太阳能光伏发电复习资料,考试必备!综述

1、第二章太阳辐射 1 什么是黑体 ？ 1）在任何条件下，完全吸收任何波长的外来辐射而无任何反射的物体。 2）吸收比为 1 的物体 . 3 ）在任何温度下，对入射的任何波长的辐射全部吸收的物体 2 太阳的结构 ：由内向外 内部分为核心层（日核） 、辐射层、对流层 大气层又分为光球层、色球层及日冕 3地理坐标 ：以地心为原点，以地球为基本圆，以地球自转轴为中心轴，用纬度、经度来 表示地球表面上点的位置 4 天球与天球坐标系天球：以观察者为球心，以任意长度（无限长）为半径，其上分布 着所有天体的球面。 地平面：球心与铅直线相垂直的平面。 地平圈：地平面与天球的交线所成大圆。 天顶、天底：通过球心的铅直

2、线与天球的交点。 5 地平坐标系 ：以地平圈为基本圆，天顶为基本点，南点为原点的坐标系。 地平经圈：通过天顶 Z 和太阳（或任一天体） X作一大圆。 地平经度（方位角 A）：SM弧地平纬度（高度角 h）： XM弧向上为正，向下为负 天顶距： ZX弧 （ 即 z = 90O-h） 。地平坐标随着时间在不断地变化着。地平坐标随观测地点 而异。 时角坐标系 6 时角坐标系 （第一赤道坐标系） ：以天极为基本点，天赤道（地球赤道平面延伸 后与天球相交的大圆称为天赤道。 ）和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标 系。时圈：通过北天极 P 和太阳（或任一天体） X作一大圆。时角 ： QT 弧（度、分、秒）赤

3、纬 ：XT 弧（度、分、秒） 从天赤道算起，向上为正，向下为负（时、分、秒） 7 太阳常数 Isc ：在平均日地距离时，地球大气层上界垂直于太阳光线表面的 积上单位时间内所接收到的太阳辐射能。其参考值为 Isc ：平均日地距离时的太阳 Isc = (1367 7) W/m2 r I0 ：大气层上界某一任意时刻 n：距离 1月 1 日地天数 r ：日地间距引起的修正值 8 太阳光谱 ：太阳发射的电磁辐射在大气顶上随波长度分布叫做太阳光谱。 9地面太阳辐射：直接辐射：直接接收到的、不改变方向的太阳辐射； 散射辐射：接收到的被大气层反射和散射后方向改变的太阳辐射 10散射：瑞利（ Rayleigh

4、）散射 r 、米氏（ Mie）散射 r 和无选择性散射 。 11 大气质量 被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的路径（即当太阳处 在头顶正上方时）规定为“一个标准大气质量” 。“大气质量”量化了太阳辐射穿 过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。大气质量由下式给出： ， 式中表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气质量为 1 12 日照时数 （昼长）定义：不受任何遮蔽时每天从日出到日落的总时数。 日照时数的长短受所在纬度、季节、地形、天空状况等因素影响。实际观测 的日照时数一般比可能照射的时数（即当无云天时，日出到日落的日照）为少。 13衡量日照的多少常以实际照射时数（实照时数

5、）与可能照射时数（日照时 数，即昼长）的百分比即 日照百分率 表示。日照百分率能说明晴天的多少，百分 率越大，晴天越多，反之亦然。 14光照时间可照时数曙暮光时间在日出前和日落后，太阳光线在地平线以下0 度 6 度时，光通过大气散射到地表产生一定的光照强度，这种光称为曙光和暮光 。 第三章 1，非晶体与晶体： 非晶体物质内部原子排列没有一定规律， 断裂时断口是随机的，如塑料、 玻璃物质内部原子按一定规律整齐排列； 晶体外形呈现天然的、 有规则的多面体， 有明显的 棱角和平面，断裂时按解理面断开，如食盐、水晶 2， 多晶体与单晶体： 多晶体由许多小晶粒组成，每个晶粒中的原子按同一序列排列，晶粒

6、之间的排列没有规律，如铜、铁；单晶体本身就是一个完整的大晶粒， 它的所有原子按同一 序列排列，如硅、水晶、金刚石 3，晶体的特征： 有规则对称的几何外形；物理性质 （ 力、热、电、光 ） 各向异性；有确定 的熔点；微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性排列，形成空间点阵 （晶格 ） 。 4， 价电子与共价键的含义： 带正电的原子核和带负电的绕核旋转的电子组成原子结构，其 中，最外层的电子受原子核的束缚力最小，其称为价电子。 硅、锗等多数半导体多有 4 个价电子，当形成晶体时，原子之间靠得很近，相邻的两个原子 各贡献一个价电子， 形成为这两个原子共有的价电子对， 围绕着两个原子转动， 从而形成

7、共 价键结构。 5，孤立原子，双原子，大量原子的势场图 对图 3 的解释：对能量 E1 的电子势能曲线表现为势垒；电子能量 势垒高度， 电子在晶体中自由运动，不受特定离子的束缚。 6，电子共有化的含义： 由于晶体中原子的周期性排列， 价电子不再为单个原子所有的现象。 共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移， 可以在整个固体中运动 （原子的外层电 子（ 高能级 ） ，势垒穿透概率较大，属于共有化的电子。原子的内层电子与原子的结合较紧， 一般不是共有化电子） 7， 能带的形成解释： 量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中能量 相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。

8、这些新能级基本上连成一片， 形成能带 （energy band） 。 8，能带的一般规律： a，外层电子共有化程度显著，能带较宽（ E 较大 ） ；内层电子相应 的能带很窄。 b，点阵间距越小，能带越宽， E 越大。 c，两能带有可能重叠。 9，能带中的电子排布原则和规律 （1） 服从泡里不相容原理 （ 电子是费米子 ）（2） 服从能量最小原理 孤立原子的能级 Enl ，最多能容纳 2（2l+1） 个电子。这一能级分裂成由 N条能级组成的能带 后，最多能容纳 2（2l+1） 个电子。 例如： 1s 、2s 能带，最多容纳 2个电子 2p、3p 能带， 最多容纳 6个电子 10，能带产生的根本原

