光伏太陽能電池培訓手冊新

第一章太陽電池的工作原理和基本特性半導體物理基礎半導體的性質世界上的物體如果以導電的性能來區(qū)分，有的容易導電，有的不容易導電。容易導電的稱為導體，如金、銀、銅、鋁、鉛、錫等各種金屬；不容易導電的物體稱為絕緣體，常見的有玻璃、橡膠、塑料、石英等等；導電性能介于這兩者之間的物體稱為半導體，主要有錯、硅、碎化稼、硫化鎘等等。眾所周知，原子是由原子核及其周圍的電子構成的，一些電子脫離原子核的束縛，能夠自由運動時，稱為自由電子。金屬之所以容易導電，是因為在金屬體內有大量能夠自由運動的電子，在電場的作用下，這些電子有規(guī)則地沿著電場的相反方向流動，形成了電流。自由電子的數(shù)量越多，或者它們在電場的作用下有規(guī)則流動的平均速度越高，電流就越大。電子流動運載的是電量，我們把這種運載電童的粒子，稱為載流子。在常溫下，絕緣體內僅有極少量的自由電子，因此對外不呈現(xiàn)導電性。半導體內有少量的自由電子,在一些特定條件下才能導電。半導體可以是元素，如硅(Si)和豬(Ge),也可以是化合物，如硫化鎘(OCLS)和碎化諫(GaAs),還可以是合金，如GaxAL-As,其中x為0~1之間的任意數(shù)。許多有機化合物，如恵也是半導體。半導體的電阻率較大(約1而金屬的電阻率則很小10-?10-??m),絕緣體的電阻率則很大(約P?10e??ta)o半導體的電阻率對溫度的反應靈敏，例如豬的溫度從20°C升高到30匕電阻率就要降低一半左右。金屬的電阻率隨溫度的變化則較小，例如銅的溫度每升高100°C,P增加40%左右。電阻率受雜質的影響顯著。金屬中含有少量雜質時，看不出電阻率有多大的變化，但在半導體里摻入微量的雜質時，卻可以引起電阻率很大的變化，例如在純硅中摻入百萬分之一的硼，硅的電阻率就從2?14?10$??m減小到0.004??m左右。金厲的電阻率不受光照影響，但是半導體的電阻率在適當?shù)墓饩€照射下可以發(fā)生顯著的變化。能帶結構和導電性半導體的許多電特性可以用一種簡單的模型來解釋。硅是四價元素，每個原子的最外殼層上有4個電子，在硅晶體中每個原子有4個相鄰原子，并和每一個相鄰原子共有兩個價電子，形成穩(wěn)定的8電子殼層。自由空間的電子所能得到的能量值基本上是連續(xù)的，但在晶體中的情況就可能截然不同了，孤立原子中的電子占據(jù)非常固定的一組分立的能線，當孤立原子相互靠近，規(guī)則整齊排列的晶體中，由于各原子的核外電子相互作用，本來在孤立原子狀態(tài)是分離的能級擴展,根據(jù)情況相互重疊，變成如圖2.1所示的帶狀。電子許可占據(jù)的能帶叫允許帶，允許帶與允許帶間不許可電子存在的范圍叫禁帶。圖2.1原子間距和電子能級的關系在低溫時，晶體內的電子占有最低的可能能態(tài)。但是晶體的平衡狀態(tài)并不是電子全都處在最低允許能級的一種狀態(tài)。基本物理定理一泡利(Pauli)不相容原理規(guī)定，每個允許能級最多只能被兩個自旋方向相反的電子所占據(jù).這意味著，在低溫下，晶體的某一能級以下的所有可能能態(tài)都將被兩個電子占據(jù)，該能級稱為費米能級(Er).隨著溫度的升高，一些電子得到超過費米能級的能量，考慮到泡利不相容原理的限制，任一給定能量E的一個所允許的電子能態(tài)的占有幾率可以根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律計算，其結果是由下式給出的費米一狄拉克分布函數(shù)f(E),即現(xiàn)在就可用電子能帶結構來描述金屬、絕緣體和半導體之間的差別。電導現(xiàn)象是隨電子填充允許帶的方式不同而不同。被電子完全占據(jù)的允許帶(稱為滿電場E

