太阳能电池I-V特性测试实验

摘 要

随着各国对环境保护的力度加大,再生清洁能源的市场需求巨大,发展太阳能利用技术前景广阔。太阳能利用领域众多,目前主要通过太阳能电池片把太阳能转换为电能加以利用。太阳能电池的材料都是半导体材料，电池能量转换的基础是光生伏特（光电）效应。本文正是基于此对太阳能电池的技术原理进行了深入的研究，并在已有的研究基础上对其电流电压间的关系进行了客观的分析。首先，阐述了半导体材料的内光电效应，介绍太阳能电池的能量转换过程，包括太阳能电池工作原理、光电转换特性、参数表征。然后介绍各类电池的技术原理、电池结构与发展前景。涉及硅太阳能电池，非晶系硅太阳能电池，薄膜太阳能电池等。最后运用一系列的实验仪器分别测量暗环境和光照条件下硅电池的电流和电压，并作出相应的图像，分析开路电压，短路电流，输出功率变化特点。进而分析出使太阳能电池的输出功率较大的条件。

关键词：太阳能电池；光电效应；半导体；输出功率

Abstract

With the protection of the environment to increase renewable clean energy, the huge market demand, the development of solar energy utilization technology prospect. The solar energy utilization field many, mainly through the film solar cells convert solar energy into electric energy and make use of. Solar cell material is a semiconductor material, battery energy conversion is the basis of photovoltaic (PV) effect. This article is based on the principle of solar cell technology is studied, and on the basis of the study on the relationship between current and voltage in the objective analysis. First, elaborated the semiconductor material within the photoelectric effect, the solar energy conversion process, including the working principle of solar cells, the photoelectric conversion characteristic, parameter characterization. And then introduces the various types of battery technology, battery structure and development prospect. Relates to silicon solar cell, amorphous silicon solar cell, thin film solar cell. Finally, using a series of experimental apparatus were measured in dark environment and under light silicon battery current and voltage, and make the corresponding image analysis, open-circuit voltage, short-circuit current, power output change characteristic. Further analysis to the power output of the solar cell larger conditions.

Keywords: Solar cells；Semiconductor；Photoelectric effect；Output power

目 录

第1章 绪论 .............................................................................................................................. 1

1.1 课题背景 ....................................................................................................................... 1 1.2 国内外太阳能发电产业发展现状及趋势 ................................................................... 1 1.3 太阳电池的应用的主要领域 ...................................................................................... 3 1.4本文主要内容 ............................................................................................................... 4 第2章 太阳电池工作原理和特性 .......................................................................................... 5

2.1 半导体的内光电效应 .................................................................................................. 5 2.2 太阳电池的能量转换过程 .......................................................................................... 5 2.3 太阳电池的基本参数 .................................................................................................. 7

2.3.1 短路电流 ............................................................................................................ 7 2.3.2 开路电压 ............................................................................................................ 9 2.4 太阳电池的输出特性 ................................................................................................ 10

2.4.1 等效电路 .......................................................................................................... 10 2.4.2 输出特性 .......................................................................................................... 11 2.4.3 转换效率 .......................................................................................................... 12 2.4.4 太阳电池的光谱响应 ...................................................................................... 12 2.4.5 太阳电池的温度效应 ...................................................................................... 13 2.4.6 太阳电池的辐照效应 ...................................................................................... 13

第3章 太阳能电池的种类 .................................................................................................... 14

3.1 硅太阳能电池 ............................................................................................................ 14 3.2 非晶系硅太阳能电池 ................................................................................................ 14 3.3 多元化合物太阳电池 ................................................................................................ 16

3.3.1 铜铟镓二硒太阳能电池 ................................................................................ 16 3.3.2 硫化镉太阳电池 .............................................................................................. 17 3.3.3 镉碲薄膜太阳能电池 .................................................................................... 17 3.3.4 砷化镓太阳电池 .............................................................................................. 19 3.4 硅薄膜太阳能电池 .................................................................................................... 19 3.5 染料敏化太阳能电池 ................................................................................................ 19

第4章 太阳能电池I-V特性测试实验 ................................................................................ 22

4.1实验原理 ..................................................................................................................... 22