9、因还是在于泡利不相容原理 11， 电子在能带中的填充 满带（排满电子） ；未满带（能带中一部分能级排满电子）亦称导带；空带（未排电子） ? 亦为导带；禁带（无电子） 12，导体、绝缘体、半导体的能带结构 13，为什么金属导体的电阻随温度的升高而增大，但半导体的电阻随温度升高而降低？ 电阻率的大小取决于电子浓度和电子迁移率。当温度升高时 , 金属导体自由电子浓度不变 , 但电子热运动增加 ,从而定向运动的迁移率变小 ,电阻率增大对于半导体 , 迁移率随温度变化 小。载流子浓度随温度增高而增大 , 因此使电阻率变小。 14， P-N 结处电偶层的形成： n区（电子多、空穴少 ）的电子向 p区扩散，

10、 p区（空穴多、电子 少） 的空穴向 n 区扩散，在交界面处形成正负电荷的积累，交界处形成电偶层，此特殊结构 即为 p-n 结，厚度约为 10-7m （0.1 m）。 15， PN结的形成： 在 P 型半导体和 N型半导体结合后，由于 N型区内电子很多而空穴很少， 而 P 型区内空穴很多电子很少， 在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。 这样， 电 子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。 于是， 有一些电子要从 N型区向 P型区 扩散， 也有一些空穴要从 P 型区向 N型区扩散。 它们扩散的结果就使 P区一边失去空穴， 留 下了带负电的杂质离子 ,N 区一边失去电子，留下了带正电

11、的杂质离子。半导体中的离子不 能任意移动， 因此不参与导电。 这些不能移动的带电粒子在 P和 N 区交界面附近， 形成了一 个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。扩散越强，空间电荷区越宽。在空间电荷区，由 于缺少多子，所以也称耗尽层。在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用， 在空间电荷区就形成了一个内电场， 其方向是从带正电的 N区指向带负电的 P区。显然， 这 个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反它是阻止扩散的。另一方面，这个电场将使 N 区的少数载流子空穴向 P区漂移，使 P区的少数载流子电子向 N区漂移，漂移运动的方向正 好与扩散运动的方向相反。 从 N区漂移到 P区的空穴

12、补充了原来交界面上 P 区所失去的空穴， 从 P 区漂移到 N 区的电子补充了原来交界面上 N区所失去的电子， 这就使空间电荷减少， 因 此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN 结便处 于动态平衡状态。内电场促使少子漂移， 阻止多子扩散。 最后，多子的扩散和少子的漂移达 到动态平衡。 16， p-n 结处能带的弯曲 p-n 结的形成使其附近能带的形状发生了变化。 对带正电的空穴其电势能曲线类似于图中上 部的电势曲线，效果是阻止左边 p区的空穴向右扩散； ，对带负电的电子来说它的电势能曲 线如图的下部所示，阻止右边 n 区的电子向左扩散。考虑到 P-N 结的存

13、在 , 半导体中电子 的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能， 所以电子的能带会出现弯曲现象， 能带的弯 曲对 n 区的电子和 p区的空穴都形成一个势垒， 阻碍 n 区电子和 p 区空穴进入对方区域。 这 一势垒区也称 （deplection zone） 阻挡层 17， 半导体的特性应用 a，根据半导体的电阻值随温度的升高而迅速下降的现象制成的半导体器件，称为热敏电阻 （热敏电阻有体积小，热惯性小，寿命长等优点） b，半导体硒，在照射光的频率大于其红限频率时，它的电阻值有随光强的增加而急剧减小 的现象。该半导体器件称为光敏电阻 （photosensitive resistance） （光敏电

14、阻是自动控制、 遥感等技术中的一个重要元件。 ） c，把两种不同材料的半导体组成一个回路，并使两个接头具有不同的温度会产生较大的温 差电动势， 称为半导体温差热电偶， 温度每差一度，温差电动势能够达到、 甚至超过 1 毫伏 （利用此可以制成温度计，或小型发电机。 ） 18，半导体激光器的特点： 体积小 成本低 效率高；制造方便极易与光纤接合； 功率可达 100 mW；所需电压低 （ 只需 1.5V ） 第四章太阳能电池工作原理 1，太阳能电池分类 a，按基体材料分类：硅太阳电池（单晶硅太阳电池；多晶硅太阳电池；非晶硅（a-Si ）太 阳电池；微晶硅（ c-Si ）太阳电池； HIT 电池；双面

15、太阳电池） ；化合物太阳电池（单晶 化合物太阳电池；多晶化合物太阳电池；有机半导体太阳电池；染料敏化太阳电池） b，按电池结构分类 （同质结太阳电池 ; 异质结太阳电池 ; 肖特基结太阳电池 ; 复合结太阳电池 ; 薄膜太阳电池） C,按用途分类（空间太阳电池；地面太阳电池；光敏传感器） 2， 单晶硅太阳电池 （采用单晶硅片制造） a，转换效率高。小面积约为 24%， 10cm2可达 21%，规模化生产可达 16%18% b，制造技术 成熟。单晶硅棒、 pn结的制造技术成熟 c ，可靠性高。发电稳定，使用寿命20年以上，使 用历史长，如人造卫星、灯塔 d ，较高的市场份额。 1998 年之前年