帶）上方，隔著很寬的禁帶，存在完全空的允許帶（稱為導帶），這時滿帶的電子即使加電場也不能移動.所以這種物質便成為絕緣體。允許帶不完全占滿的情況下，電子在很小的電場作用下就能移動到離允許帶少許上方的另一個能級,成為自由電子，而使電導率變得很大,這種物質稱為導體。所謂半導體，即是天然具有和絕緣體一樣的能帶結構，但禁帶寬度較小的物質。在這種情況下，滿帶的電子獲得室溫的熱能，就有可能越過禁帶跳到導帶成為自由電子，它們將有助于物質的導電性。參與這種電導現(xiàn)象的滿帶能級在大多數(shù)情況下位于滿帶的最高能級，因此可將能帶結構簡化為圖2.2。另外，因為這個滿帶的電子處于各原子的最外層，是參與原子間結合的價電子，所以又把這個滿帶稱為價帶。圖中省略了導帶的上部和價帶的下部。半導體結晶在相鄰原子間存在著共用價電子的共價鍵。如圖2.2所示，一旦從外部獲得能量，共價鍵被破壞后，電子將從價帶躍造到導帶，同時在價帶中留出電子的一個空位。這個空位可由價帶中鄰鍵上的電子來占據(jù)，而這個電子移動所留下的新的空位又可以由其它電子來填補。這樣，我們可以看成是空位在依次地移動.等效于帶正電荷的粒子朝著與電子運動方向相反的方向移動，稱它為空穴。在半導體中，空穴和導帶中的自由電子一樣成為導電的帶電粒子（即載流子）。電子和空穴在外電場作用下，朝相反方向運動，但是由于電荷符號也相反，因此，作為電流流動方向則相同，對電導率起迭加作用。圖2.2半導體能帶結構和載流子的移動2.2本征半導體、摻雜半導體圖2.2所示的能帶結構中，當禁帶寬度Eg比較小的情況下，隨著溫度上升，從價帶躍遷到導帶的電子數(shù)增多，同時在價帶產生同樣數(shù)目的空穴。這個過程叫電子一空穴對的產生，把在室溫條件下能進行這樣成對的產生并具有一定電導率的半導體叫本征半導體，它只能在極純的材料情況下得到的。而通常情況下，由于半導體內含有雜質或存在品格缺陷，作為自由裁流子的電子或空穴中任意一方增多，就成為摻雜半導體。存在多余電子的稱為n型半導體，存在多余空穴的稱為P型半導體。雜質原子可通過兩種方式摻入晶體結構：它們可以擠在基質晶體原子間的位置上，這種情況稱它們?yōu)殚g隙雜質；另一種方式是，它們可以替換基質晶體的原子，保持晶體結構中的有規(guī)律的原子排列，這種情況下，它們被稱為替位雜質。7IIII周期表中m族和V族原子在硅中充當替位雜質，圖2?3示出一個V族雜質（如磷）替換了一個硅原子的部分晶格。四個價電子與周圍的硅原子組成共價鍵，但第五個卻處于不同的情況，它不在共價鍵內，因此不在價帶內，它被束縛于V族原子，所7IIIIIIIIII圖2.3—個V族原子替代了一個硅原子的部分硅晶格以不能穿過晶格自由運動，因此它也不在導帶內?？梢灶A期，與束縛在共價鍵內的自由電子相比，釋放這個多余電子只須較小的能量，比硅的帶隙能量l.leV小得多。自由電子位于導帶中，因此束縛于V族原子的多余電子位于低于導帶底的能量為E?的地方，如圖（格P28圖2.13（a）所示那樣。這就在“禁止的”晶隙中安置了一個允許的能級，IH族雜質的分析與此類似。例如，把V族元素（Sb,As,P）作為雜質摻入單元素半導體硅單晶中時，這

