太陽能電池培訓(xùn)手冊(cè)上

第一章電池的工作原理和基本特（Ge（GaAs1000C，ρ40%左右。電阻率受雜質(zhì)的影響顯著。金屬中含有少量雜質(zhì)根據(jù)情況相互，變成如圖2.1所示的帶狀。電子占據(jù)的能帶叫允許帶，允許帶與允 2.1（EFf(E)，即11E11EEF（稱為導(dǎo)帶2.222（2.2為自由載流子的電子或空穴中任意一方增多，就成為摻雜半導(dǎo)體。存在多余電子的稱為nPV2.3一個(gè)VVE'的地方，如圖（P28與此類似。例如，把V（Sb,As,P）作為雜質(zhì)摻入單元素半導(dǎo)體硅單晶中時(shí)，這（a）V族替位雜質(zhì)在禁帶中引入的允許能 圖2.5n型半導(dǎo)體的能帶結(jié) 圖2.6p型半導(dǎo)體的能帶結(jié)把Ⅲ族元素（B、l、Ga、n）作為雜質(zhì)摻入時(shí)，由于形成完整的共價(jià)鍵上缺少一個(gè)1P2.6上述的例子都是由摻雜形成的nPdpdtg

gnprdp/dt=0,由此可導(dǎo)出png

=常 pnn2g

i pnni 2mnmp

h

*

Eg kT

NNexpECEV

式中，k——玻耳 pm*——空穴有效質(zhì)量；T——絕對(duì)溫度；EV——價(jià)帶頂能量；ECp1/2 能級(jí)在本征半導(dǎo)體中幾乎位于禁帶，而在n型半導(dǎo)體中靠近導(dǎo)帶。在P型半導(dǎo)體中靠近價(jià)帶。同時(shí)能級(jí)將根據(jù)摻雜濃度的不同，發(fā)生如圖2.6所示的變化。例如，nNd，可給出：EC

kTlnN

dEF

kTlnN

atr，由電子無v1at1qtr

e 2e2

m*me

Je

Jhqh

1

qenqh

JqD

eJh

h

DkT DkT

h比半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg小時(shí)，大部分光都能；隨著頻率變高，吸收光的能力急劇增強(qiáng)。吸收某個(gè)波長(zhǎng)的光的能力用吸收系數(shù)（h）來定義。半導(dǎo)體的光吸收由各種因素決2.7，2.8。圖2.7直接帶隙半導(dǎo)體的能量－晶體動(dòng)量 圖2.8間接帶隙半導(dǎo)體的能量－晶體動(dòng)量20m此時(shí)，光吸收和電子一空穴對(duì)的產(chǎn)生，大部分是在距表面2m左右的極薄區(qū)域中發(fā)生。簡(jiǎn)一馳豫到平衡RR

B。iUR由總的復(fù)合率減去熱平衡iiR Bnpn2iR

n0

Bn2npi00i0正如前面所說的直接帶隙材料的復(fù)合比間接帶隙材料的小得多。利用GaAs及其在俄歇（Auger）2.91CnpDn

1CnpDp

1017cm3時(shí)，俄歇復(fù)合處于支配地位。

2.9npUT i

00hnn1ep00n

expEtEc

npn2

1 式(2.22)在形式上與用能級(jí)表示電子濃度的很相似。如果e0和h0數(shù)量級(jí)相同，可知當(dāng)n1p1時(shí)，U有其峰值。當(dāng)缺陷能級(jí)位于禁帶間附近時(shí)，就出現(xiàn)這種情況。因此，表面可以說是晶體結(jié)構(gòu)中有相當(dāng)嚴(yán)重缺陷的地方。如圖2.10（b）所示，在表面處存UA2.21UA

