射测量〔电压通过不同材料的结的不同的热量产生〔高温射量对光伏系统的设计格外重要。、全球的日射量计算〔包括直射和散射1.11〔MJ/m2的形式而不仅仅是总的日照量。、直射和散射的日照数据β的太阳电池板的的相对日射量：首先，我们假定散射成分D独立于倾斜角〔45度的倾斜角的值〕S可转换成入射在倾斜角度βSβ，如图1.12接下来，我们得到：Ssin (+)S sin〔1.5〕式中βα是正午时间太阳的高度，给定90o 〔1.6〕式中φ南半球纬度，δ是按下式给定的太阳的偏差角 23.45osind81360/365〔1.7〕11日开头，11d=1。上面的式子适用于在南半球朝北放置的组件〔如果在北半球朝南放置用90式中现在是北半球纬度。1.5角的组件中平均每天在水平面的直接辐照的太阳光的强度，因此产生一个小错误。〔适用于大多数地方〕理论计算过程如下：“晴天”-每天直射光的密度是由基于试验的大气质量的一个函数所打算。I=1.353*[0.7AirMass]0.678KW/m2 〔1.8〕I是产生在垂直于太阳光线的平面的直射光的密度。大气质量值是一个纬度函数，一年的时间和一天的时间，可以用附录A中的算法进展计算。10%图中可以看到。然后给出一个给定的时间和地点的晴天的每天日照的期望值。1.820%的水平外表的密度。接着，对于阴天的每天日照度的近似值可以计算出来。〔1.5)-(1.8〕概述的方法用于确定照在与水平面成角的平面上的日照度。1.14给出了典型的晴天和阴天的日常阳光密度曲线图。阴天阳光密度仅为晴60o1.1523.5o的地方倾斜的方阵在日常太阳光能量收集的效果。程度的减弱：IAMKIAM0IAM1IAM0**K**0.678 〔1.9〕K是大气质量值是光的波长。转变光谱分布对太阳电池的输出有重要的影响。然而这一影响常常被无视，由于硅太阳电池吸取的光的波长不超过1.1微太阳日照时数〔SSH。这一术语指出出太阳的组成成分。关于太阳时数的测量法被用于生产一种坎贝尔日照时间工方法不能将分散的光线聚拢到一起，由于符合日照时间的长短不一。SSHSSHR/Ro=α+βn/N (1.10)其中：R=每天地球辐射的测量值N=SSH〔一天中可见太阳的时间〕α，β=试验得出的衰退常数10%以内。电信的争论证明衰减常数应为：α=0.24，β=0.48尽管很多依靠纬度已被觉察。这些数据应当适合澳大利亚地区，尽管有更简单的公式：α＝0.10+0.24〔n/N〕 〔1.11〕β=0.38+0.08〔n/N〕 已经从世界各地使用的数据中得出。从SSHn/N气质量数据被用于去准确地估测日射viaEqn.〔1.8)的成分。集中成分可以通10%20%。卫星云图掩盖数据1.16Eqn.〔1.8〕A1.17云的长度和宽度。掩盖等级通过地面与卫星连接所拍摄的图片来打算。身的特点，都会影响日照。太阳能和光电效应合，在电池的设计中不能无视光的波粒二象性。1.5B卫星云图掩盖数据去估测日射级别的方法。其次章半导体p-n半导体1839特效应，它是研制光电元件和太阳能电池的根底。其它材料可能会取代硅。的介绍一下这两种模型。联结模型联结模型是通过共价健连接各个硅原子来描述半导体特性，图2.1个硅晶格中电子的联结和移动过程。ee2.1：单晶硅晶格中价带上的电子示意图过两种方法进展导电：电子通过破坏的共价健发生移动；电子从邻健移动到空穴产生破坏的共价的区分出气泡是朝反方向运动的.能带模型导带电导带电子能量Eg禁带价带2.2电子在费米能级中的示意图电子从价带越迁到导带就会产生电流。空穴在价带朝反方向导电.掺杂掺杂后的其他一些原子可能会打破硅晶格内电子和空穴原有的平衡,杂质原子与硅形成共价键后还空余一个电子时为n型半导体材料。杂质原子与硅形成共价键后稍一个电子时为p型。如图2.3所示.N型 P型 eⅤ族原子 Ⅲ族原子例如:磷 例如:硼2.3NP半导体类型不同材料具有不同的类型,如图2.4所示.单晶硅硅或无结晶状硅材料制造太阳能电池,尽管质量不太抱负.多晶硅级将促使电子与空穴的复合，产生电流。〔c-Si〕〔poly-Si〕间界的长度。像这样的多晶硅材料多被用于生产商业用的太阳能电池。非结晶硅掺杂或者使太阳能电池构造中得到合理的电流。在非晶硅已经觉察了氢原子，通过在饱和悬挂健的同一水平面上参加5-10%的氢原子来改善材料的质量。它也可以将禁带宽度从单晶硅的1.1个电子伏增大1.7阳能电池的作用来定，越小越好。在硅氢合金中最小的带电体集中长度比1微米还短。在损耗区域被激活的电子2.5Si:H太阳能电池的总体设计。P未掺杂〔自身的〕 高损耗区N2.5：Si:H是争论薄膜和其它一些潜在的用于生产低本钱太阳能电池的材料。光的吸取EphEg，对半导体的影响很小，会穿过它。hf2.6hf时，电子空穴对形成。2.7蓝蓝红e-hx半导体 e-hx2.7：电子-空穴对的产生度G能通过以下公式计算出来：G=αNexp(-αx) (2.1)N=光子流量〔/单位面积/秒αx=300Kα2.8再结合陷和杂质在里面或在半导体的外表都会促使它们再结合。一种物质的带电体寿命可以定义为产生电子-空穴对后再复合的平均时间。对于1距离。硅是100-300微米。这两项参数能够指出物质的质量和是否适合生产太阳p-np-nPNp-npn2.9PN大量空穴； 大量电子；少量电子 少量空穴；电子PN电子PNE2.9：p-n结的形成p型半导体中空穴在集中作用下流np型半导体作为两边EPN2.10,E将变小。PNVhePNV2.10：p-n结加电过程空穴移动将产生电流内建电势减小〔Vbi-V〕电流将随电压增加成指数级增加，这种现象用抱负二极管法则表达为：I=Io[exp〔qv/kT〕-1] 〔2.2〕其中：Io V = 供给电压q=确定电荷电流k=波尔茨曼常数T=确定温度留意：Io随T增加而增加。Io随物质质量增加减小。在实际二极管中表达式变为：I=Io[exp〔qv/nkT〕-1] 其中：n =2.11描述了硅二极管定律IIT2T1SiT1>T2V0.6V2.11：硅二极管定律-电流随电压和温度转变。在电压肯定的条件下曲线随温2mv/℃。第三章太阳能电池的特性光照效果硅太阳能电池是一个二极管，由p型硅〔一般为硼掺杂〕和n型硅〔一般为磷掺杂〕结合形成。当光照耀电池时有很多种情形，如图3.1所表现的那样。为了获得最大功率的电池，电池必需设计成最大吸取〔3〕和反射后最大吸取〔5。np3.23.3所示在被收集前会消逝。p-nV=0时产生的电流。电子空穴对在结集中长度内被收集的概率比较大就像在其次章争论的那样。在图2.11二极管IV曲线电流Io取的是在没有光落到电池上时的典型的描绘电此二极管定律变成：I=Io[exp〔qV/nkT〕-1]-IL 〔 (3.1)RR12RhfR4Ne-hPe-h53e-h6接触电极吸取3.1：光在电池中的吸取特性1、光在顶部电极的反射与吸取2、电池外表反射3、抱负吸取4、从电池底部反射-仅微弱吸取光5、反射后的吸取6、在底部电极的吸取ee-he-hNEe-hP电子通过主电极遇上空穴形成电流e3.2p-n结。hheheNeh收集ehPP体复合hee外表复合h3.3：可能的电子空穴对复合，没有复合的载流子收集。IIIILVIIVIILLIL(a) (b)(a)(b)p-n结电流-电压特性的影响率被减小.3.4〔a〕下方右边第四象限区域矩IV3.5，输出在第一象限公式变为：I=IL-Io[exp(qV/nkT)-1] (3.2)II，PVmp，ImpIscPmP0V和最大功率点〔Vmp，Im。两个限定参数通常用来描述太阳能电池在给定光照，温度和面积条件下，他们是:短路电流，Isc，最大电流，在电压为零处。抱负状况下，假设V=0，Isc=I。注LIsc和光照强度成比例关系。特性使得太阳能电池和修电池相适应。I=0时：V=nkTlnIL1oc q I 0 〔3.3〕Vmp*Imp是他的最大值时。太阳能电IV曲线图上是一个最大的矩形，例如：d(IV)/dV=0给定V =V

