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2、大气因素
图四、大气中各成分含量和分布
大气对太能辐射的影响主要有反射、吸收、散射。
大气散射
当太阳光遇到大气中小微粒,且这些分子或者微粒的直径小于或相当于辐射波长时,使传播方向发生改变。
大气散射主要形式有:
瑞利散射、米氏散射和非选择性散射。
瑞利散射:
散射粒子的直径比光波波长要小很多时引起的散射。
散射系数于波长的四次方成反比,波长越长,大气散射能力越强。
主要由大气分子引起。
米氏散射:
当微粒的直径和辐射波长接近时发生的散射。
散射系数于波长的二次方成反比。
主要由大气中的微粒如烟、尘土、小水滴及气溶胶等引起。
非选择性散射:
质点直径大于电磁波波长时,散射率与波长没关系。
大气反射:
太阳辐射穿过大气时,被大气中的云层和较大尘埃将其一部分反射到宇宙空间去,从而削弱到达地面的太阳辐射。
大气中的反射对各种波长没有选择性,反射光呈白色。
大气反射物质中云最为重要,其反射强度随云状、云厚而不同,高云反射率约为25%,中云为50%,低云为65%,云层愈厚反射愈强,一般情况下云的平均反射率为50—55%。
大气反射有助于削弱太阳辐射,尤其能减少紫外线对人体的灼伤。
图五、大气对太阳辐射的吸收、散射、反射
大气吸收
光波在大气中传播时,大气中各气体成分会吸收某些波长的波。
吸收作用比较显著的气体成分是水汽、二氧化碳和臭氧等,它将所吸收的光波能量转变成热能和电离能等。
臭氧主要吸收紫外光,太阳光辐射中99%的紫外光都被臭氧层吸收了。
二氧化碳和水主要吸收的是红外光。
太阳辐射的紫外部分,波长在2000埃以下,主要被大气中原子态或分子态的氧和氮所吸收,完全不能到达地面。
波长短于3400埃的太阳紫外辐射,由臭氧的哈特莱吸收带(2000~3000埃)和哈根斯吸收带(3200~3600埃)的共同作用,在到达地面之前,也绝大部分被吸收(见)。
在可见光窗区,大气吸收较少,这里主要有臭氧的夏普伊吸收带(4300~7500埃),氧在5384埃和7621埃附近的吸收,以及水汽在6943.8埃附近的吸收等。
3、太阳能电池及组件系统
太阳能电池基本结构
太阳能电池生产工艺:
(1)、表面制绒
单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀,在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。
由于入射光在表面的多次反射和折射,增加了光的吸收,提高了电池的短路电流和转换效率。
硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液,可用的碱有氢氧化钠,氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。
大多使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅,腐蚀温度为70-85℃。
为了获得均匀的绒面,还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂,以加快硅的腐蚀。
制备绒面前,硅片须先进行初步表面腐蚀,用碱性或酸性腐蚀液蚀去约20~25μm,在腐蚀绒面后,进行一般的化学清洗。
经过表面准备的硅片都不宜在水中久存,以防沾污,应尽快扩散制结。
(2)、扩散制结
太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换,而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。
管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。
扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。
把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内,在850---900摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器,通过三氯氧磷和硅片进行反应,得到磷原子。
经过一定时间,磷原子从四周进入硅片的表面层,并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散,形成了N型半导体和P型半导体的交界面,也就是PN结。
这种方法制出的PN结均匀性好,方块电阻的不均匀性小于百分之十,少子寿命可大于10ms。
制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。
因为正是PN结的形成,才使电子和空穴在流动后不再回到原处,这样就形成了电流,用导线将电流引出,就是直流电。
(3)、去磷硅玻璃
该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中,通过化学腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡,使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸,以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。
在扩散过程中,POCL3与O2反应生成P2O5淀积在硅片表面。
P2O5与Si反应又生成SiO2和磷原子,这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2,称之为磷硅玻璃。
(4)、等离子刻蚀
由于在扩散过程中,即使采用背靠背扩散,硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。
PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面,而造成短路。
因此,必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀,以去除电池边缘的PN结。
通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。
(5)、镀减反射膜
抛光硅表面的反射率为35%,为了减少表面反射,提高电池的转换效率,需要沉积一层氮化硅减反射膜。