4.1.1 太阳能电池无光照情况下的电流电压关系－（暗特性） .......................... 22 4.1.2 太阳能电池光照情况下的电流电压关系－（光特性） .............................. 23 4.1.3 太阳能电池的效率 .......................................................................................... 24 4.2实验仪器 ..................................................................................................................... 25

4.2.1 光源与太阳能电池部分 .................................................................................. 25 4.2.2 光路部分 .......................................................................................................... 27 4.2.3 温度控制及外电路电源 .................................................................................. 27 4.3 实验步骤 .................................................................................................................... 29

4.3.1 太阳能电池暗特性测试 .................................................................................. 29 4.3.2 太阳能电池光照特性测试…………………………………………………...29 4.4 试验结果 .................................................................................................................... 30

4.4.1 无光照情况下的电流电压关系 ...................................................................... 30 4.4.2 光照情况下的电流电压关系 .......................................................................... 32

第5章 总 结 .......................................................................................................................... 38 致 谢 ........................................................................................................................................ 39 参考文献 .................................................................................................................................. 40 附录A 英文原文 .................................................................................................................... 42 附录B 中文翻译 .................................................................................................................... 49

第1章 绪论

1.1 课题背景

随着工业的快速发展和社会经济规模的扩大，人类对能源的需求量与日俱增。而石油，煤炭等能源极为有限。根据国际能源机构的预测，全球的煤炭仅能继续用220年，油气将在30年至60年被消耗尽。尽管我国的能源储量丰富，但情况仍不容乐观。我国的天然气可开采30年，煤只能开采80年[1]。这些都是不可再生能源，而且出量相当有限。此外，大量的开发和利用石油等能源给环境，气候带来了极其严重的破坏，这些问题给可持续发展制造了极大的困难。

由此看来，能源问题迫待解决。与化石燃料能源相比太阳辐射能可以在数百亿年里保持恒定的输出，取之不尽，用之不竭。光能可以转化为多种人类所需要的能源，其中比较重要的一种就是光能转换为电能，这是一个极为重要的过程，因为电能是一种高级能源，可以以简单的方式转换为化学能，动力能和热能等其他形式的能量。这些能量可以满足人类日常生活，工业生产等不同需求。和传统发电方法相比，太阳能的资源非常丰富，是一种相当理想的能源。

太阳能的主要用途是转化成电能，又称光伏发电。它有以下优点：无污染、无噪声，取之不尽，不受地域限制，规模设计自由度大，建设周期短，可以无人值守等。常规发电方法和其他发电方法不具有以上优点[2]。目前，很多国家已经把开发利用太阳能作为可持续发展的重要决策。

我国的太阳能资源非常丰富。全年的总辐射量可以达到每平方米2333千瓦小时，我国有108万平方公里的荒漠面积，荒漠主要分布在西北地区，那里光照资源丰富。如果利用了其中五分之一的面积安装太阳能发电系统，按照我国现有的技术水平，每平方米太阳能电池仿真的有效输出功率为1700千瓦时[3]。这差不多相当于我国预计的2020年的用电量的4倍。太阳能发电在我国很有发展潜力。

1.2 国内外太阳能发电产业发展现状及趋势

全球太阳能发电产业发展现状及趋势在化石能源日益稀缺的背景下，各国均大力发展太阳能利用，其中日本、欧洲国家(德国)和美国等经济发达、能源消耗大的国家起步

较早，在技术和应用上都处于领先地位。由于太阳能发电成本较传统能源高，因此需要政府给予政策扶持。从20世纪90年代末开始，欧美、日本等国家纷纷实行“阳光计划”，在太阳能发电的价格、税收、发展基金等方面给予较大优惠[4]。同时，在政府资助下，欧洲一些高水平的研究机构也加大了太阳能利用的研究。

欧美、日本等国家还制定了长期的能源发展战略，对太阳能的发展进行了长期规划。1997年6月美国提出“百万太阳能屋顶计划”，计划到2010年将在100万个屋顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统[5]。欧洲也于1997年左右也宣布了百万屋顶计划，其中，在太阳能利用领域领先的德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于1998年10月提出了计划——在6年内安装10万套太阳能屋顶系统，总容量在300-500MV，每个屋顶约3-5KW[6]。日本政府的计划目标是，到2010年安装500MW屋顶光伏发电系统。

