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1太阳能电池原理与应用1．填空20×1′2．选择10×2′3．名词解释5×4′4．解答题10′＋15′×2第一章太阳能简介P1在地球位于日地平均距离处，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所收到的太阳辐射的全谱总能量，称为太阳常数。太阳常数的数值为1353W·𝑚−2（瓦·米−2）。将大气对地球表面接受太阳光的影响程度定义为大气质量（AM）。P2太阳活动中的耀斑和黑子对地球的电离层、磁场和极区有显著的地球物理效应，使地面的无线电短波通信受到影响，甚至出现短暂的中断，这被称为“电离层突然骚扰”，几乎与大耀斑的爆发同时出现。P3太阳能的转换形式热能、生物化学能、机械能、光能、电能等。P8三个阶段（电池效率的发展）第一个发展阶段：1954年贝尔实验室（效率6％单晶硅太阳电池）到1960年（15％；制备工艺日趋完善、硅材料的不断提高）；第二个发展阶段：1972年~1985年（背电场电池（BSF）技术、“浅结”结构、绒面技术、密栅金属化；17％；电池成本大幅下降）；第三个发展阶段：1985年后（改进电池性能、提高光电转换效率）；P8表1-4太阳电池发展简况1839年A.E.Becqueral发现光伏现象；1887年第一个太阳电池问世（转换效率1％～2％）；第二章太阳电池原理P10能够导电的称为导体，不能导电的称为绝缘体，介于导体与绝缘体之间的称为半导体。自由空间的电子所能得到的能量值基本上是连续的，但在半导体中，由于量子效应，孤立原子中的电子占据非常固定的一组分立的能线，当孤立原子相互靠近时，由于各原子的核外电子相互作用，本来在孤立原子状态时分离的能级拓展，相互重叠，变成带状，称为能带。0K（开氏温度）时电子在能带中所占据的最高能级称为费米能级。P11导带、禁带、价带N型导带（未掺杂）P型价带（被电子占据1/2）本征半导体禁带正中间（价带与导带中间）P12半导体的5个特征①电阻率特性；②导电特性；③负的电阻率温度系数；④整流特性；⑤光电特性；半导体材料按化学成分和内部结构大致分为4类：①元素半导体有锗、硅等；②化合物半导体；③无定形半导体材料；④有机半导体材料；自由电子移动后在原来共价键中留下的空位称为空穴；P13在本征半导体材料中掺入V族杂质元素（磷、砷等），杂质提供电子，使得其中的电子浓度大于空穴浓度，就形成N型半导体材料，杂质称为施主。P型半导体空穴浓度大于电子浓度；P14在靠近界面附近，电离杂质的负电荷数高于剩余空穴浓度的正电荷数，出现了负电荷区域。此区域称为P-N结的空间电荷区，正、负电荷区形成了一个从N型半导体指向P型半导体的电场，称为内建电场（方向N区指向P区）。具有P-N结的半导体受到光照时，P区电子移动到N区，N区的空穴移动到P区，P-N结两端电荷积累，形成电势差。P-N结的能带结构的形成：随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使电子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的P-N结。P15光生电场：光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子-空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。复合过程（2种）电子在导带和价带之间直接跌迁，引起一对电子-空穴的消失，称为直接复合；电子-空穴对也可能通过禁带中的能级（复合中心）进行复合，称为间接复合。迁移率是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动快慢的量度，运动得越快，迁移率越大，运动得慢，迁移率小。少子寿命：少数载流子存在一定的寿命；少数载流子在扩散的过程中，必将一边扩散一边复合，待走过一段距离后少数载流子也就消失了，走过的这一段也就是所谓扩散长度。