圖2.4(a)V族曾位雜質在禁帶中引入的允許能級(b)m族雜質的對應能態(tài)些雜質替代硅原子的位置進入晶格點。它的5個價電子除與相鄰的硅原子形成共價鍵外，還多余1個價電子，與共價鍵相比，這個剩余價電子極松弛地結合于雜質原子。因此，只要雜質原子得到很小的能量，就可以釋放出電子形成自由電子，而本身變成1價正離子，但因受晶格點陣的束縛，它不能運動。這種情況下，形成電子過剩的11型半導體。這類可以向半導體提供自由電子的雜質稱為施主雜質。其能帶結構如圖2?5所示。在?n型半導體中，除存在從這些施主能級產生的電子外，還存在從價帶激發(fā)到導帶的電子。由于這個過程是電子-空穴成對產生的，因此，也存在相同數(shù)目的空穴.我們把數(shù)量多的電子稱為多數(shù)載流子，將數(shù)量少的空穴稱為少數(shù)載流子。圖2.5n圖2.5n型半導體的能帶結構圖2.6p型半導體的能帶結構把DI族元素(B、Al.Ga.In)作為雜質摻入時，由于形成完整的共價鍵上缺少一個電子。所以，就從相鄰的硅原子中奪取一個價電子來形成完整的共價鍵。被奪走的電子留下一個空位，成為空穴。結果，雜質原子成為1價負離子的同時，提供了束縛不緊的空穴。這種結合用很小的能量就可以破壞，而形成自由空穴，使半導體成為空穴過剩的P型半導體,可以接受電子的雜質原子稱為受主雜質。其能帶結構如圖2.6所示。這種情況下，多數(shù)裁流子為空穴，少數(shù)載流子為電子。上述的例子都是由摻雜形成的n型或P型半導體，因此稱為摻雜半導體。但為數(shù)很多的化合物半導體，根據(jù)構成元素某種過?；虿蛔悖袝r導電類型發(fā)生變化。另外，也有由于構成元素蒸氣壓差過大等原因，造成即使摻入雜質有時也得不到n、P兩種導電類型的情況。半導體處于熱平衡狀態(tài)時，多數(shù)裁流子和少數(shù)載流子的濃度各自達到平衡值。因某種原因，少數(shù)載流子一旦超過平衡值，就將發(fā)生與多數(shù)載流子的復合，企圖恢復到原來的平衡的狀態(tài)。設電子濃度為m空穴濃度為》則空穴濃度隨時間的變化率由電子-空穴對的產生和復合之差給出下式：dp/dt=g—rpn(2.1)電一空穴對的產生幾率g是由價帶中成為激發(fā)對象的電子數(shù)和導帶中可允許占據(jù)的能級數(shù)決定。然而，空穴少于導帶的允許能級時，不依賴于載流子數(shù)而成為定值。復合率正比于載流子濃度n與p的乘積，比例系數(shù)r表示復合幾率。平衡狀態(tài)時dp/dt=O,由此可導出pn==常數(shù)(2.2)它意味著多數(shù)載流子濃度和少數(shù)載流子濃度的乘積為確定值。這個關系式也適用于本征半導體，可得到PZ=用=g〃(2?3)根據(jù)量子理論和量子統(tǒng)計理論可以得到式中，k-玻耳茲曼常數(shù);(2.4)

