硅太陽(yáng)電池基礎(chǔ)

1、硅太陽(yáng)電池基礎(chǔ)第1頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五 太陽(yáng)是一個(gè)巨大的能源，它以光輻射的形式每秒鐘向太空發(fā)射約3.81020MW的能量，約22億分之一投射到地球上，太陽(yáng)光被大氣層反射、散射、吸收以后，還有70%投射到地球，盡管如此，地球上一天接受的太陽(yáng)能仍高達(dá)1.81018Kw.h。 對(duì)于直接利用太陽(yáng)光發(fā)電的太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)輻射的光譜分布、能量以及太陽(yáng)輻射的變化情況與太陽(yáng)電池的輸出功率密切相關(guān)，本節(jié)將介紹太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)輻射的來(lái)源、太陽(yáng)輻射的光譜以及太陽(yáng)能的特點(diǎn)。一、 太陽(yáng)輻射能第2頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五1.1 太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)和太陽(yáng)輻射能

2、太陽(yáng)是距離我們最近的恒星，其內(nèi)部由氫、氦、碳、氧和各種金屬元素組成。直徑為8.68105km，質(zhì)量約為1024t?？偟闹v，太陽(yáng)是一個(gè)高溫高壓的的氣體團(tuán)，表面（即肉眼所見(jiàn)的光球）溫度接近6000K，從光球開(kāi)始愈向內(nèi)部溫度愈高，壓強(qiáng)及密度也愈大。在太陽(yáng)的中心區(qū)不斷的進(jìn)行著激烈而復(fù)雜的熱核反應(yīng)，輕元素聚合成重元素，反應(yīng)釋放出巨大的能量穿透光球?qū)雍蜕驅(qū)右噪姶挪ǖ男问较蛱蛰椛?，這種電磁輻射稱(chēng)為太陽(yáng)輻射能。 物體輻射的波長(zhǎng)隨物體的溫度而定，溫度越高，輻射的短波成分越多。太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)范圍很廣，但總能量的99%集中在波長(zhǎng)0.15-4微米之間，我們通常所說(shuō)的太陽(yáng)輻射是含有各種波長(zhǎng)的輻射的總稱(chēng)。第3頁(yè)，共2

3、1頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五1.2 太陽(yáng)輻射光譜 太陽(yáng)輻射在到達(dá)地球表面之前，通過(guò)地球大氣層時(shí)，會(huì)被大氣層中的固定和不固定成分以及懸浮微粒吸收、散射或反射，導(dǎo)致太陽(yáng)輻射度削減，形成具有一定強(qiáng)度分布太陽(yáng)輻射，稱(chēng)為太陽(yáng)輻射光譜。以太陽(yáng)輻射能量強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)所繪制的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的曲線稱(chēng)為太陽(yáng)輻射光譜曲線。 太陽(yáng)光譜中，各波長(zhǎng)的能量很不相同，而且還和地點(diǎn)、時(shí)間、當(dāng)時(shí)的天氣情況等因素有關(guān)。因此，確定太陽(yáng)輻射的能量值是很復(fù)雜的事，為了得到計(jì)量的參考標(biāo)準(zhǔn)，定義地球大氣層外，日地平均距離處，單位時(shí)間單位面積上全部太陽(yáng)輻射能為太陽(yáng)常數(shù)。大氣層外的太陽(yáng)輻射，因未受到大氣層

4、的反射和吸收，又稱(chēng)為大氣質(zhì)量為0的輻射，以AM0表示。 大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用還與太陽(yáng)輻射穿透大氣層的距離有關(guān)，這又與太陽(yáng)輻射的方向有關(guān)，因此用大氣質(zhì)量AM表示太陽(yáng)光通過(guò)大氣的距離，大氣質(zhì)量為太陽(yáng)光線通過(guò)大氣的路程與太陽(yáng)在天頂時(shí)太陽(yáng)光線通過(guò)的大氣路程之比，可近似表示為AM=d/D=secZ第4頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五 如以AM1表示垂直于太陽(yáng)入射方向上單位面積上得到的太陽(yáng)光譜。AM1.5，AM2等分別表示不同入射方向得到的太陽(yáng)光譜。圖1表示大氣質(zhì)量與入射角度的關(guān)系。雖然可用AM1、AM1.5、AM2等來(lái)表示大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，但實(shí)測(cè)表明，即使大氣質(zhì)量相同，

