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1、硅太阳电池基础,太阳是一个巨大的能源，它以光辐射的形式每秒钟向太空发射约3.81020MW的能量，约22亿分之一投射到地球上，太阳光被大气层反射、散射、吸收以后，还有70%投射到地球，尽管如此，地球上一天接受的太阳能仍高达1.81018Kw.h。对于直接利用太阳光发电的太阳电池来说，太阳辐射的光谱分布、能量以及太阳辐射的变化情况与太阳电池的输出功率密切相关，本节将介绍太阳的结构、太阳辐射的来源、太阳辐射的光谱以及太阳能的特点。,一、 太阳辐射能,1.1 太阳的结构和太阳辐射能太阳是距离我们最近的恒星，其内部由氢、氦、碳、氧和各种金属元素组成。直径为8.68105km，质量约为1024t。总的讲
2、，太阳是一个高温高压的的气体团，表面（即肉眼所见的光球）温度接近6000K，从光球开始愈向内部温度愈高，压强及密度也愈大。在太阳的中心区不断的进行着激烈而复杂的热核反应，轻元素聚合成重元素，反应释放出巨大的能量穿透光球层和色球层以电磁波的形式向太空辐射，这种电磁辐射称为太阳辐射能。物体辐射的波长随物体的温度而定，温度越高，辐射的短波成分越多。太阳辐射的波长范围很广，但总能量的99%集中在波长0.15-4微米之间，我们通常所说的太阳辐射是含有各种波长的辐射的总称。,1.2 太阳辐射光谱太阳辐射在到达地球表面之前，通过地球大气层时，会被大气层中的固定和不固定成分以及悬浮微粒吸收、散射或反射，导致太
3、阳辐射度削减，形成具有一定强度分布太阳辐射，称为太阳辐射光谱。以太阳辐射能量强度为纵坐标，波长为横坐标所绘制的太阳辐射强度随波长变化的曲线称为太阳辐射光谱曲线。太阳光谱中，各波长的能量很不相同，而且还和地点、时间、当时的天气情况等因素有关。因此，确定太阳辐射的能量值是很复杂的事，为了得到计量的参考标准，定义地球大气层外，日地平均距离处，单位时间单位面积上全部太阳辐射能为太阳常数。大气层外的太阳辐射，因未受到大气层的反射和吸收，又称为大气质量为0的辐射，以AM0表示。大气层对太阳辐射的削弱作用还与太阳辐射穿透大气层的距离有关，这又与太阳辐射的方向有关，因此用大气质量AM表示太阳光通过大气的距离，
4、大气质量为太阳光线通过大气的路程与太阳在天顶时太阳光线通过的大气路程之比，可近似表示为AM=d/D=secZ,如以AM1表示垂直于太阳入射方向上单位面积上得到的太阳光谱。AM1.5，AM2等分别表示不同入射方向得到的太阳光谱。图1表示大气质量与入射角度的关系。虽然可用AM1、AM1.5、AM2等来表示大气对太阳辐射的影响，但实测表明，即使大气质量相同，所得光谱各异。为统一标准，一般都采用美国ASTM地面用光伏电池的辐射光谱作为电池地面应用的测试标准。AM1.5曲线中的不连续部分为各种不同大气组分对太阳光的吸收带，而波长小于300nm的光几乎全被地球表面的臭氧层吸收，如下图2所示。AM1.5光谱
5、积分能量为835W/m2。,图1 大气质量与入射角度的关系,图2 大气对太阳辐射的影响,1.3 太阳能的特点太阳能之所以能成为一种有希望的能源，是因为其具有以下特点： 供给量丰富：地球每小时从太阳获得的能量为1.481017卡，其中30%被直接反射回去，70%则被地面吸收。据统计，世界全年的耗能总量，只相当于30分钟降落于地球的全部的太阳能。 清洁、干净：化石燃料的使用会形成大量污染气体，如CO2和SO2，原子能发电会给地球和人类造成潜在的核污染。而利用太阳能直接发电，不影响地球的热平衡，在确保能量供给的同时解决环境污染的问题。 太阳能的分散性：太阳光尽管辐射全球，但每单位面积上的入射功率却很
6、小。要得到较大的功率，需要庞大受光面积的发电装置。对于小功率发电问题不大，但对于大功率发电，要涉及的设备的材料、结构、占用土地等的费用问题，目前投资比其他能源高得多。 间歇性：太阳的高度角一日内及一年内在不断变化，且于地面纬度有关，即使没有气象的变化，太阳辐射的变化也相当大。因此，太阳能利用的随机性很大。利用太阳能发电必须有相当容量的贮能设备，如蓄电池等，这不仅增加了设备及维护费用，也限制了功率的规模。总的来说，太阳电池有许多优点，但在实际应用时，也存在着许多问题，如：密度低（照射于地面的太阳能的最大密度为1KW/m2），单位面积效率低，供给不稳定。因此，在考虑太阳能的利用时，不仅要从技术方面