nkT V - ln mp mp o

q (nkT/q) 1 〔3.4〕叫做电池的峰值电压。因此光伏组件中常常用Wp用来认定。也就是：V IFF

mpm pP(V

VIoc sc 〔3.5〕IFF)m oc sc

(3.6)来利用阅历公式Vl( 0.72)VFFoc ocVoc 〔3.7〕其中Voc定义为规格化开路电压：V Voc Voc (nkT /q ) 〔3.8〕1位小数在这状况下。光谱响应太阳能电池吸取入射光光子可以产生电子空穴对，只要光子能量Eph大于能

马上转换为热，如图3.6。G G导带导带hf〔red〕f blu〕价带3.6EG能量散失太阳能电池量子成效〔Q.E.)定义为一入射光中从价带移动到导带的电子子数1.0-1.6eVQueisser,1961).硅能带在1.1eV，接近抱负，然而砷化镓在1.4eV，在理论上更抱负。图3.7描述了抱负量子能效和能带关系。1.01.0光子λ =hc/EG G=1.24/EG〔E 为eV,λum〕G0波长，λ3.7在硅太阳能电池中能带限制和量子能效关系意味着被有效利用前光子要经过较长的路程，所以限定集中长度在电池材料中也就限制了电池的响应。响应响应〔A/W光谱响应可以被以下公式计算：A/W

qelctronfluxhcphotonfluxqQ.E.hc 〔3.9〕A/W--->0当λ--->0复合的损失意味着实际的电池只能接近于抱负状况。温度影响太阳能电池使用温度主要取决于四周环境温度，组建封装状况〔5.8光照耀在组件上的强度，和其他因素如风速。IoE I0BTexp GokT 〔3.10〕其中B不依靠于温度变化；EGO是线性外推零度时制作电池半导体的带宽Green199，γIo.短路电流，IEsc G电子空穴对。然而，这些效果很小：1dI SC0.0006/℃for1dIISCdT 〔3.11〕减小。VocFF可以用下面公式近似的表示:dV