SSnpn2e 0 e 0

eh1 n eh1

p式中Se0和Sh0是表面復(fù)合速度。位于帶隙附近的表面態(tài)能級(jí)也是最有效的復(fù)合中心d

qpnNN

NDDNDD

AANAA

JqnqD e

JqpqD h2.11參看圖2.11中長(zhǎng)為x、橫截面積為A的單元體積，可以說這積中電子的凈增加

x

AdJe

q

0，這樣就有1dJ

U

q

1dJ

U

qdqpnN

NAJeqen

edxJhqhpqDh

1

Uq1

UGq在一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)，Pnpnp通過這個(gè)空間電荷區(qū)的作用，使能級(jí)成同一水平，達(dá)到平衡狀態(tài)。圖2.12（b）表示pnpnnp區(qū)，形成勢(shì)壘。附近np在pn結(jié)上加偏置電壓時(shí)，由于空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子（又稱為耗盡區(qū)）形成高阻pnnp注入，因此電流容易流動(dòng)（稱為正向nnppn及電子濃度np如下：pnpn0expqVkT npnp0expqVkT 由于我們認(rèn)為外加電壓僅在空間電荷區(qū)，所以可視為n區(qū)內(nèi)沒有電場(chǎng)，由空穴構(gòu)Jp為 qDpp

DpexpqV

n0L

kT p pJnJ

Dn qV

p0L

kT n J

JJexpqV

0

kT 0J00

Dpqn Ln

J2.132.13pn自由電子或空穴（Carrier電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生電子一引，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結(jié)果使n區(qū)了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。它pnpNN區(qū)和P使N區(qū)的能級(jí)比P區(qū)的能級(jí)高，在這兩個(gè)能級(jí)之間就產(chǎn)生了電位差VOC?？梢訴OC的值。此外，異質(zhì)結(jié)、勢(shì)壘等也可以得到較好的光電轉(zhuǎn)換效率。本節(jié)以最普通的硅PN結(jié)太首先研究使電池工作時(shí)，在外部觀測(cè)到的特性。圖2.14表示了無光照時(shí)典型的Iph流過。2.14p下面我們把目光轉(zhuǎn)到電池的內(nèi)部，詳細(xì)研究能量轉(zhuǎn)換過程。電池由硅pn結(jié)R105/cm是空的，因此電子又馬上落在導(dǎo)帶底。這時(shí)電子及空穴將總的hν-Eg（ev）的多余能量體內(nèi)部或表面復(fù)合而了。但有一部分到達(dá)結(jié)的載流子，受結(jié)處的內(nèi)建電場(chǎng)加速而流入n型硅中。在n型硅中，由于電子是多數(shù)載流子，流入的電子按介電馳豫時(shí)間的順序，同nnNV=QNr=IR于電路中無電源，電壓V=IR實(shí)際加在電池的結(jié)上，即結(jié)處于正向偏置。一旦結(jié)處于正向偏置時(shí)，二極管電流Id=I0[exp(qV/nkT)-1]朝著與光激發(fā)產(chǎn)生的載流子形成的光電流IphpIIph

IphI0

nkT

)d

j()d

03m

A（AirMassAM表示入射到地球大氣的 AM

bsecZ

Z——天頂距離一般情況下，bb0，例如，AM1相當(dāng)于在天頂位置時(shí)的情況，AM2相當(dāng)于高度角30時(shí)的情況，AM0為減反射膜（AntireflectivecoatingRRR 1 r2r22rrcos1rr2rrcos21 1r1=(n0-n1)/(n0+r2=(n1-n2)/(n1+λ－1時(shí)1d14 nnn22 0 02nnn2n0為零，則n的值（n n0 埃，滿足這些條件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波長(zhǎng)處，反射率達(dá)到1%左右。由于了減反射膜，短路電流可以增加30～40%。此外，采用的減反射膜SiO2（n11.5） ，Iph＝ISC

nkTln

I0

在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時(shí)，ISC

nkTI

IL

其中R0

，

nkTq

II

0導(dǎo)體，VOC也愈大。2.15RS來RSh來等效。VjIRS

圖圖2.16pn同質(zhì) 根據(jù)上圖就可以寫出輸出電流IVI R

I I

Sh IbkVj的函數(shù)，而Vj又是通過式（2.47）V

圖

FFVocI

VocIsc

FFVocI

SR()

