太阳能电池教程

绪论（introduction）第一章阳光的特性1.1波粒二象性1.2黑体辐射1.3太阳和它的辐射1.4地表的日光辐射1.5直射和散射1.6温室效应1.7太阳的外表运动1.8日射率的度量1.8.1全球的等通量1.8.2直射和散射特性1.8.3日照时间资料1.8.4数据的卫星云图1.9太阳能和光伏发电第二章半导体和P-N结2.1半导体2.1.1键矩2.1.2能带模型2.1.3掺杂（半导体的掺杂）2.2半导体的类型2.2.1单晶硅2.2.2多晶硅2.2.3无定形硅2.3光吸收2.4再结合2.5P-N结第三章太阳能电池的性质3.1光的作用3.2光谱响应3.3温度的影响3.4串联电阻的作用第四章电池的特性和构造4.1效率4.2光损耗4.3重组损耗4.4表面接触设计4.4.1基体体及表面电阻率4.4.2栅线距离4.4.3其它损耗4.5实验电池VS工业需求4.6激光凹槽隐匿接触电池第五章PV电池的交互联系以及组成部件的加工5.1组件和电路的设计5.2单体电池5.3多个电池5.4多个组件5.5热斑效应5.6组件的结构5.7环境保护5.8热量考虑5.9电绝缘5.10机械保护5.11衰减因素绪论光伏学是一门利用太阳能电池将太阳光直接转化为电能的一种艺术。早在1839年，法国小伙子埃德蒙贝克勒尔19岁时，在他父亲的实验室里第一次论证（证实了）了光电池的设计。然而，对于这种效用的理解和开发依赖于一些20世纪的重要的科学和技术的发展。一个是量子力学的发展，它是20世纪最主要的智力成就之一。另一个是半导体技术的发展，它对电子学革命以及微芯片的扩散起着重要的作用。在（loferski,1993）中有现代光伏电池有趣的发展历史。幸运的是，由于它的来由和发展背景，太阳能电池利用的简易性和可靠性是技术优点之一。这本书在开始几章中，我们讲述了在这个过程中的两个最重要的要素的特性，一是阳光，它是最基础的能量来源，二是太阳能电池，通过完美地内在过程将阳光转化为电能。在检查一套光伏系统之前，我们先从特定目的的应用来看看电池的生产和组件，比如说通过家庭独立的能量供给的太阳能汽车或者waterpumpingto大的与发电所连接的输电线路。这本书的目标是为这个领域的工作者提供最基本的信息，这些信息在理解光伏电池的操作规则，确定正确的应用和进行简单的光伏电池系统的设计是必需的。它基于应用于N.S.W大学电子工程系的课程资料,它将继续被用作基础课程。随着熟悉光伏电池的概念及其应用的大学毕业生数量的增长，我们希望在澳大利亚以及全世界增加光伏电池的应用。第一章阳光的特性1.1波粒二象性在过去的几个世纪中，人们对光的理解在两个明显冲突的观点之间来回反复的改变（在Gribben1984有大量的可读性强的量子理论的发展过程）。在17世纪晚期，牛顿的光是由粒子组成的理学观点是非常流行的。直到19世纪早期，杨和菲涅耳通过实验表明光束具有干涉作用，这表明光是由波构成的。直到19世纪60年代，麦克斯韦的电磁场理论被接受，光被理解为不同波长的电磁波频谱的一部分。在1905年，爱因斯坦提出光是由离散的粒子流或者量子能量组成，并且用这种理论解释了光电效应。光的这种本性现在完全被接受了。光被认作具有波粒二象性，用公式可以表达如下：Ehfhcf：光束的频率；：光束的波长；E：光子的能量；h：普朗克常量，其值为346.62510Js；c：光速（83.0010ms）。在定义光伏电池或太阳电池的过程中，光有时候被看作波，有时候被看作粒子或是光子。1.2黑体辐射黑体是一个能吸收全部入射辐射的理想物体和理想的辐射发射源。当黑体受热的时候，它开始发光,也就是说，它开始发出电磁辐射。给金属加热就是一个最常见的例子。金属得到的热量越多，他发出的光的波长越短，由最开始的红色逐渐的变为了白色。传统的物理学不能够解释从被加热物体辐射出来的光的波长分配。然而，在1900年，麦克斯韦得出一个描述这种分配数学表达式。