16、产量最大，价格： 3.7 美元 /W （2005 年） e ，制造成本较高 f ，向超薄、高效发展 3， 多晶硅太阳电池 （高纯硅熔化浇铸成正方形硅锭切割机切成薄片加工成电池） a，转换效率比单晶硅低。规模化生产可达15%17% b，产量、市场份最大额。 1998 年之后 年产量最大 c ，制造成本低 4，非晶硅（ a-Si ）太阳电池 （ 用高频辉光放电等方法使硅烷（ SiH4）气体分解沉积而成 ） a,非晶硅的禁带宽度为 1.7eV ，掺硼、磷可得 P型a-Si 、N型 a-Si b,原子排列缺少结晶硅 中的规则性， 缺陷多 c, 单纯非晶硅 PN结中隧道电流占主导地位， 呈现无整流特性，

17、 不能做 太阳电池 d, 在 P 层和 N 层之间加入较厚的本征层 I ，以遏制其隧道电流 e, 非晶硅结构： P-I-N 结构，或 P-I-N / P-I-N双层或多层的叠层结构 f, 制造成本低。电池厚度不到 1 m，不到晶体硅太阳电池的 1/100 ，可节约硅材料 g, 单片面积大，整齐美观。如 0.5m1.0m z 吸收系数大、 光谱响应与太阳光谱的峰值接近， 在弱光下， 发电能力远高于晶体硅电池 h, 市场潜力大。易于实现与建筑一体化 I, 转换效率较低。规模化生产可达5%8%，目前最高 可达 14.6% J, 稳定性不高 5, 微晶硅（ c-Si ）太阳电池 （ 用大量氢气稀释硅烷

18、，生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜， 薄膜厚度 2-3 m） a,转换效率最高可达 10% b, 实际应用结构：非晶硅电池做顶层、微晶硅电池做底层，转换 效率可达 14% 6, HIT 电池（日本三洋电机公司 1996 年开始研究内禀薄层异质结（ HIT）太阳电池 ） a,结构特征：光照射侧的 P/ I 型非晶硅膜（膜厚 5-10nm）和背面侧的 I /N 型非晶硅膜（膜厚 5-10nm）夹住单晶硅片，在两侧的顶层形成透明的电极 和集电极 b, 低温工艺。 2000C c, 能隙更宽、内建电场高，因此具有较高的开路电压d, 转换 效率比晶体硅太阳电池高，温度系数小 7, 双面太阳电池 （ 日本

19、日立公司等研制 ） a, 用单晶硅做衬底，双面玻璃封装，两面均能产生电能 b, 转换效率：正面可达 15%、反面可达 10.5% 8, 单晶化合物太阳电池 （ 砷化镓（ GaAs）太阳电池 ） a, 能隙 1.4eV ，多结聚光砷化镓电池的转换效率40%； b, 价格昂贵，砷有毒，早期应用太空 8, 多晶化合物太阳电池 （碲化镉（ CdTe ） 铜铟镓硒（ CIGS ）太阳电池 ） 9, 不同结构太阳电池 同质结太阳电池 （ 同质结： 由同一种半导体材料所形成的 PN结，由一个或多个同质结构成的 太阳电池 ） 异质结太阳电池 （ 异质结： 由两种禁带宽度不同的半导体材料所形成的PN结，由异质结

20、构成 的太阳电池 ） 肖特基结太阳电池 （利用金属 -半导体界面上的肖特基势垒所构成的太阳电池; 金属-氧化物 - 半导体（ MOS）太阳电池、金属 - 绝缘体 - 半导体（ MIS）太阳电池 ） 复合结太阳电池 （ 由两个或多个 PN 结构成的太阳电池， 分为垂直、 水平多结太阳电池， 如一 个 MIS 和一个 PN结硅电池形成高效的 MIS-NP 复合电池，其效率达 22%。） 级联型 （ 宽禁带材料放在顶区， 吸收阳光中的高能光子； 窄禁带材料吸收阳光中的低能光子， 拓宽光谱响应，如砷化铝镓 -砷化镓 -硅太阳电池，其效率达 31%。） 薄膜太阳电池 （ 利用薄膜技术将很薄的半导体光电材

21、料铺在非半导体的衬底上而构成的太阳 电池 节约半导体材料，降低成本 ） 10, 不同用途太阳电池 空间太阳电池 （用在人造卫星、 宇宙飞船等航天器上的太阳电池要求效率高、 重量轻、 耐高 低温、抗辐射力强 制作精细、价格高 地面太阳电池 （ 用在地面阳光发电系统的太阳电池 要求耐风霜雨雪的侵袭、 有较高的功率性 价比、大规模生产的工艺、充裕的原材料 ） 光敏传感器 （ 光照强度不同，光电流大小就不一样，因此，可做光敏传感器 ） 11, 内光电效应： 当半导体的表面受到太阳光照， 处于价带中的价电子获得超过禁带宽度的 能量时，价电子跃迁到导带成为自由电子，同时， 在价带中留下一个空穴， 形成大量

22、的电子 -空穴对，这称为内光电效应。 12, 太阳电池的工作原理 a, 光生载流子 : 在太阳光照射下，太阳电池吸收光子能量，能量大于半导体禁带宽度的光 子，激发半导体中原子的价电子，在 P 区、空间电荷区、 N 区都会产生光生电子 -空穴对， 称为光生载流子。 b, 光生电场 ：在 N区，光生空穴（少数载流子）向 PN结边界扩散，一旦达到 PN结边界，在 内建电场的作用下做漂移运动， 越过空间电荷区进入 P 区，而光生电子 （多数载流子） 留在 N区。在 P 区，光生电子（少数载流子）向 PN结边界扩散，一旦达到 PN结边界，在内建电 场的作用下做漂移运动，越过空间电荷区进入N区，而光生空穴

23、（多数载流子）留在P 区。 即，在 PN结的两侧产生了正负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生 电场 c，光生电动势 ：生电场一部分抵消内建电场，还使P 型层带正电、 N 型层带负电，产生了 光生电动势。 d， 光生电流 ：在太阳光照射下，太阳电池的上、下两极就有一定的光生电动势，用导线连 接负载，就能产生直流电。 13， 太阳电池的典型结构 a，太阳电池主要由 P型、 N型半导体、电极、减反射膜等构成。 b，基体材料是薄片 P型单晶硅，厚度小于 0.3mm；上表面为一层 N+型的顶区， 构成一个 N+/P 型结构。 c，电极一般用铝 - 银材料做成栅线形状。 d，整个上表面均匀地覆盖一层

