太阳能光伏电池及其应用课件

太阳能光伏电池及其应用试题2011.3.1810/13/20231二、课程简介本书对有关太阳能电池及太阳能发电系统的世界最新技术进行了综述。各章各节的执笔者都选自日

本的杰出专家，由他们介绍尖端技术的现状。具体

内容包括太阳能电池的原理及装置物性、单晶硅太

阳能电池和太阳能电池模板、非晶硅及微晶硅薄膜

太阳能电池、CIS以及CIGS系太阳能电池、色素增感型太阳能电池等。该书可供各大专院校作为教材使

用，也可供从事相关工作的人员作为参考用书使用。10/13/20232★1

总论★2

太阳能电池的原理及装置物性★3

单晶硅太阳能电池和太阳能电池模板★4

多晶硅太阳能电池★5

非晶硅及微晶硅薄膜太阳能电池★6

CIS以及CIGS系太阳能电池★7

Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池10/13/20233★

8

色素增感型太阳能电池★9

太阳能电池在日常生活中的应用★10

住宅用太阳光发电系统★11

楼房用太阳光发电模板及其系统★12

空间太阳光发电所★13

太阳光发电的展望10/13/202341.11.2引第言一章 总论能源革命与文明的进步能量的需求预测与能3E的三重矛盾与解决太阳能的质和量太阳能发电的独特特1.3源资源1.4策略1.51.6点10/13/20235一、填空10/13/20236人们生活所必需的能源可分为

及

两部门。目前，占现有一次能源45%

的电力能源包括

和

。人类文明的进步与人类社会工业化、近代化的变迁，都称为

和变迁。3

、

人们生活所需的能源可发分为维持个人生命的

及生产活动中使用的生活能源两部和

、

分。4、伴随着能源工业化的进展，人们选择更方便、更经济性的能源形态，也就是说，这一技术革新也是基于

而产生的。第一章5、不同于化石能源的消费的原子能发电，称之为

的太阳能发电、风力发电的应用。6、在化学能源枯竭之前找到

的替代能源。10/13/202377、3E三重矛盾是在

发展的过程中，伴随着

的消费，以化石能源为主体的资源需求结构会造成对

的破坏。8、到达地球表面的太阳能，是通过几乎接近真空的宇宙空间，以

的形式辐射过来。9、太阳能到达地球的总辐射能量应该是

与

的乘积。10、太阳能电池的转换效率几乎是

的，与其所利用的装置规模与

无关。11、光发电是对

有在效利用。第一章第一章10/13/20238二、问答题：什么是3E矛盾？人们生活所必需的能源的组成有哪几部分？什么是生态发电？生态发电的重要意义是什么？什么叫太阳常数？太阳能发电的优点？2.12.22.32.42.52.6引言半导体的光吸收和光传导效率半导体的光电效应太阳能电池的原理及能量转换效率理论极限效率和太阳能电池的损失高效率化技术及其装置物性第二章 太阳能电池的原理及装置物性10/13/20239一、填空10/13/2023101