V oc GO oc dT T (3.12)Voc dT (3.13)1dF)1dVo1/6

forSiFF dT VocdT T

(3.14)Pm的影响是：PmdT 〔3.15〕应当留意温度对Voc影响很大。在图3.9中对这种效果进展了描述。寄生电阻对电池的影响3.10。两种寄生电阻都减小填充因子。T2IT1T2>T1T2IT1T2>T1VV3.9IV曲线的影响。RsIRsIIILRSHV3.10：太阳能电池电路中的串并联电阻IIRs=0中Rs△V△V=IRsRsV并联电阻，Rshp-n结不抱负或在结四周有杂质，这些都能导致结短路，尤其是在电池边缘处。似表示为：m mp mp mpP V m mp mp mpPmpP 1

mpR IVmp IVIsc R Imp

V oc V

〔3.16〕RCH=Voc/Isc 〔3.17〕Rs为：rs=Rs/RCH (3.18)因此FF=FFo〔1-rs) (3.19)或者利用阅历公式但是更准确：FF=FFo〔1-1.1r〕+r2/5.4 (3.20)s s，voc>10是可以使用。类似的并联电阻，可以定义为：r R / Rsh SH那么，像前面一样：

CH (3.21)0FFFF0或者更准确些：

1 1/sh

(3.22) v

0.FFFF

1 oc 0vrsh 0vr

oc sh

(3.23)rsh〉0.43.12所示。II△I=V/RSHRSH—〉∞△IRSHRSHV3.12：太阳能电池中并联电阻对填充因子的影响在串联和并联电阻都存在状况下，太阳能电池IV曲线可以用下式表示： VIR LIIL

I0exsR nkT/q SHR

(3.24)0FFshFFsFF〔Green,199。04.1功率

电池的特性与设计在试验室条件下,随着当前技术的进展水平,做到单晶硅太阳电池的效率超过23%是有可能的.然而,作为商业生产的代表效率只有13%-14%.造成这种现象的因素有很多,但最重要的一点是,,并不考虑其本钱,工艺的简单性及生产力量,通常来说,试验室的技术是不适合工业化生产的.太阳能电池的争论是如何连续提高电池的转换效率,在当前理论的指导下争论.商业生产落后于试验室技术很多年,但是20%.电池组件的价值随着电能的转换效率而不同,所以电池组件要必需给定一个输出功率.一个简洁的关于光伏系统价值的计算方法同时是一个重要的关于效率的阐述公式(Benner/DeMeo;1991)如下:每千瓦时电能的价格Cm=单位面积光伏组件的价格〔蓄电池，逆变器，掌握系统等〕I=间接资本价值因素S=年鉴附加费系统电力模块,包含热损耗,配线与失配0.016=环境,操作与维护的费用.,随着当前单晶硅与多晶硅的进展技术,在产量每年10MW的生产水平下,硅片的价值占每瓦特组件的价值的一半(Darkazalli,1991).工厂电池效率仍在争论之中.光损失在第2和第3章我们已经争论过由于光损耗和复合损耗会使电池的输出的抱负值削减.4.1阐述了一些关于在一块电池内光损耗的过程.4.1:电池的光损耗有;外表掩盖物的阻碍电池外表反射背场的反射来削减这些损失的方法有:(与串联电阻有联系)在电池外表使用减反射膜,使用一个波长1/4的减反射膜,薄膜厚度d1与波长和n1的关系式为:180度外的反射,4.2所示:4.2:1/4波长减反射膜来削减外表反射.non2的算术关系式是：如图4.3示：外表反射在这种状况下能削减至0。4.30.6微米处的硅外表的减反射膜的关系〔iii)外表结果也可以用来削减光的反射。任何外表的粗加工〔绒面〕都可以用来增加光在外表来回反射的时机，来削减光的损失。打算,4.4示。图4.4：一个晶体硅电池外表四棱锥型的构造。4.5为电子显微镜下硅外表的构造：依据Snell法则硅外表的绒面构造能使光间接的被硅吸取，公式如下：n1sinӨ1-n2sinӨ2Ө1,Ө2分别是光在硅外表的入射角度,n1,n2为反射系数。的增加。入射光的光程能够提高到4n2假设使用如图4.6所示的背外表的光收集技术。4.6〔〕背外表反射〔b〕光程的随机反射合速率。包括重掺杂和在电池的背部用丝网印刷铝背场。图4.7是一个背场低掺杂区与印刷层的界面表现为一个低