毕业设计-激光切割太阳能导电膜

1摘要本文详细介绍了非晶硅太阳能电池的制备过程与检测方法，设计出利用激光切割太阳能电池导电膜的实验平台以及传输光路，并重点研究了切割实验的参数，包括激光器的波长、调Q的重复频率和输入电流、扩束镜倍率、导电膜材料、激光入射面以及切割速度等对切割效果的影响，并整理出合适的切割参数。同时，因为光斑的形状和场分布直接影响切割槽形貌，因此还使用MATLAB软件对光路中加入矩形或者圆形光阑后光斑的分布进行了仿真模拟。关键词：太阳能电池激光导电膜切割2AbstractThispaperdescribestheprocessofthepreparationanddetectionmethodsofamorphoussiliconsolarcell,devisestheexperimentalplatformandopticaltransmissionofcuttingconductivefilmofsolarcellsbyusinglaser.Anditfocusontheeffectoncuttingbycuttingparametersoftheexperiment,includingthelaserwavelength,theQ-repeatfrequency,theinputcurrent,themagnificationofbeamexpander,thematerialsofAconductivefilm,theincidentsurfaceofthelaserandthecuttingspeed.Atthesametime,becausethebeamshapeanddistributiondirectlyaffectthecuttingtroughmorphology,ImakethesimulationofdistributionafteraddingacircularorrectangularaperturespotintotheopticalcircuitryusingMATLAB.Keyword：solarcell，laser，conductivefilm，cutting3目录摘要……………………………………………………IAbstract………………………………………………………………II1选题背景………………………………………………11.1研究目的及意义…………………………………………11.2国内外动态…………………………………………22太阳能电池的结构与原理、制备及测试……………………2.1太阳能电池的基本结构和原理…………………………………………2.2非晶硅太阳能电池的制备方法…………………………………………2.3太阳能电池测试系统………………………………………………………3激光切割太阳能电池导电膜实验…………………………………………3.1实验目的…………………………………………………………………3.2实验方案及平台设计………………………………………………………3.3实验原理……………………………………………………………………3.4实验仪器…………………………………………………………………3.5实验内容及步骤……...…………………………………………….…………...……3.6实验结果及分析……...…………………………………………….…………...……44MATLAB仿真实验4.1实验背景及目的………………………………………………………4.2实验设计及理论计算………………………………………………………4.3实验结果及结论……………………………………………………………5总结与展望…………………………………………………………………5.1总结…………………………………………………………………………5.2讨论…………………………………………………………………………5.3展望…………………………………………………………………………致谢…………………………………………………………………………附录…………………………………………………………………………参考文献…………………………………………………………………………51选题背景1.1研究目的及意义新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术领域之一。光伏电池是一种重要的可再生能源，既可作为独立能源，亦可实现并网发电，而且是零污染排放。硅太阳能电池由于成本原因，最初只能用于空间，随着技术发展和工艺成熟，应用也逐步扩大。面对今天的能源供应状况和日益严重的环境污染，以至危及人类自身生存的现实，开发新能源和可再生能源的理念已被世界各国广泛接受。太阳能电池根据所用材料的不同，可分为(1)硅太阳能电池；(2)以无机盐如砷化镓、Ⅲ一IV族化合物、硫化镉、铜铟硒等多种化合物为材料的电池；(3)纳米晶太阳电池．在各类电池中，因为硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它的研究最多，且其性能稳定，无毒，无污染，因此硅系列电池技术比较成熟，且已具有商业价值．在硅系列太阳电池中，单晶硅转化效率高，但成本高，限制了它的应用，而非晶硅在可见光内有较高的吸收系数，可实现低成本的大面积薄膜沉积，使之较单晶硅太阳电池有更为广阔的应用前景。与其他太阳电池相比，非晶硅电池具有以下突出特点：（1)弱光性好。可以设计成各种形式，利用集成型结构，可获得更高的输出电压和光电转换效率。（2)成本低。因为非晶硅不受硅材料价格的限制,在生产过程中,用硅烷气体通过辉光放电法,在玻璃等衬底上沉积成一层薄膜.因其材料较便宜,可以大规模生产和推广。（3)高温性能好。当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25℃时，其最佳输出功率会有所下降；非晶硅太阳能电池受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小得多。（4）能量回收周期短,在生产过程中的每瓦用电能耗较小，1.5-2年即可返回。但是目前非晶硅电池仍然存在一些问题，主要集中在以下三个方面：（1）稳定性问题。非晶硅太阳能电池的光致衰减效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%，已具备作为空6间能源的基本条件。（2）成本问题。