应用光伏学---完整版_精品文档.doc

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第一章.太阳光的特性

1波粒二象性：

1905年，爱因斯坦阐释了光电效应，他指出了光是由不连续的粒子或者能量组成的，既是粒子又是波，光同时具有这两种对立而互补的性质（E=hf=hc/λ）,这就是波粒二象性。

2黑体辐射：

黑体对于辐射来说是一个理想的吸收体或发射体，当它被加热后，开始发光；也就是说，开始发出电磁辐射。

例如，金属温度越高，发射的光的波长越短，发光的颜色由最初的红色逐渐变为白色

3AM0从本质上来说是不变的，将它的功率密度在整个光谱范围积分的总和，称作太阳常数。

它的公认值是1.3661kw/m2

4太阳光到达地球表面时，穿过大气层的太阳光被减少了30%，其影响因素有：

1）大气中分子的瑞利散射，对短波长光而言更为明显；2）烟雾和尘埃粒子的散射；3）大气中气体的吸收，如氧气、水蒸气和二氧化碳

5由于大部分的有效散射发生在短波长范围里，漫射辐射在自然光谱的蓝端区域起主导作用，因此天空呈现蓝色。

6人类的活动增加了大气中“人造气体”的排放，这些气体吸收波长的范围是在7~13微米，特别是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化合物和氯氟碳化物（CFC）等，这些气体阻碍了能量的正常逃逸，并且被广泛二位是造成地表平均温度升高的原因。

7日照数据和估算有三个基本的问题：

1）利用测量所得到的数据来计算给定地点水平面上的全局辐射；2）利用全局辐射的数值来估算水平面上的直射成分和漫射成分；3）利用水平面上的直射成分与漫射成分数据来估算倾斜平面的相应数据。

8在水平面上的陆地全局辐射数据：

1）峰值日照小时数据：

每月的日平均日照水平通常用“峰值日照小时数”来表示，其概念是说全天所接收到的太阳辐射，早晨时候为低强度，在正午的时候达到峰值，午后又逐渐降低；2）日照小时数据：

描述了在一个给定的时间段中

每天超过约为210w/m2辐射强度的日照小时数；3）典型气象年（TMY）数据：

日照数据有时以“典型气象年”数据的形式呈现，这是一个综合了各个月份数据的全年数据，每个月份的数据是从历史记录中所选取的代表该月的“典型的”气象数据；4）人造卫星云图的数据用来非常准确的计算晴天和阴天的百分比等；5）基于卫星数据的日照数据。

9全局辐射与漫射成分的估算方法：

1）晴朗指数用月平均晴朗指数来估算日光中漫射成分的占比，是日间陆地全局辐射与日间地外全局辐射两者间的月平均比值；2）Telecom模型如果直射和漫射日照成分不能分别确定，对于两者的一个合理的近似可以通过将总月间全局日照，和根据大致的晴朗与阴云的天数通过理论计算得出的总日照相等同而得出。

第二章半导体与pn结

11839年，贝克勒尔发现了某些材料在被曝光时产生电流的现象，这就是现在我们所称的光伏效应，是光伏器件或者太阳能电池运作的基础。

2半导体材料的电学特性通常可以采用两种模型来解释，分别是化学键模型和能带模型

3化学键模型下材料的两种导电过程1）电子从被破坏掉的共价键中释放出来自由运动；2）电子也能够从相邻的共价键中移动到由被破坏的共价键所产生的空穴里，而那个相邻的共价键便遭到破坏，如此就能使得遭破坏的共价键或称空穴得以传播，如同这些空穴具有正电荷一般。

4能带模型根据价带和导带间的能级来描述半导体的运作特性。

电子在共价键中的能量对应于其在价带的能量。

电子在导带中是自由运动的，带隙的能量差反应了使电子脱离价带跃迁到导带所需的最小能量。

只有电子进入导带才能产生电流。

同时空穴在价带以相反于电子的方向运动，产生电流，这个模型被称为能带模型。

5半导体的种类：

用来制造太阳能电池的硅和其他材料的半导体通常有单晶体、mc多晶体、pc多晶体、微晶体和无定形晶体，微晶体的晶粒小于1μm，pc多晶体的晶粒小于1mm,mc多晶体的晶粒小于10cm`