P16势垒高度𝑞𝑈𝐷=𝐸𝐹𝑁−𝐸𝐹𝑃（无光照）q(𝑈𝐷−𝑈𝑂𝐶）（稳定光照、电路开路）q𝑈𝐷（稳定光照、电路短路、无光生电压）q(𝑈𝐷−𝑈𝑡）（有光照有负载）P17当太阳电池的输出端短路时，U=0（𝑈𝐷≈0）短路电流𝐼𝑠𝑐−𝐼𝑝ℎ2当太阳电池的输出端开路时，I=0，开路电压为U𝑜𝑐=𝑛𝑘BT𝑞ln(I𝑠𝑐I𝑜+1);将U𝑜𝑐与𝐼𝑠𝑐的乘积与最大功率Ｐｍ定义为填充因子FF，ＦＦ＝ＰｍＵｏｃＩｏｃ＝ＵｍＩｍＵｏｃＩｏｃ电池的最大输出功率与入射光功率之比：η=ＰＰｍ＝ＩｍｐＵｍｐＰｉｎ＝ＦＦ·U𝑜𝑐·𝐼𝑠𝑐Ｐｉｎ为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Ｒｓ，增大并联电阻Ｒ𝑠ℎ；P19太阳电池优势①不受地域限制，有阳光就可发电；②发电过程是简单的物理过程，无任何废气废物排出，对环境基本上没有任何影响；③太阳电池静态运行，无运转部件，无磨损，可靠性高，没有任何噪音；④发电功率由太阳电池决定，可按所需功率装配成任意大小；⑤既便于作为独立能源，也可与别的电源联网使用；⑥寿命长（可达20年以上）⑦太阳电池重量轻、性能稳定、灵敏度高；⑧太阳寿命达60亿年，因而太阳能发电相对于说是无线能源；⑨它是一种通用的电力技术，可以用在许多或大或小的领域，可用于任何有阳光的地方，可以安装到任何物体的表面，也可以集成到建筑结构中，容易实现无人化和自动化；P19太阳电池分类从结构方面分，主要有同质P-N结电池、肖特基（MS）电池、MIS电池、MINP电池、异质P-N结电池等；其中同质P-N结电池占主导地位；从材料方面分，主要有硅系太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、纳米晶化学太阳电池等；从材料外形特点方面分，可分为体材料和薄膜材料；P20晶硅太阳电池分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池；单晶硅太阳电池：少数载流子寿命极低、“死层”、紫电池、在电池基体和底电极间建立一个同种杂质的浓度梯度，制备一个P−Ｐ＋或Ｎ−Ｎ＋高低结，形成背电场，可以有效收集载流子，改善太阳电池的长波响应，提高短路电流和开路电压，这种电池称为背场电池。高低结没有整流特性；多晶硅太阳电池：浇铸法（鋳造法）；两种方法：EFG定边喂膜法、蹼状结晶法；P22非晶硅薄膜太阳电池：禁带宽度从1.1eV升高到1.7eV，在较薄的P层和N层间加入一层厚的本征层，形成P-I-N结构。I层产生光生载流子。第三章晶硅太阳电池P26现代线锯（铜丝）的核心是在研磨浆配合下用于完成切割动作的超细高强度切割线。P27硅片的清洗：第一层破损层、第二层微裂层、第三层应变层；常用酸性或碱性腐蚀液（加热到80~90℃的20％~30％的NaOH或KOH溶液）将其去除，一定浓度的HF去除表面氧化层。P27制绒：常用的织构制备方法为机械刻槽法和化学腐蚀法；机械刻槽是利用V形刀在硅表面摩擦以形成规则的V形槽，从而形成规则、发射率低的表面结构。化学腐蚀法可以在硅表面形成不规则的倒金字塔结构。分为各向同性腐蚀（硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率，腐蚀速率与硅的晶向密切相关）和各向异性腐蚀（多用于单晶硅、碱性腐蚀液）。P28扩散：杂质原子进入半导体的两种方式：替位式扩散、间隙式扩散；P29冒泡法、锡槽杂质三氯氧磷ＰＯＣＬ３液P31制作电极的方法主要有真空蒸镀、化学镀镍，铝浆印刷烧结等。P33影响太阳电池效率的主要因素（1）光谱的影响。太阳光是由不同频率的光组成，不是所有频率的光线都正好产生电子-空穴对；由于光电效应现象，光子能量小时不能产生电子空穴对，光子能量大时浪费了多余的能量；（2）晶格缺陷和复合中心影响。由于晶格缺陷和复合中心使大量产生的电子-空穴对重新组合，不能实现光电转换；（3）电池表面对光的反射的影响。并不是所有照射到太阳电池组件上的光线都被吸收，还有一部分被反射造成能量损失；（4）环境的温度的影响。