、光和物质的相互作用有

、

、

、

等现象。引起这些现象的本质过程，可以理解为物质内存在的

和

之间的相互作用。2、光引起的电子跃迁门槛值所需的能量，是由原子规则排列产生的结晶结构中的

所决定的。3、迁移前后电子动量不发生变化，垂直移动叫

;而在跃迁前后动量变化时，所表示的结晶空穴振动能量的移出、移入、称为

。4

、半导体的界面或表面被

产生载流子后，生成的

和

由于载流子的作用向

的方向漂移，引起

极化，从而产生了因光照射引起的

。第二章5、太阳能电池由于要接收

，所以具有很大面积的PN结二极管，引起光电效应必要的

，就是利用了PN结的

。6

、太阳能电池的能量转换效率是从太阳能电池的端子

10/13/202311的电力能力与

的太阳能辐射光能量的比。7、以标称效率为基础，用于计算太阳能电池的输出测定法，可以求得实用太阳能电池的

。8、光电流与

有关系，与所加的

无关，是一个

值。9、太阳能电池的输入光与

有相关性。10、太阳能电池处于开路状态，与辐射光强度相对应会产生一个电压，此时的电压称为

。11、

是表示太阳能电当好坏的重要指标。第二章12、结晶硅的理论极限为

，其研究阶段为

，大量生产规模为

。13、存在具有最低禁带宽度εɡ

的Hω-QVOC的损失，此损失叫做

。10/13/20231213、目前实用化的太阳能电池中98％使用的是

。14、为了发挥太阳能转换因子的作用，将光生成的

有效输出到

的电极配置的设计也是重要的因素，这就是D。15

、

利用两种半导体的异质结串联太阳能电池，称为

。光的吸收系数a被定义为

。决定半导体光学特性最重要是波段是

到

范围。标称效率：太阳光线通过的空气气量条件为

，

输入光的功率为

，在负荷变化的最大电力输出与其的比值。第二章1、什么是禁带宽度？2、什么叫半导体的基础吸收边缘？3、什么叫光传导效应？由几种类型组成的？4、什么叫光生伏特效应？什么是丹倍效应？什么是PEN效应？5、太阳能电池的工作原理是什么？能量转换效率的表达式是怎样？什么是标称效率？6、什么叫短路光电流密度？7、什么叫开路电压？开路电压的表达式8、太阳能电池的转换效率的表达式？9、什么叫太阳能理论极限效率？10、太阳能电池转换率低下，产生损失的主要原因是什么?10/13/202313二、简答第二章11、请画出太阳能电池作用的四个基本功能图？其中

ABCD的作用各是什么？10/13/20231412、入射到材料的光能的有效封闭的技术有几种方法？13、光生载泫子的有效收集和光电效果的增大技术有几种？14、光生成载流子的复合损失的减少技术有几种？15、直接电阻损失的减少技术有几种？16、电压因子损失的有几种？17、更宽光谱的光能的收集技术有几种？18、什么是BSF？19.

什么是直接跃迁和间接跃迁？第二章第三章 单晶硅太阳能电池和太阳能电池模板3.13.2引言单晶硅太阳能硅片的制造方法3.3HIT太阳能电池片及其制造方法3.43.53.6大面积太阳能电池模板采光型太阳能电池模板超高效率太阳能电池10/13/2023151、单晶硅太阳能和多晶硅太阳能电池的产量合计约占世界太阳能产量的

