太陽能電池重點答案(前4章)

1、第一章1 .法國物理學(xué)家EdmondBecquerel于1839年首先觀察到光伏效應(yīng)。2 .1883年美國科學(xué)家Charlesfritts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(xué)家研制出了第一塊現(xiàn)代太陽能電池，轉(zhuǎn)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（的）的關(guān)系。（計算）答：光子的能量：E（J）=hf=hc/入能量與波長的關(guān)系：E（eV）=1.24/人（科山）。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(yīng)（氫轉(zhuǎn)換成氨），這些能量以電磁波的形式向四方輻射

2、：太陽表面溫度高達6000ko7 .太陽光照射在距離D處的球面，入射到物體的光強為？（計算）R'FJ_V/答：加'"（式中丁&（單位W/eD,Isun為太陽的表面輻射功率強度）8 .大氣效應(yīng)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(dǎo)致光譜含量的變化。3）當?shù)卮髿鈱拥淖兓鹑肷涔饽芰?、光譜和方向的額外改變。引起的太陽輻射能量的減少：導(dǎo)致光譜含量的變化。（特殊的氣體包括：臭氧（。3）,二氧化碳（CO2）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。

3、從而改變太陽的光譜含量，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(xué)大氣質(zhì)量？太陽在相對水平面成30?的高度，其相應(yīng)的大氣光學(xué)質(zhì)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(xué)質(zhì)量。簡稱AM。大氣光學(xué)質(zhì)量表達式：能（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(xué)質(zhì)量1的輻射。當太陽在相對水平面成30?時，二I：=_=一：一=2cos8cos60°10 .地球表面的標準光譜稱為AM1.5,輻射能量密度為1000W/m2;地球大氣

4、層外的標準光譜稱為AM0,輻射能量密度為1366W/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°-0+6式中巾為觀測位置所處的緯度；B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(jié)構(gòu)為金剛石結(jié)構(gòu)。2 .求晶面的密勒指數(shù)？答：選一格點為原點

5、，并作出沿三軸線，在某族晶面中必有一個離原子最近的晶面，假設(shè)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)：上工1%,注意：若晶面系和某軸線平行，截面距將為z所對應(yīng)白指數(shù)為0。WEG的密勒指數(shù)是（111）：的密勒指數(shù)是（0。1人DTHG的密勒指數(shù)是（120”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(guān)答：本征載流子濃度特點：本征材料中，導(dǎo)帶內(nèi)電子數(shù)n等于價帶內(nèi)的空穴總數(shù)p:n=p=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

6、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容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，同時提高了本征載流子的濃度。4 .V、III族摻雜半導(dǎo)體的平衡載流子濃度特點？少子濃度與摻雜水平的關(guān)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(dǎo)體的自由載流子的濃度。y2門建NP«nP*N品u郢«pV族摻雜：""Nb,III族摻雜：Nd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。(ni5 .遷移率與摻雜濃度、有效質(zhì)量關(guān)系？遷移率與擴散系數(shù)的關(guān)系。答：遷移率: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

7、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(zhì)量的增加，遷移率減小。對于非簡并半導(dǎo)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)與空穴遷移率的關(guān)系：&二用/4二第二章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） Eph<Eg光子與半導(dǎo)體的相互作用很弱，半導(dǎo)體像是透明的，光子透射出半導(dǎo)體。（2） Eph>Eg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

8、入，光弓S為Io的單色光入射到半導(dǎo)體表面，其反射率為Ro如果半導(dǎo)體對該波長的吸收系數(shù)為&則光進入半導(dǎo)體深度x的關(guān)系式為什么？光子通量N與半導(dǎo)體深度x的關(guān)系式是什么？如果減少的光能量全部用來產(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(dǎo)體的深度x之間的關(guān)系是什么？答：1）I=（1-R）Ioe冰（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(guān)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(guān)。光子能量越高，波長越短，吸收系數(shù)越大，吸收深度越

9、短）2）（暫時不知道答案）3）G=a>oe必3 .半導(dǎo)體材料：GaAs,ZnO,GaN,Si,Ge,哪些是直接帶隙半導(dǎo)體、哪些是間接帶隙半導(dǎo)體？直接、間接帶隙半導(dǎo)體吸收光過程有什么不同？答：直接帶隙半導(dǎo)體：GaAs,ZnO,GaN；間接帶隙半導(dǎo)體：Si,Ge（補充：直接帶隙：價帶極大值和導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體吸光過程：電子在躍遷過程中，光子提供電子躍遷所需的

