太阳能电池特性的测量
能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题，新能源利用迫在眉睫。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的新能源。太阳电池可以将太阳能转换为电能，随着研究工作的深入与生产规模的扩大，太阳能发电的成本下降很快，而资源枯竭与环境保护导致传统电源成本上升。太阳能发电有望在不久的将来在价格上可以与传统电源竞争，太阳能应用具有光明的前景。
根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池，化合物太阳能电池，聚合物太阳能电池，有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅3种太阳能电池的特性。
实验目的
1． 学习太阳能电池的发电的原理 2． 了解太阳电池测量原理 3． 对太阳电池特性进行测量
实验原理
太阳能电池利用半导体P-N 结受光照射时的
光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大
面积平面P-N 结，图1为P-N 结示意图。
P 型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N 型半导体中有相当数量的自由电子，
几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成
P-N 结时，N 区的电子（带负电）向P 区扩散， P 区的空穴（带正电）向N 区扩散，在P-N 结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N 结的净电流为零。在空间电荷区内，P 区的空穴被来自N 区的电子复合，N 区的电子被来自P 区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。
当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子－空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N 区和P 区，使N 区有过量的电子而带负电，P 区有过量的空穴而带正电，P-N 结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N 结两端接入外电路，就可向负载输出电能。
在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特性，如图2实线所示。
负载电阻为零时测得的最大电流I SC 称为短路电
流。
负载断开时测得的最大电压V OC 称为开路电压。
太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的
乘积。同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样
时，输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标，
输出功率为纵坐标，绘出的P-V 曲线如图2点划线所
示。
输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率P max 。
空间电荷区 图1 半导体P-N 结示意图
I
V
填充因子F.F 定义为： sc
oc I V P F F ?=
?max
（1）
填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池FF 值在0.75~0.8之间。
转换效率ηs 定义为：
%100(%)
m a x
?=in
s P P η （2） Pin 为入射到太阳能电池表面的光功率。
理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增加时只略微增加，如图3所示。 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率可达到15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。但由于单晶硅价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率可达到10%。因此，多晶硅薄膜电池可能在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，便于大规模生产，有极大的潜力。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，无疑是太阳能电池的主要发展方向之一。
实验仪器
太阳能电池实验装置如图4所示。
图4 太阳能电池实验装置
光源采用碘钨灯，它的输出光谱接近太阳光谱。调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变照射到太阳能电池上的光强，具体数值由光强探头测量。测试仪为实验提供电源，同时可以测量并显示电
I
V
流、电压、以及光强的数值。
电压源：可以输出0～8V连续可调的直流电压。为太阳能电池伏安特性测量提供电压。
电压/光强表：通过“测量转换”按键，可以测量输入“电压输入”接口的电压，或接入“光强输入”接口的光强探头测量到的光强数值。表头下方的指示灯确定当前的显示状态。通过“电压量程”或“光强量程”，可以选择适当的显示范围。
电流表：可以测量并显示0～200mA的电流，通过“电流量程”选择适当的显示范围。
实验内容与步骤
1．硅太阳能电池的暗伏安特性测量
暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。
太阳能电池的基本结构是一个大面积平面P-N结，单个太阳能电池单元的P-N结面积已远大于普通的二极管。在实际应用中，为得到所需的输出电流，通常将若干电池单元并联。
为得到所需输出电压，通常将若干已并联的电池组串连。因此，它的伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池的材料，结构及组成组件时的串并连关系。
本实验提供的组件是将若干单元并联。要求测试并画出单晶硅, 多晶硅，非晶硅太阳能电池组件在无光照时的暗伏安特性曲线。
用遮光罩罩住太阳能电池。
测试原理图如图5所示。将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接口，电阻箱调至50Ω后串连进电路起保护作用，用电压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中的电流。
图5 伏安特性测量接线原理图
将电压源调到0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.3V记一次电流值。记录到表1中。
将电压输入调到0V。然后将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换的数据于表1中。
讨论太阳能电池的暗伏安特性与一般二级管的伏安特性有何异同。
2．开路电压，短路电流与光强关系测量
打开光源开关，预热5分钟。
打开遮光罩。将光强探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪的“光强输入”接口上。测试仪设置为“光强测量”。由近及远移动滑动支架，测量距光源一定距离的光强I，将测量到的光强记入表2。
图6 开路电压、短路电流与光强关系测量示意图
将光强探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图6A接线，按测量光强时的距离值（光强已知），记录开路电压值于表2中。
按图6B接线，记录短路电流值于表2中。