JLq0()1

JL也隨溫度的升高有所增加。但是J0隨溫度的升高是指數(shù)增大，VOC隨溫度的升高急劇下降。當(dāng)溫度升高時(shí)，I—V確定的Eg隨處出現(xiàn)電池效率的峰值。1C，VOC1.7mv0.2%。VOC。X它們的數(shù)量級(jí)也是很容易改變的。摻雜濃度愈高，Voc愈高。一種稱為重?fù)诫s效應(yīng)的現(xiàn)象近NdNa不會(huì)再有好處，特別是在高摻雜濃度下2.181017cm-3，1019cm-3，因此重?fù)诫s其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改善了ISC。這種不均勻摻雜的剖面分布，在電P＋2.19P/P＋界面2.19背表面場(chǎng)電池。在P/PP/P＋界面處的復(fù)合速SnNaDSnNL NLn n

WppnLn

annpnN，D＋L+P＋區(qū)中的摻雜濃度、擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度。如果W+=0，SannpnpnaannW+L+能比擬，且N>>NSSJpnaann

2.20Sn較小時(shí)，在或電池體電阻。不過通常情況下，串聯(lián)電阻主要來自薄擴(kuò)散層。PNRS的影響是改變I－VRS小，一般是使金屬柵做成又密又細(xì)的形狀。n折射率等 nPNI-VEgI－V的量度，串聯(lián)電阻可使它變小。通常開路電壓較高時(shí)，F(xiàn)F也較大。轉(zhuǎn)換效率隨光強(qiáng)增大而第二章硅電池常規(guī)工，行器的能源系統(tǒng)。最早在尖兵一號(hào)上裝備了電池，從此電池在空間的應(yīng)用不，一般采用ＳiＯ２的結(jié)晶態(tài)，即石英砂在電弧爐中（如圖3.１）用碳還原的方煉得反應(yīng)SiO22CSi3.1Ｓｉ3.２3.2圖圖3.3柱形晶粒的多晶 電通常，由單晶棒所切割的硅片表面可能污染的雜質(zhì)大致可歸納為三類：1、油脂、松3通過一些學(xué)可以達(dá)去污的的。如酸王水、酸和堿性氧化氫液等。30～50mSiO2

H2SiF63.4NaOH電池主要進(jìn)展之一是應(yīng)用了絨面硅片，絨面狀的硅表面是利用硅的各向異性腐3.53.5在掃描電鏡下絨面電池表面的外貌（100（1003～6mp—n對(duì)擴(kuò)散的要求是獲得適合于電池p—n結(jié)需要的結(jié)深和擴(kuò)散層方塊電阻，淺結(jié)死電池的結(jié)深一般控制在0.3～0.5m，方塊電阻均20～70/□，硅電池所用的主要pnnpp型硅片晶向（111） 擴(kuò)散溫度擴(kuò)散時(shí)間氮?dú)饬?20～40/□二氧化硅膠實(shí)際是一種機(jī)硅氧的水解合，能溶乙醇等，100400C乳膠可在硅酸乙酯中加水和無水乙醇經(jīng)過水解而成，也可將四氯化硅通入醋酸后加乙醇制1cmP型硅片中，將摻雜五氧化二磷的這種源涂布， 擴(kuò)散溫 擴(kuò)散時(shí) 10～40/□0.5m3.6：3.6將擴(kuò)散爐預(yù)先升溫至擴(kuò)散溫度（850～900C）。先通入大流量的氮?dú)?000ml/min（3～90ml/in取出經(jīng)過表面準(zhǔn)備的硅片，裝入石英舟，推入恒溫區(qū)，在大流量氮?dú)?燒結(jié)法僅適用于n+/p型電池制作工藝。如圖3.7出來，形成含有一定量的鋁的再結(jié)晶層。實(shí)際上是一個(gè)對(duì)硅摻雜的過程。它補(bǔ)償了背面n+3.73.8p—n氯化 氯化 檸檬酸 次磷酸 50m，10～20m。3.93.10（a）那樣的對(duì)稱分布可以分解成如圖3.10（b）所示的一個(gè)個(gè)的單體電池。這種單電池的最大輸出功率可由ABJmpVmpABJmpVmp分別為最大功率點(diǎn)的電流密度和電壓。用