在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，1995-2005年间，全球太阳能电池产量增长了17倍。2005年，全球太阳能电池年产量达到了1650兆瓦，累计装机发电容量超过5GW，其中，日本太阳能电池产量达到762兆瓦，增长率为27%；欧洲产量增加48%，达到了464兆瓦；美国增加12%，达到了156兆瓦；世界其他地区增加96%，达到了274兆瓦[7]。我们预计，2010年全球太阳能电池的年产量有望达到10400兆瓦，较2005年的年产量增长6.3倍；整个行业的销售收入有望在2005-2010年间，从130亿美元提高至450亿美元，在未来5年内增长3.5倍[8]。同时，受益于规模经济、生产效率和工艺水平的提高，整个产业链的成本都有望下降，行业利润率有望保持在较高水平上。

我国太阳能资源非常丰富，大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上[9]，理论储量达每年1.7万亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。从全国太阳年辐射总量的分布来看，青藏高原和西北地区、华北地区、东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带均为太阳能资源丰富或较丰富的地区。

我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔。第一，我国有荒漠面积100余万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区[10]，如果利用荒漠安装并网太阳能发电系统则可以提供非常可观的电量。第二，太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面和墙面材料[11]，既供电节能，又节省了建材，具有良好的经济效益。第三，迄今我国边远地区仍有较多居民尚未用电，如果单纯依靠架设电网供电，则成本高，建设周期长，不经济。太阳能发电无需架设输电线路，且建设周期短，可以有效解决边远地区用电的

难题。

我国政府对太阳能产业也给予了充分的扶持。2006年1月，《中华人民共和国可再生能源法》正式实施，此法在资源调查与发展规划、产业指导与技术支持、推广与应用、价格管理与费用分摊、经济激励与监督措施、法律责任等方面做出了规定。随后，国家又陆续出台了《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》、《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》等支持可再生能源发展的实施细则，使国家在可再生能源领域方面的扶持政策日趋明朗化[12]。这一系列法律、政策无疑有力的支持了我国太阳能发电产业的发展。

近20年来，我国太阳能发电产业长期维持在全球市场1%左右的份额。2005年后，产业有了突飞猛进的发展，无锡尚德、天威英利、新光硅业、赛维LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强。而且，浙江、保定、四川等地的公司已经开始多晶硅太阳电池的生产或试车，市场上形成了单晶硅和多晶硅两种主打电池产品的局面[13]。目前，我国非多晶硅薄膜电池产业也展现出迅猛发展的势头，很多国内公司通过与国外公司的合作已经开始进行或计划进行非多晶硅薄膜电池项目的投资。

1.3 太阳电池的应用的主要领域

1) 用户太阳能电源：①小型电源 10-100W 不等，用语边远无电地区如高原、海岛、牧区、 边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；②3-5KW 家庭屋顶并网发电系统；③光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。

2) 交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高 速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。

3) 通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统[14]；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

4) 石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

5) 家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯，节能灯等。

6) 光伏电站：10KW-50MW 独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车

厂充电站等。

7) 太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向[15]。

8) 与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等。

9) 太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统。 10) 海水淡化设备供电。

11) 卫星、航天器、空间太阳能电站等。

1.4本文主要内容及安排

本论文主要进行太阳能电池I-V特性测试。具体研究内容如下：

1）在实验前通过阅读大量相关文献，了解太阳能电池工作原理和多功能太阳能电池综合特性测试仪的工作原理和操作方法；

2）在光强和温度一定的条件下通过改变负载电阻来测试太阳能电池特性，在不同的温度和光照条件下多次重复上述实验，汇总数据形成I-V特性曲线；

3）分析太阳能电池I-V特性。研究太阳能电池在不同温度，光照条件下的开路电压，短路电流，最大输出功率等参数的变化情况。分析得出使太阳能电池有较大输出功率的条件。

第2章 太阳电池工作原理和特性

2.1 半导体的内光电效应

当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：

1）价带电子；

2）自由电子或空穴（Free Carrier）； 3）存在于杂质能级上的电子。

太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。

太阳电池能量转换的基础是PN结的光生伏特效应。当光照射到PN结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N 区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应[16]。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差VOC。可以测得这个值，并称为开路电压[17]。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定VOC的值。

