太陽能電池教程

緒論〔introduction〕波粒二象性黑體輻射太陽和它的輻射地表的日光輻射直射和散射溫室效應(yīng)太陽的外表運動日射率的度量全球的等通量直射和散射特性日照時間資料數(shù)據(jù)的衛(wèi)星云圖太陽能和光伏發(fā)電其次章半導(dǎo)體和P-N半導(dǎo)體鍵矩能帶模型摻雜〔半導(dǎo)體的摻雜〕半導(dǎo)體的類型單晶硅多晶硅無定形硅光吸取再結(jié)合P-N光的作用光譜響應(yīng)溫度的影響串聯(lián)電阻的作用效率光損耗重組損耗外表接觸設(shè)計基體體及外表電阻率柵線距離其它損耗VS激光凹槽隱匿接觸電池第五章PV電池的交互聯(lián)系以及組成部件的加工組件和電路的設(shè)計單體電池多個電池多個組件熱斑效應(yīng)組件的構(gòu)造環(huán)境保護熱量考慮電絕緣機械保護衰減因素緒論光伏學是一門利用太陽能電池將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能的一種藝術(shù)。早在1839年，法國小伙子埃德蒙貝克勒爾19歲時，在他父親的試驗室里第一次論證〔證明白〕了光電池的設(shè)計。然而，對于這種效用的理解和開發(fā)依靠于一些20世紀的重要的科學和技術(shù)的進展。一個是量子力學的進展，它是20世紀最主waterpumpingto大的與發(fā)電所連接的輸電線路。伏電池的操作規(guī)章，確定正確的應(yīng)用和進展簡潔的光伏電池系統(tǒng)的設(shè)計是必需亞以及全世界增加光伏電池的應(yīng)用。波粒二象性有大量的可讀性強的量子理論的進展過程17紀晚期，牛頓的光是由粒子組成的理學觀點是格外流行的。直到19世紀早期，楊和菲涅耳通過試驗說明光束具有干預(yù)作用，這說明光是由波構(gòu)成的。直到1960有波粒二象性，用公式可以表達如下：EhfhcfEh：普朗克常量，其值為6.6251034Js ；c：光速〔3.00108ms 。子或是光子。黑體輻射熱的時候，它開頭發(fā)光,也就是說，它開頭發(fā)出電磁輻射。給金屬加熱就是一個漸漸的變?yōu)榱税咨?900T射的能量密度，取決于輻射頻率及其范圍，即f和df，由普朗克輻射法則給出：c3[exp(hf kT)1]c3[exp(hf kT)1]

8hf3df(fk：玻爾茲曼常量。1.13000K1處輻射能量見光波段〔0.4～0.8m〕的只占很少的一局部，這就說明白這些燈為什么效率這么低。超過大多數(shù)金屬熔點的溫度能夠在這個范圍〔0.4－0.8m〕內(nèi)轉(zhuǎn)變峰值能量。1.1太陽和它的輻射〔氫離子〕轉(zhuǎn)移，然后在太陽最外層外表再輻射，這就是我們看到的光球了。1.3這種輻射能近似于從一個6000K的黑體輻射的能量，見圖1.3。地球外表的太陽光輻照度,到達地球外表的光是不同的。的。1(s/h)2太陽在頭正上方φ角時，光程大約是1/cosφ。這光程通常稱做大氣質(zhì)量。因此φ=60時，大氣質(zhì)量等于2或1(s/h)2AM

〔1.4〕h是垂直物體的高度，s是物體陰影的長度，1.5所示。附錄Ｂ中的1.5AM光譜，例如整個波長段的能量總和，總的能量密度接近970W/m21000W/m2的歸一化光譜是目前用于光伏行業(yè)的標準光譜。1000/970獲得。1.11說明白全球和季節(jié)不同日射能量。直接輻射和漫散射30%?！病送ㄟ^大氣中的懸浮顆粒和灰塵顆粒散射。

