太陽能電池重點答案(前4章)

1、第一章1.法國物理學家 Edmond Becquerel 于 1839 年首先觀察到光伏效應。2.1883 年美國科學家 Charles fritts 制造了歷史上第一個太陽能光電池。3.1954 年貝爾實驗室的科學家研制出了第一塊現(xiàn)代太陽能電池，轉換效率達到6%，這是太陽能電池發(fā)展史上一個重要里程碑。4.2000 年德國首先頒布可再生能源法。5.光子的能量？能量（eV）與波長（pm）的關系。（計算） 答：光子的能量：E（J） = hf = he/入能量與波長的關系：E （eV ） = 1.24 /入（pm）。光的能量與波長成反比。6.太陽的能量主要來源于太陽內(nèi)核發(fā)生核聚變反應（氫轉換成氦），

2、這些能量以電磁波的形式向四 方輻射：太陽表面溫度高達 6000 k。7.太陽光照射在距離 D 處的球面，入射到物體的光強為？（計算）答: （式中點很於心, Isun 為太陽的表面輻射功率強度）8.大氣效應主要在哪些方面影響著地球表面的太陽輻射？ 答：1）由大氣吸收、散射和反射引起的太陽輻射能量的減少。2）由于大氣對某些波長的較為強烈地吸收和散射而導致光譜含量的變化。3）當?shù)卮髿鈱拥淖兓鹑肷涔饽芰俊⒐庾V和方向的額外改變。 引起的太陽輻射能量的減少：導致光譜含量的變化。（特殊的氣體包括：臭氧（O3）,二氧化碳（CO?）和水蒸氣（H2O ）都能強烈地吸收能量與其 分子鍵能相近的光子。從而改變太陽

3、的光譜含量，使得輻射光譜曲線深深地往下凹。然而空氣分子和塵埃，卻是通過對光的吸收和散射成為輻射能量減少的主要因素）9.什么叫光學大氣質量？太陽在相對水平面成30?的高度，其相應的大氣光學質量是多少？答：光線通過大氣層的路程，太陽在頭頂正上方時，路程最短。我們把實際路程與此最短路程的 比稱之為大氣光學質量。簡稱 AM。大氣光學質量表達式：AM =（e為太陽和頭頂正上方成角度） 當太陽在頭頂上方時，AM=1，稱為大氣光學質量 1 的輻射。 當太陽在相對水平面成 30?時，亠二cos0 cos 6010. 地球表面的標準光譜稱為 AM1.5，輻射能量密度為 1000 W/m2;地球大氣層外的標準光譜

4、稱為 AM0,輻射能量 密度為 1366 W/m2。11. 北半球，正午時分太陽高度角？式中各量表示什么？ 答：北半球正午時分太陽高度角表達式：a = 90。一0 + /式中巾為觀測位置所處的緯度；s為偏向角，大小取決于所在一年中的天數(shù)，北半球：春分日和 秋分日偏向角為 0夏至日偏向角為 23.45。，冬至日偏向角為-23.45在赤道地區(qū)（緯度為 0?）,春分日和秋分日：太陽處在頭頂時高度角為90?;在北回歸線處（大約在緯度 23.5?）,夏至日，太陽在頭頂正上方，其高度為90?。第二章1.硅的晶體結構為金剛石結構。2.求晶面的密勒指數(shù)？答：選一格點為原點，并作出沿三軸線，在某族晶面中必有一個

5、離原子最近的晶面，假設它在3個坐標軸上的截面距分別為 h1,h2,h3,用（h1,h2,h3 ）來標志這個晶面系密勒指數(shù)：2 丄丄1 禹 Aj Aj I注意：若晶面系和某軸線平行，截面距將為至所對應的指數(shù)為 0。a a E E *3.本征載流子濃度特點？載流子數(shù)目取決于什么？ （Or :禁帶寬度，溫度與本征載流子濃度的關系）答：本征載流子濃度特點：本征材料中，導帶內(nèi)電子數(shù) n 等于價帶內(nèi)的空穴總數(shù) p: n=p=ni （ni 為本征載流子濃度）。載流子的數(shù)目決定于材料的禁帶寬度和材料的溫度：寬禁帶會使得載流子很難通過熱激發(fā)來穿過它，因此寬禁帶的本征載流子濃度一般比較低；可以通過提高溫度讓電子更