2.2 太阳电池的能量转换过程

太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的PN结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。本节以最普通的硅PN结太阳电池为例，详细地观察光能转换成电能的情况。

首先研究使太阳电池工作时，在外部观测到的特性。图2.1表示了无光照时典型的电流电压特性（暗电流）。当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反的光电流Iph流过。

图2.1 无光照及光照时电流－电压特性

当给太阳电池连结负载R，并用太阳光照射时，则负载上的电流Im和电压Vm将由图中有光照时的电流一电压特性曲线V=-IR表示的直线的交点来确定。此时负载上有Pout=RI2m的功率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。通过调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最大输出功率[18]。输出功率（电能）与输入功率（光能）之比称为太阳电池的能量转换效率。

下面我们把目光转到太阳电池的内部，详细研究能量转换过程。太阳电池由硅PN结构成，在表面及背面形成无整流特性的欧姆接触。并假设除负载电阻R 外，电路中无其它电阻成分。当具有hν（eV）（hν>Eg,Eg为硅的禁带宽度）能量的光子照射在太阳电池上时，产生电子—空穴对。由于光子的能量比硅的禁带宽度大，因此电子被激发到比导带底还高的能级处。对于P型硅来说，少数载流子浓度极小（一般小于105/cm），导带的能级几乎都是空的，因此电子又马上落在导带底。这时电子及空穴将总的hν- Eg（eV）的多余能量以声子（晶格振动）的形式传给晶格。落到导带底的电子有的向表面或结扩散，有的在半导体内部或表面复合而消失了。但有一部分到达结的载流子，受结处的内建电场加速而流入N型硅中。在N型硅中，由于电子是多数载流子，流入的电子按介电驰豫时间的顺序传播，同时为满足N型硅内的载流子电中性条件，

与流入的电

子相同数目的电子从连接N型硅的电极流出。这时，电子失去相当于空间电荷区的电位高度及导带底和费米能级之间电位差的能量。

设负载电阻上每秒每立方厘米流入N个电子，则加在负载电阻上的电压V=QNR=IR 表示。由于电路中无电源，电压V=IR 实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏置。一旦结处于正向偏置时，二极管电流Id=I0[exp(qV/nkT)-1]朝着与光激发产生的载流子形成的光电流Iph相反的方向流动，因而流入负载电阻的电流值为

qVnkT 1 (2.1) I Iph Id Iph I0 exp

在负载电阻上，一个电子失去一个qV的能量，即等于光子能量hν转换成电能qV。流过负载电阻的电子到达P型硅表面电极处，在P型硅中成为过剩载流子，于是和被扫出来的空穴复合[19]，形成光电流。

2.3 太阳电池的基本参数

2.3.1 短路电流

太阳电池的短路电流等于其光生电流。分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划分成许多段，每一段只有很窄的波长范围，并找出每一段光谱所对应的电流，电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和： Isc jsc( )d

0

0

0.3 m

jsc( )d

0

0.3 m

1 R( ) qF( ) ( )d (2.2)

式中

λ0 —本征吸收波长限 R(λ)—表面反射率

F(λ)—太阳光谱中波长为λ～λ+dλ间隔内的光子数。

F(λ)的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。作为表示F(λ)分布的参数是AM（AirMass）。

AM表示入射到地球大气的太阳直射光所通过的路程长度，定义为

AM 式中：

b

secZ (2.3) b0

b0—标准大气压 b—测定时的大气压 Z—太阳天顶距离

一般情况下，b ≈ b0，例如，AM1相当于太阳在天顶位置时的情况，AM2 相当于太阳高度角为30°时的情况，AM0则表示在宇宙空间中的分布在实际的半导体表面的反射率与入射光的波长有关，一般为30～50％。为防止表面的反射，在半导体表面制备折射率介于半导体和空气折射率之间的透明薄膜层[20]。这个薄膜层称为减反射膜（Antireflective coating）。

设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为n2、n1、n0，减反射膜厚度为d1，则反射率R为

r12 r22 2r1r2co2s R (2.4)

1 r12r22 2r1r2co2s

式中：

r1==(n0 - n1)/(n0 + n1)

r2=(n1 - n2)/(n1 + n2)