将单晶硅太阳能电池更换为多晶硅太阳能电池，重复测量步骤，并记录数据。
将多晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复测量步骤，并记录数据。
根据表2数据，画出三种太阳能电池的开路电压随光强变化的关系曲线。
根据表2数据，画出三种太阳能电池的短路电流随光强变化的关系曲线。
3．太阳能电池输出特性实验
图7 测量太阳能电池输出特性
按图7接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照强度下（将滑动支架固定在导轨上某一个位置），分别将三种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流I,并计算输出功率P O=V×I，填于表3中。
表3 3种太阳能电池输出特性实验光强I= W/m2
根据表3数据作3种太阳能电池的输出伏安特性曲线及功率曲线，并与图2比较。
找出最大功率点，对应的电阻值即为最佳匹配负载。
由（1）式计算填充因子。
由（2）式计算转换效率。入射到太阳能电池板上的光功率P in=I×S1，I为入射到太阳能电池板表面的光强，S1为太阳能电池板面积（约为50mm×50mm）。
若时间允许，可改变光照强度（改变滑动支架的位置），重复前面的实验。
【注意事项】
1．在预热光源的时候，需用遮光罩罩住太阳能电池，以降低太阳能电池的温度，减小实验误差；
2．光源工作及关闭后的约1小时期间，灯罩表面的温度都很高，请不要触摸；
3．可变负载只能适用于本实验，否则可能烧坏可变负载；
4．220V电源需可靠接地。
太阳能电池及材料研究 引言 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源．也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：1、半导体材料的禁带不能太宽；②要有较高的光电转换效率：3、材料本身对环境不造成污染； 4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。 1 硅系太阳能电池 1.1 单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是*单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23%，是大值可达23．3％。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19．44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达8.6%。 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电 池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 1．2 多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等
太阳能电池材料的发展及应用 材料研1203 Z石南起新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。 随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。 功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。
太阳能电池板（组件）生产工艺 组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键，所以组件板的封装质量非常重要。 流程： 1、电池检测—— 2、正面焊接—检验— 3、背面串接—检验— 4、敷设（玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设）—— 5、层压—— 6、去毛边（去边、清洗）—— 7、装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）—— 8、焊接接线盒—— 9、高压测试——10、组件测试—外观检验—11、包装入库 组件高效和高寿命如何保证： 1、高转换效率、高质量的电池片； 2、高质量的原材料，例如：高的交联度的EVA、高粘结强度的封装剂（中性硅酮树脂胶）、高透光率高强度的钢化玻璃等； 3、合理的封装工艺 4、员工严谨的工作作风； 由于太阳电池属于高科技产品，生产过程中一些细节问题，一些不起眼问题如应该戴手套而不戴、应该均匀的涂刷试剂而潦草完事等都是影响产品质量的大敌，所以除了制定合理的制作工艺外，员工的认真和严谨是非常重要的。 太阳电池组装工艺简介： 工艺简介：在这里只简单的介绍一下工艺的作用，给大家一个感性的认识. 1、电池测试：由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。 2、正面焊接：是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯（利用红外线的热效应）。焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连 3、背面串接：背面焊接是将36片电池串接在一起形成一个组件串，我们目前采用的工艺是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有36个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将36片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。 4、层压敷设：背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（primer）以增加玻璃和EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。（敷设层次：由下向上：玻璃、EVA、电池、EVA、玻璃纤维、背板）。 5、组件层压：将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA 时，层压循环时间约为25分钟。固化温度为150℃。 6、修边：层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应
太阳能EL检测仪是如何实现电池片缺陷检测的？ EL检测仪，又称场致发光测试，是跟据硅材料的电致发光原理对组件进行缺陷检测及生产工艺监控的专用测试设备。利用红外测试方式对电池片组件进行测试，达到EL成像模式，从而可以查看是否有电池片组件内部有电池片破裂、隐裂、黑心片、烧结断栅严重、虚焊、脱焊等情况再进入下道工序，因为通电发的光与PN结中离子浓度有很大的关系，也因此可以根据EL的电脑反映出来的图像来判断硅片内部的是否异常。从而保证太阳能电池组件的质量。 然而硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低以及电池组件发电效率。太阳能电池片的是否有缺陷需要通过EL缺陷检测仪来判断，这样一道检测和分选的工序可以大大减少市面上不良太阳能电池片的流通和销售，从而较小层面的降低组件功率受损。因此对太阳能电池硅片质量检测在生产和实验中显得尤为重要。 我们日常所能用得到的太阳能电池硅片有单晶硅片和多晶硅片，硅片在生产过程中由于制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同或多或少地存在一些缺陷。多晶硅片常见的缺陷有边缘不纯、位错缺陷，单晶硅片常见的缺陷有漩涡缺陷。硅片缺陷的存在会极大地降低电池片的发电效率，减少电池组件的使用寿命，甚至影响光伏发电系统的稳定性。