24、用二氧化硅等材料构成的减反射膜。 e，每片单体硅太阳电池的工作电压大约为0.45-0.50V. 14，太阳能电池运行的基本步骤 ：光生载流子的产生 ; 光生载流子聚集成电流 ; 穿过电池的高 电压的产生 ; 能量在电路和外接电阻中消耗 15, 收集概率 ：“收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被 pn 结收 集并参与到电流流动的概率，它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特 性。收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。 光生电流大小等于电池各处 的载流子生成速率乘于那一处的收集概率 16, 量子效率 即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例，

25、而 光谱响应 指 的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。 17, 光谱响应 是非常重要的量，因为只有测量了光谱响应才能计算出量子 效率。公式如下： SR 光谱响应 q QE 量子效率 hc 18, 太阳电池的参数： 标准测试条件 ; 等效电路 ; 伏安特性曲线 ; 最大功率点 ; 短路电流 ; 开路电压 ; 填充因子 ; 效率 19, 电阻效应： 太阳能电池的特征电阻 ; 寄生电阻效应 ; 串联电阻 ; 并联电阻 ; 串联电阻和 并联电阻的共同影响 20, 其他效应： 太阳电池的分光感度特性 ; 温度效应 ; 光强效应 ; 太阳电池的负载特性 21, 太阳电池的测量 （ 测量太阳能电池

26、性能最常用 最基本的方式 是，在精确控制的光源照射 下测量电池的伏安曲线，并严格控制电池的温度。 ） 22， 提高太阳电池效率的方法 （最大功率跟踪方法 聚光） 22, 最大功率跟踪方法： 恒电压控制法；扰动观察法；增量电导法；直线近似法；实际测量 法 第四章 一太阳电池分类 ：按基体材料分：硅太阳电池：单晶硅太阳电池；多晶硅太阳电池；非晶 硅（ a-Si ）太阳电池；微晶硅（ c-Si ）太阳电池； HIT 电池；双面太阳电池化合物太阳 电池： 单晶化合物太阳电池；多晶化合物太阳电池；有机半导体太阳电池；染料敏化太阳电 池 2 按电池结构分： 同质结太阳电池； 异质结太阳电池； 肖特基结太阳

27、电池； 复合结太阳电池； 薄膜太阳电池 3 按用途分：空间太阳电池；地面太阳电池；光敏传感器。 二太阳电池介绍 ：1 单晶硅太阳电池 ：采用单晶硅片制造，转换效率高；制造技术成熟；可 靠性高，发电稳定，较高的市场份额，制造成本较高，向超薄、高效发展。 2 多晶硅太阳电池 ：高纯硅熔化浇铸成正方形硅锭切割机切成薄片加工成电池。 转换效率比单晶硅低；产量、市场份最大额；制造成本低。 3 非晶硅太阳电池 ：用高频辉光放电等方法使硅烷（ SiH4 ）气体分解沉积而成。 原子排列缺少结晶硅中的规则性，缺陷多；单纯非晶硅PN结中隧道电流占主导地位，呈现 无整流特性， 不能做太阳电池； 在 P 层和 N层之

28、间加入较厚的本征层 I ，以遏制其隧道电流； 非晶硅结构 ： P-I-N 结构，或 P-I-N / P-I-N 双层或多层的叠层结构；制造成本低；单片 面积大； 转换效率最高可达 10%；吸收系数大、 光谱响应与太阳光谱的峰值接近， 在弱光下， 发电能力远高于晶体硅电池；市场潜力大。易于实现与建筑一体化；转换效率较低。规模化 生产可达；稳定性不高。 4 微晶硅太阳电池 ：用大量氢气稀释硅烷， 生成晶粒尺寸 10nm的微晶硅薄膜， 薄膜厚度 2-3 m；转换效率最高可达 10%；实际应用结构：非晶硅电池做顶层、微晶硅电池做底层。 5HIT 电池 ：结构特征：光照射侧的 P/ I 型非晶硅膜（膜厚

29、 5-10nm）和背面侧的 I /N 型非晶硅膜（膜厚 5-10nm）夹住单晶硅片，在两侧的顶层形成透明的电极和集电极；低温 工艺， 2000C；能隙更宽、内建电场高，因此具有较高的开路电压；转换效率比晶体硅太阳 电池高，温度系数小。 6 双面太阳电池 ：用单晶硅做衬底，双面玻璃封装，两面均能产生电能；转换效率：正面可 达 15%、反面可达 10.5%。 7 单晶化合物电池 ：砷化镓（ GaAs）太阳电池；能隙 1.4eV ，多结聚光砷化镓电池的转换效 率 40%；价格昂贵，砷有毒，早期应用太空。 8 多晶化合物太阳电池 ：碲化镉（ CdTe ）太阳电池；铜铟镓硒（ CIGS ）太阳电池 9

30、不同结构太阳电池 ：同质结太阳电池：同质结：由同一种半导体材料所形成的PN 结， 由一个或多个同质结构成的太阳电池异质结太阳电池：异质结： 由两种禁带宽度不同的半 导体材料所形成的 PN结，由异质结构成的太阳电池肖特基结太阳电池：利用金属 - 半导体 界面上的肖特基势垒所构成的太阳电池； 金属 - 氧化物 - 半导体 （MOS）太阳电池、金属 - 绝缘 体- 半导体（ MIS）太阳电池复合结太阳电池：由两个或多个PN 结构成的太阳电池，分为 垂直、水平多结太阳电池；级联型：宽禁带材料放在顶区，吸收阳光中的高能光子；窄禁带 材料吸收阳光中的低能光子，拓宽光谱响应。 ?薄膜太阳电池：利用薄膜技术将