这个表达式直到五年以后—爱因斯坦的量子理论出现—才被基础的物理学理解。当温度T给定，黑体辐射的能量密度，取决于辐射频率及其范围，即f和df，由普朗克辐射法则给出：338()[exp()1]hfdffdfchfkT()f：每单位面积上单位波长的能量；k：玻尔兹曼常量。图1.1阐明了，黑体辐射能量的分配随温度的变化。图中最低的曲线是黑体的温度为3000K时，大约为白炽灯中钨丝的温度。大约在波长为1处辐射能量达到的最大值，此波长处于红外线波段。在这种情况下，辐射的能量中，处于可见光波段（0.4～0.8m）的只占很少的一部分，这就说明了这些灯为什么效率这么低。超过大多数金属熔点的温度能够在这个范围（0.4－0.8m）内改变峰值能量。图1.11.3太阳和它的辐射太阳是一个气体高温球体，它的热量来源于内部的核聚变反应。它的内部温度高达20，000，000K。图1.2表明，来自于太阳内部的剧烈辐射的能量被接近于它表面的氢离子层吸收。能量的转移是通过这种方式进行的，首先能量通过光学屏障（氢离子）转移，然后在太阳最外层表面再辐射，这就是我们看到的光球了。图1.3这种辐射能近似于从一个6000K的黑体辐射的能量，见图1.3。1.4地球表面的太阳光辐照度尽管太阳表面的光是连续的，但是由于地球上大气层的吸收和散射,到达地球表面的光是不同的。天气晴朗时，太阳光直射通过大气层的距离最短，到达地球表面的辐照度是最大的。太阳在头正上方φ角时，光程大约是1/cosφ。这光程通常称做大气质量。因此大气质量=1/cosφ。当φ=0时，大气质量等于1或AM1的辐照度。当φ=60时，大气质量等于2或AM2的辐照度。AM1.5是光伏行业的标准辐照度（相当于太阳光的角度48.2o）在任何地方大气质量都可以通过下面公式估算出来：21(/)AMsh（1.4）式中h是垂直物体的高度，s是物体阴影的长度，如图1.5所示。附录Ｂ中的1.5AM光谱，例如整个波长段的能量总和，总的能量密度接近970W/m2。这个光谱或1000W/m2的归一化光谱是目前用于光伏行业的标准光谱。后者接近于地球表面获得的最大能量值。相当于归一化光谱的能量和光通量通过乘以1000/970获得。为了在一个真实的系统中获得太阳电池或组件的特性，以上讨论的标准光谱必须与系统安装地的实际太阳日射能量相联系。图1.11说明了全球和季节不同日射能量。1.5直接辐射和漫散射由于下列因素太阳通过大气层到达地球表面时大约减少30%。1.大气中分子的瑞利散射,尤其是对短波长的光（～λ-4dependence）。2.通过大气中的悬浮颗粒和灰尘颗粒散射。3.通过大气中的气体如O2、臭氧、H2O和CO2吸收。后者在图1.6中明显出现吸收带，波长小于0.3μm的被臭氧强烈吸收。大气中臭氧的耗尽使得更多的这类短波长光到达地球，对生物系统带来危害。大约1μm的带隙是由水蒸气吸收、CO2在长波段的吸收产生的。再一次，改变大气中CO2的成分对地球上的气候和生物系统都有重要意义。图1.7显示大气散射如何导致来自各个方向的太阳光的漫射成分。由于在短波更有效的散射，漫反射主要在光谱末端的蓝光。因此，天空呈蓝色。AM1的辐照（太阳在头正上方的辐照）在天气晴朗时大约有10%的散射成分。这一百分比随着大气质量的增加而增加，多云天气也会增加。当然，云的覆盖是辐照度消减和散射的一个重要原因。积云，也就是大块的，低海拔的云，对阻挡太阳光非常有效。然而，大约一半被积云阻挡的直射光以散射的形式补偿。卷云，小块的、高海拔的云，不会阻挡太阳光，但是把2/3的直射光转换成散射光。在完全的阴天，没有阳光，到达地球上的光绝大部分是散射光。1.6温室效应为了保持地球上的温度，从太阳到达地球的能量必须与从地球散发出的能量相等。大气层干预光的进出。水蒸气主要吸收4-7μm波长的光，CO2主要吸收13-19μm波长的光，大部分逃逸出去的光（70%）在7-13μm之间。如果像月亮一样没有大气层，地球表面的平均温度将大约是-18oC。