式中，k-玻耳茲曼常數(shù);(2.4)h一朗克常數(shù)；m：——電子有效質量；—空穴有效質量；T—帥舷；Ev—價帶頂能量；Ec——導帶底能量；Nv—價帶頂?shù)挠行B(tài)密度Nc——導帶底的有效態(tài)密度假如知道半導體的禁帶亮度Eg,就可以很容易地計算出本征裁流子濃度。費米能級在描述半導體的能級圖上是重要的參量。所謂費米能級，即為電子占據(jù)幾率為1/2處的能級，可根據(jù)半導體電中性條件求出，即自由空穴濃度+電離施主濃度=自由電子濃度+電離受主濃度(2.5)費米能級在本征半導體中幾乎位于禁帶中央，而在n型半導體中靠近導帶。在P型半導體中靠近價帶。同時費米能級將根據(jù)摻雜濃度的不同，發(fā)生如圖2.6所示的變化。例如,n型半導體中設施主濃度為N“可給出：Ec-Ef"Tin本征Ec-Ef"Tin本征圖2.6費米能級與雜質濃度的關系P型半導體中設受主濃度為N“則可給出：N?-瓦"Tin才(2.7)a如果知道了雜質濃度就可以通過計算求得費米能級.載流子的傳輸一、漂移在外加電場r的影響下，一個隨機運動的自由電子在與電場相反的方向上有一個加速度a=C/m,在此方向上，它的速度隨時間不斷地增加。晶體內的電子處于一種不同的情況,它運動時的質量不同于自由電子的質量，它不會長久持續(xù)地加速，最終將與晶格原子.雜質原子或晶體結構內的缺陷相碰撞。這種碰撞將造成電子運動的雜亂無章，換句話說，它將降低電子從外加電場得到附加速度，兩次碰撞之間的“平均”時間稱為弛豫時間3由電子無規(guī)則熱運動的速度來決定。此速度通常要比電場給與的速度大得多，在兩次碰撞之間由電場所引起的電子平均速度的增量稱為漂移速度。導帶內電子的漂移速度由下式得出：(2.8)(如果仁是對所有的電子速度取平均，則去掉系數(shù)2)。電子載流子的遷移率定義為:(2-9)來自導帶電子的相應的電流密度將是(2.10)幾=q叫=qg(2.10)對于價帶內的空穴，其類似公式為幾=（叫1疋（2?id總電流就是這兩部分的和。因此半導體的電導率?為1j“、b=—=三=qg+qPhP（2.12）P§其中?是電阻率。對于結晶質量很好的比較純的半導體來說，使載流子速度變得素亂的碰撞是由晶體的原子引起的。然而，電離了的摻雜劑是有效的散射體，因為它們帶有凈電荷。因此，隨著半導體摻雜的加重，兩次碰撞間的平均時間以及遷移率都將降低。當溫度升高時，基體原子的振動更劇烈，它們變?yōu)楦蟮摹鞍小?，從而降低了兩次碰撞間的平均時間及遷移率。重摻雜時，這個影響就得不太顯著，因為此時電離了的摻雜劑是有效的載流子的散射體。電場強度的提高，最終將使載流子的漂移速度增加到可與無規(guī)則熱速度相比。因此，電子的總速度歸根結底將隨著電場強度的増加而增加。電場的增加使碰撞之間的時間及遷移率減小了。二、擴散除了漂移運動以外，半導體中的載流子也可以由于擴散而流動。象氣體分子那樣的任何粒子過分集中時，若不受到限制，它們就會自己散開。此現(xiàn)象的基本原因是這些粒子的無規(guī)則的熱速度。粒子流與濃度梯度的負值成正比。因為電流與荷電粒子流成正比，所以對應于電子的一維濃度梯度的電流密度是je=qDe~Y~（2.13）ax其中D?是擴散常數(shù)。同樣對于空穴，有Jh=—qDh（2.14）dx從根本上講，漂移和擴散兩個過程是有關系的，因而，遷移率和擴散常數(shù)不是獨立的，它們通過愛因斯坦關系相互聯(lián)系，即kTkT0=—和$=—兒（2?⑸qqkT/q是在與太陽電池有關的關系式中經常出現(xiàn)的參數(shù)，它具有電壓的量綱，室溫時為26mv。半導體晶體的吸光程度由光的頻率?