θ=2πn1d1/λ λ－波长

显然，求R的最小值条件可知，减反射膜的厚度d1为1/4波长时，R为最小。即

1 '

d1 时

4n1

n12 n0n2

Rmin 2 (2.5) n nn02 1

2

一般在太阳光谱的峰值波长处，使得R变为最小，以此来决定d1的值。

以硅电池为例，因为在可见光至红外光范围内，硅的折射率为n2 = 3.4～4.0，使式（3.5）为零，则n1的值为1.8≤ n1≤2.0。设λ'=4800埃，则600埃≤d1≤667埃，满足这些条件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波长处，反射率达到1%左右。由于制备了减反射膜，短路电流可以增加30～40%。此外，采用的减反射膜SiO2（n1≈1.5）、Al2O3(n1≈1.9)、Sb2O3（n1≈1.9）、TiO2、Ta2O5（n1≈2.25）。将具有不同折射率的氧化膜重叠二层。

在满足一定的条件下，就可以在更宽的的波长范围内减少折射率。此外也可以将表

面加工成棱锥体状的方法，来防止表面反射[21]。

2.3.2 开路电压

当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势，这就是开路电压。在式（2.1）中，设I=0（开路），Iph＝ISC，则 Voc

nkT

ln IscI0 1 (2.6) q

在可以忽略串联、并联电阻的影响时，ISC为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下，ISC<<I0，因此

Voc

nkTIL

ILR0 (2.7) qI0

其中 R0

nkT

，在很强的阳光下，ISC>>I0， qI0

nkTIsc

ln (2.8) qI0

Voc

由此可见，在较弱阳光时，硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化。而当有较强的阳光时，VOC则与入射光的强度的对数成正比。图2.2表示具有代表性的硅和GaAs 太阳电池的ISC与VOC之间的关系。Si与GaAs比较，因GaAs的禁带宽度宽，故I0值比Si的小几个数量级，GaAs的VOC值比Si的高0.45伏左右。假如结形成的很好，禁带宽度愈宽的半导体，VOC也愈大。

图2.2 开路电压与短路电流的关系

2.4 太阳电池的输出特性

2.4.1 等效电路

为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看作是恒流源。光电流一部分流经负载RL，在负载两端建立起端电压V，反过来它又正向偏置于p-n 结二极管，引起一股与光电流方向相反的暗电流Ibk，这样，一个理想的PN 同质结太阳电池的等效电路就被绘制成如图2.2(a)所示。但是，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗[22]。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻Rsh来等效。

其等效电路就绘制成图2.2（b）的形式。其中暗电流等于总面积AT与Jbk 乘积，而光电流IL为电池的有效受光面积AE与JL的乘积，

这时的结电压不等于负载的端电压，

由图可见

Vj IRS V (2.9)

图2.2 pn 同质结太阳电池等效电路 （a）不考虑串并联电阻 （b）考虑串并联电阻

2.4.2 输出特性

根据上图就可以写出输出电流I和输出电压V之间的关系 I

RShRS RSh

VI I(V)bk LR (2.10)

Sh

其中暗电流Ibk 应为结电压Vj的函数，而Vj又是通过式（2.9）与输出电压V相联系的。当负载RL从0变化到无穷大时，输出电压V 则从0 变到VOC，同时输出电流便从ISC变到0，由此得到电池的输出特性曲线，如图2.3 所示。曲线上任何一点都可以作为工作点,工作点所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压,其乘积P=IV为电池的输出功率

图2.3 太阳电池的输出特性

2.4.3 转换效率

转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R时，得到的最大能量转换效率，其定义为

ImpVmpPmax (2.11) PinPin

即电池的最大功率输出与入射功率之比，这里我们定义一个填充因子FF为 FF

ImpVmpVocIsc

Pm

(2.12) VocIsc

填充因子正好是I-V曲线下最大长方形面积与乘积VOC×ISC之比[23]，所以转换效率可表示为

2.4.4 太阳电池的光谱响应

太阳电池的光谱响应是指光电流与入射光波长的关系，设单位时间波长为λ的光入身到单位面积的光子数为 0（ ），表面反射系数为ρ（ ），产生的光电流为JL，则光谱响应SR（ ）定义为

FFVocIsc

(2.13) Pin

SR( ) 其中JL＝JL|顶层＋JL|势垒＋JL|基区。

JL( )