6非晶硅在原子结构上没有长距离的有序排列，导致在材料的某些区域含有未饱和键或悬挂键，这些又导致了在禁带中的额外能级。

，因而无法对纯的半导体进行掺杂，或者在太阳能电池的构造中获得较好的电流。

7光的吸收当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽还小的能量的光子与半导体间的相互作用极弱，于是顺利地穿透半导体，就好像半导体是透明的一样，然而，能量比带隙能量大的光子会与形成共价键的电子相作用，用它们自身所具有的能量去破坏共价键，形成可以自由流动的电子-空穴对。

8复合在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无规则运动直到他们相遇并复合，任何在表面或者内部的缺陷、杂质都会促进复合的产生。

9材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生到复合的平均存在时间，对于硅，典型的载流子寿命约是1微妙。

第三章太阳能电池的特性

1太阳能电池电力输出的两个主要制约参数为1）短路电流当电压为0时，电池输出的最大电流。

在理想情况下如果V=0，Isc=Il,Isc与所接收光的光照强度成正比。

2）开路电压当电流为0时，电池输出的最大电压，开路电压随辐射强度的增加呈对数方式增长，这个特性使得太阳能电池特别适用于为蓄电池充电

2填充因子是衡量电池P-N结的质量以及串联电阻的参数

3光谱响应：

当单个光子的能量比构成电池的半导体材料的禁带宽度大时，太阳能电池就会吸收和这个光子并产生一个电子空穴对，在这种情况下，太阳能电池对入射光的光子产生响应。

光子能量超出禁带宽度的部分迅速以热量形式散失。

4太阳能电池的量子效率（QE）：

假设照射到太阳能电池上的光子在电池内部产生电子空穴对，最终这些载流子对太阳能电池输出电流产生贡献的概率。

5太阳能电池的工作温度是由环境温度、封装电池的组件的特性、照射在组件上的日光强度以及其他一些变量，比如风速等因素决定的。

6对于硅太阳电池来说，温度的上升的主要影响是开路电压和填充因子的下降，因而导致了输出电功率的下降。

7太阳能电池通常伴随着有寄生串联电阻和分流电阻，两种寄生电阻都会导致ＦＦ降低。

串联电阻主要来源于半导体材料的体电阻、金属接触与互联、载流子在顶部扩散层的运输，以及金属和半导体材料之间的接触电阻。

分流电阻是由于pn结的非理想性和结附近的杂质造成的，它引起结的局部短路，尤其是在电池边缘。

第四章太阳能电池特性和设计

1光伏系统发电的成本取决于其初期成本、使用寿命、运行成本、电能输出量，以及贷款的费用、目前的货币价值在日后的贴现率。

2太阳能电池光学损失的减少方法：

1）将电池表面顶层的电极面积减少到最小。

2）在电池表面使用减反射膜，为了将反射进一步最小化，可以将减反射膜的折射率设计为膜两边材料。

3）通过表面制绒也可以减少反射，晶体硅表面通过沿着晶面的腐蚀而被均匀的绒化，如果晶体硅的表面是按照内在原子的排列规律适当地排列而成，表面就会形成金字塔结构，绒化的或粗糙化的表面的另外的一个好处是光按照斯涅尔定律倾斜的耦合进硅体中。

4）电池背表面的高反射减少了电池背电极的吸收，使到达背表面的光线被弹回，再度进入电池而有可能被吸收。

如果背面反射体能够完全随机式地打乱反射光的方向，光线可能会因为电池内部的全反射而被捕获在电池内。

P35

3.太阳能电池对更大波长辐射的转换效率（或者红光响应）可以通过增加电池“背电场（BSF）”的方式来改善，也就是降低背表面的复合速率。

4.复合能够通过以下几种机理发生：

1）辐射复合—吸收的反过程。

电子从高能态返回到较低能态，同时释放光能。

2）俄歇复合—碰撞电离的反过程。

电子和空穴复合释放出多余的能量，这些多余的能量被另一个电子吸收，随后，这个吸收了多余能量的电子驰豫返回原先的能态并释放出声子。

俄歇复合在掺杂较重的材料中尤其显著；3）通过陷阱复合—当半导体中的杂志或表面的界面陷阱在禁带间隙中产生允许的能级时，这个复合就能发生，电子分成两个阶段完成与空穴的复合，首先电子跃迁到缺陷能级，然后再跃迁到价带。