和材料的禁帶寬度所決定。當頻率低、光子能量h?比半導體的禁帶寬度E,小時，大部分光都能穿透；隨著頻率變高，吸收光的能力急劇增強。吸收某個波長？的光的能力用吸收系數(shù)？（h?）來定義。半導體的光吸收由各種因素決定，這里僅考慮到在太陽電池上用到的電子能帶間的躍遷。一?禁帶寬度越寬，對某個波長的吸收系數(shù)就越小。除此以外，光的吸收還依賴于導帶、價帶的態(tài)密度。光為價帶電子提供能量，使它躍遷到導帶，在躍遷過程中，能量和動量守恒，對沒有聲子參與的情況，即不伴隨有動量變化的躍遷稱為直接躍遷，其吸收過程的形式示于圖2.7,而伴隨聲子的躍遷稱為間接躍遷，其吸收躍遷過程示于圖2.8。圖2.7直接帶陳半導體的能量一晶體動量圖圖2.8間接帶陳半導體的能量一晶體動量圖硅屬于間接躍遷類型，其吸收系數(shù)上升非常平緩，所以在太陽光照射下，光可到達距表面207m以上相當深的地方，在此還能產生電子一空穴對。與此相反，對直接躍遷型材料GaAs,在其禁帶寬度附近吸收系數(shù)急劇增加，對能量大于禁帶寬度的光子的吸收緩慢增加,此時，光吸收和電子一空穴對的產生，大部分是在距表面2?m左右的極薄區(qū)域中發(fā)生。簡言之，制造太陽電池時，用直接躍遷型材料，即使厚度很薄，也能充分的吸收太陽光，而用間接躍遷型材料，沒有一定的厚度，就不能保證光的充分吸收。但是作為太陽電池必要的厚度,并不是僅僅由吸收系數(shù)來決定的，與少數(shù)載流子的壽命也有關系，當半導體摻雜時，吸收系數(shù)將向高能量一側發(fā)生偏移。由于一部分光在半導體表面被反射掉，因此，進入內部的光實際上等于扣除反射后所剩部分。為了充分利用太陽光，應在半導體表面制備絨面和減反射層，以減少光在其表面的反射損失。載流子的復合一馳豫到平衡適當波長的光照射在半導體上會產生電子一空穴對。因此，光照射時材料的載流子濃度將超過無光照時的值。如果切斷光源，則載流子濃度就衰減到它們平衡時的值。這個衰減過程通稱為復合過程。下面將介紹幾種不同的復合機構。二輻射復合輻射復合就是光吸收過程的逆過程。占據(jù)比熱平衡時更高能態(tài)的電子有可能躍遷到空的低能態(tài)，其全部（或大部分）初末態(tài)間的能童差以光的方式發(fā)射。所有已考慮到的吸收機構都有相反的輻射復合過程。由于間接帶隙半導體需要包括聲子的兩級過程，所以輻射復合在宜接帶隙半導體中比間接帶隙半導體中進行得快?？偟妮椛鋸秃纤俾蕫u與導帶中占有態(tài)（電子）的濃度和價帶中未占有態(tài)（空穴）的濃度的乘積成正比，即(2.16)Rr=(2.16)式中，B對給定的半導體來說是一個常數(shù)。由于光吸收和這種復合過程之間的關系，由半導體的吸收系數(shù)能夠計算出B。熱平衡時，即np=n?時，復合率由數(shù)目相等但過程相反的產生率所平衡。在不存在由外部激勵源產生載流子對的情況下，與上式相對應的凈復合率Ui由總的復合率減去熱平衡時的產生率得到，即UR=BUR=B(np-n；)(2.17)對任何復合機構，都可定義有關載流子壽命(對電子)和(對空穴)它們分別為(2.18)式中，U為凈復合率，？11和?p是相應載流子從它們熱平衡時的值no和a的擾動。對?n=?p的輻射復合機構而言，由式(2.17)確定的特征壽命是So血;So血;Go+Po)(2.19)硅的B值約為2?10"lscm7so正如前面所說的直接帶隙材料的復合壽命比間接帶隙材料的小得多。