(2.14)

q 0( )1 ( )理想吸收材料的光谱响应应该是：当光子能量hν<Eg时，SR＝0；hν>Eg时，SR＝1。

2.4.5 太阳电池的温度效应

载流子的扩散系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随温度的升高稍有增大，因此，光生电流JL也随温度的升高有所增加。但是J0随温度的升高是指数增大，因而VOC随温度的升高急剧下降。当温度升高时，I-V曲线形状改变，填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低。

2.4.6 太阳电池的辐照效应

作为人造卫星和宇宙飞船的电源，太阳电池已获得了广泛的应用。但是在外层空间存在着高能粒子，如电子、质子、 粒子等。高能粒子辐照时通过与晶格原子的碰撞，将能量传给晶格，当传递的能量大于某一阈值时，便使晶格原子发生位移，产生晶格缺陷，如填隙原子、空位、缺陷簇、空位一杂质复合体等。这些缺陷将起复合中心的作用，从而降低少子寿命。大量研究工作表明，寿命参数对辐照缺陷最为灵敏，也正因为辐照影响了寿命值，从而使太阳电池性能下降。

第3章 太阳能电池的种类

3.1 硅太阳能电池

3.1.1 单晶硅太阳电池

单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒[24]。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和装材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为17％左右，实验室成果也有20％以上的。晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中己超二分之一。加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低[25]。因此，80年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳电池的研制。

3.1.2 多晶硅太阳电池

目前太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为100～300欧姆·厘米的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1：5的氢氟酸和硝酸混台液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放人浇铸炉，在真空状态中加热熔化[26]。熔化后应保温约20分钟，然后注入石墨铸模

中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材制利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约16％左右，稍低于单晶硅太阳电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

3.2 非晶系硅太阳能电池

非晶硅太阳电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，非常吸引人。

制造非晶硅太阳电池的方法有多种，最常见的是辉光放电法，还有反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。辉光放电法是将一石英容器抽成真空，充入氢气或氩气稀释的硅烷，用射频电源加热，使硅烷电离，形成等离子体[27]。非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼，即可得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。这种制备非晶硅薄膜的工艺，主要取决于严格控制气压、流速和射频功率，对衬底的温度也很重要。

非晶硅太阳电池的结构有各种不同，其中有一种较好的结构叫PIN电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂的I层，然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。因为普通晶体硅太阳电池单个只有0.5伏左右的电压，现在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达2.4伏。目前非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10％左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源[28]，而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。估计效率衰降问题克服后，非晶硅太阳电池将促进太阳能利用的大发展，因为它成本低，重量轻，应用更为方便，它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。

此类型光电池是发展最完整的薄膜式太阳能电池。其结构通常为p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p层跟n层主要座为建立内部电场，I层则由非晶系硅构成。由于非晶系硅具有高的光吸收能力，因此I层厚度通常只有0.2 ~ 0.5μm。其吸光频率范围约1.1 ~ 1.7eV，不同于晶圆硅的1.1eV，非晶性物质不同于结晶性物质，结构均一度低，因此电

子与电洞在材料内部传导，如距离过长，两者重合机率极高，为必免此现象发生，I不宜过厚，但如太薄，又易造成吸光不足。为克服此困境，此类型光电池长采多层结构堆栈方式设计，以兼顾吸光与光电效率。

这类型光电池先天上最大的缺失在于光照使用后短时间内性能的大幅衰退，也就是所谓的SWE效应，其幅度约15 ~ 35﹪。发生原因是因为材料中部份未饱和硅原子，因光照射，发生结构变化之故。前述多层堆栈方式，亦成为弥补SWE效应的一个方式。 非晶型硅光电池的制造方式是以电浆强化化学蒸镀法（PECVD）制造硅薄膜。基材可以使用大面积具弹性而便宜材质，比如不锈钢、塑料材料等。其制程采取roll-to-roll的方式，但因蒸镀速度缓慢，以及高质量导电玻璃层价格高，以至其总制造成本仅略低于晶型太阳能电池。至于多层式堆栈型式，虽可提升电池效率，但同时也提高了电池成本。综合言之，在价格上不太具竞争优势的前提下，此类型光电池年产量再过去三年仍呈现快速成长，2003年相较于2002年成长了113﹪，预期此趋势将持续下去。 为了降低制造成本，近年有人开发已VHF电浆进行制膜，制程速度可提升5倍，同时以ZnO取代SnO2作为导电玻璃材料，以降TCO成本，预计未来制程顺利开发成功，将可使非晶型硅光电池竞争力大幅提高。展望未来此型光电池最大的弱点在于其低光电转化效率[29]。目前此型光电池效率，实验室仅及约13.5﹪，商业模块亦仅4 ~ 8﹪，而且似乎为来改善的空间，可能相当有限。