5、所得光譜各異。為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般都采用美國(guó)ASTM地面用光伏電池的輻射光譜作為電池地面應(yīng) 用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。AM1.5曲線中的不連續(xù)部分為各種不同大氣組分對(duì)太陽(yáng)光的吸收帶，而波長(zhǎng)小于300nm的光幾乎全被地球表面的臭氧層吸收，如下圖2所示。AM1.5光譜積分能量為835W/m2。 第5頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五圖1 大氣質(zhì)量與入射角度的關(guān)系圖2 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響第6頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五1.3 太陽(yáng)能的特點(diǎn) 太陽(yáng)能之所以能成為一種有希望的能源，是因?yàn)槠渚哂幸韵绿攸c(diǎn)：供給量豐富：地球每小時(shí)從太陽(yáng)獲得的能量為1.481017卡，其中30

6、%被直接反射回去，70%則被地面吸收。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界全年的耗能總量，只相當(dāng)于30分鐘降落于地球的全部的太陽(yáng)能。清潔、干凈：化石燃料的使用會(huì)形成大量污染氣體，如CO2和SO2，原子能發(fā)電會(huì)給地球和人類(lèi)造成潛在的核污染。而利用太陽(yáng)能直接發(fā)電，不影響地球的熱平衡，在確保能量供給的同時(shí)解決環(huán)境污染的問(wèn)題。太陽(yáng)能的分散性：太陽(yáng)光盡管輻射全球，但每單位面積上的入射功率卻很小。要得到較大的功率，需要龐大受光面積的發(fā)電裝置。對(duì)于小功率發(fā)電問(wèn)題不大，但對(duì)于大功率發(fā)電，要涉及的設(shè)備的材料、結(jié)構(gòu)、占用土地等的費(fèi)用問(wèn)題，目前投資比其他能源高得多。間歇性：太陽(yáng)的高度角一日內(nèi)及一年內(nèi)在不斷變化，且于地面緯度有關(guān)，即使沒(méi)有氣

7、象的變化，太陽(yáng)輻射的變化也相當(dāng)大。因此，太陽(yáng)能利用的隨機(jī)性很大。利用太陽(yáng)能發(fā)電必須有相當(dāng)容量的貯能設(shè)備，如蓄電池等，這不僅增加了設(shè)備及維護(hù)費(fèi)用，也限制了功率的規(guī)模。 總的來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)電池有許多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，也存在著許多問(wèn)題，如：密度低（照射于地面的太陽(yáng)能的最大密度為1KW/m2），單位面積效率低，供給不穩(wěn)定。因此，在考慮太陽(yáng)能的利用時(shí)，不僅要從技術(shù)方面考慮，還要從經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及國(guó)家建設(shè)的整體方針來(lái)研究。第7頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五二、硅太陽(yáng)電池的構(gòu)造及工作原理 一般的硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)包括以摻雜少量硼原子的p型半導(dǎo)體作為基體材料，采用高溫?zé)釘U(kuò)散的方法，將濃度高于

8、硼的磷摻入p型基體內(nèi)形成實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的P-N結(jié)、絲網(wǎng)印刷電極以輸出功率、等離子體化學(xué)氣相沉積的SiN減反射膜以減少光學(xué)損失及鈍化表面，以及同時(shí)作為電極和背面反射器的鋁背場(chǎng)。其剖面圖如圖3所示。圖3 太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)第8頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五 太陽(yáng)電池結(jié)區(qū)是由帶正電的受主離子和帶負(fù)電的施主離子組成，因此在此正負(fù)離子所在區(qū)域內(nèi)，存在著一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，又稱(chēng)為空間電荷區(qū)。當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體時(shí)，光子所提供的能量會(huì)在半導(dǎo)體中激發(fā)出電子-空穴對(duì)，既可以產(chǎn)生在P區(qū)，也可以產(chǎn)生在N區(qū)，其中一部分被復(fù)合掉，另一部分則到達(dá)P-N結(jié)的空間電荷區(qū)。電子與空穴受到內(nèi)建電場(chǎng)的影響，空穴沿電場(chǎng)方

9、向移動(dòng)，電子向相反方向移動(dòng)，因此，光生載流子被內(nèi)建電場(chǎng)分離，在P區(qū)聚集非平衡的光生空穴，在N區(qū)聚集非平衡的光生電子，這使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，從而在P-N結(jié)的兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，此過(guò)程被稱(chēng)為光生伏打效應(yīng)或光電效應(yīng)。光生電動(dòng)勢(shì)的方向和內(nèi)建電場(chǎng)方向相反。 用導(dǎo)線將此太陽(yáng)電池與負(fù)載連接，形成回路，負(fù)載電阻中就會(huì)有電流流過(guò)，這個(gè)電流稱(chēng)工作電流，負(fù)載兩端的電壓稱(chēng)為工作電壓，這樣負(fù)載上便獲得了電功率，實(shí)現(xiàn)了光能向電能的轉(zhuǎn)換，這就是太陽(yáng)電池的工作原理。如圖4所示。第9頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五圖4 太陽(yáng)電池工作原理第10頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五

