1、太阳能电池IV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
2、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AbstractWith 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 utili
3、zation 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 stud
4、ied, 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
5、 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 dar
6、k 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；Ph
7、otoelectric effect；Output power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，
8、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
9、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
10、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
11、能屋顶系统，总容量在300-500MV，每个屋顶约3-5KW6。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
12、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
13、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
14、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
15、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：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；3-5KW 家庭屋顶并网发电系统；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
16、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。
17、 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
18、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
19、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
20、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
21、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h（eV）（hEg,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h- Eg（eV）的多余能量以声子（晶格振动）的
22、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=I0exp(qV/n
23、kT)-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 (2.1) 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h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： (2.2)式中0 本征吸收波长限R()表面反射率F()太阳光谱中波长为+d间隔内
24、的光子数。F()的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。作为表示F()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 (2.3)式中：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3050。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
25、射率分别为n2、n1、n0，减反射膜厚度为d1，则反射率R为 (2.4)式中：r1=(n0 - n1)/(n0 + n1)r2=(n1 - n2)/(n1 + n2)=2n1d1/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。即时 (2.5)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 = 3.44.0，使式（3.5）为零，则n1的值为1.8 n12.0。设=4800埃，则600埃d1667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
26、路电流可以增加3040%。此外，采用的减反射膜SiO2（n11.5）、Al2O3(n11.9)、Sb2O3（n11.9）、TiO2、Ta2O5（n12.25）。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），IphISC，则 (2.6)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，ISCI0， (2.8)由此可见，在较弱阳光时，硅太阳
27、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
28、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
29、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 (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 (2.10)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
30、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 (2.11)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 (2.12)填充因子正好是I-V曲线下最大长方形面积与乘积VOCISC之比23，所以转换效率可表示为 (2.13)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，设单位时间波长为的光入身到单位面积的光子数为0（），表面反射系数为（），产生的光电流为JL，则光谱响应SR（）定义为 (2.14)其中JLJL|顶层JL|势垒J
31、L|基区。理想吸收材料的光谱响应应该是：当光子能量hEg时，SR1。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