-4dependenc。O2、臭氧、H2OCO2吸取。1.60.3μm的被臭氧猛烈吸取。大氣中臭氧的耗盡使得更多的這類短波長光到達地球，對生物系統(tǒng)帶來危害。大約1μm的帶隙是由水蒸氣吸取、CO2在長波段的吸取產(chǎn)生的。再一次，轉(zhuǎn)變大氣中CO2的成分對地球上的氣候和生物系統(tǒng)都有重要意義。有效的散射，漫反射主要在光譜末端的藍光。因此，天空呈藍色。10%的散射成分。這一百分比隨著大氣質(zhì)量的增加而增加，多云天氣也會增加。固然，云的掩蓋是輻照度消減和散射的一個重要緣由。積云，也就是大塊的，低的形式補償。卷云，小塊的、高海拔的云，不會阻擋太陽光，但是把2/3的直射溫室效應(yīng)為了保持地球上的溫度，從太陽到達地球的能量必需與從地球散發(fā)出的能量相4-7μmCO2〔70%〕7-13μm之間。假設(shè)像月亮一樣沒有大氣層，地球外表的平均溫度將大約是-18oC。然而，大氣15oC33oC。1.9發(fā)的能量的波長安排。CO2〔CFC”7-13μmCO22030年將會增1-4oC。這將會導(dǎo)致風的種類和降雨量的轉(zhuǎn)變。大陸30cm。固然，進一步增加人為氣體的排放，會產(chǎn)生更嚴峻的后果。如光伏產(chǎn)品能取代石化燃料，這一技術(shù)的應(yīng)用將會增加。太陽的明顯運動35oN1.10所在春分和秋分321923，太陽由東邊升起西邊落下。在子午線，高度A給出了計算太陽在天空的任何時間任何點的公式。、日射測量〔電壓通過不同材料的結(jié)的不同的熱量產(chǎn)生〔高溫射量對光伏系統(tǒng)的設(shè)計格外重要。、全球的日射量計算〔包括直射和散射1.11〔MJ/m2的形式而不僅僅是總的日照量。、直射和散射的日照數(shù)據(jù)β的太陽電池板的的相對日射量：首先，我們假定散射成分D獨立于傾斜角〔45度的傾斜角的值〕S可轉(zhuǎn)換成入射在傾斜角度βSβ，如圖1.12接下來，我們得到：Ssin (+)S sin〔1.5〕式中βα是正午時間太陽的高度，給定90o 〔1.6〕式中φ南半球緯度，δ是按下式給定的太陽的偏差角 23.45osind81360/365〔1.7〕11日開頭，11d=1。上面的式子適用于在南半球朝北放置的組件〔如果在北半球朝南放置用90式中現(xiàn)在是北半球緯度。1.5角的組件中平均每天在水平面的直接輻照的太陽光的強度，因此產(chǎn)生一個小錯誤?！策m用于大多數(shù)地方〕理論計算過程如下：“晴天”-每天直射光的密度是由基于試驗的大氣質(zhì)量的一個函數(shù)所打算。I=1.353*[0.7AirMass]0.678KW/m2 〔1.8〕I是產(chǎn)生在垂直于太陽光線的平面的直射光的密度。大氣質(zhì)量值是一個緯度函數(shù)，一年的時間和一天的時間，可以用附錄A中的算法進展計算。10%圖中可以看到。然后給出一個給定的時間和地點的晴天的每天日照的期望值。1.820%的水平外表的密度。接著，對于陰天的每天日照度的近似值可以計算出來?！?.5)-(1.8〕概述的方法用于確定照在與水平面成角的平面上的日照度。1.14給出了典型的晴天和陰天的日常陽光密度曲線圖。陰天陽光密度僅為晴60o1.1523.5o的地方傾斜的方陣在日常太陽光能量收集的效果。程度的減弱：IAMKIAM0IAM1IAM0**K**0.678 〔1.9〕K是大氣質(zhì)量值是光的波長。轉(zhuǎn)變光譜分布對太陽電池的輸出有重要的影響。然而這一影響常常被無視，由于硅太陽電池吸取的光的波長不超過1.1微太陽日照時數(shù)〔SSH。