现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜。
PECVD即等离子增强型化学气相沉积。
它的技术原理是利用低温等离子体作能量源,样品置于低气压下辉光放电的阴极上,利用辉光放电使样品升温到预定的温度,然后通入适量的反应气体SiH4和NH3,气体经一系列化学反应和等离子体反应,在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。
一般情况下,使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在70nm左右。
这样厚度的薄膜具有光学的功能性。
利用薄膜干涉原理,可以使光的反射大为减少,电池的短路电流和输出就有很大增加,效率也有相当的提高。
6、丝网印刷
太阳电池经过制绒、扩散及PECVD等工序后,已经制成PN结,可以在光照下产生电流,为了将产生的电流导出,需要在电池表面上制作正、负两个电极。
制造电极的方法很多,而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。
丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上,该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。
受丝网技术的限制,前表面的金属电极不能做的很窄,从而遮挡了光在硅片内的有效吸收。
取决于硅片的电阻率,由丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电压在580—620mV之间,短路电流密度在28—33mA/cm2之间,以及填充因子(填充因子是指太阳电池最大功率与开路电压与短路电流乘积的比值,是评价太阳电池输出特性的一个重要参数。
)在70%—75%之间。
对于大面积的电池,电池表面10%--15%面积被电池表面电极遮挡了。
7、快速烧结
经过丝网印刷后的硅片,不能直接使用,需经烧结炉快速烧结,将有机树脂粘合剂燃烧掉,剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。
当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时,晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去,从而形成上下电极的欧姆接触,提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数,使其具有电阻特性,以提高电池片的转换效率。
烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。
预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉,此阶段温度慢慢上升;
烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应,形成电阻膜结构,使其真正具有电阻特性,该阶段温度达到峰值;
降温冷却阶段,玻璃冷却硬化并凝固,使电阻膜结构固定地粘附于基片上。
太阳能电池各部分对电池性能影响
(1)、表面金字塔结构
金字塔形角锥体的表面积S1等于四个边长为a正三角形S之和
由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即1.732倍。
a
当一束强度为E0的光投射到图中的A点,产生反射光和进入硅中的折射光。
反射光可以继续投射到另一方锥的B点,产生二次反射光和进入半导体的折射光;
而对光面电池就不产生这第二次的入射。
经计算可知还有11%的二次反射光可能进行第三次反射和折射,由此可算得绒面的反射率为9.04%。
(2)、氮化硅减反射膜
我们所用的PECVD制备的SiN薄膜是非晶体膜,其结构与短距离的化学键有关。
氮化硅薄膜中除了Si-N成分以外,还含有相当可观的弱键氢和痕量氧。
薄膜的含H量较高,可达20~30%(原子百分数)。
适量的H会对表面起钝化作用。
硅和氮化硅界面处电荷的界面态密度很高,这种界面态对界面附近的载流子会起到陷阱或复合中心的作用。
氢钝化能有效降低表面复合速度,增加少子寿命,从而提高太阳电池效率。
氮化硅薄膜的折射率比较高,非晶态氮化硅薄膜的折射率随Si/N比在一定范围内波动,折射率n=1.8~2.4。
氮原子含量增加,折射率降低;
硅原子含量增加,折射率增大。
此外,还和沉积温度有关,沉积温度提高,折射率增大,这是由于温度升高使薄膜致密度提高的缘故。
减反射原理:
照射到硅片上的光因为反射不能全部被硅吸收。
反射百分率的大小取决于硅和外界透明介质的折射率。
垂直入射时,硅片表面的反射率R为
其中,nSi为硅的折射率;
no为外界介质的折射率。
在真空或者空气中,我们近似取no=1。
在真空或大气中,如果硅表面没有减反射膜,长波范围(1.1μm)入射光损失总量的34%,短波范围(0.4μm)为54%。
即使在硅表面制作了绒面,由于入射光产生多次反射而增加了吸收,但也有约11%的反射损失。
在硅的表面制备一层透明的介质膜,由于介质膜的两个界面上的反射光相互干涉,可以在很宽的波长范围内降低反射率。
此时反射率由下式给出
式中,r1、r2分别是外界介质-膜和膜-硅界面上的菲涅尔反射系数;
Δ为膜层厚度引起的相位角。
它们可分别表示为
当薄膜的光学厚度为四分之一个波长,时R=0,反射最小。
地面太阳光谱能量的峰值在波长0.5μm,而硅太阳电池的相对响应峰值在波长0.8~0.9μm。
因此减反射效果最好的波长范围在0.5~0.7μm,可取λ0=0.6μm。
具有这一厚度减反射膜的硅太阳电池,由肉眼看来呈深蓝色。
此时硅的折射率nSi=3.9,所以如果电池直接暴露在真空或大气中使用,最匹配的减反射膜折射率n约为1.97。
(3)、硅的吸收
半导体与光之间的相互作用,主要是通过光子与半导体中的电子、原子之间的相互作用,表现为对光的吸收,光电导或发光等效应。
但在太阳能电池中,主要体现为对光的吸收,导致电子从低能级跃迁到较高能级。
我们也仅考虑一个能产生光生载流子的光子只产生一对空穴电子对。
尽管半导体对光吸
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