31、很薄的半 导体光电材料铺在非半导体的衬底上而构成的太阳电池；节约半导体材料，降低成本 10 不同用途太阳电池 ：空间太阳电池：用在人造卫星、宇宙飞船等航天器上的太阳电池； 要求效率高、重量轻、耐高低温、抗辐射力强；制作精细、价格高。地面太阳电池：用在 地面阳光发电系统的太阳电池； 要求耐风霜雨雪的侵袭、 有较高的功率性价比、 大规模生产 的工艺、充裕的原材料光敏传感器：光照强度不同，光电流大小就不一样，因此，可做光 敏传感器 二太阳电池的工作原理 1 本征半导体 ：载流子：当处于价带中的价电子获得超过禁带宽 度的能量时，价电子跃迁到导带成为自由电子，同时，在价带中留下一个空穴，价带中的其 他被

32、束缚的价电子就会占据这个空穴， 空穴位置发生移动， 其方向与价电子的移动方向相反。 导带中的电子（带负电）和价带中的空穴（带正电）称为半导体中的两种载流子。本征激 发：在纯净半导体晶体中被激发的电子- 空穴是成对产生的本征半导体：化学成分纯净的 半导体晶体 2 N 型半导体 ：在本征半导体（如硅）中掺入少量的五价杂质元素，如磷、砷等磷的原 子比硅少， 某些位置上的硅原子被磷原子取代， 一个磷原子与四个硅原子形成共价键， 多余 一个价电子，磷原子为施主杂质。掺入杂质产生大量的自由电子，同时， 热激发产生少量 的电子 - 空穴对，空穴相对电子的数目是极少的，因此，空穴为少数载流子，电子为多数载 流

33、子。 3P 型半导 体：在本征半导体（如硅）中掺入少量的三价杂质元素，如硼、镓硼的原子 比硅少， 某些位置上的硅原子被硼原子取代， 一个硼原子与四个硅原子形成共价键， 还缺少 一个价电子， 因而共价键上出现一个空穴。 在热激发下， 附近的硅原子的共有价电子很容 易填补该空穴， 因此，硅原子的共价键就出现一个空穴， 硼原子接受一个价电子， 成为带负 电的硼离子，硼为受主杂质。掺入杂质产生大量的空穴，同时，热激发产生少量的电子 - 空穴对，电子相对空穴的数目是极少的，因此，电子为少数载流子，空穴为多数载流子。 4杂质半导体示意图 ：少子浓度本征激发产生，与温度有关；多子浓度掺杂产生， 与温度无关

34、5P-N 结 ：多数载流子的扩散运动；少数载流子的漂移运动；扩散运动与漂移运动趋向平 衡将 P 型半导体与 N型半导体紧密结合，在它们之间形成过渡区；在过渡区， P 区带负电 荷， N 区带正电荷，形成内建电场。在内建电场的作用下，将阻止P 区空穴向 N 区扩散， 阻止 N区电子向 P 区扩散；将促进 P区电子向 N区漂移，促进 N区空穴向 P区漂移。 6 内光电效应 ：当半导体的表面受到太阳光照，处于价带中的价电子获得超过禁带宽度的 能量时，价电子跃迁到导带成为自由电子，同时， 在价带中留下一个空穴， 形成大量的电子 -空穴对，这称为内光电效应。 截止波长 ： hC/Eg ；波长大于截止波长

35、的光不能产生载流子；禁带宽度越大，可利用的 太阳能越少。 7 工作原理 ：光生载流子：在太阳光照射下，太阳电池吸收光子能量，能量大于半导体禁 带宽度的光子，激发半导体中原子的价电子，在P区、空间电荷区、 N 区都会产生光生电子 - 空穴对，称为光生载流子。光生电场：在N区，光生空穴（少数载流子）向 PN结边界扩 散，在内建电场的作用下做漂移运动，而光生电子（多数载流子）留在N区；在 P 区，光生 电子（少数载流子）向 PN结边界扩散，在内建电场的作用下做漂移运动，而光生空穴（多 数载流子）留在 P 区；即，在 PN结的两侧产生了正负电荷的积累，形成与内建电场方向相 反的光生电场。光生电动势：光

36、生电场一部分抵消内建电场，还使 P 型层带正电、 N 型层 带负电，产生了光生电动势。光生电流：在太阳光照射下，太阳电池的上、下两极就有一 定的光生电动势，用导线连接负载， 就能产生直流电。太阳电池典型结构：太阳电池主要 由 P 型、 N 型半导体、电极、减反射膜等构成。 三太阳电池的特性 1 太阳电池的发电结构 ：入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压 的形式来产生电能。 这个过程的发生需要两个条件， 首先， 被吸收的光要能在材料中把一个 电子激发到高能级， 第二， 处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路。 在外部电路的电 子消耗了能量然后回到电池中。 2 太阳能电池运行的基本步骤 ：光

37、生载流子的产生；光生载流子聚集成电流；穿过电池的高 电压的产生；能量在电路和外接电阻中消耗。 3 光生电流 ：在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流” ，它的产生包括了两个主要的过 程：第一个过程是吸收入射光电子并产生电子空穴对；第二个过程是， PN 结通过对这些光 生载流子的收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。 4 收集概率 ：“收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被pn 结收集并参与 到电流流动的概率， 它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。 在耗散 区的所有光生载流子的收集概率都是相同的， 因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地 分开

38、。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域处产生时， 那么它的收集概率是相当低 的。相似的， 如果载流子是在靠近电池表面这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合。 5 量子效率 ：所谓“量子效率” ，即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的 比例。量子效率即可以与波长相对应又可以与光子能量相对应。 如果某个特定波长的所有光 子都被吸收， 并且其所产生的少数载流子都能被收集， 则这个特定波长的所有光子的量子效 率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。 6 光谱响应 ：光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。理想的光谱响 应在长波长段受到限制， 因为半导体