1B2m

JmpVWVW

rb

1A2m

JmpVWVW

3。WFWB是單電池柵線和主線的平均寬度。Ssb

SS

cf

JmpVWcVW

P

JmpS

12smbsmbWB

smbsmb

2

（m=313% mm/ FB

即

smfsmfcm/ 2m計(jì)算出相應(yīng)的各部分功率損失ρsf，ρcf，ρsf和ρst。然后可按下式求出一個(gè)更接近最佳值S"S'

180C，所以前者在一定程度上抵消了后者。圖3.11由四分之一波長(zhǎng)減反射膜產(chǎn)生的效在正常入射光束中從覆蓋了一層厚度為d1的透明層的材料表面反射的能量所占比例的r2r22rrR 1

1r2r22rrcos1 1rn0n1

rn1

n n

n2nn

02

n2nn 02102如果反射率是其兩邊材料的折射率的幾何平均值（n2=nn102（nsi=3.8nopt=1.9圖3.12從露的硅表面和從覆蓋有折射率為1.9和2.3的600nm（n0=1.52.312減反膜 方法 石IT PECVD圖3.13玻璃殼體式電池組件示意圖圖3.15平板 圖3.16全膠密封電池組件示意一般為鋼化玻璃、鋁合金、有機(jī)玻璃、TPFTPF 3.1模擬3.1.1電池是將能轉(zhuǎn)變成電能的半導(dǎo)體器件，從應(yīng)用和研究的角度來考慮，其光電據(jù)標(biāo)準(zhǔn)陽光下的測(cè)試數(shù)據(jù)估算出實(shí)際應(yīng)用時(shí)電池的性能參數(shù)。發(fā)光強(qiáng)度。按照1979年第16屆國(guó)防計(jì)量會(huì)議（CGPN）確定，以（cd）為發(fā)光強(qiáng)度的計(jì)量單位。是一光源在給定的方向上的光強(qiáng)度，該光源發(fā)出頻率為（lm光強(qiáng)度。指照射于一表面的光強(qiáng)度，它用（lx）作為單位，當(dāng)1lm光通1m2面積上時(shí)，該面積所受的光照度（簡(jiǎn)稱照度）1lx。w/m21000w/m2。實(shí)際上地面陽光和很多復(fù)雜因素有關(guān)，這一，射到同一電池上，其效果是不同的光是各種波長(zhǎng)的復(fù)合光，它所含的光譜成分組收，結(jié)果導(dǎo)致非常復(fù)雜的光譜分布。而且隨著天頂角的變化，陽光透射的途徑不同吸收標(biāo)準(zhǔn)的地面光譜分布。目前國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定，在晴朗的氣候條件下，當(dāng)透過大氣層到達(dá)地面所經(jīng)過的路程為大氣層厚度的1.5倍時(shí)，其光譜為標(biāo)準(zhǔn)地面光譜，簡(jiǎn)稱，照射過來。地面上的情況則不同，一部分光直接從照射下來，而另一部分則來自大75%以上，否則就是大氣條件不正常所致，例如件下測(cè)量，因此，唯一的辦法是用人造光源來模擬光，即所謂模擬器。穩(wěn)態(tài)模擬器是在工作時(shí)輸出輻照度穩(wěn)定不變的模擬器，它的優(yōu)點(diǎn)是能提供連脈沖式模擬器，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行和處理。50氙燈0.80.1之間有紅外線比光大幾倍因此必須用濾光片濾除現(xiàn)代的精密模擬器幾乎都用氙燈作電源，AM0AM1.51/4光譜失配誤差=

()