6、容易被激發(fā)到導帶，同時提高了本征載流子的濃度。4.V、III 族摻雜半導體的平衡載流子濃度特點？少子濃度與摻雜水平的關系？答：摻雜后，平衡載流子濃度等于本征載流子濃度加上摻雜入半導體的自由載流子的濃度。V 族摻雜：，III 族摻雜：多子的濃度幾乎等于摻雜的載流子濃度。少子的濃度隨著摻雜水平的增加而減少。5.遷移率與摻雜濃度、有效質量關系？遷移率與擴散系數(shù)的關系。答：遷移率口 ：定義為單位電場作用下載流子獲得平均速度，反映了載流子在電場作用下輸運能力。 隨著摻雜濃度的增加，遷移率減少。隨著有效質量的增加，遷移率減小。對于非簡并半導體（摻雜濃度不是很高），電子擴散系數(shù)與電子遷移率、空穴擴散系數(shù)與空

7、穴遷 移率的關系：第三章1.一個光子是被吸收還是透射取決于什么？（光子能量和禁帶寬度Eg ）什么樣的情況下，光子能量才能被吸收？答：一個光子是被吸收還是透射取決于：光子能量Eph 和禁帶寬度 Eg。（1）EphvEg 光子與半導體的相互作用很弱，半導體像是透明的，光子透射出半導體。（2）EphEg 光子能量被強烈吸收。（3）Eph=Eg 光子的能量剛剛好足夠激發(fā)出一個電子 -空穴對，能量被完全吸收。2.波長人光強為 Io的單色光入射到半導體表面，其反射率為R。如果半導體對該波長的吸收系數(shù)為a則光進入半導體深度 x 的關系式為什么？光子通量 N 與半導體深度 x 的關系式是什么？如果減少的光能量

8、全部用來產(chǎn)生電子一空穴對（即每吸收一個光子產(chǎn)生一個電子一空穴對），則電子一空穴對的產(chǎn)生率 G 與穿透半導體的深度 x 之間的關系是什么？答：1） I = （1-R ） Ioe-a（a的單位為 cm-1）（補充：吸收深度 x 與吸收系數(shù)a成反比例關系。對于給定波長的光，吸收系數(shù)a決定了光束在進入電池表面多深的距離x 可以被吸收掉。吸收系數(shù)a的大小與材料（禁帶寬度）和光的波長（光子能量）有關。光子能量越高，波長越短，吸收系數(shù)越大，吸收深度越短）2） （暫時不知道答案3）G =aNe風AEGAEG的密勒指數(shù)是（111）:ABCDABCD的密勒指數(shù)是（001）;的密勒指數(shù)是（120）.F F3.半導體

9、材料：GaAs , ZnO, GaN , Si, Ge,哪些是直接帶隙半導體、哪些是間接帶隙半導體？ 直接、間接帶隙半導體吸收光過程有什么不同？答：直接帶隙半導體：GaAs，ZnO，GaN ;間接帶隙半導體：Si，Ge（補充：直接帶隙：價帶極大值和導帶極小值都位于k 空間的原點上。直接躍遷。間接帶隙：價帶極大值和導帶極小值不位于k 空間的原點上。間接躍遷。）1）直接帶隙半導體吸光過程：材料吸收光子能量后，將電子從價帶激發(fā)到導帶，同時在價帶留下空位。光子動量很小，躍遷發(fā)生在同一豎直線上。2）間接帶隙半導體吸光過程：電子在躍遷過程中，光子提供電子躍遷所需的能量，聲子提供躍 遷所需的動量，這樣躍遷可