7、考虑，还要从经济、生态及国家建设的整体方针来研究。,二、硅太阳电池的构造及工作原理,一般的硅太阳电池结构包括以掺杂少量硼原子的p型半导体作为基体材料，采用高温热扩散的方法，将浓度高于硼的磷掺入p型基体内形成实现能量转换的P-N结、丝网印刷电极以输出功率、等离子体化学气相沉积的SiN减反射膜以减少光学损失及钝化表面，以及同时作为电极和背面反射器的铝背场。其剖面图如图3所示。,图3 太阳电池结构,太阳电池结区是由带正电的受主离子和带负电的施主离子组成，因此在此正负离子所在区域内，存在着一个内建电场，又称为空间电荷区。当太阳光照射到半导体时，光子所提供的能量会在半导体中激发出电子-空穴对，既可以产生
8、在P区，也可以产生在N区，其中一部分被复合掉，另一部分则到达P-N结的空间电荷区。电子与空穴受到内建电场的影响，空穴沿电场方向移动，电子向相反方向移动，因此，光生载流子被内建电场分离，在P区聚集非平衡的光生空穴，在N区聚集非平衡的光生电子，这使P区带正电，N区带负电，从而在P-N结的两端产生光生电动势，此过程被称为光生伏打效应或光电效应。光生电动势的方向和内建电场方向相反。用导线将此太阳电池与负载连接，形成回路，负载电阻中就会有电流流过，这个电流称工作电流，负载两端的电压称为工作电压，这样负载上便获得了电功率，实现了光能向电能的转换，这就是太阳电池的工作原理。如图4所示。,图4 太阳电池工作原
9、理,三、硅太阳电池等效电、电性能参数及I-V曲线,3.1 等效电路太阳电池的的等效电路如图5所示，Rm为外接负载。RS为串联电阻，由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅片间的接触电阻所组成。RSH为并联电阻（又称旁漏电阻），由绕过硅片边缘的漏电阻、结区晶体缺陷和外来杂质沉淀物引起的内部漏电。串联电阻和并联电阻都起到减小填充因子的作用，很高的串联电阻和很低的并联电阻还会分别减小短路电流和开路电压。ID为通过PN结的总扩散电流，与Isc方向相反，又称为二极管反向电流(或饱和暗电流)，二者关系如（1）式所描述。,这就是光照下的理想P-N结方程。,（1）,图5. 太阳电池的的等效电路,3.2
10、 I-V特性曲线 当负载电阻从0变到无穷大时，即可画出如图6所示的太阳电池负 载特性曲线，即I-V特性曲线。曲线上的任一点都为工作点，工作点和原点的连线称为负载线，负载线的斜率的倒数等于Rm，与工作点对应的横、纵坐标即为工作电压和工作电流。,图6 太阳电池的I-V特性曲线,3.3太阳电池的电性能参数,3.3.1 短路电流（Isc）标准光强照射下，将电池输出端短路时，P-N结附近产生的光生少数载流子将通过这个途径流通，形成最大可能的光生电流，用Isc表示。理想情况下，它等于光生电流IL。太阳电池在标准光强照射下，短路电流与太阳电池面积大小有关，面积越大，短路电流越大。一般而言，1cm2 多晶硅太
11、阳电池的ISC约为32mA左右。对于单晶硅太阳电池，由于其表面金字塔绒面的效果，1cm2太阳电池的ISC约为34mA左右。同一块太阳电池，ISC与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时，ISC略有上升，一般温度每升高1度，ISC约上升0.1%。,3.3.2 开路电压（Voc）：标准光强照射下，如果太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累于P-N结的两端产生光生电动势，这时电池外测的电势差叫开路电压，用Voc表示。开路状态下，V=Voc，且I=0，（1）式转化为：,这是开路电压的理论计算公式。式中，I0为电池在无光照时的饱和暗电流，q为电子电荷，K为玻尔兹曼常数，A为二极管的品质因子。太阳电池的