()B()0T,AM1

S,AM1FTAM15(FSAM15(分別是被測(cè)電池（T）和標(biāo)準(zhǔn)電池（S）AM1.5i(λ)I ()

iT,AM15

iT,AM15T,AM1

iT,AM1

IT,AM1FS,AM1

()

iS,AM15iS,AM15

iS,AM15IS,AM1IT,AM15iT,AM15 IS,AM15iS,AM15B(λ)－1定義為光譜它表示模擬器光譜輻照度еsim(λ)和AM1.5的光譜輻照度。 B()

esim()eAM15

esim()eAM15()B()eAM1被測(cè)量電池光譜響應(yīng)基本相同的標(biāo)準(zhǔn)電池。4.1開路電壓溫度系數(shù)AM1.51000w/m225C為+2C如受客觀條件所限，只能在非標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)試，則必須將測(cè)量結(jié)果換算到標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)電對(duì)AM1.5工作標(biāo)準(zhǔn)電池作定標(biāo)測(cè)試時(shí)，用AM1.5二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電池校準(zhǔn)輻射度。3%3%以內(nèi)可利用電壓和電流的線性關(guān)系來推算完全短路負(fù)載電阻應(yīng)能從零平滑地調(diào)節(jié)到10K以上。必須有足夠的功率容量，以保證在通電函數(shù)記錄儀有于記錄電池的伏安特性曲線。函數(shù)記錄儀的精密應(yīng)不低于0.5級(jí)。探頭的體積和形狀應(yīng)保證它能盡量靠近電池的pn結(jié)安裝。 II

ISR

TI SC I

V2V1RSI2I1KI2T2T1T2T1IMRT1T2RSKK1.2510-80%25%。5用二種不同的輻照度，分別測(cè)量二條伏—曲線，畫在同一座標(biāo)上，如4.2900w/m21100w/m2，不需知道正確的數(shù)值。輻照度改變時(shí)要2C。圖中，在二條曲線的最大功率點(diǎn)附近各選擇一點(diǎn)PQ，

RS1

VQ 被 RRS1RS2RS ） ）

npcnS應(yīng)選用恰當(dāng)?shù)摹⒂诜蔷Ч桦姵販y(cè)試的非晶硅標(biāo)準(zhǔn)電池來校準(zhǔn)輻照度。由用于非晶硅電池電性能測(cè)試的光源應(yīng)盡可能選用在0.3~0.8波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光譜特0.3~0.58波長(zhǎng)范圍，內(nèi)光譜分布的詳細(xì)數(shù)據(jù)或曲線，以便計(jì)算光譜失配誤差。關(guān)于電池電性能參數(shù)測(cè)量方法的總原則已在3、4、5等節(jié)中作了說明，這些原用參考組件來校準(zhǔn)輻照度要比直接用標(biāo)準(zhǔn)電池來校準(zhǔn)輻照度更值得推薦在室內(nèi)測(cè)試和NOCTNominalOperatingCellTemperature驗(yàn)：

tNOCT20 NOCTNOCT75%。后）5%。凡是外觀5%者均為不合格。這是各項(xiàng)試驗(yàn)的共同要求，以下不再1M者為不合格。振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)?zāi)康氖强己似淠褪艿哪芰Α４藨?yīng)在良好的包裝條件下進(jìn)行試 在近海環(huán)境中使用的電池組件應(yīng)進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)，即在溫度35+2C5%氯化鈉水溶液的霧氣中96小時(shí)后，檢查外觀、最大輸出功率及絕緣電阻。100cm，優(yōu)質(zhì)玻璃：50cm。向電池組件中心下落1次。此項(xiàng)試驗(yàn)應(yīng)在模擬地面光輻照試驗(yàn)箱中進(jìn)行。模擬光應(yīng)垂直照射組件，輻照425C51810%。在15~35C的室溫環(huán)境下，將電池組件的三個(gè)角固定。另一角安裝在扭彎測(cè)試儀1.2，試驗(yàn)完畢檢查外觀及電性能。壓。而單個(gè)電池產(chǎn)生的電壓小于1V，所