为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，从而生产出质量合格的电池组件。 日常实验和应用中，我们较常用的电池硅片缺陷检测就是采用EL缺陷检测仪。EL缺陷检测仪通过1-1.5倍Isc的电流后硅片会发出1000-1100nm的红外光对太阳能电池硅片进行缺陷检测，那么太阳能电池硅片会有哪几种缺陷情况存在呢？跟着小编一起往下看： 缺陷种类一：黑心片 通过EL照片反映出的黑心片主要形成原因是该区域没有1150红外光发出，故导致红外相片中反映出黑心片的效果图。这种黑心片的形成是由于其中心部位的电阻率偏高。和它硅衬底少数载流子浓度有关。 缺陷种类二：黑团片 在生产过程中，由于硅片厂家一再在强调缩短晶体定向凝固时间，熔体潜热释放与热场温度梯度失配，晶体生长速率加快，过大的热应力导致硅片内部位错缺陷。 缺陷种类三：短路黑片（非短路黑片） 组件单串焊接过程中造成的短路；组件层压前，混入了低效电池片造成的后果形成的短路黑片；而边缘发亮的黑片我们称之为非短路黑片，它主要是由于硅片使用上错用N型片，造成PN结反，短路的电池片不能对外提供功率，输出功率和IV测试曲线也随之降低。造成整个组件功率和填充因子受影响。 缺陷种类四：断栅片
太阳能电池片生产工艺常用化学品及其应用 一般来说，半导体工艺是将原始半导体材料转变为有用的器件的一个过程，太阳能电池工艺就是其中的一种，这些工艺都要使用化学药品。 1．常用化学药品 太阳能电池工艺常用化学药品有：乙醇（C2H5OH）、氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl）、氢氟酸(HF)、异丙醇（IPA）、硅酸钠（Na2SiO3）、氟化铵（NH4F）、三氯氧磷（POCl3）、氧气（O2）、氮气（N2）、三氯乙烷（C2H3Cl3）、四氟化碳（CF4）、氨气（NH3）和硅烷（SiH4），光气等。 2．电池片生产工艺过程中各化学品的应用及反应方程式： 2.1一次清洗工艺 2.1.1去除硅片损伤层： Si + 2 NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2 H2 ↑ 28 80 122 4 对125*125的单晶硅片来说，假设硅片表面每边去除10um，两边共去除20um，则每片去处的硅的重量为：△g=12.5*12.5*0.002*2.33 = 0.728g。（硅的密度为2.33g/cm3） 设每片消耗的NaOH为X克，生成的硅酸钠和氢气分别为Y和Z克，根据化学方程式有： 28 ：80 = 0.728 ：ＸＸ= 2.08g 28 ：122 = 0.728 ：Y Y=3.172g 28 ：4 = 0.728 ：Z Z= 0.104g 2.1.2制绒面： Si + 2 NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2 H2 ↑ 28 80 122 4 由于在制绒面的过程中，产生氢气得很容易附着在硅片表面，从而造成绒面的不连续性，所以要在溶液中加入异丙醇作为消泡剂以助氢气释放。另外在绒面制备开始阶段，为了防止硅片腐蚀太快，有可能引起点腐蚀，容易形成抛光腐蚀，所以要在开始阶段加入少量的硅酸钠以减缓对硅片的腐蚀。 2.1.3 HF酸去除SiO2层 在前序的清洗过程中硅片表面不可避免的形成了一层很薄的SiO2层，用HF酸把这层SiO2去除掉。 SiO2 + 6 HF = H2[SiF6] + 2 H2O 2.1.4HCl酸去除一些金属离子，盐酸具有酸和络合剂的双重作用，氯离子能与Pt 2+、Au 3+、Ag +、Cu+、Cd 2+、Hg 2+等金属离子形成可溶于水的络合物。 2.2扩散工艺 2.2.1扩散过程中磷硅玻璃的形成： Si + O2＝SiO2 5POCl3＝3 PCl5 + P2O5（600℃） 三氯氧磷分解时的副产物PCl5，不容易分解的，对硅片有腐蚀作用，但是在有氧气的条件下，可发生以下反应： ４PCl5 + 5O2＝2 P2O5 + 10Cl2↑(高温条件下) 磷硅玻璃的主要组成：小部分P2O5，其他是２SiO2·P2O5或SiO2·P2O5。这三种成分分散在二氧化硅中。 在较高温度的时候，P2O5作为磷源和Si反应生成磷，反应如下：
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 近代光学创新实验 实验名称：太阳能光伏电池测试与分析院系： 专业： 姓名： 学号： 指导教师： 实验时间： 哈尔滨工业大学
一、实验目的 1、了解pn结基本结构和工作原理； 2、了解太阳能电池的基本结构，理解工作原理； 3、掌握pn结的IV特性及IV特性对温度的依赖关系； 4、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法，理解光源强度、波长、环境温度等因素对太阳能 电池特性的影响； 5、通过分析PN结、太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分 析实验数据与理论结果间存在差异的原因。 二、实验原理 1、光生伏特效应 半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境（如温度、光照等）发生剧烈的变化。半导体材料具有负的带电阻温度系数。从材料结构特点说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。通常情况下，都需要对半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器件的核心结构通常是pn结，pn结简单说就是p型半导体和n型半导体的基础区域，太阳能电池本质上就是pn结。 常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结，如图1所示，它的工作原理的核心是光生伏特效应。光生伏特效应是半导体材料的一种通性。当光照射到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，在半导体材料内部会产生电动势。如果构成适当的回路就会产生电流。这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。 非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。pn结是典型的一个例子。N型半导体材料和p型半导体材料接触形成pn结。pn结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，pn结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的。不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。
第四章
4.1 3 4.2 4.3 3 4.4 4.5 4.6
太阳电池基础
光生伏特效应 光生载流子的浓度和电流 太阳电池的伏安特性 太阳电池的性能表征 太阳电池的测试技术 太阳电池的效率分析
4.6 太阳电池效率分析-极限效率
太阳电池的理论效率
VOC I SC ? FF ?? ?100% Pin
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定后， 为获得较高的转换效率， 需要增加Voc、Isc和FF
填充因子FF
在理想情况下（当voc>10），填充因子FF仅是开路电压Voc的函数
Voc的函 数
voc ? ln（voc ? 0.72） q FF ? voc ? Voc , voc ? 1 kT
4.6 太阳电池效率分析-极限效率
短路电流Isc
I sc ? ? I L I L ? qAG ? Le ? W ? Lh ? ,
假设到达电池表面的每一个能量大于材料禁 带宽度Eg的光子，会产生一个电子-空穴对。 将光通量对波长进行积分，可以得到产生率G。
开路电压Voc
Voc ?