39、不能吸收能量低于禁带宽度的光子。 这种限制在量子效 率曲线中同样起作用。不同于量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小而下降。 因为这些短波长的光子的能量很高， 导致光子与能量的比例下降。 光子的能量中， 所有超出 禁带宽度的部分都不能被电池利用， 而是只能加热电池。 在太阳能电池中， 高光子能量的不 能完全利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。 7 太阳电池的参数 ：标准测试条件：光源辐照度： 1000W/m2；测试温度： 250C；AM1.5- 地 面太阳光谱辐照度分布， AM0- 大气层上太阳光谱辐照度分布等效电路，伏安特性曲线， 最大功率点短路电流： 短路电流是指当

40、穿过电池的电压为零时流过电池的电流 （或者说电 池被短路时的电流） 。通常记作 ISC。开路电压：开路电压 VOC是太阳能电池能输出的最 大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的前置偏压。 填充因子 ：填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路VOC和 ISC 的乘积的比值 。效率 ： 效率的定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例； 除了反映太阳能电池的性能之外， 效率还决定于入射光的光谱和光强以及电池本身的温度。 8 电阻效应 ：太阳能电池的特征电阻：太阳能电池的特征电阻就是指电池在输出最大功率 时的输出电阻寄生电阻效应 ：电池的电阻效应以在电阻上消耗能量的形式

41、降低了电池的发 电效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。串联电阻：太阳能电池中，引起 串联电阻的因素有三种：第一，穿过电池发射区和基区的电流流动；第二，金属电极与硅之 间的接触电阻； 第三便是顶部和背部的金属电阻。 一种直接估计电池的串联电阻的方法是找 出伏安曲线的在开路电压处的斜率。 并联电阻：并联电阻 RSH造成的显著的功率损失通常 是由于制造缺陷引起的，而不是糟糕的电池设计。 9 其他效应 ：太阳电池的分光感度特性：对于太阳电池来说，不同波长的光照射时所产生 的电能是不同的，用分光感度特性来表示温度效应：像所有其它半导体器件一样，太阳能 电池对温度非常敏感 。温度的升高降低了半

42、导体的禁带宽度， 因此影响了大多数的半导体材 料参数。可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降，看成是材料中的电子能量的提高。 因此破坏共价键所需的能量更低 。在半导体禁带宽度的共价键模型中， 价键能量的降低意味 着禁带宽度的下降。光强效应：改变入射光的强度将改变所有太阳能电池的参数，包括短 路电流、开路电压、填充因子 FF、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。 四提高太阳电池效率的方法 ： 1 最大功率跟踪：恒电压控制法；扰动观察法；增量电导法；直线近似法；实际测量法。 2 聚光：聚光太阳电池；聚光器；跟踪装置；冷却器。 五太阳电池的设计 ： 1 基础太阳电池的设计：太阳能电池的设计

43、包括明确电池结构的参数以使转换效率达到最 大，以及设置一定的限制条件。这些条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。 2 为获得最高效率 ，在设计单节太阳能电池时，因 注意 几项原则： 1. 提高能被电池吸收并生 产载流子的光的数量。 2. 提高 pn 结收集光生载流子的能力。 3. 提取不受电阻损耗的电流。 3 光学设计 ： 光的损耗：光的损耗主要以降低短路电流的方式影响太阳能电池的功率。 减反射膜：减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光的波长的四分之一 表面制绒：在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使用，都能达到减小反射 的效果 电池厚度：像减小表面反射一样，充分的吸收入射光也是获

44、得高转换效率的必要途径之 一。而吸收光的多少则取决于光路径的长度和吸收系数。 光陷阱： 经过结构优化的太阳电池通常拥有比电池实际厚度长几倍的光路径长度 ，所谓电 池光路径长度是指没被吸收的光在射出电池前在电池内所走的距离 。通常称它为器件厚度。 朗伯背反射层：伯背反射层是一种特殊的背反射层，它能使反射光的方向随机化。 4 复合效应的降低 ：复合损耗：复合效应同时造成光生电流（即短路电流）和前置偏压注 入电流（即开路电压）的损失。 复合引起的电流损失：为了让 pn 结能够吸收所有的光生载流子，表面复合和体复合都要 尽量减到最小 复合引起的电压损失： 开路电压是指当前置扩散电流与短路电流大小相当时

45、的光电压 。前 置扩散电流的大小取决于 pn 结处复合效应的大小，即扩散电流随着复合的提高而上升。 表面复合：表面复合强烈影响短路电流的同时，也强烈影响着开路电压 5 顶端电极的设计：、 串联电阻 ：除了使吸收最大化和复合最小化之外 ，设计一个高效率太阳能电池的最后一个 条件，便是使寄生电阻造成的损耗降到最低。 体电阻：电池的体电阻被定义为：Rb= bw/A 考虑到电池的厚度。式中 b 为电池的体电 阻率（电导率的倒数）（硅电池通常为 0.5-5.0 cm）A 为电池面积 w为电池主体区域的宽度。 表面电阻率：“表层电阻率”，一个取决于电阻率和厚度的参数，却可以通过电池的 n 型层表面很轻易地

46、测量出来。对于掺杂均匀的薄层来说，表层电阻率被定义为：= /t 其中，为 n 型层的电阻率， t 为表层的厚度。 发射区电阻：基于前面的表层电阻率，作为顶端电极栅的间距的函数且由发射区电阻 造成的功率损失便可计算出来 接触电阻：接触电阻损耗发生在硅电池与金属电极的交界处 金属网格的设计： 顶端电极的优化设计不只有子栅和母栅电阻的最小化， 还包括与顶端电 阻有关的总的损耗的最小化，即包括发射区的电阻损耗、金属电极的电阻损耗和阴影损耗。 6太阳电池的结构：衬底材料 （通常为硅）；电池厚度 （100-500 m）；基区的掺杂 （1/m）； 控制反射 （前表面通常使用制绒技术 ） ；发射区掺杂 （n