利用GaAs及其合金為材料的商用半導體激光器和光發(fā)射二極管就是以輻射復合過程作為基礎的。但對硅來說，其它的復合機構遠比這重要得多。三、俄歇復合在俄歇(Auger)效應中，電子與空穴復合時，將多余的能量傳給第二個電子而不是發(fā)射光。圖2?9示出了這個過程。然后，第二個電子通過發(fā)射聲子弛豫回到它初始所在的能級。俄歇復合就是更熟悉的碰撞電離效應的逆過程。對具有充足的電子和空穴的材料來說,與俄歇過程有關的特征壽命?分別是-=Cup+Dn2或丄=Cnp+Dp2(2.20)TT在每種情況下，右邊的第一項描述少數(shù)載流子能帶的電子激發(fā)，第二項描述多數(shù)載流子能帶的電子激發(fā)。由于第二項的影響，高摻雜材料中俄歇復合尤其顯著。對于高質量硅，摻雜濃度大于時，俄歇復合處于支配地位。圖2.9俄歇復合過程多余的能量傳給導帶中的電子多余的能址傳給價帶中的電子四、通過陷阱的復合前面已指出，半導體中的雜質和缺陷會在禁帶中產生允許能級。這些峽陷能級引起一種很有效的兩級復合過程。如圖2.10(a)所示，在此過程中，電子從導帶能級弛豫到缺陷

能級，然后再弛豫到價帶，結果與一個空穴復合。允許能極能級，然后再弛豫到價帶，結果與一個空穴復合。允許能極圖2.10(a)通過半導體禁帶中的陷阱能級的兩級復合過程(b)在半導體表面位于禁帶中的表面態(tài)對此過程進行動力學分析可得，通過陷阱的凈復合一產生率Ut可寫為np-用np-用%(刃+心)+皿+戸)(2.21)式中，？B0和九是壽命參數(shù)，它們的大小取決于陷阱的類型和陷阱缺陷的體密度，m和R是分析過程中產生的參數(shù)，此分析過程還引入一個復合速率與陷阱能E,的關系式：(E,-Ec(E,-Ec[kT(2.22)(2.23)式(2.22)在形式上與用費米能級表示電子濃度的公式很相似。如果?s和?bo數(shù)量級相同，可知當ih血時，U有其峰值。當缺陷能級位于禁帶間中央附近時，就出現(xiàn)這種情況。因此，在帶隙中央引入能級的雜質是有效的復合中心。五、表面復合表面可以說是晶體結構中有相當嚴重缺陷的地方。如圖2.10(b)所示，在表面處存在許多能量位于禁帶中的允許能態(tài)。因此由上面所敘述的機構，在表面處，復合很容易發(fā)生。單能級表面態(tài)每單位面積的凈復合率U,具有與2.21類似的形式，即(2.24)s°°sjw-(2.24)SsG+nJ+Sjp+pJ式中S“和S”是表面復合速度。位于帶隙中央附近的表面態(tài)能級也是最有效的復合中心.半導體器件物理學基本方程前面幾節(jié)中已經槪述了半導體的有關特性，這些內容現(xiàn)在將被歸納為一組能描述半導體器件工作的基本方程。這些方程的解使我們能夠確定包括太陽電池在內的大部分半導體器件的理想特性。忽略其余兩維空間的變化，方程組將寫成一維的形式。1、泊松方程它描述了電場散度與空間電荷密度?之間的關系，在一維情況下，其形式為：空=2(2.25)clx&式中?是介電常數(shù)。？為電荷密度。在半導體中，？值為p=q(p-n+-N；)(2.26)