2
? kT ? I L ln ? ? 1? q ? I0 ?
? Eg ? I 0 =1.5 ? 10 exp ? ? ? kT ? ?
5
Eg ) I0∝ ni ? N C N V exp(? kT
禁带宽度Eg减小，I0增加，Voc减小
4.6 太阳电池效率分析-极限效率
最佳带隙宽度
禁带宽度Eg减小
Isc增加
Voc减小
太阳能电池的分类简介 （1）硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降 低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅 薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代 产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低 廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转 换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截 止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久 将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
2）多晶体薄膜电池 多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产 品。 砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率 可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学 带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热 不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用 GaAs电池的普及。 （3）有机聚合物电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。 （5）有机薄膜电池 有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的 6）染料敏化电池 染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。 （7）塑料电池 塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。 太阳能工作原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式，一种是光一热一电转换方式，另一种是光一电直接转换方式。其中，光一电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光一电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型
第四章 太阳电池基础 光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应34.1太阳电池的伏安特性34.34.5太阳电池的效率分析 太阳电池的性能表征4.6
太阳电池基本结构 以晶体硅太阳电池为例。 （1）以p型晶体硅半导体材料为衬底； （2）为了减少光的反射损失，常制作绒面减反结构（3）采用扩散法在硅衬底上制作重掺杂的n型层（4）PECVD生长SiO 减反层 2 （5）在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极（6）在衬底背面制作金属膜，作为背面欧姆接触电极
半导体 吸收光子产生电子空穴对，电子空穴对在p-n结内建电场作用下分离，从而在p-n结两端产生电动势。 p-n结是太阳电池的核心 光生载流子形成一个与热平衡结电场方向相反的电场，使得势垒降低；光生电流与正向结电流相等时，pn结建立稳定的电势差，即光生电压 Electric Field
载流子运动的角度 太阳电池工作原理：当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时，其中 的光子能把价带中电子激发到导带上去，形成 能量大于禁带宽度E g 自由电子，价带中留下带正电的自由空穴，即电子—空穴对，通常 称它们为光生载流子。自由电子和空穴在不停的运动中扩散到p-n结的空间电荷区，被该区的内建电场分离，电子被扫到电池的n型一例，空穴被扫到电池的p型一侧，从而在电池上下两面（两极）分别形成了正负电荷积累，产生“光生电压”，即“光伏效应”。如果在电 池的两端接上负载，在持续的太阳光照下，就会不断有电流经过负载。这就是太阳电池的基本工作原理。
能带的角度 持续光照条件下，大量的光生载流子产生，光生电子和空穴被源源不断地分别扫到n型和p型一两侧，致使n区和p区费米能级的分裂，若太阳电池断路，光生电压V即为开路电压V 。若外电路短路，pn结正向电流为 oc 零，外电路电流为短路电流，理想情况下也就是光电流。