10、三、硅太陽(yáng)電池等效電、電性能參數(shù)及I-V曲線 3.1 等效電路 太陽(yáng)電池的的等效電路如圖5所示，Rm為外接負(fù)載。RS為串聯(lián)電阻，由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅片間的接觸電阻所組成。RSH為并聯(lián)電阻（又稱(chēng)旁漏電阻），由繞過(guò)硅片邊緣的漏電阻、結(jié)區(qū)晶體缺陷和外來(lái)雜質(zhì)沉淀物引起的內(nèi)部漏電。串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻都起到減小填充因子的作用，很高的串聯(lián)電阻和很低的并聯(lián)電阻還會(huì)分別減小短路電流和開(kāi)路電壓。ID為通過(guò)PN結(jié)的總擴(kuò)散電流，與Isc方向相反，又稱(chēng)為二極管反向電流(或飽和暗電流)，二者關(guān)系如（1）式所描述。這就是光照下的理想P-N結(jié)方程。（1）第11頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，

11、9點(diǎn)48分，星期五圖5. 太陽(yáng)電池的的等效電路Rm IIDRSHRS第12頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五3.2 I-V特性曲線 當(dāng)負(fù)載電阻從0變到無(wú)窮大時(shí)，即可畫(huà)出如圖6所示的太陽(yáng)電池負(fù) 載特性曲線，即I-V特性曲線。曲線上的任一點(diǎn)都為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)和原點(diǎn)的連線稱(chēng)為負(fù)載線，負(fù)載線的斜率的倒數(shù)等于Rm，與工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫、縱坐標(biāo)即為工作電壓和工作電流。圖6 太陽(yáng)電池的I-V特性曲線第13頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五3.3太陽(yáng)電池的電性能參數(shù) 3.3.1 短路電流（Isc） 標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)照射下，將電池輸出端短路時(shí)，P-N結(jié)附近產(chǎn)生的光生少數(shù)載流子將通

12、過(guò)這個(gè)途徑流通，形成最大可能的光生電流，用Isc表示。理想情況下，它等于光生電流IL。太陽(yáng)電池在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)照射下，短路電流與太陽(yáng)電池面積大小有關(guān)，面積越大，短路電流越大。一般而言，1cm2 多晶硅太陽(yáng)電池的ISC約為32mA左右。對(duì)于單晶硅太陽(yáng)電池，由于其表面金字塔絨面的效果，1cm2太陽(yáng)電池的ISC約為34mA左右。同一塊太陽(yáng)電池，ISC與入射光的輻照度成正比；當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，ISC略有上升，一般溫度每升高1度，ISC約上升0.1%。 第14頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五3.3.2 開(kāi)路電壓（Voc）： 標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)照射下，如果太陽(yáng)電池處于開(kāi)路狀態(tài)，光生載流子只能積累于

13、P-N結(jié)的兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)電池外測(cè)的電勢(shì)差叫開(kāi)路電壓，用Voc表示。開(kāi)路狀態(tài)下，V=Voc，且I=0，（1）式轉(zhuǎn)化為：這是開(kāi)路電壓的理論計(jì)算公式。式中，I0為電池在無(wú)光照時(shí)的飽和暗電流，q為電子電荷，K為玻爾茲曼常數(shù)，A為二極管的品質(zhì)因子。太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓與光譜輻照度和材料特性有關(guān)，與電池面積大小無(wú)關(guān)。在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜輻照度下，晶體硅太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓在600mV左右。當(dāng)入射光譜輻照度變化時(shí)，太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓與入射光譜輻照度的對(duì)數(shù)成正比；環(huán)境溫度每上升1，VOC約下降2mV。 （2）第15頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五3.3.3 填充因子（FF） 最大輸出功