随着温度的升高，P-N结附近的活性层减薄，使电池电压和转换效率下降，因此，相同的光照情况下，硅电池在冬天的效率高于夏天；（5）负载情况的影响。太阳电池的输出电压取决于负载的工作电压和功率大小，以及蓄电池标称电压等因素。当负载阻抗合适时，太阳电池的工作效率最好。P33提高电池效率的办法（1）激光刻槽埋藏栅线技术。激光刻槽法可在表面制作倒金字塔结构；引入一些杂志，通过化学处理去除表面损伤层；短路电流较高，开路电压不3太高，主要原因是电池表面积增加，引起复合电流提高。（2）埋层电极、表面钝化等。优化凹凸表面方式减少光的反射及透射损失，以提高太阳电池的效率。（3）背表面场的形成。对多晶硅中的杂质具有良好的吸除作用，明显提高电池的开路电压。（4）发射区形成和磷吸杂。P34太阳电池组件封装是太阳电池能够长时间使用的关键环节，主要作用：①隔绝太阳电池与外界大气的联系通道，保护电极和避免互连线收到腐蚀；②避免太阳电池的碎裂；（真空热压法）P38敷设层次由下向上依次是玻璃、EVA、电池、EVA、玻璃纤维、背板。P42晶体硅太阳电池的生产工艺：硅片切割、硅片的清洗、制绒、扩散、等离子边缘刻蚀、去磷硅玻璃、制备减反射膜、制作电极、烧结、测试。第四章太阳能玻璃P43太阳能玻璃是指应用于太阳能设备上对太阳光具有较普通玻璃更高透过率，或能选择性透过的玻璃。太阳能玻璃可以使用钢化或非钢化的压花玻璃和浮法玻璃。应用最广的高透光率玻璃是低铁含量的玻璃，也就是俗称的“超白玻璃”。“白”不是指玻璃是白色，而是说玻璃是透明的。在超白无色透明玻璃中，主要有害杂质是铁元素，铁在普通玻璃中属于杂质（吸热玻璃除外），铁杂质存在一方面使玻璃着色，另一方面增大玻璃的吸热率，也就降低了玻璃的透光率。P44含铁玻璃着色的根本原因是这种铁酸亚铁结构，铁酸亚铁结构在可见光的红光到近红外区强烈吸收光、强烈着色，使玻璃生成明亮的绿蓝色调。光伏玻璃的生产可以分为两类：压延玻璃和浮法玻璃。P45光伏玻璃原料选择的一般原则（除对铁元素的控制外）（1）原料的质量必须符合要求，而且要稳定；（2）易于加工处理；（3）不使用对环境有污染和对人体有害的原料；（4）对耐火材料的侵蚀要少；P45原料𝑆𝑖𝑂2的主要来源：①优质的石英岩；②优质硅砂；𝐴𝑙2𝑂3碱金属氧化物：降低玻璃的浓度，是玻璃良好的助熔剂；引入𝑁𝑎2𝑂的原料主要为纯碱和芒硝；用纯碱引入𝑁𝑎2𝑂比芒硝要好；还原剂一般使用焦炭粉。用量不足时𝑁𝑎2𝑆𝑂4不能充分分解，会产生过量的硝水，对熔窑耐火材料的侵蚀较大，并使玻璃制品产生白色芒硝泡；用量过多时会使玻璃中的𝐹𝑒2𝑂3还原成FeS和生成𝐹𝑒2𝑂3，与多硫化钠形成棕色的着色团——硫铁化钠，导致玻璃呈棕色。P47向玻璃配合料或玻璃熔体中加入一种高温时自身能气化或分散放出气体，以排除玻璃中气泡的物质，称为澄清剂。常用的澄清剂有白砒、三氯化二锑、硝酸盐、硫酸盐、氧化物、氯化物、氯化铈、铵盐等。破碎的不合格的玻璃制品、生产过程中产生的玻璃碎片和社会上玻璃的废弃物，均可用作玻璃的原料，统称为碎玻璃。P48浮法玻璃工艺是将高温熔融的玻璃液漂浮在重金属液面，通常是锡液面上，借助这两种液面的表面张力和重力的共同作用，使玻璃液获得抛光成形的一种新工艺，因其是用漂浮法成形的，故称为浮法玻璃。浮法玻璃生产线主要分为熔窑、锡槽、退火窑及冷端设备（注意状态、起到的作用）；保护气体：氢气和氮气。P50浮在锡液表面的玻璃液在没有外力的作用下，它的厚度与水银在玻璃板的状况相同，取决于表面张力和重力。P51浮法成形与其他成形的比较：浮法成形的优点：①浮法成形适用于高效率制造优质平板玻璃，上下表面平衡，厚度均匀，表面受机械损伤小，光洁度高；②生产规模可以不受成形方法的限制。③可以根据需要进行线切割，成品率高；④连续作业周期长，设备利用率高，利于稳定生产；⑤易于科学化管理和实现自动化，机械化劳动生产效率高。浮法成形的缺点：①浮法成形对于生产小于2㎜的超薄玻璃非常困难；②浮法是单机生产，市场适应能力差，，同时对各个生产环节、设备、操作等要求很高；③有一些不良的副作用，加剧了剩余铁原子在玻璃中的光堵倾向。浮法锡槽成形工艺技术是浮法技术的核心。P52锡槽按不同发明厂家可以