10、在光子能量較低的情況下發(fā)生。3）間接帶隙吸收過程需要另外的粒子，該過程的光吸收幾率比直接帶隙吸收情況小的多，所以 吸收系數(shù)小。4.輻射復合的特點是什么？在哪種帶隙半導體進行得更有效？答：輻射復合中，來自導帶的電子與價帶的空穴直接結合并釋放一個光子。釋放的光子的能量近 似于禁帶寬度，所以吸收率很低，大部分能夠飛出半導體。對于輻射復合：凈復合率=總的復合率-平衡時的產(chǎn)生率。輻射復合在直接帶隙半導體中進行的更有效。5.SRH 復合的特點是什么？載流子被俘獲到缺陷能級的概率取決于什么？缺陷能級位于什么位置 時，發(fā)生復合的概率最大？答：半導體中的雜質和缺陷會在禁帶間隙中產(chǎn)生允許能級，這個缺陷能級引起經(jīng)由

11、陷阱的復合。 經(jīng)由陷阱的復合（SRH）:電子從導帶能級弛豫到缺陷能級，然后再弛豫到價帶，最后與一個空穴 復合。載流子被俘獲到缺陷能級的概率取決于能級到導帶和禁帶的距離。處在禁帶中間的能級發(fā)生復合的概率最大。6.LED 燈和激光這類的半導體器件的主要復合機制是什么？硅太陽能電池來說，什么復合是主要 的復合過程？答：輻射復合是 LED 燈和激光這類的半導體器件的主要復合機制。對硅太陽能電池來說，經(jīng)由陷阱的復合 （SRH）為主要的復合過程。（補充：它的復合率取決于材料中的缺陷數(shù)量，所以當太陽能電池的摻雜量增加時，SHR 復合率也將隨之增加。對硅太陽能電池來說，因為硅不是直接帶隙半導體，電子不能直接從

12、價帶躍遷到導帶，所以輻射復合并不是 主要的復合過程。）7.在硅中，少子壽命可以達到 10 e。對于單晶硅太陽能電池來說，擴散長度通常在|100-300 即之間。第四章PN 結內(nèi)建電勢的表達式,熱=hi r答.勺坷2.太陽能電池基本工作原理。 （具體過程：載流子的流動） 答：太陽能電池是一種能直接把太陽光轉化為電的電子器件。入射到電池的太陽光通過同時產(chǎn)生 電流和電壓的形式來產(chǎn)生電能。太陽能電池能量轉換的基礎是半導體PN 結的光生伏打效應。當光照射到半導體光伏器件上時，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過減反射膜進入硅中，在N區(qū)、耗盡區(qū)、P 區(qū)中激發(fā)出光生電子空穴對。（1）在耗盡區(qū)外：光照產(chǎn)生的電子空穴對

13、，由于 沒有內(nèi)建電場的作用，并且多子濃度基本上不受光照效應的影響，所以在光照下，少子濃度增 力口，會產(chǎn)生的擴散電流。（2） P 區(qū)內(nèi)：由于耗盡層靠近 P 區(qū)邊緣的電子濃度較低，所以 P 區(qū)內(nèi) 光照產(chǎn)生的光生電子（少子）會擴散進入耗盡區(qū)，再流入N 型區(qū)，光生空穴（多子）留在 P區(qū)；（3） N 區(qū)內(nèi)：光照產(chǎn)生的光生空穴（少子）會擴散進入耗盡區(qū)，進而再流入P 型區(qū)，光生電子（多子）留在 N 區(qū)。耗盡層內(nèi)的漂移電流、P 區(qū)的電子擴散電流、N 區(qū)空穴擴散電流的總和就是光生電流”。在 P-N 結兩側形成了正、負電荷的積累，使 N 區(qū)儲存了過剩的電子，P 區(qū)有過 剩的空穴，從而形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電

14、場。光生電場除了部分抵消內(nèi)建電場的作用1.它與摻雜程度、禁帶寬度之間的關系夕卜，還使 P 區(qū)帶正電，N 區(qū)帶負電，在 N 區(qū)和 P 區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生了電動勢，這就是光生伏 打效應。3.電池外接負載時，光電流為 II，正向結電流 Ip，流過負載的電流的關系？答：1=1L- Ip4.太陽能電池中工作電流與短路電流、工作電壓與開路電壓的關系？理想太陽能電池的電壓與電流 的關系表達式、暗電流表達式。答：1 ）短路電流是電池能輸出的最大電流。2 ）開路電壓是電池能輸出的最大電壓。3）理想太陽能電池的電壓與電流的關系表達式：I _（曲臥| q 必險人4 ）暗電流表達式：5.太陽能電池的輸出參數(shù)有哪些？開