12、开路电压与光谱辐照度和材料特性有关，与电池面积大小无关。在标准太阳光谱辐照度下，晶体硅太阳电池的开路电压在600mV左右。当入射光谱辐照度变化时，太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比；环境温度每上升1，VOC约下降2mV。,（2）,3.3.3 填充因子（FF） 最大输出功率（调节负载RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，得到的工作电流和工作电压之积为最大，此时对应的Pm为最大输出功率）与开路电压和短路电流乘积之比称为填充因子FF，用公式表示为： FF = Pm/VocIsc = VmIm/VocIsc （3） Imp为最大工作点电流，Vmp为最大工作点电压。FF是输出特性曲线方形程
13、度的度量，一定光强下，FF愈大，曲线愈方，输出功率愈高。对具有一定转换效率的电池来说，FF值在0.7-0.85的范围内。FF与入射光强、反向饱和暗电流、A因子、串联、并联电阻密切相关。,显然，要有高的转换效率，必须要有大Isc或高的收集几率，有高的Voc或低的暗电流，以及有高的填充因子。太阳电池的转换效率与太阳电池的结构、PN结特性、材料性质、电池的工作温度和环境变化等因素有关。,3.3.4 转换效率（） 即太阳电池最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率之比。,（4）,四、 硅太阳电池特性,4.1 太阳电池的极性我公司生产的太阳电池为n+/P型，当太阳电池接受阳光照射时，太阳能电池输出电压的
14、极性，P型一侧电极为正，N型一侧电极为负。当太阳电池作为电源与外电路连接时，太阳电池在正向状态下工作。当太阳电池与其他电源联合使用时，如果外电源的正极与太阳电池的P电极连接，负极与太阳电池的N极连接，则外电源向太阳电池提供正向偏压；如果外电源的正极与太阳电池的N极连接，负极与太阳电池的P极连接，则外电源向太阳电池提供反向偏压。,地面用太阳电池主要工作在地球表面晴天的太阳辐照度（600-1000W/m2），但有的用户比较关心太阳电池的暗特性，即太阳电池的弱光效应。所谓太阳电池的弱光效应即太阳电池在太阳辐照光谱保持AM1.5不变的情况下，太阳光强在10W/m2以下的情况。在太阳电池内部产生的电能中
15、，有一部分通过电池的漏电流而损失。原则上讲，漏电流由两部分组成，即饱和暗电流和流过Rsh的电流。从数量级上讲，饱和暗电流的大小在10-11A/cm2左右，可忽略不计。因此Rsh的大小决定了漏电流的大小。要提高弱光下太阳电池的开路电压，最重要的是提高太阳电池的并联电阻。经过对材料、工艺不断的研究和优化，采用氢钝化的方法降低了晶粒间界复合中心的作用，生产出与单晶硅电池效率相近的多晶硅太阳电池。尚德公司的多晶硅太阳电池封装成的组件按IEC1215：1993标准与单晶硅电池组件以相同的条件进行环境试验和电性能衰减考核，实验结果完全复合标准要求。同时对该组件进行室内辐照度下电性能测试，测试结果略高于同功
16、率的夏普单晶组件。因此可以判定，多晶硅太阳电池与单晶硅太阳电池的寿命内在品质是相同的。,4.2太阳电池的弱光效应,4.3太阳电池的光谱响应太阳光谱中，不同波长的光具有不同的能量，所含光子数目也不同。因此，太阳电池接受光照射时所产生的光生载流子数也不同，因此，太阳电池在入射光中每一种波长的光能作用下所收集到的光生载流子数，与入射到电池表面的该波长的光子数之比，称作太阳电池的光谱响应，当表面反射率也作为一个参数来考虑时，则为外光谱响应。太阳电池的光谱响应与太阳电池的结构、材料性能、结深、表面光学特性等因素有关，并且还随环境温度、电池厚度和辐照损伤而变化。多晶硅太阳电池的光谱响应曲线如图7示：,图7 太阳电池的光谱响应曲线,对于波长小于4000埃的光波，在该波段，光子几乎全被电池前面N区吸收，收集效率由结深、前表面复合速度、少子寿命决定。波长在5000-9000埃之间时，体寿命和结深起主要作用，大部分日照都在这一波段内。波长超过9000挨，光子在硅中有较长的穿透深度，这时起主要作用的是电池的厚度以及后表面的复合速度。,