非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右，因此项目投资有一定的资金壁垒。且，成本回收周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。（3）转换效率问题。单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO什么意思)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为10-12%，还存在一定差距。1.2国内外动态非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世纪70年代中期开发成功，80年代其生产曾达到高潮，约占全球太阳能电池总量的20％左右，但由于非晶硅太阳能电池转化效率低于晶体硅太阳能电池，而且非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点：光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，其发展速度逐步放缓。目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的10％左右。但由于晶体硅的短缺及价格上涨将是长期存在的事实，即使晶体硅瓶颈突破，能源节省优势仍然能保障非晶硅太阳能电池的生存空间。目前非晶硅电池仍然存在一些问题，主要集中在两个方面，一个是转化效率低，另一个是电池稳定性不高。从1980年日本sanyo公司首次使用a-Si太阳电池为袖珍计算机供电以来，a-Si太阳电池的应用领域不断的在阔大，对民用产品如：手表，录音机，电视机的供电，这种应用主要是以低能耗为特点。在建筑领域的应用，主要是在玻璃上直接沉积非晶硅太阳能电池做为屋顶瓦，此种屋顶瓦与普通的屋顶瓦规模，重量相同可节省安装空间，降低系统费用，日本，目前正在实施“百万屋顶”计划，使光电系统进入家庭。此外，非晶硅太阳电池可用作偏远地区的照明和通信能源，可以用于汽车顶棚给汽车电池供电，可以作为小型发电系统，提供电源。随着非晶硅太阳电池转化效率的提高及生产成本的降低，目前，又开发了一种新应用类型非晶硅太阳电池，即柔性衬底非晶硅太阳电池，柔性衬底的非晶硅电池具有高比功率，轻便，柔韧性强等优点，因此，在光伏建筑一体化，特别是在城市遥感用平流层气球平台，军用微小卫星，空间航天器等应用中极具优势。在目前的卫星系统中电源系统的重量占整星重量的近三分之一，而柔性衬底的非晶硅电池可达2000W／kg的功率7／重量比，远远高于晶硅的比功率，因此，使用柔性衬底的非晶硅电池可大大降低电源系统的重量。在民用方面，由于柔性衬底的非晶硅电池具有极好的柔韧性，可卷曲性，这使它不但易于贮存和运输，而且为电池的安装，特别是与建筑物及供电系统的一体化设计方面提供了方便的条件，具有广阔的应用前景。为了获得具有高效率、高稳定性的硅基薄膜太阳电池，近年来又出现了微晶、多晶硅薄膜电池。微晶硅薄膜是采用大氢稀释和微量掺硼技术制备的。多晶硅薄膜的制造技术主要有两种，一种是采用PECVD技术或热丝法直接生长；另一种则是通过对a-Si∶H材料进行后退火，实现低温固相晶化。值得指出的是，我国依靠自己的力量自行设计，采用国产器材研制出了一批非晶硅材料及其太阳电池研究生产用的专用设备、装置和仪器。其中特别有意义的是非晶硅薄膜沉积装置。例如超高真空三室a-Si沉积试验装置、七室a-Si连续沉积装置、六室卧式分室连续a-Si沉积装置、三室多片大面积a-Si连续沉积装置、大面积SnO2导电膜连续沉积装置、大面积a-Si电池特性测试装置等等。这些装置的研制成功，尤其是一大批PCVD装置的问世，把我国用等离子化学气相沉积制取功能薄膜的技术和装备水平大大提高了一步。同时还形成了一支从事a-Si材料及其电池研究的具有多学科综合力量的科技队伍。82非晶硅太阳能电池的结构原理、制备及测试2.1太阳能电池的基本结构和原理太阳能电池的基本结构就是一个PN结，如图2.1。其发光原理就是光伏效应，即在半导体PN结的N区导带中有较多的电子，P区价带中有较多的空穴。在PN结中由于存在载流子浓度梯度，便发生电子向P区、空穴向N区的扩散。扩散的结果使得P区带负电，N区带正电，形成有不能移动的离子组成的空间电荷区，随之出现内建电场。在入射光作用下，如果光子能量大于禁带宽度Eg，则在P区、结区和N区都会引起本征激发而产生电子-空穴对，破坏原来的平衡状态，使得P区获得附加的正电荷，N区获得附加的负电荷。结果使P区电势升高，N区电势降低，于是在PN结两端形成了光生电动势。因此它是一种不需加偏置电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件，也称为赋能元件，同时也可作为光信号的探测元件。加上负载RL后的等效电路如图2.2。图2.1太阳能电池结构9图2.2等效微变电路其中，Ip为入射光照产生的电流，ID为二极管电流，Cf为二极管结电容，Rsh为并联电阻，Rs为串联电阻，RL为负载电阻，VL为负载输出电压，IL为负载输出电流。2.2非晶硅太阳能电池的制备方法非晶硅太阳能电池的制备方法有很多，比如电子回旋共振法、光化学气相沉积法、直流辉光放电法、射频辉光放电法、溅射法和热丝法等。目前国内外的非晶硅太阳能电池制造工艺大多采用非微晶堆叠(micromoph)这种制备方法，制备过程大致如下：（1）在玻璃衬底上采用化学气象沉淀法（CVD）生长一层ZnO作为透明导电膜（TCO）。（2）用激光切割法（laser-scribing）在导电膜上切割出一系列平行槽。（3）然后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型三层a-Si。（4）蒸镀一层铝作为金属电极。（5）用激光切割铝电极层和PIN层，形成一系列有同样结构的分立的独立电池。（6）连接引线，将每个分立电池串联起来，提高输出电压。2.3太阳能电池测试系统2.3.1太阳能电池IV特性测试主要部件有：（1）太阳光模拟器系统1）Oriel模拟器MODEL91192美国NEWPORT公司生产的Oriel太阳光模拟器是世界公认的标准太阳光模拟器，广泛为世界各大专业院校使用。该产品被作为行业标准，甚至在计量单位作为计量标准对其他的光源进行校准；在国际光电池行业是唯一被认可的权威产品；被全世界权威杂志所认可。所配套的辐照