15、路電壓、填充因子、能量轉換效率的定義式什么，表達式是什 么？第五章1.禁帶寬度與短路電流，開路電壓的關系？2.開路電壓的大小主要取決于什么？其中最主要的影響因素是什么？3.溫度與太陽能電池的影響是什么？以硅太陽能電池為例說明。4.短路電流的損失因素是什么？5.太陽能電池中，最常見的寄生電阻是什么？它們分別是由什么產(chǎn)生的？寄生電阻對電池最主要的 影響是什么？6.太陽能電池的等效電路，電路中各部件的含義。7.填充因了的計算：理想狀況下、僅串聯(lián)電阻影響時、僅分流電阻影響時，串聯(lián)電阻和分流電阻都 存在時。8.太陽能電池的測試條件是什么？第六章1.由砂到單晶硅片的主要過程是什么？反應式是什么？2.冶金級

16、硅中主要的雜質是什么？5 呦 皿）（A 為二極管的橫截面積）答：太陽能電池的輸出參數(shù)：短路電流Isc開路電壓 Voc、填充因子 FF、轉換效率n短路電流:吸二一山Q（填充因子V IPP二岬呼定義式：開路電壓:填充因子:Isc= - IL（ V=0 ） A+iFF 是電池的最大輸出功率 Pm與開路 Voc和 Isc的乘積的比值）In （ % 十 0. 72）瞧-1(1=0)FF表達式：（補充：Voc大小主要取決于 IL和 I。）(式中 Voc=Voc/(kT/q) 10 時)6.7.（補充：FF 正常范圍：0.70.85 ）4 ）轉換效率：（定義為太陽能電池輸出功率 SSFF ff - -實驗室

17、測得的硅太陽能電池在通常為 600 mVPm 與進入電池的太陽輻射光功率Pin 的比值）n正常范圍：15%18% ）（補充：AM1.5 光譜下地最大開路電壓達到720 mV,而商業(yè)用太陽能電池當電池溫度為 300 K 時，面積為 100 cm2的硅太陽能電池在 100 mW/cm2光照下，開路電壓為 600 mV，短路電流為 3.3 A。假設電池工作在理想狀況下，問在最大功率點它的能量轉換效率是 多少？答：在溫度為 300k 時，kT/q=25.85mV，因為 Voc=Voc/（kT/q） =600/25.85 =23.25 10，所以：FF就In( %+ 咯1_ SFFH =(23.25-1

18、n(23.25+0.72) / (23.25+1) =0.83=(600X3.3X0.83) / (100X100) =16.4%3.單晶硅的生長方法有哪些，目前使用最廣泛的單晶硅片類型是什么？4.晶體硅電池板中由哪幾部分組成，各部分通常用用的材料是什么？5.晶體硅電池板中前表面封裝材料應具有什么樣的特點？6.晶體硅電池板中前表面封裝密度的定義，它的大小取決于什么，它對太陽能電池有什么影響？7.光伏組件向外散發(fā)熱量可分為幾個過程，這些過程的原因是什么？8.大多數(shù)光伏組件由 36 塊電池片串聯(lián)組成，以使輸出的電壓足以為 12V 的電池充電。9.在互聯(lián)的電池中，什么是失配現(xiàn)象？出現(xiàn)失配時，整個光伏組件的輸出是有誰決定的？會產(chǎn)生什 么現(xiàn)象？（會影響整個太陽能電池方陣所發(fā)出的電力，從而產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象）10. 兩個太陽電池串聯(lián)時，下面兩種情況下，電池是怎么工作的：（1）正常工作時。（ 2）電池 2被陰影遮擋 50% 時。出現(xiàn)第二種情況下，怎么解決這種失配現(xiàn)象，原理是什么？第七章1.舉例說明太陽能電池中減少光損失的方法。2.在光伏應用中，設計減反膜的厚度和反射率，使波長為0.6 口的光的反射率達到最小。