這一術(shù)語指出出太陽的組成成分。關(guān)于太陽時數(shù)的測量法被用于生產(chǎn)一種坎貝爾日照時間工方法不能將分散的光線聚攏到一起，由于符合日照時間的長短不一。SSHSSHR/Ro=α+βn/N (1.10)其中：R=每天地球輻射的測量值N=SSH〔一天中可見太陽的時間〕α，β=試驗得出的衰退常數(shù)10%以內(nèi)。電信的爭論證明衰減常數(shù)應(yīng)為：α=0.24，β=0.48盡管很多依靠緯度已被覺察。這些數(shù)據(jù)應(yīng)當適合澳大利亞地區(qū)，盡管有更簡單的公式：α＝0.10+0.24〔n/N〕 〔1.11〕β=0.38+0.08〔n/N〕 已經(jīng)從世界各地使用的數(shù)據(jù)中得出。從SSHn/N氣質(zhì)量數(shù)據(jù)被用于去準確地估測日射viaEqn.〔1.8)的成分。集中成分可以通10%20%。衛(wèi)星云圖掩蓋數(shù)據(jù)1.16Eqn.〔1.8〕A1.17云的長度和寬度。掩蓋等級通過地面與衛(wèi)星連接所拍攝的圖片來打算。身的特點，都會影響日照。太陽能和光電效應(yīng)合，在電池的設(shè)計中不能無視光的波粒二象性。1.5B衛(wèi)星云圖掩蓋數(shù)據(jù)去估測日射級別的方法。其次章半導(dǎo)體p-n半導(dǎo)體1839特效應(yīng)，它是研制光電元件和太陽能電池的根底。其它材料可能會取代硅。的介紹一下這兩種模型。聯(lián)結(jié)模型聯(lián)結(jié)模型是通過共價健連接各個硅原子來描述半導(dǎo)體特性，圖2.1個硅晶格中電子的聯(lián)結(jié)和移動過程。ee2.1：單晶硅晶格中價帶上的電子示意圖過兩種方法進展導(dǎo)電：電子通過破壞的共價健發(fā)生移動；電子從鄰健移動到空穴產(chǎn)生破壞的共價的區(qū)分出氣泡是朝反方向運動的.能帶模型導(dǎo)帶電導(dǎo)帶電子能量Eg禁帶價帶2.2電子在費米能級中的示意圖電子從價帶越遷到導(dǎo)帶就會產(chǎn)生電流?？昭ㄔ趦r帶朝反方向?qū)щ?摻雜摻雜后的其他一些原子可能會打破硅晶格內(nèi)電子和空穴原有的平衡,雜質(zhì)原子與硅形成共價鍵后還空余一個電子時為n型半導(dǎo)體材料。雜質(zhì)原子與硅形成共價鍵后稍一個電子時為p型。如圖2.3所示.N型 P型 eⅤ族原子 Ⅲ族原子例如:磷 例如:硼2.3NP半導(dǎo)體類型不同材料具有不同的類型,如圖2.4所示.單晶硅硅或無結(jié)晶狀硅材料制造太陽能電池,盡管質(zhì)量不太抱負.多晶硅級將促使電子與空穴的復(fù)合，產(chǎn)生電流。〔c-Si〕〔poly-Si〕間界的長度。像這樣的多晶硅材料多被用于生產(chǎn)商業(yè)用的太陽能電池。非結(jié)晶硅摻雜或者使太陽能電池構(gòu)造中得到合理的電流。在非晶硅已經(jīng)覺察了氫原子，通過在飽和懸掛健的同一水平面上參加5-10%的氫原子來改善材料的質(zhì)量。它也可以將禁帶寬度從單晶硅的1.1個電子伏增大1.7陽能電池的作用來定，越小越好。在硅氫合金中最小的帶電體集中長度比1微米還短。在損耗區(qū)域被激活的電子2.5Si:H太陽能電池的總體設(shè)計。P未摻雜〔自身的〕 高損耗區(qū)N2.5：Si:H是爭論薄膜和其它一些潛在的用于生產(chǎn)低本錢太陽能電池的材料。光的吸取EphEg，對半導(dǎo)體的影響很小，會穿過它。hf2.6hf時，電子空穴對形成。