一,基础知识 (1)太阳能电池的发电原理 太阳能电池是利用半导体材料的光电效应,将太阳能转换成电能的装置. ?半导体的光电效应所有的物质均有原子组成,原子由原子核和围绕原子核旋转的电子组成.半导体材料在正常状态下,原子核和电子紧密结合(处于非导体状态),但在某种外界因素的刺激下,原子核和电子的结合力降低,电子摆脱原子核的束搏,成为自由电子. 光激励 核核 电子 空穴电子 电子对?PN 结合型太阳能电池 太阳能电池是由 P 型半导体和 N 型半导体结合而成,N 型半导体中含有较多的空穴,而P 型半导体中含有较多的电子 ,当 P 型和 N 型半导体结合时在结合处会形成电势当芯 片在受光过程中,带正电的空穴往 P 型区移动,带负电子的电子往 N 型区移动,在接上连线和负载后,就形成电流.. (2)太阳能电池种类 － ＋＋－ － ＋P 型
铸 造 2 工 PN 结合（正面 N 极,反 面 P 极 ） 减 反膜形成 通过电极,汇集电 ※在现在的太阳能电池产品中,以硅半导体材料为主,其中又以单晶硅和多晶硅为代表.由于 其原材料的广泛性,较高的转换效率和可靠性,被市场广泛接受.非晶硅在民用产品上也有 广泛的应用（如电子手表,计算器等）,但是它的稳定性和转换效率劣于结晶类半导体材料. 化合物太阳能电池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害,现阶段未被市场广泛采用. ※现在太阳能电池的主流产品的材料是半导体硅,是现代电子工业的必不可少的材料,同时 以氧化状态的硅原料是世界上第二大的储藏物质. ※京瓷公司早在上世纪的八十年代就认识到多晶硅太阳能电池的光阔前景和美好未来,率先 开启多晶硅太阳能电池的工业化生产大门.现在已经是行业的龙头,同时多晶硅太阳能电 池也结晶类太阳能电池的主流产品（太阳能电池的 70%以上）. （3）多晶硅太阳能电池的制造方法 空间用 民用 转换效率:24% 转换效率:10% 转换效率:8% （1400 度以上） 破锭(150mm *155mm ) N 极烧结 电极 印刷 （ 正 反
单晶硅太阳能电池 1.基本结构 2.太阳能电池片的化学清洗工艺 切片要求：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀(钢丝)切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。 具体来说太阳能硅片表面沾污大致可分为三类： 1、有机杂质沾污：可通过有机试剂的溶解作用，结合兆声波清洗技术来去除。 2、颗粒沾污：运用物理的方法可采机械擦洗或兆声波清洗技术来去除粒径≥ 0.4 μm颗粒，利用兆声波可去除≥ 0.2 μm颗粒。 3、金属离子沾污：该污染必须采用化学的方法才能将其清洗掉。硅片表面金属杂质沾污又可分为两大类：（1）、沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅片表面。（2）、带正电的金属离子得到电子后面附着（尤如“电镀”）到硅片表面。
1、用 H2O2作强氧化剂，使“电镀”附着到硅表面的金属离子氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面。 2、用无害的小直径强正离子（如H+），一般用HCL作为H+的来源，替代吸附在硅片表面的金属离子，使其溶解于清洗液中，从而清除金属离子。 3、用大量去离子水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。 由于SC-1是H2O2和NH4OH的碱性溶液，通过H2O2的强氧化和NH4OH 的溶解作用，使有机物沾污变成水溶性化合物，随去离子水的冲洗而被排除；同时溶液具有强氧化性和络合性，能氧化Cr、Cu、Zn、Ag、Ni、Co、Ca、Fe、Mg等，使其变成高价离子，然后进一步与碱作用，生成可溶性络合物而随去离子水的冲洗而被去除。因此用SC-1液清洗抛光片既能去除有机沾污，亦能去除某些金属沾污。在使用SC-1液时结合使用兆声波来清洗可获得更好的清洗效果。 另外SC-2是H2O2和HCL的酸性溶液，具有极强的氧化性和络合性，能与氧化以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除。被氧化的金属离子与CL-作用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而被去除。 3.太阳能电池片制作工艺流程图 具体的制作工艺说明 （1）切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。 （2）清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将 硅片表面切割损伤层除去30－50um。 （3）制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备 绒面。 （4）磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行 扩散，制成PN＋结，结深一般为0.3－0.5um。