5.要收集太阳电池产生的电流，金属顶电极是必需的。

主栅线和外部导线直接相连，而副栅线是更细小的金属化区域，用来收集电流传输给主栅线。

顶电极的设计目标是通过优化电流收集来减少由于内部电阻和电池遮蔽而产生的损失。

6.除了横向电流损失，主栅线和副栅线也是导致多种损失的原因。

这些损失包括遮光损失、电阻损失（也称欧姆电阻损失）以及接触电阻损失。

7.电池设计时，大体上可认为：

1）当主栅线电阻损失等于其遮光损失时，主栅线宽度最佳。

2）渐缩的主栅线比宽度恒定的主栅线所引起的损失小。

3）单元电池的尺寸，副栅线宽度以及副栅线的间距越小，引起的损失就越小。

P39

8.为了制作更为高效的硅太阳能电池，在实验室制造环境下使用的一些技术和设计包括:

P401）轻扩散的磷发射区，这是为了减少复合损失，并避免电池表面产生死层；2）间隔紧密的金属栅线，这是为了使发射区横向电阻引起的功率损失最小化；3）极细的金属栅线，宽度一般小于20微米，其目的是尽可能的减少遮光损失；4）抛光或研磨的表面，从而可以通过光刻的方法形成顶电极栅线的图案；5）小面积器件和良好的金属传导性，可以将金属栅线的电阻减到最小；6）减小电极的面积，以及重掺杂位于电极下方的硅表面，使复合率尽可能降低；7）使用贵金属的金属化方案，如钛-钯-银，从而获得极低的接触电阻；8）有效的背面钝化，以减小复合；9）减反射膜的使用，这能使表面反射从30%减小到远低于10%以下。

9.出于减少处理步骤以及降低成本的考虑，以下技术通常不会在工业生产中使用：

光刻工艺；钛-钯-银蒸发接触；双层减反射膜；小面积器件；抛光或研磨硅片的使用。

10.为了确保产品可以商业化，工业生产要求：

P40廉价的材料和加工过程；简易的技术和工艺；高产量；大面积器件；较大的金属接触面积；和绒化表面相兼容的工艺。

11.典型的大规模生产商业太阳能电池制造步骤如下：

1）通过表面制绒形成金字塔。

通过使被金字塔表面反射的光线，在逃离电池表面之前至少撞击另一个金字塔表面一次，使入射光反射率大约33%减小到11%。

2）上表面磷扩散，以提供一层既薄而又重掺杂的Ｎ型层。

３）通过丝网印刷在电池背面覆盖铝浆或银铝浆，然后烧结形成背电场和背金属电极。

４）化学清洗。

５）丝网印刷并烧结正面银电极。

6）边缘结隔绝，以切断正面电极和背面电极之间的传导路径。

12.相对于传统电池的制造工艺，激光刻槽-埋栅太阳能电池（BCSC）具有以下优势：

P41。

1）高电极纵横比（接触电极的厚度/宽比例较大）；2）极细的顶电极栅线（20微米）；3）在大面积器件上的遮光损失从丝网印刷电池的10%~15%减小到2%~3%；4）由于低金属电阻和接触电阻损失，填充因子极佳；5）刻槽的宽度不变，通过增加它的深度来增加金属的横截面积，而不增加遮光面积；6）能够在无性能损失的前提下增大器件尺寸；7）不需要光刻、减反射膜、抛光或研磨的表面或钛-钯-银等昂贵的镀金材料；8）非常简单的生产过程；9）由此类电池发电的成本显著低于标准丝网印刷电池；10）高达20%的大面积太阳能电池效率和高达18%的组件效率已经被证实，而使用丝网印刷技术制造的电池效率分别只能达到14%和11%。

13.它被作为聚光太阳能电池使用时还有额外的优势：

P41。

1）在较低成本的多晶或者单晶材料衬底上可以达到更高的效率；2）可以是用成本更低的镍-铜镀金；3）“自对准”的工艺流程；4）仅在刻槽区域采取更深的扩散掺杂，有效的避免了金属与发射区的直接接触，同时确保了发射区的低掺杂浓度，因而更为高效；5）通过使用轻掺杂的发射区来避免上表面死层的产生，从而显著改善电池对于短波光的响应；6）大面积的镀金槽壁和重掺杂的接触区域减小了接触电阻。

14.激光刻槽-埋栅太阳能电池（BCSC）的制造工艺流程：

P42。

1）表面制绒；2）表面磷扩散和氧化；3）激光刻槽；4）化学清洗；5）槽壁磷重扩散；6）背表面铝金属化和烧结；7）顶电极、背电极同时进行无电镀（镍-铜-银）。

8）边缘结隔绝。

第五章光伏电池的互联和组件的装配

1单个的单晶硅电池所能得到的最大电压只有600mV，电池一般被串联在一起以获得所期望的电压，一般36个电池串联在一起形成