2.7藍藍紅e-hx半導(dǎo)體 e-hx2.7：電子-空穴對的產(chǎn)生度G能通過以下公式計算出來：G=αNexp(-αx) (2.1)N=光子流量〔/單位面積/秒αx=300Kα2.8再結(jié)合陷和雜質(zhì)在里面或在半導(dǎo)體的外表都會促使它們再結(jié)合。一種物質(zhì)的帶電體壽命可以定義為產(chǎn)生電子-空穴對后再復(fù)合的平均時間。對于1距離。硅是100-300微米。這兩項參數(shù)能夠指出物質(zhì)的質(zhì)量和是否適合生產(chǎn)太陽p-np-nPNp-npn2.9PN大量空穴； 大量電子；少量電子 少量空穴；電子PN電子PNE2.9：p-n結(jié)的形成p型半導(dǎo)體中空穴在集中作用下流np型半導(dǎo)體作為兩邊EPN2.10,E將變小。PNVhePNV2.10：p-n結(jié)加電過程空穴移動將產(chǎn)生電流內(nèi)建電勢減小〔Vbi-V〕電流將隨電壓增加成指數(shù)級增加，這種現(xiàn)象用抱負二極管法則表達為：I=Io[exp〔qv/kT〕-1] 〔2.2〕其中：Io V = 供給電壓q=確定電荷電流k=波爾茨曼常數(shù)T=確定溫度留意：Io隨T增加而增加。Io隨物質(zhì)質(zhì)量增加減小。在實際二極管中表達式變?yōu)椋篒=Io[exp〔qv/nkT〕-1] 其中：n =2.11描述了硅二極管定律IIT2T1SiT1>T2V0.6V2.11：硅二極管定律-電流隨電壓和溫度轉(zhuǎn)變。在電壓肯定的條件下曲線隨溫2mv/℃。第三章太陽能電池的特性光照效果硅太陽能電池是一個二極管，由p型硅〔一般為硼摻雜〕和n型硅〔一般為磷摻雜〕結(jié)合形成。當光照耀電池時有很多種情形，如圖3.1所表現(xiàn)的那樣。為了獲得最大功率的電池，電池必需設(shè)計成最大吸取〔3〕和反射后最大吸取〔5。np3.23.3所示在被收集前會消逝。p-nV=0時產(chǎn)生的電流。電子空穴對在結(jié)集中長度內(nèi)被收集的概率比較大就像在其次章爭論的那樣。在圖2.11二極管IV曲線電流Io取的是在沒有光落到電池上時的典型的描繪電此二極管定律變成：I=Io[exp〔qV/nkT〕-1]-IL 〔 (3.1)RR12RhfR4Ne-hPe-h53e-h6接觸電極吸取3.1：光在電池中的吸取特性1、光在頂部電極的反射與吸取2、電池外表反射3、抱負吸取4、從電池底部反射-僅微弱吸取光5、反射后的吸取6、在底部電極的吸取ee-he-hNEe-hP電子通過主電極遇上空穴形成電流e3.2p-n結(jié)。hheheNeh收集ehPP體復(fù)合hee外表復(fù)合h3.3：可能的電子空穴對復(fù)合，沒有復(fù)合的載流子收集。IIIILVIIVIILLIL(a) (b)(a)(b)p-n結(jié)電流-電壓特性的影響率被減小.3.4〔a〕下方右邊第四象限區(qū)域矩IV3.5，輸出在第一象限公式變?yōu)椋篒=IL-Io[exp(qV/nkT)-1] (3.2)II，PVmp，ImpIscPmP0V和最大功率點〔Vmp，Im。兩個限定參數(shù)通常用來描述太陽能電池在給定光照，溫度和面積條件下，他們是:短路電流，Isc，最大電流，在電壓為零處。抱負狀況下，假設(shè)V=0，Isc=I。注LIsc和光照強度成比例關(guān)系。特性使得太陽能電池和修電池相適應(yīng)。I=0時：V=nkTlnIL1oc q I 0 〔3.3〕Vmp*Imp是他的最大值時。太陽能電IV曲線圖上是一個最大的矩形，例如：d(IV)/dV=0給定V =V