47、型区 ） ；发射区的厚度 （99.9999% 以上，超高纯达 到 99.9999999% 99.999999999%（ 911 个 9）。 现在的发展趋势是不管是单晶还是多晶硅太阳电池，都使用大尺寸、超薄的硅片。 硅中杂质的行为 （1） 周期表中 III 或 V 族元素，如硼（ B）、磷（ P）等电离能低，对电导率 影响显著，作掺杂剂 P 型掺硼（受主） ，N 型掺磷（施主） （2） I 副族和过渡金属元素，如 Fe、Zn、 Mn、Cr 等电离能高，起复合中心的作用 破坏 PN 结特性，少子寿命降低，转换效率下降 （3） 碳、氧、氮等元素形成化合物， 结晶缺陷，性能不均匀，硅片变脆 太阳级硅质

48、量的评价 评价因素： （1） 硅块少子寿命 （ms） （2） 单位硅料消耗 （克硅 / 瓦或吨 硅/ 兆瓦） （3） 太阳电池组件总成本 硅砂转变成多晶硅的工艺： 四氯化硅法（分为精馏法，固体吸附法） / 三氯氢硅法 （ 改良西 门子法 ）（有三道关键工序：由硅砂到冶金硅， 由冶金硅到三氯氢硅，由三氯氢硅到多晶硅） / 硅烷法 多晶硅 ：全球电子工业及光伏产业的基石 理论上讲，可采用三种方法制取高纯多晶硅材料即SiCl4 ， SiHCl3 还原法和 SiH4 热分解法。多晶硅主要采用化学提纯、物理提纯两方法进行生产。 化学提纯法 ： 西门子法（气相沉淀反应法） 甲硅烷热分解法 流态化床法 物理

49、提纯法 ：区域熔化提纯法（ FZ）/ 直拉单晶法（ CZ）/ 定向凝固多晶硅锭法（铸造法） 用 西门子法可以得到纯度为 99.9999999% （ 9 个 9）的硅 化学提纯法 还有 太阳能级多晶硅新工艺技术它包括：( 1)冶金法生产太阳能级多晶硅 主要工艺： 选择纯度较好的工业硅(即冶金硅)进行水平区熔单向凝固成硅锭，去除硅锭中 金属杂质聚集的部分和外表部分后，进行粗粉碎与清洗，在等离子体融解炉中去除硼杂质， 再进行第二次水平区熔单向凝固成硅锭， 去除第二次区熔硅锭中金属杂质聚集的部分和外表 部分，经粗粉碎与清洗后，在电子束融解炉中去除磷和碳杂质，直接生成太阳能级多晶硅。 (2) 气液沉积法

50、生产粒状太阳能级多晶硅 主要工艺：将反应器中的石墨管的温度升高到 1500 摄氏度，流体三氯氢硅和氢气从石墨管 的上部注入，在石墨管内壁 1500 摄氏度的高温处反应生成液体状硅，然后滴入底部，温度 回升变成固体粒状的太阳能级多晶硅。 (3) 重掺硅废料提纯法生产太阳能级多晶硅 物理提纯 1 ， 定向凝固多晶硅锭法(铸造法)实现多晶硅定向凝固生长的四种方法：(1) 布里曼法 特点： 坩埚和热源在凝固开始时作相对位移， 分液相区和凝固区， 液相区和凝固 区用隔热板隔开。液固界面交界处的温度梯度必须0，即 dT/dx0 ，温度梯度接近于常数。 缺点：炉子结构比热交换法复杂，坩埚需升降且下降速度必须

51、平稳，其次坩埚底部需水冷。 (2) 热交换法( Heat Exchange Method ) 特点：坩埚和热源在熔化及凝固整个过程中均无 相对位移。 一般在坩埚底部置一热开关， 熔化时热开关关闭， 起隔热作用； 凝固开始时热开 关打开，以增强坩埚底部散热强度。 长晶速度受坩埚底部散热强度控制，如用水冷，则受冷 却水流量(及进出水温差)所控制。 (3) 电磁铸锭法( Electro-Magnetic Casting )特点： 无坩埚(石英陶瓷坩埚)氧、碳含量低，晶粒比HEM法小提纯效果稳定。锭子截面 没有 HEM法大，日本最大 350mm 350mm，但锭子高度可达 1 公尺以上。 (4) 浇铸

52、法 特点： 熔化和结晶在两个不同的坩埚中进行， 从图中可以看出， 这种生产方法可以实现半连续化生 产，其熔化、结晶、冷却分别位于不同的地方，可以有效提高生产效率，降低能源消耗。缺 点：因为熔融和结晶使用不同的坩埚， 会导致二次污染， 此外因为有坩埚翻转机构及引锭机 构，使得其结构相对较复杂。 单晶硅的制备：区熔法： 1、主要是利用区域熔炼的原理。 2、 区熔法生长单晶可分为水平 区熔和悬浮法两种。 3、区熔提纯的原理是根据熔化的晶体再结晶过程杂质在固相和液相中 的浓度不同而达到提纯的目的。 4、悬浮区熔法生长硅单晶时， 必须得到一个稳定的熔区。 5、 区熔单晶硅的原料是化学气相沉积的高纯多晶硅

53、棒。6、区域熔化提纯法( FZ)的最大优点 在于：与传统方法相比，对能源(电力)的消耗将减少60%以上； 7、最大的缺点在于：难 以达到高纯度的电子级硅的要求。 直拉法 当熔体温度稳定地稍高于熔点， 将籽晶放在上面烘烤几分钟后将籽晶与熔体熔接， 这一步叫 润晶或下种： 为了消除位错要将籽晶拉细一段叫缩颈； 之后要把晶体放粗到要求的直径叫放 肩；有了正常粗细后就保持此直径生长，称之为等径生长； 最后将熔体全部拉光。 磁拉法 工艺 将内置硅材料的石英坩埚通过强磁场，在拉制过程中，使硅料悬浮于坩埚内， 防止氧等杂质掺入，制作成本高、硅片面积不能太大，未被普遍使用。 片状硅的制备 定边喂膜法 在石墨坩