14、率（調(diào)節(jié)負(fù)載RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，得到的工作電流和工作電壓之積為最大，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Pm為最大輸出功率）與開(kāi)路電壓和短路電流乘積之比稱(chēng)為填充因子FF，用公式表示為： FF = Pm/VocIsc = VmIm/VocIsc （3）Imp為最大工作點(diǎn)電流，Vmp為最大工作點(diǎn)電壓。FF是輸出特性曲線方形程度的度量，一定光強(qiáng)下，F(xiàn)F愈大，曲線愈方，輸出功率愈高。對(duì)具有一定轉(zhuǎn)換效率的電池來(lái)說(shuō)，F(xiàn)F值在0.7-0.85的范圍內(nèi)。FF與入射光強(qiáng)、反向飽和暗電流、A因子、串聯(lián)、并聯(lián)電阻密切相關(guān)。第16頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五顯然，要有高的轉(zhuǎn)換效率，必須要有大Is

15、c或高的收集幾率，有高的Voc或低的暗電流，以及有高的填充因子。太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率與太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)、PN結(jié)特性、材料性質(zhì)、電池的工作溫度和環(huán)境變化等因素有關(guān)。3.3.4 轉(zhuǎn)換效率（） 即太陽(yáng)電池最大輸出功率與照射到電池上的入射光的功率之比。（4）第17頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五四、 硅太陽(yáng)電池特性 4.1 太陽(yáng)電池的極性 我公司生產(chǎn)的太陽(yáng)電池為n+/P型，當(dāng)太陽(yáng)電池接受陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng)能電池輸出電壓的極性，P型一側(cè)電極為正，N型一側(cè)電極為負(fù)。當(dāng)太陽(yáng)電池作為電源與外電路連接時(shí)，太陽(yáng)電池在正向狀態(tài)下工作。當(dāng)太陽(yáng)電池與其他電源聯(lián)合使用時(shí)，如果外電源的正極與太陽(yáng)電池的P電

16、極連接，負(fù)極與太陽(yáng)電池的N極連接，則外電源向太陽(yáng)電池提供正向偏壓；如果外電源的正極與太陽(yáng)電池的N極連接，負(fù)極與太陽(yáng)電池的P極連接，則外電源向太陽(yáng)電池提供反向偏壓。第18頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五 地面用太陽(yáng)電池主要工作在地球表面晴天的太陽(yáng)輻照度（600-1000W/m2），但有的用戶比較關(guān)心太陽(yáng)電池的暗特性，即太陽(yáng)電池的弱光效應(yīng)。所謂太陽(yáng)電池的弱光效應(yīng)即太陽(yáng)電池在太陽(yáng)輻照光譜保持AM1.5不變的情況下，太陽(yáng)光強(qiáng)在10W/m2以下的情況。 在太陽(yáng)電池內(nèi)部產(chǎn)生的電能中，有一部分通過(guò)電池的漏電流而損失。原則上講，漏電流由兩部分組成，即飽和暗電流和流過(guò)Rsh的電流。從數(shù)量

17、級(jí)上講，飽和暗電流的大小在10-11A/cm2左右，可忽略不計(jì)。因此Rsh的大小決定了漏電流的大小。 要提高弱光下太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓，最重要的是提高太陽(yáng)電池的并聯(lián)電阻。經(jīng)過(guò)對(duì)材料、工藝不斷的研究和優(yōu)化，采用氫鈍化的方法降低了晶粒間界復(fù)合中心的作用，生產(chǎn)出與單晶硅電池效率相近的多晶硅太陽(yáng)電池。尚德公司的多晶硅太陽(yáng)電池封裝成的組件按IEC1215：1993標(biāo)準(zhǔn)與單晶硅電池組件以相同的條件進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)和電性能衰減考核，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)對(duì)該組件進(jìn)行室內(nèi)輻照度下電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果略高于同功率的夏普單晶組件。因此可以判定，多晶硅太陽(yáng)電池與單晶硅太陽(yáng)電池的壽命內(nèi)在品質(zhì)是相同的。 4.2太陽(yáng)電池的弱光效應(yīng)第19頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期五4.3太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng) 太陽(yáng)光譜中，不同波長(zhǎng)的光具有不同的能量，所含光子數(shù)目也不同。因此，太陽(yáng)電池接受光照射時(shí)所產(chǎn)生的光生載流子數(shù)也不同，因此，太陽(yáng)電池在入射光中每一種波長(zhǎng)的光能作用下所收集到的光生載流子數(shù)，與入射到電池表面的該波長(zhǎng)的光子數(shù)之比，稱(chēng)作太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)，當(dāng)表面反射率也作為一個(gè)參數(shù)來(lái)考慮時(shí)，則為外光譜響應(yīng)。太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)與太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)、材料性能、結(jié)深