左右。2

、单晶硅棒和PN结的制造技术等，与

以及

等半导体制造技术有较多共同部分，且历史悠久，实际业绩突出。

3、单晶硅太阳能电池制造工程由

和

组成。4、原材料用硅砂，先将其还原为纯度为97％-98％的

，为了进一步提高纯度，将与

反应，生成

，再将其

，

得到纯度为99.99999％以上的多晶硅。、将得到的多晶硅进行溶解，做成单晶硅，其方法有

和

两种。、

目前太阳能电池用的铸模，仍以

生产性能高

的

为主。10/13/202316一、填空第三章7、由于线切割面是被机械冲击过，因此会残留结晶变形，使电气特性变坏，因此需用

进行腐蚀，使表面

的程度。8、气体扩散法是将含

的气体在

下向硅片进行

10/13/202317，形成

，一般都用这一方法。9、

扩散法是用含有磷的溶液代替

进行

和

，使磷向硅片中扩散形成

，具有简单易于大型化生产的优点。10、电池高效率化技术说明已被规模生产所采用的

及

。11、用碱性溶液，利用

的差异性，可以对

表面进行

凹凸加工处理。第三章12、单晶硅太阳能电池的基本结构是

，在背场将不纯物进行

，形成

，可以改善收集效率。13、BSF型电池片的收集效率，

形成，可以在更长范围内改善收集效率。10/13/20231814、太阳能电池是由于

和

进行叠层得到的新型太阳能电池。15、HIT电池片是在

的两面形成

制造的。16、由于入射光也可以发电，具有两面发电的可能性是

和

。17、一般的太阳能电池模板只有电池片的表面一侧是

，而HIT太阳能电池在背面也采用

，可以利用

和从地面来反射光进行发电。第三章18、两面发电型最特别的有效应用

安装。19、太阳能电池模板有

、

、

三种结构。10/13/20231920、压模可分为两部分，

和

装置。21、一般的太阳能电池的模板，为了提高填充率，需尽量减少电池片和

之间的

，而采光型太阳能电池的模板却

，在电池片和模板周围开数CM的

，由此处让太阳光透过。22、由于单晶硅基片的制造技术和

等的半导体技术有很多的共同点，因此新技术从半导休整上导入是有右能的，最近引人注目的技术之一是

技术。23、在多晶硅薄膜制造装置中可使用RTP，将得到的灯光用

，然后缓慢地

，使多晶硅薄膜再

。第三章1、单晶硅太阳能电池的特点是什么？2、电池片工程分哪三部分？3、什么是集麦斯法？4、什么是CZ法？5、单晶硅硅片的制造过程？6、电池片高效率化的技术方法有哪些？7、硅片表面的材料蚀刻目的是什么？8、什么叫BSF结构？10/13/202320二、简答第三章9、HIT电阳能电池的结构及制造方法？特点是什么？10/13/20232110、太阳能电池模板的种类？各种类的作用？11、太阳能电池构成的原素有哪些？各无素的作用是什么？12、太阳能电池模板的制造过程是什么样的？13、压模过程的顺序步骤如何？14、高效率太阳能电池的种类及各种类的结构是什么？15、简述PERL、OECO电池片的特点。16、什么是理论极限效率？17、太阳电池能量损失部分大致可分为哪些？第三章第四章 多晶硅太阳能电池4.14.24.34.44.5引言多晶硅铸模的制造技术多晶硅太阳能电池的高效率化技术多晶硅薄膜太阳能电池的开发结束语10/13/202322一、填空10/13/2023231、大部分的多晶硅基片都是用所谓的

生产的。基片广泛使用

的角。目前是用众所周知的

的温度分布、

等许多知识的累积来生产铸模。2

、电解液的高度微细喷射到

上，喷射流中夹有

。喷射流到了

的作用，激光束在铸模上与

一同被切照射。3、目前世界上，用铸造法制造基片得到的小面积电池片的最高转换效率可达到

。4、由于有漏电电流流动，使所谓的反向饱和电流密度

，从而减少了

。第四章5、多晶硅表面的结晶面是多重的，因此不能像单晶硅基片那样，使用

的不同方向腐蚀的化学蚀刻方法。6、干式法由于应力自由，因此即可以适用于

基片，又可以适用于

的过程。10/13/2023247、结晶硅具有

型能带结构，因此吸收系数较小，有必要进行

，活性层的厚度为数

的薄膜太阳能电池也可得到高的转换效率。广泛采用光电导率

测定少数载流子在基片内的寿命分布，以此来对该过程进行评价。基本技术中最引人注目的是基片的

。结晶硅具有

能带结构，因此吸收系数较小。异质基片上高品质叠层的多晶硅型薄膜技术有：

、

和

。第四章二、简答10/13/2023251、多晶三太阳能电池的高效率化技术有哪些？2、请简述表面钝化常用的方法有哪些？3、请简述非晶硅薄膜太阳电池为什么用pin结构？4、多晶硅铸模的制造成技术有哪些？5、在多晶硅电池片上用等离子体进行的化学气相沉积法生产的氮化硅膜会产生哪两种效果？6、异质基片上高品质叠层的多晶硅型薄膜技术有几种方法？第四章第五章非晶硅及微晶硅薄膜太阳能电池引言Si系薄膜的制作、基础物性和太阳能电池的装置无结晶硅太阳能电池及其性能薄膜微晶硅(μc-Si)太阳能电池及其性能非晶硅／微晶硅型串联太阳能电池10/13/202326第五章10/13/202327清洁且无限的

将成为支撑21世纪社会文明的重要能源技术之一。目前太阳能电池的主流是

以及

，占世界太阳能电池总产量的70%。a-Si：H以及合金材料，用

、

、

、

等气相生长法可以制造薄膜。薄膜化是通过弥补

较差的载流子输送特性，得到太阳能电池的性能，同时也有利于

、

。非晶半导体材料，是失去了像结晶型那样的长距离晶格结构的材料，可以认为其原子周围的

与

时保持相同的状态。由于不纯物的掺入，可能将p、n控制在导电率为

。一、填空7.

a-Si

是

结合的非晶体，

a-Si

系薄膜的制作方法有：

10/13/202328、

、

、

等。μc-Si是由

+

+

组成的。关于载流子移动速度，目前使用由

以及

进行评价的方法。作为太阳电池的特性因素的短路电流Jsc可视为

，曲线因子FF可视为

，开路电压Voc与

的比值。转换效率和与扩散有关的膜厚度有最大值，这是由于伴随膜厚度的增加而增加的

与由于偏压电压的下降引起的

共同作用的结果。MIS型a-Si太阳能电池的问题是，光的入射一侧由于有

，所以有竞价的光被吸收掉了，从而限制了

。第五章13.