54、埚中，使熔融的硅从能湿润硅的模具狭缝中通过，直接 拉出正八角形的硅筒蹼状枝晶法 生产硅带时，两条枝晶直接从坩埚中长出，由于表面张力 的作用，两条枝晶的中间会同时长出一层如蹼状的薄片，称为蹼状晶 硅片的生产工艺 硅片的生产工艺可以分成两个阶段，拉单晶硅棒和切片抛光。 CZ 法：多晶硅被放置在晶体拉制炉里的石英坩埚中，该石英坩埚被放置在石墨加热器环绕 的石墨坩埚里。 晶体硅太阳电池的制造 电池片制造过程就是一个在硅基衬底上按照先后顺序将太阳能电池 的各个结构制作完成的过程。 制作顺序为： 1. 制作表面结构（金字塔、多孔硅等） 2. 表面结构上制作 PN结层 3.处理背面、 侧面无用结构 4.PN

55、 上面制作减反膜 5.背面制作电极、 铝背场 6.制作正面电极 7. 将电极金属化 电池工艺简介 根据生产实现过程， 分为制绒（粗抛、制绒、清洗）、扩散、湿法刻蚀、 PECVD、 电极制备五部分 表面结构制备 1. 硅片表面损伤层的形成及处理方法 2. 绒面腐蚀的原理 3. 影响绒面质量 的关键因素及分析 4. 工艺控制方法 5. 化学清洗原理 6. 安全注意事项 硅片表面处理的目的 : 1、去除硅片表面的机械损伤层 2、清除表面油污和金属杂质 3、形成 起伏不平的绒面，增加硅片对太阳光的吸收 . 硅片表面机械损伤层的处理：切割损伤层的腐蚀（初抛） 若损伤层去除不足会出现 3 种 可能情况：

56、1、残余缺陷 2、残余缺陷在后续高温处理过程中向材料深处继续延伸3、切割过 程中导致的杂质未能完全去除。 绒面的制备原理 ：有效的绒面结构有助于提高太阳能电池性能， 主要体现在短路电流的提高。 制备绒面的目的：减少光的反射率，提高短路电流（ Isc ），最终提高电池的光电转换效率。 陷光原理 ：当光入射到一定角度的斜面， 光会反射到另一角度的斜面， 形成二次或者多次吸 收，从而增加吸收率。 影响绒面质量的关键因素及分析1. NaOH 浓度 2. 无水乙醇或异丙醇浓度 3. 制绒槽内硅酸 钠的累计量 4. 制绒腐蚀的温度 5. 制绒腐蚀时间的长短 6. 槽体密封程度、乙醇或异丙醇 的挥发程度 化

57、学清洗原理 ：HF 去除硅片表面氧化层 /HCl 去除硅片表面金属杂质 多晶硅绒面 ：多晶硅表面的晶向结构是随意分布的， 为了得到均一的绒面结构， 人们采用机 械刻槽 等离子刻蚀 电火花刻蚀 激光束刻蚀 酸液腐蚀等技术制备多晶硅绒面。 清洗所用的化学药品： 氢氧化钠（ NaOH） 乙醇（ C2H6O） 盐酸（ HCl） 双氧水（H2O2） 氢 氟酸（ HF） 硝酸（ HNO3） 硅酸钠（ Na2SiO3） 异丙醇（ IPA ） 磷扩散：太阳电池制造的核心工序 扩散的目的：形成 PN结 扩散温度和扩散时间对扩散结深影响较大 扩散方法 ：三氯氧磷（ POCl3）液态源扩散喷涂磷酸水溶液后链式扩散

58、丝网印刷磷浆料后链式扩散 POCl3 简介 ：POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源 1、无色透明液体，具有刺激性气 味。如果纯度不高则呈红黄色。 2、比重为 1.67 ，熔点 2，沸点 107，在潮湿空气中发 烟。 3、POCl3很容易发生水解， POCl3极易挥发。 POCl3 液态源扩散方法具有生产效率较高，得到PN结均匀、平整和 扩散层表面良好等优点，这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。 第七章太阳能光伏发电系统的构成 1通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系 统。 其主要结构由太阳能电池组件（或方阵） / 蓄电池（组） / 光伏控制器 /逆变

59、器（在有需要输 出交流电的情况下使用） / 一些测试、 监控、防护等附属设施构成（直流配线系统 / 交流配电 系统 /运行监控和检测系统 /防雷和接地系统等） 。 2、太阳能光伏发电系统的工作原理太阳能光伏发电系统从大类上可分为：独立（离网） 光 伏发电系统；并网光伏发电系统两大类。 1）图 1-2 是 独立型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图。 a 太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池板，它将太阳光的光能直接转 换成电能，并通 过控制器把太阳能电池产生的电能存储于蓄电池中。 b 当负载用电时，蓄电池中的电能通过 控制器合理地分配到各个负载上。 c 太阳能电池所产生的电流为直流电，可以直接以直

60、流电 的形式应用，也 可以用交流逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。 d 太阳能发电 的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存 储起来，在需要时使用 . 2） 图 1-3 是 并网型太阳能光伏发电系统工作原理 示意图。 ? 并网型光伏发电系统由太阳能电池组件方阵将光能转变成电能， 并经直 流配线箱进入并 网逆变器， 有些类型的并网型光伏系统还要配置蓄电池 组存储直流电能。 ? 并网逆变器由 充放电控制、功率调节、交流逆变、并网保护切换等部分 构成。经逆变器输出的交流电供 负载使用，多余的电能通过电力变压器 等设备馈入公共电网（可称为卖电） 。? 当并网光 伏系统因天气原因发电