nkT V - ln mp mp o

q (nkT/q) 1 〔3.4〕叫做電池的峰值電壓。因此光伏組件中常常用Wp用來認定。也就是：V IFF

mpm pP(V

VIoc sc 〔3.5〕IFF)m oc sc

(3.6)來利用閱歷公式Vl( 0.72)VFFoc ocVoc 〔3.7〕其中Voc定義為規(guī)格化開路電壓：V Voc Voc (nkT /q ) 〔3.8〕1位小數(shù)在這狀況下。光譜響應(yīng)太陽能電池吸取入射光光子可以產(chǎn)生電子空穴對，只要光子能量Eph大于能

馬上轉(zhuǎn)換為熱，如圖3.6。G G導(dǎo)帶導(dǎo)帶hf〔red〕f blu〕價帶3.6EG能量散失太陽能電池量子成效〔Q.E.)定義為一入射光中從價帶移動到導(dǎo)帶的電子子數(shù)1.0-1.6eVQueisser,1961).硅能帶在1.1eV，接近抱負，然而砷化鎵在1.4eV，在理論上更抱負。圖3.7描述了抱負量子能效和能帶關(guān)系。1.01.0光子λ =hc/EG G=1.24/EG〔E 為eV,λum〕G0波長，λ3.7在硅太陽能電池中能帶限制和量子能效關(guān)系意味著被有效利用前光子要經(jīng)過較長的路程，所以限定集中長度在電池材料中也就限制了電池的響應(yīng)。響應(yīng)響應(yīng)〔A/W光譜響應(yīng)可以被以下公式計算：A/W

qelctronfluxhcphotonfluxqQ.E.hc 〔3.9〕A/W--->0當λ--->0復(fù)合的損失意味著實際的電池只能接近于抱負狀況。溫度影響太陽能電池使用溫度主要取決于四周環(huán)境溫度，組建封裝狀況〔5.8光照耀在組件上的強度，和其他因素如風速。IoE I0BTexp GokT 〔3.10〕其中B不依靠于溫度變化；EGO是線性外推零度時制作電池半導(dǎo)體的帶寬Green199，γIo.短路電流，IEsc G電子空穴對。然而，這些效果很?。?dI SC0.0006/℃for1dIISCdT 〔3.11〕減小。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的影響是：PmdT 〔3.15〕應(yīng)當留意溫度對Voc影響很大。在圖3.9中對這種效果進展了描述。寄生電阻對電池的影響3.10。兩種寄生電阻都減小填充因子。T2IT1T2>T1T2IT1T2>T1VV3.9IV曲線的影響。RsIRsIIILRSHV3.10：太陽能電池電路中的串并聯(lián)電阻IIRs=0中Rs△V△V=IRsRsV并聯(lián)電阻，Rshp-n結(jié)不抱負或在結(jié)四周有雜質(zhì)，這些都能導(dǎo)致結(jié)短路，尤其是在電池邊緣處。似表示為：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為：rs=Rs/RCH (3.18)因此FF=FFo〔1-rs) (3.19)或者利用閱歷公式但是更準確：FF=FFo〔1-1.1r〕+r2/5.4 (3.20)s s，voc>10是可以使用。類似的并聯(lián)電阻，可以定義為：r R / Rsh SH那么，像前面一樣：