为了降低太阳能电池的成本，必须尽可能地

。10/13/202329a-Si太阳能电池是大面积制膜，但透明电层的阻力引起的损失使电池无法得到

。a-Si

太阳能电池是由形成

和

的二个导电层、作为

这三层基本结构构成的，为了实现大面积、高效率化，能够使a-Si层

、

、

的制膜技术，对大面积化是非常重要的。光照所引起的大部分特性的变化是在

，以后其特性是稳定的。这时的光电转换效率叫做

。用

法得到的微晶硅，在1980年前后就有报道，由于微晶化带来的低电阻，主要用于a-Si

太阳能电池是

。第五章18.

在带边缘附近的光吸收系数是间接吸收形式，在很上的薄膜μc-Si电池片中，

技术是μc-Si太阳能电池

的核心技术。10/13/202330二、简答p-i-n结合型a-Si太阳能电池与受金属薄膜制膜条件等敏感特性所左右的短键垒位型相比较，具有哪些优点？（P86）什么叫诱导光导率新现象？（P88）薄膜微晶硅（

μ

c-Si

）太阳能电池的主要特点有哪些？（P96-97）非晶硅、微晶硅型串联太阳能电池制造叠层结构有哪些优点？（P103）第五章第五章10/13/2023315.什么叫微晶硅？6.光封闭技术在什么条件下才能达到？（P99）三、论述1.请从材料、性能及制造结构等方面，阐述单晶硅、多晶硅、非硅硅及微晶硅薄膜太阳能电池的相同点和不同点，并简单地介绍一下硅太阳能电池的现状及发展前景。第六章

CIS以及CIGS系太阳能引言CIS以及CIGS系半导体的基础物性及其特性CIS以及CIGS系太阳能电池的结合形式与制法模板制造法及其规模生产技术R&D领域的新进展结束语10/13/202332一、填空10/13/202333CIS：

，CIGS：

。随着太阳能电池片逐渐向薄膜化发展，目前正在研究开发的是

。CIS的禁带宽度为

，与太阳能电池最适宜的禁带宽度

偏小的值。CIGS系太阳电池的特点是

和

。在一般的半导体中，通过不纯物添加，进行p型、n型的控制，CIS系用

进行控制，也就是固有缺陷控制，才有可能

。Mo和Se的反应活性高，Mo/CIS界面状态对膜的

有很大影响。在CIGS光吸收层上，用

可以产生CdS。第六章7．硒化法主要用于

的制造。10/22/202334与硅系薄膜不同，由于CIGS是软材料，因此不能用

，可以用

。CIGS系太阳能电池，小面积电池片的转换效率已经达到

的程度，而大面积模板的转换效率为

。为了实现串联太阳能电池，有必要对开发迟缓的

的材料的高品质化加快进程。为了实现串联结构，有必要在部开发禁带宽度更广的

。CIGS系太阳能电池的制造方法中，广泛使用

、

，除此之外，还有

、

。第六章13.

多晶薄膜太阳电池中，开路电压（Voc）是禁带宽度（Eg）的函数，通常经验性地表示为

。10/22/202335CIGS系太阳能电池是以

为特征的。不使用青板玻璃时，也可以使用

、

、

、

等Na的化合物进行Na参加。二、简答CIGS系半导体的特点有哪些？CIGS系太阳能电池的基本结构如何？可用图表进行说明。在CIGS系太阳能电池的制造方法中，请介绍什么是蒸镀法？什么是硒化法？在CIGS系太阳能电池中，请说明添加Na好处有哪些？第六章5.什么叫光照射效应？10/22/202336简述CIS和CIGS系太阳能电池的新进展表现在哪些地方。三、论述请从材料、性能以及制造方法上，比较说明Si系太阳能电池和CIS、CIGS系太阳能电池有哪些异同。请从材料开发及制造技术方面分析，如何才能提高CIGS系太阳能电池的效率？第六章第七章

Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池引言Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池所用材料的特点GaAs系太阳能电池片的结构及其制法超高效率多结太阳能电池及其构成聚光型太阳能电池技术及其现状R&D领域的新进展10/22/202337一、填空10/22/202338太阳能电池材料是由元素周期表中的Ⅲ族元素

、

和Ⅴ族

、

元素组成的半导体，如用

、

等由Ⅲ-Ⅴ族化合物组成的半导体所构成的太阳能电池。GaAs或InP太阳能电池由于

且

，作为空间太阳能电池已经被实用化。太阳能电池材料的禁带宽度Eg为

左右，认为是最合适的，Eg为

的GaAs及

的InP等应该是合适的。化合物半导体太阳能电池有

、

、

的种种优点，对于电池片结构，也在进行许多尝试。第七章5.

对于太阳能电池的制作，历来都是用常用的

，但现在有可能多层生长的大面积化、规模生产化的

已成为主流。10/22/202339由于大多数化合物半导体的能带结构都是

型的，因此不像间接跃迁型的Si那样容易产生太阳能电池特性的

现象。化合物半导体由于有

能带结构，且

，因此作为薄膜太阳能电池显示出了可用性。Ⅲ-Ⅴ族在Si结构上的第二课题是，由两者的热膨胀系数的差别引起的

的裂缝的发生，因此试图降低

的方法是必要的。外延生长技术，也从

到

、

逐渐进行着变迁。第七章10.

GaAs以及

InP的禁带宽度分别为

，与高效率最适合的1.4

eV～1.5

eV相近，故具有高效率的特点。10/22/202340化合物半导体太阳能电池具有

、

、

等优点。写出以下缩写的中文全称：MOCVD

，

LED

，LPE

，

Jsc

，

Voc

。二、简答请例举几种Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池，并说明该太阳能电池所用的材料有哪些特点？（P125-129）什么是LPE法？并对该法作简单描述。什么是MOCVD法？并对该法作简单描述。第七章4.什么是阿尼尔现象？(P131)10/22/202341Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池主要分为哪几类？（P130）请写出短路光电流Jsc

以及开放电压Voc，与少数载流子扩散长度L或者寿命τ的关系式，并指出各物理量所表示的意义。什么是聚光型太阳能电池技术。三、论述从Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池的材料成本、性能等，请阐述色素增感薄膜太阳电池和聚光型太阳电池的目前发展现状及未来发展方向。（P126-138）第七章第八章色素增感型太阳能电池引言色素增感型太阳能电池的特征基本原理和理论可达到的效率色素增感型太阳能电池的结构和制造方法色素增感型太阳能电池技术的现状和性能R&D领域的新进展10/22/202342一、填空10/22/202343自

年瑞士EPFL的Graetael教授开发出转换效率为

的新型色素增感型太阳电池问世以来，色素增感型太阳能电池在全世界开始研究和应用起来，这种电池又叫

电池。色素增感型太阳电池就是所谓的

，很早以前就已开始研究。色素增感型太阳电池的理论可达到效率为

。构成色素增感型太阳电池的

等无机氧化物及色素的

原材料硅等比金属价格便宜。目前报道的色素增感型太阳能电池的最高转换效率的使用

、

及

的TiO2色素增感型太阳能电池。由氧化物半导体和色素进行组合,可以制造出

不同的多种多样的色素增感型太阳能电池。由于使用有机色素增感型太阳能电池可通过

及

除去,帮氧化物半导体光电极是有可能实现资源再利用的。为了将增感色素上的跃迁电子有效地注入TiO2,层中,

增感色素激发态的能极必须不小于

的能级。TiO2光电极的准能级,相对于NHE为

，I-/I3的氧化还原电位相对于NHE被评价为

，因此，将其组合起来得到0.9的最大电位。Greatzel

Cell的一个特点就是根据选择

可以制造各种不同的

太阳能电池。Greatzel