光伏电池制备工艺 第一章 1. 太阳能电池基本工作原理？ 答： 1) 能量转换，太阳光的能量转换为电能； 2) 吸收光产生电子空穴对、空穴对—电子分离或扩散、发电电流的传输。 2. 硅太阳能电池吸收光的特点？ 答： 1) 低于带隙）（v e 12.1的不被吸收； 2) 波长越长（能量低），光吸收越慢； 3) 对电池材料厚度的要求： ① 晶体硅：m 500 以上才能最大化吸收； ② 砷化镉：只需要10几微米就可。 3. 太阳电池光吸收类型及对发电有贡献的类型？ 答： 光吸收类型： 1) 本证吸收； 2) 杂质吸收； 3) 自由载流子吸收； 4) 激子吸收； 5) 晶格吸收。 对太阳电池转换效率有贡献的最主要的是本证吸收。 4. 太阳能电池中的复合类型？ 答： 1) 辐射复合→发光； 2) 俄歇复合→发热； 3) 陷阱辅助复合。 5. 晶体硅太阳电池的基本结构组成？ 答： 1) 前电极（主栅、细栅）； 2) 减反射绒面； 3) 氮化硅减反射层； 4) N 型层； 5) P 型层； 6) 铝背场； 7) 后电极（主栅、铝膜）。 6. 晶体硅太阳电池的主要参数？ 答: 1) 开路电压（oc U ）； 2) 短路电流（sc I ）； 3) 最大输出功率（mp P ）；
4) 工作电压（mp U ）； 5) 工作电流（mp I ）； 6) 转换效率（η）； 7) 填充因子（FF ）； 8) 串联电阻（s R ）； 9) 并联电阻（sh R ）。 10) mp mp I U P mp ?= 11) sc oc mp I U P FF ?= 7. 晶体硅太阳能电池生产工艺流程及作用？ 答： 一清→扩散→二清→PECVD 镀膜→丝网印刷、烧结→检测 作用： 一清：制绒降低反射率、去损伤层、扩散前清洗； 扩散：在P 型硅片上扩散N 型磷，从而形成N P -结； 二清：去除磷硅玻璃、去边结。 PECVD 镀膜：镀氧化磷膜、减反射、钝化。 丝网印刷、烧结：制作金属电极、制作铝背场、形成金属与硅的良好接触。 第二章 1. 单晶、多晶绒面特点？ 答： 单晶：正金字塔结构； 多晶：蜂窝结构。 2. 单晶制绒夜的主要成分？ 答： OH N a 、异丙酸（IPA ）、添加剂。 3. 多晶制绒液的主要成分？ 答： HF 、3HNO 。 4. 单晶制绒质量要求？ 答： 1) 反射率低（%15≤）； 2) 绒面颗粒均匀（m 52μ→）； 3) 覆盖率达%100； 4) 外观均匀，无白点、色差等； 5) 表面清洁无污染； 6) 腐蚀重量在规定范围内。 5. 多晶绒面质量要求？ 答： 1) 反射率低（%20≤）； 2) 绒面颗粒大小均匀； 3) 表面暗纹尽量少； 4) 表面清洁无污染；
太阳能电池测试原理 太阳电池的测量与太阳辐照度测量密切相关。地面上的太阳辐照每时每刻都在变化，这一变化不仅体现在总辐照度上，而且其内在的光谱辐照度细节也在不断的变化，这给最初的太阳电池测量带来了极大的困难。由于太阳电池是光谱选择性元件，其光电灵敏度随太阳光谱分布变化而变化，在总辐照度相同而光谱辐照度不同的光源下，太阳电池的电性能输出会有很大的不同。为了实现太阳电池测量量值的统一，国际电工委员会首先对标准太阳光谱辐照度进行了规定。所有地面用太阳电池的计量标准条件是采用AM1.5标准太阳光谱分布。 太阳电池的主要技术参数是太阳电池的光谱响应，短路电流和开路电压以及太阳电池的光电转换效率。作为太阳电池计量项目，通常进行如下两方面内容的测试工作：标准太阳电池在标准太阳光谱条件下的短路电流标定和在太阳模拟器下测量太阳电池的伏-安特性测量，进而计算出标准太阳光谱条件下太阳电池的光电转换效率。由于无法得到与标准AM1.5太阳光谱分布相一致的人工模拟光源，因此无法直接测量出太阳电池在标准太阳辐照条件下的短路电流。 太阳电池的I-V特性测量方法是，首先采用与被测太阳电池光谱响应相似的标准太阳电池来设定太阳模拟器的标准测试条件下的辐 照度，然后在太阳模拟器下测量被测太阳电池的I-V特性曲线。由于被测太阳电池与标准太阳电池的光谱响应相似，因此这种替代测量方
法可以克服掉由于太阳模拟器的光谱分布与标准AM1.5太阳光谱分布不匹配造成的光谱失配误差。 When you are old and grey and full of sleep, And nodding by the fire, take down this book, And slowly read, and dream of the soft look Your eyes had once, and of their shadows deep; How many loved your moments of glad grace, And loved your beauty with love false or true, But one man loved the pilgrim soul in you, And loved the sorrows of your changing face; And bending down beside the glowing bars, Murmur, a little sadly, how love fled And paced upon the mountains overhead And hid his face amid a crowd of stars. The furthest distance in the world Is not between life and death But when I stand in front of you Yet you don't know that I love you.
太阳能电池应用实验仪实验指导及操作说明书