然而，大气层中270ppmCO2的自然本底水平使地球的平均温度到达15oC，高出月球33oC。图1.9显示如果地球没有大气层并且地球和太阳都是理想的“黑体”，吸收和散发的能量的波长分配。人类的行为逐渐增加释放到大气层的“人为气体”，尤其是CO2、甲烷、臭氧、氮的氧化物和氟氯化气体（CFC's），吸收7-13μm波长范围的光。这些气体阻止能量的散发，将会导致温度严重升高。目前证据显示CO2效应到2030年将会增加一倍，导致全球温度升高1-4oC。这将会导致风的种类和降雨量的改变。大陆内部可能会变干，海洋将升高30cm。当然，进一步增加人为气体的排放，会产生更严重的后果。显然，人类的行为现在已经到达对行星自身维持系统产生影响的程度。副作用应当减少，低的环境影响和没有温室效应气体排放的技术在未来的几十年将会越来越重要。因为能量部分是温室效应气体的主要产生者，通过化石燃料的燃烧。例如光伏产品能取代石化燃料，这一技术的应用将会增加。1.7太阳的明显运动太阳的运动和它在子午线的位置与纬度35oN的固定观察者的关系如图1.10所示。太阳的路径在一年中是不同的它的极限位置出现在夏至、冬至、春分和秋分。在春分和秋分（3月21和9月23），太阳由东边升起西边落下。在子午线，高度等于90o减去这个纬度。在冬至和夏至（6月21和12月22）分别对南半球和北半球，在子午线的高度根据地球的偏差（23o27'）增加或减少。附录A给出了计算太阳在天空的任何时间任何点的公式。1.8、日射测量有许多测量日射的仪器，最简单的是日光仪，它通过用聚焦光在旋转的图上烧一个洞来测量太阳光的小时数。硅电池本身形成下一组精密仪器的基础。热电效应（电压通过不同材料的结的不同的热量产生）形成了更准确的仪器的基础（高温计、太阳热量计）因为这个效应对光的波长不敏感。用合适的方法获取准确的日射量对光伏系统的设计非常重要。1.8.1、全球的日射量计算最广泛可用的数据是每天、每月或每季落在地平线的表面的全球辐照度（包括直射和散射）。图1.11显示了每一季每一天的季节性的全球日照量的例子（MJ/m2）。应当找出每一个具体位置的更准确的数据，更好的是找出直射和散射的组成成分的形式而不仅仅是总的日照量。1.8.2、直射和散射的日照数据下面的方法可以确定入射在相对水平位置的倾斜角β的太阳电池板的的相对日射量：首先，我们假定散射成分D独立于倾斜角（理论上接近不大于45度的倾斜角的值）第二，在水平面的直射部分S可转换成入射在倾斜角度β的直射部分Sβ，如图1.12接下来，我们得到：Ssin(+)Ssin（1.5）式中βα是正午时间太阳的高度，给定o90（1.6）式中φ南半球纬度，δ是按下式给定的太阳的偏差角o23.45sind81360/365（1.7）其中d是天数，从1月1日开始，1月1日d=1。上面的式子适用于在南半球朝北放置的组件（如果在北半球朝南放置用90式中现在是北半球纬度）。公式1.5严格来说仅在中午是正确的，然而经常用在角的组件中平均每天在水平面的直接辐照的太阳光的强度，因此产生一个小错误。然而如果直射和散射光各自的成分不知道，用全球每月总的辐照度和理论计算的大约许多的晴天和阴天的总辐照度等同起来作为两者的一个合理的近似值（适用于大多数地方）理论计算过程如下：（1）“晴天”-每天直射光的密度是由基于实验的大气质量的一个函数所决定。I=1.353*[0.7AirMass]0.678KW/m2（1.8）式中I是产生在垂直于太阳光线的平面的直射光的密度。大气质量值是一个纬度函数，一年的时间和一天的时间，可以用附录A中的算法进行计算。通过确定具体一整天的I值，就可以计算出每天的直射度。然后这个值增加10%来解决散射成分，它的原始值在1.3图中可以看到。然后给出一个给定的时间和地点的晴天的每天日照的期望值。（2）“阴天”-所有产生的光假定是散射光，由1.8式所确定的20%的水平表面的密度。接着，对于阴天的每天日照度的近似值可