CH (3.21)0FFFF0或者更準確些：

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：太陽能電池中并聯(lián)電阻對填充因子的影響在串聯(lián)和并聯(lián)電阻都存在狀況下，太陽能電池IV曲線可以用下式表示： VIR LIIL

I0exsR nkT/q SHR

(3.24)0FFshFFsFF〔Green,199。04.1功率

電池的特性與設(shè)計在試驗室條件下,隨著當前技術(shù)的進展水平,做到單晶硅太陽電池的效率超過23%是有可能的.然而,作為商業(yè)生產(chǎn)的代表效率只有13%-14%.造成這種現(xiàn)象的因素有很多,但最重要的一點是,,并不考慮其本錢,工藝的簡單性及生產(chǎn)力量,通常來說,試驗室的技術(shù)是不適合工業(yè)化生產(chǎn)的.太陽能電池的爭論是如何連續(xù)提高電池的轉(zhuǎn)換效率,在當前理論的指導(dǎo)下爭論.商業(yè)生產(chǎn)落后于試驗室技術(shù)很多年,但是20%.電池組件的價值隨著電能的轉(zhuǎn)換效率而不同,所以電池組件要必需給定一個輸出功率.一個簡潔的關(guān)于光伏系統(tǒng)價值的計算方法同時是一個重要的關(guān)于效率的闡述公式(Benner/DeMeo;1991)如下:每千瓦時電能的價格Cm=單位面積光伏組件的價格〔蓄電池，逆變器，掌握系統(tǒng)等〕I=間接資本價值因素S=年鑒附加費系統(tǒng)電力模塊,包含熱損耗,配線與失配0.016=環(huán)境,操作與維護的費用.,隨著當前單晶硅與多晶硅的進展技術(shù),在產(chǎn)量每年10MW的生產(chǎn)水平下,硅片的價值占每瓦特組件的價值的一半(Darkazalli,1991).工廠電池效率仍在爭論之中.光損失在第2和第3章我們已經(jīng)爭論過由于光損耗和復(fù)合損耗會使電池的輸出的抱負值削減.4.1闡述了一些關(guān)于在一塊電池內(nèi)光損耗的過程.4.1:電池的光損耗有;外表掩蓋物的阻礙電池外表反射背場的反射來削減這些損失的方法有:(與串聯(lián)電阻有聯(lián)系)在電池外表使用減反射膜,使用一個波長1/4的減反射膜,薄膜厚度d1與波長和n1的關(guān)系式為:180度外的反射,4.2所示:4.2:1/4波長減反射膜來削減外表反射.non2的算術(shù)關(guān)系式是：如圖4.3示：外表反射在這種狀況下能削減至0。4.30.6微米處的硅外表的減反射膜的關(guān)系〔iii)外表結(jié)果也可以用來削減光的反射。任何外表的粗加工〔絨面〕都可以用來增加光在外表來回反射的時機，來削減光的損失。打算,4.4示。圖4.4：一個晶體硅電池外表四棱錐型的構(gòu)造。4.5為電子顯微鏡下硅外表的構(gòu)造：依據(jù)Snell法則硅外表的絨面構(gòu)造能使光間接的被硅吸取，公式如下：n1sin?1-n2sin?2?1,?2分別是光在硅外表的入射角度,n1,n2為反射系數(shù)。的增加。入射光的光程能夠提高到4n2假設(shè)使用如圖4.6所示的背外表的光收集技術(shù)。4.6〔〕背外表反射〔b〕光程的隨機反射合速率。包括重摻雜和在電池的背部用絲網(wǎng)印刷鋁背場。圖4.7是一個背場低摻雜區(qū)與印刷層的界面表現(xiàn)為一個低