太阳能电池应用实验仪 电池行业是２１世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约４０分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年的能量消费。可以说，太阳能是真正取之不尽，用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为最理想的能源。从太阳能获得电力，需通过太阳能电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥获取能源花费的时间短。要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。 太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适合于各家各户分散进行发电，而且要联接到供电网络上。应用举例：1.光伏并网发电。其应用范围十分广阔，覆盖着从几瓦、几十瓦的小型便携式电源直到几兆瓦的并网发电系统，同时在太阳能照明以及通信系统、水文观测系统、气象和地震台站等中得到了广泛的应用。2.太阳能路灯3. 太阳能电话。巴黎伏德瓦特公司制作的太阳能收费公用电话，耗电量极低，只要在阳光下充电几小时，便足够使用１０多天。4. 太阳能冰箱。印度研制出一种仓库用的大型太阳能冰箱，上部装的抛物线镜面将阳光集中在半导体网孔上，把光转换成电流，箱内温度保持在－２℃，可冷藏５００公斤食品，每天还可制出２５公斤冰来。5. 太阳能空调器。日本夏普电器公司制造的这种空调装置，当天气晴朗时，全部动力都由阳光供给，多云或阴天时才使用一般电源。期间的转换由控制系统自动完成，用它可使一间１８平方米的居室室温保持在２０℃左右，并较一般空调器节约电费６０％以上。6. 太阳能电视机。芬兰研制的太阳能电视机只要白天把半导体硅光电池转换器放在有阳光的窗台上，晚上不需电源便可观看电视。转换器贮存的电能，可供工作电压为１２伏的电视机使用３至４小时。7. 太阳能照相机。日本制作的世界上第一架太阳能照相机，重量仅有４７５克，机内装有先进的太阳能电池系统，其蓄电池可连续使用４年。 实验目的 1、在熟悉太阳能电池基本特性的基础上，学习并掌握太阳能电池的应用原理。 2、了解并掌握太阳能发电系统的组成及工程应用方法。 实验内容 1、太阳能电池板输出伏安特性测试。 2、太阳能电池带载应用实验。 3、太阳能电池充电储能应用实验。 4、太阳能电池实时输出应用实验。 5、太阳能电池电网应用实验。 实验仪器 实验装置如下图1所示：有3部分组成：光源、实验仪和测试仪组成。
太阳能电池材料 The materials of Solar Cells 课程编号：07310550 学分：3 学时：45 ( 其中：授课学时：45 实验学时：0 上机学时：0 ) 先修课程：新能源材料，固体物理导论 适用专业：无机非金属材料工程(光电材料与器件) 教材：《太阳能电池材料》杨德仁主编，化学工程出版社，2006 年10 月第一版开课学院：材料科学与工程学院 一．课程的性质与任务本课程是光电材料与器件专业的一门主要专业方向课程。本课程力求在介绍太阳能光电转化基本原理和太阳能电池基本结构和工艺的基础上，重点介绍太阳能电池材料的制备，材料的结构和性能。 二. 课程的基本内容及要求 第一章太阳能和光电转换 1.教学内容 (1)太阳能 (2)太阳能辐射和吸收 (3)太阳能光电的研究和应用历史 (4)太阳电池的研究与开发 2.基本要求 (1)了解太阳能电池的发展历史 (2)了解太阳能的基本参数 第二章太阳能光电材料及物理基础 1.教学内容 (1)半导体材料和太阳能光电材料 (2)载流子和能带 (3)杂质和缺陷能级 (4)热平衡下的载流子以及非平衡载流子 (5)pn 结和金属-半导体接触 (6)太阳能转换原理-光生伏特效应 2. 基本要求 (1)理解半导体材料以及太阳能光电材料的定义，分类 (2)理解载流子的分类，定义以及半导体能带理论 (3)熟练掌握杂质半导体的分类，能级理论
(4)理解非平衡载流子的产生，复合，寿命，扩散，在电场下的漂移 (5)掌握pn 结的制备，原理，电流电压特性，金属-半导体接触，欧姆接触的原理 (6)掌握半导体材料的光吸收，光生伏特效应的原理第三章单晶硅材料 1.教学内容 (1)硅的基本性质 (2)太阳能电池用硅材料 (3)高纯多晶硅的制备 (4)太阳能级多晶硅的制备 (5)区熔单晶硅 (6)直拉单晶硅 (7)硅晶片加工 2.基本要求 (1)了解硅的基本物理，化学性质 (2)理解太阳能电池用硅材料在纯度，物理，化学等方面的要求 (3)了解西门子法，硅烷法，四氯化硅氢还原法的原理 (4)掌握了解太阳能级多晶硅的制备步骤 (5)了解区熔单晶硅的制备步骤 (6)熟悉直拉单晶硅的生长原理，生长技术，掺杂技术和工艺 (7)了解硅晶片制备步骤中的切断，滚圆，切片，化学腐蚀第四章铸造多晶硅 1.教学内容 (1)概述 (2)铸造多晶硅的制备工艺 (3)铸造多晶硅的晶体生长 2.基本要求 (1)了解铸造多晶硅的定义。 (2)熟悉铸造多晶硅的制备工艺步骤。 (3)理解铸造多晶硅的晶体生长中所需的原材料，坩埚，晶体生长工艺，晶体生长的因素，晶体掺杂。 第五章太阳电池的结构和制备 1.教学内容 (1)太阳电池的结构和光电转换效率 (2)晶体硅太阳电池的基本工艺 ⑶薄膜太阳电池 2.基本要求