3.3 多元化合物太阳电池

多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多，虽然大多数尚未工业化生产，但预示着光电转换的满园春色。现在简要介绍几种：

3.3.1 铜铟镓二硒太阳能电池

以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳电池。它是一种多晶薄膜结构，一般采用真空镀膜、电沉积、电泳法或化学气相沉积法等工艺来制备，材料消耗少，成本低，性能稳定，光电转换效率在10％以上。因此是一种可与非晶硅薄膜太阳电池相竞争的新型太阳电池。近来还发展用铜铟硒薄膜加在非晶硅 薄膜之上，组成叠层太阳电池的可能，借此提高太阳电池的效率，并克服非晶硅光电效率的衰降。

此类型光电池计有两种：一种含铜铟硒三元素（CIS），一种含铜铟镓硒四元素（CIGS）。由于其高光电效率及低材料成本，被许多人看好。在实验室完成的CIGS光

电池，光电效率最高可达约19﹪，就模块而言，最高亦可达约13﹪。CIGS随着铟镓含量的不同，其光吸收范围可从1.02ev至1.68ev，此项特征可加以利用于多层堆栈模块，已近一步提升电池组织效能。此外由于高吸光效率（α>105㎝-1），所需光电材料厚度不需超过1μm，99﹪以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量产制造时，所需半导体原物料可能仅只US$0.03/W。

CIGS光电池其结构有别于非晶型硅光电池，主要再于光电层与导电玻璃间有一缓冲层（buffer layer），该层材质通常为硫化铬（CdS）。其载体亦可使用具可挠性材质，因此制程可以roll-to-roll方式进行。目前商业化制程是由shell solar所开发出来，制程中包含一系列真空程序，造成硬件投资与制造成本均相当高昂，粗估制程投资一平方米约需US$33。实验室常用的同步挥发式制程，放大不易，可能不具商业化可行性。另一家公司，ISET，已积极投入开发非真空技术，尝试利用奈米技术，以类似油墨制程（ink process）制备层状结果，据该公司报导，已获初步成功，是否能发展成商业化制程，大家正拭目以待。另外，美国NREL亦成功开发一种三步骤制程（3-stage process），在实验室非常成功，获得19.2﹪光电效率的太阳能电池。不过由于该制程相当复杂，花费亦大，咸认放大不易。

综合而言，CIGS在高光电效率低材料成本的好处下，面临三个主要困难要克服：（1）制程复杂，投资成本高；（2）关键原料的供应；（3）缓冲层CdS潜在毒害。制程改善，如前述有许多单位投入，但类似半导体制程的需求，要改良以降低成本，困难度颇高。奈米技术应用，引进了不同思维，可能有机会，但应用至大面积制造，其良率多少？可能是一项挑战。其次原材料使用到铟元素也是一项潜在隐忧，铟的天然蕴藏量相当有限，国外曾计算，如以效率10﹪的电池计算，人类如全面使用CIGS光电池发电供应能源，可能只有数年光景可用。镉（Cd）的毒性一直是人们所关注，硫化镉（CdS）在电池中会不会不当外露，危害人们，并不能让所有人放心，因此在欧洲部份国家，舍弃投入此型光电池研究。

3.3.2 硫化镉太阳电池

早在1954年雷诺兹就发现了硫化镉具有光伏效应。1960年采用真空蒸镀法制得硫化镉太阳电池，光电转换效率为3.5%。到1964年美国制成的硫化镉太阳电池，光电转换效率提高到4％～6％。后来欧洲掀起了硫化镉太阳电池的研制高潮，把光电效率提高到9％，但是仍无法与多晶硅太阳电池竞争。不过人们始终没有放弃它，除了研究烧结

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