10、能量，聲子提供躍遷所需的動量，這樣躍遷可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(fù)合的特點是什么？在哪種帶隙半導(dǎo)體進行得更有效？答：輻射復(fù)合中，來自導(dǎo)帶的電子與價帶的空穴直接結(jié)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(dǎo)體。對于輻射復(fù)合：凈復(fù)合率=總的復(fù)合率-平衡時的產(chǎn)生率。輻射復(fù)合在直接帶隙半導(dǎo)體中進行的更有效。5 .SRH復(fù)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(fù)合的概率最大？答：半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷會在禁帶間隙

11、中產(chǎn)生允許能級，這個缺陷能級引起經(jīng)由陷阱的復(fù)合。經(jīng)由陷阱的復(fù)合（SRH）:電子從導(dǎo)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(fù)合。載流子被俘獲到缺陷能級的概率取決于能級到導(dǎo)帶和禁帶的距離。處在禁帶中間的能級發(fā)生復(fù)合的概率最大。6 .LED燈和激光這類的半導(dǎo)體器件的主要復(fù)合機制是什么？硅太陽能電池來說，什么復(fù)合是主要的復(fù)合過程？答：輻射復(fù)合是LED燈和激光這類的半導(dǎo)體器件的主要復(fù)合機制。對硅太陽能電池來說，經(jīng)由陷阱的復(fù)合（SRH）為主要的復(fù)合過程。（補充：它的復(fù)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(fù)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

12、半導(dǎo)體，電子不能直接從價帶躍遷到導(dǎo)帶，所以輻射復(fù)合并不是主要的復(fù)合過程。）7 .在硅中，少子壽命可以達到10肉。對于單晶硅太陽能電池來說，擴散長度通常在100-300四之間。第四章1.PN結(jié)內(nèi)建電勢的表達式,它與摻雜程度、禁帶寬度之間的關(guān)系。答：檔=EgkTlnNCNV2 .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(zhuǎn)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(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)當光照射到半導(dǎo)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，在區(qū)、耗盡區(qū)、P區(qū)中激發(fā)出光生電子

13、空穴對。（1）在耗盡區(qū)外：光照產(chǎn)生的電子空穴對，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(yīng)的影響，所以在光照下，少子濃度增加，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(jié)兩側(cè)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場。光生

14、電場除了部分抵消內(nèi)建電場的作用外，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(yīng)。3 .電池外接負載時，光電流為II,正向結(jié)電流Ip,流過負載的電流的關(guān)系？答：I=IL-1P4 .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(guān)系？理想太陽能電池的電壓與電流的關(guān)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(guān)系表達式:4）暗電流表達式:I44岫十、電4）（A為二極管的橫截面積）5 .太陽能電池的輸出參數(shù)有哪些？開路電壓、填充因子、能量轉(zhuǎn)換效率的定義式什么，表達式是什

15、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(zhuǎn)換效率Y1)短路電流:Isc=-IL(V=0)曦二一ln2)3)開路電壓:填充因子:FF定義式：q(填充因子%4k/TIt1(1=0)（補充：Voc大小主要取決于Il和I。）FF是電池的最大輸出功率Pm與開路Voc和Isc的乘積的比值）FF表達式：%In(限十0,72)%-1(式中v=Voc/(kT/q)>10時)（補充：FF正常范圍：0.70.85）4）轉(zhuǎn)換效率：（定義為太陽能電池輸出功率VIVIFFPm與進入電池的太陽輻射光功率Pin的比值）（補充:刀正常范圍：15%18%）6.實驗室測得的硅太陽能電池在AM1

16、.5光譜下地最大開路電壓達到720mV,而商業(yè)用太陽能電池通常為600mV7.當電池溫度為300K時，面積為100cm2的硅太陽能電池在100mW/cm2光照下，開路電壓為600mV,短路電流為3.3A。假設(shè)電池工作在理想狀況下，問在最大功率點它的能量轉(zhuǎn)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=%1"'%+在/?=匕二(23.25-ln(23.25+0.72)/(23.25+1)=0.83=(600X3.3X0.83)/(100X100)=16.4%第五章1 .禁帶

17、寬度與短路電流，開路電壓的關(guān)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 .填充因子的計算：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(yīng)式是什么？2,冶金級硅中主要的雜質(zhì)是什么？3 .單晶硅的生長方法有哪些，目前使用最廣

18、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(yīng)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(yīng)用中，設(shè)計減反膜的厚度和反射率，使波長為0.6叩的光的反射