第 1 页 绝密★启用前 江西冶金职业技术学院 2013-2014学年第一学期《太阳能电池基础与应用》期中考试试卷 一、选择题（请在备选答案中选出最恰当的一项,每小题2分，共20分） 1、在衡量太阳电池输出特性参数中，表征最大输出功率与太阳电池短路电流和开路电压乘积比值的是( )。 A 、转换效率 B 、填充因子 C 、光谱响应 D 、方块电阻 2、下列表征太阳电池的参数中，哪个不属于太阳电池电学性能的主要参数( )。 A ．开路电压 B.短路电流 C. 填充因子 D 、掺杂浓渡 3、某单片太阳电池测得其填充因子为77.3%，其开路电压为0.62V ，短路电流为5.24A,其测试输入功率为15.625W,则此太阳电池的光电转换效率为( )。 A 、16.07% B 、15.31% C 、16.92% D 、14.83% 4、太阳能光伏发电系统的最核心的器件是( )。 A 、控制器 B 、逆变器 C 、太阳电池 D 、蓄电池 5、下列选项中，不属于减反射膜材料的是（ ）。 A 、TiO2 B 、SiF4 C 、SiNx D 、SiO2 6、目前已被实用化的太阳能电池中98%使用的是（ ）材料。 A 、硅 B 、锗 C 、镓 D 、铟 7、下列仪器中，用来测量方块电阻的是（ ） A 、少子寿命测量仪 B 、辉光放电质谱仪 C 、金相电子显微镜 D 、四探针测试仪 8、硅在常温下很稳定，只能与 发生反应生成 。（ ） A 、HCL 和SiCl 4 B 、HNO 3和SiNx C 、F 2和SiF 4 D 、HF 和SiF 4 9、磷硅玻璃由（ ）组成。 A CF 4 B SiO 2 C 磷 D SiF 4 10、单晶硅绒面呈（ ）形。 A 、三角形 B 、金字塔形 C 、圆形 D 、正方形 二、填空题（每空 1分，共 20分） 11、晶体硅太阳电池制造设备主要由 、 、RENA 后清洗机、 、丝网印刷机、 等。 12、丝网印刷工艺流程主要分为三步，分别是 ， 和 。 13、去PSG 中用到的化学试剂是HF ，它的反应方程式是 。 14、刻蚀分为干法刻蚀和 刻蚀；其中，等离子体刻蚀属 刻蚀。 15、三氯氢硅氢还原法制多晶硅的化学反应式是： 。 16、丝网印刷的目的是 17、PECVD 的中文是 ，它的目的是 。 18、直拉法生产单晶硅的设备是 。 19、Isc 的中文意思是 ，Uoc 的中文意思是 20、125Χ125mm 规格的单晶硅太阳能电池，它的输出电压是 V ，输出功率是 W 左右 21、粗硅制备的化学原理 三、判断题（每小题2分，共20分） 22、太阳能电池片的正面电极为正极 （ ） 23、光伏组件参数的测试中，不需要冰雹测试。 ( ) 24、人体吸入高浓度氧气会引起“氧中毒”。 （ ） 25、光伏企业一般采用氢氧化钠溶液在80~90度腐蚀数分钟来出去晶体硅表面的机械损伤层。 （ ） 26、各向异性腐蚀主要用于单晶硅绒面制备。 （ ） 27、SiNx 减反射膜既有减少光的反射作用，又能对表面进行钝化。 （ ） 28、TPT 的作用是为了防水和绝缘。( ) 29、硅烷法是目前国际上多晶硅制造的主流工艺。 （ ） 30、实现多晶硅定向凝固生长的方法有四种，常用的是布里奇曼法。 （ ） 31、POCl 3在有O 2的情况下分解为P 2O 5和Cl 2。（ ） 四、简答题（ 每小题6 分，共30分） 32、为什么要对太阳能电池片进行组合和封装？ 33、写出太阳能电池片的生产流程。 34、丝网印刷的工作原理？ 适用班级：12光伏班 姓名： 系部：机电工程系 出卷人：聂行 密 封 线
太阳能电池光电转换原理主要是利用太阳光射入太阳能电池后产生电子电洞对，利用P-N 接面的电场将电子电洞对分离,利用上下电极将这些电子电洞引出，从而产生电流。整个生产流程以多晶硅切片为原料，制成多晶硅太阳能电池芯片。处理工艺主要有多晶硅切片清洗、磷扩散、氧化层去除、抗反射膜沉积、电极网印、烧结、镭射切割、测试分类包装等。 生产工艺主要分为以下过程： ⑴ 表面处理（多晶硅片清洗、制绒） 与单晶硅绒面制备采用碱液和异丙醇腐蚀工艺不同，多晶硅绒面制备采用氢氟酸和硝酸配成的腐蚀液对多晶硅体表面进行腐蚀。一定浓度的强酸液对硅表面进行晶体的各相异性腐蚀，使得硅表面成为无数个小“金字塔”组成的凹凸表面，也就是所谓的“绒面”，以增加了光的反射吸收，提高电池的短路电流和转换效率。从电镜的检测结果看，小“金字塔”的底边平均约为10um 。主要反应式为： 32234HNO 4NO +3SiO +2H O Si +???→↑氢氟酸 2262SiO 62H O HF H SiF +→+ 这个过程在硅片表面形成一层均匀的反射层（制绒），作为制备P-N 结衬底。处理后对硅片进行碱洗、酸洗、纯水洗，此过程在封闭的酸蚀刻机中进行。碱洗是为了清洗掉硅片未完全反应的表面腐蚀层，因为混酸中HF 比例不能太高，否则腐蚀速度会比较慢，其反应式为：2232SiO +2KOH K SiO +H O →。之后再经过酸洗中和表面的碱液，使表面的杂质清理干净，形成纯净的绒面多晶硅片。 酸蚀刻机内设置了一定数量的清洗槽，各股废液及废水均能单独收集。此过程中的废酸液（L 1，主要成分为废硝酸、氢氟酸和H 2SiF 6）、废碱液（L 2，主要成分为废KOH 、K 2SiO 3）、废酸液（L 3，主要成分为废氢氟酸以及盐酸）均能单独收集，酸碱洗后均由少量纯水洗涤，纯水预洗废液（S 1、S 2、S 3）和两级纯水漂洗废水（W 1），收集后排入厂区污水预处理设施，处理达标后通过专管接入清流县市政污水管网。 此过程中使用的硝酸、氢氟酸均有一定的挥发性，产生的酸性废气（G 1-1、G 1-2），经设备出气口进管道收集系统，经厂房顶的碱水喷淋系统处理达标后排放。G 1-2与后序PECVD 工序产生的G 5（硅烃、氨气）合并收集后经过两级水吸收处理后经排气筒排放。