式中，p和n是空穴和電子的濃度，和：V分別是己電離的施主和受主的濃度。在正常情況下，大部分施主和受主都被電離，因此TV：?Nd(2.27)式中Nd和皿為施主和受主雜質的總濃度。2、電流密度方程電子和空穴通過漂移和擴散過程可對電流作出貢獻。因此，電子和空穴的總電流密度Je和Jh的表達式為2Je=qpen4+qDe2Jh=q“hi疋—qDh遷移率和擴散系數(shù)的關系由愛因斯坦關系式[De=(kT/q)?e和DRkT/q)?h]確定。3、連續(xù)方程圖2?11推導電子連續(xù)方程用的單元體積參看圖2.11中長為?x、橫截面枳為A的單元體枳，可以說這個體積中電子的凈增加幾率等于它們進入的速率減去它們出去的速率，加上該體積中它們的產生率，減去它們的復合率，寫成方程為：進入速率一出去速率=△{—[-人(x+&)]}=△綸&(2.29)qqdx產生率一復合率=A5,.(G—U)(2.30)式中G是由于外部作用(如光照)所一引起的凈產生率，U是凈復合率。在穩(wěn)態(tài)情況下，凈增加率必須為0,這樣就有-^=U-G(2.31)qdx同樣，對于空穴有丄羋=_(t/_G)(2.32)qdx4、方程組由上述方程，我們可得到應用于半導體器件的基本方程組：￥=+(P_h+Nd_NJJ<.=qg比+淪牛幾=(1山1疋一qDh%(2.33)斗U—G1qax丄羋=_(〃_G)qax利用計算機，通過引入一些考慮周詳?shù)慕铺幚?，可能極簡單地就可求得這些方程的解。在一塊半導體晶體內，P型和n型緊接在一起時，將它們交界處稱為pn結。當p型，n型單獨存在時，費米能級如圖2.12(a)所示，分別位于介帶和導帶附近.一旦形成pn結，由于結兩邊的電子和空穴的濃度不同，電子就強烈地要從n區(qū)向p區(qū)擴散，空穴則要向相反方向擴散，其結果在n型一邊出現(xiàn)正電荷，在p型一邊出現(xiàn)負電荷,上型.導帶+?+十卜+?能主能型

費款腿級/二二=丄一吐主施級(姿沁獨夕/價常嗨遂絵猙冷.爭帶z受主能圾費米能圾.爭帶z受主能圾費米能圾三1施主能圾(a)空間電荷區(qū)(b>這兩種電荷層在半導體內部建立了一個內建電場，這個電場反過來又在結處產生一個內部電位降，阻擋了電子和空穴的進一步擴散，包含這兩種電荷層的空間稱為耗盡區(qū)或空間電荷區(qū)。通過這個空間電荷區(qū)的作用，使費米能級成同一水平，達到平衡狀態(tài)。圖2.12(b)表示pn結的能帶圖及從P區(qū)向n區(qū)變化的空間電荷區(qū)。內建電場從n區(qū)指向p區(qū)，形成勢壘。在平衡狀態(tài)下，由于擴散，從p區(qū)越過勢壘向n區(qū)移動的空穴數(shù)目等同于空間電荷區(qū)附近n區(qū)中由于熱運動產生的少數(shù)載流子空穴在空間電荷區(qū)內建電場的作用下漂移到p區(qū)的數(shù)目，因此沒有電流流過。對于電子也可做同樣的論述。在pn結上加偏置電壓時，由于空間電荷區(qū)內沒有載流子(又稱為耗盡區(qū))形成高阻區(qū)，因此，電壓幾乎全部跨落在空間電荷區(qū)上。當外加電壓使得p區(qū)為正時，勢壘高度減小,空穴從P區(qū)向n區(qū)的移動以及電子從n區(qū)向p區(qū)的移動變得容易，在兩個區(qū)內有少數(shù)載流子注入，因此電流容易流動(稱為正向)。當外加電壓使得n區(qū)為正時，勢壘高度增加，載流子的移動就變得困難，幾乎沒有電流流過(此時稱為反向)。當存在外加電壓時，空間電荷區(qū)的n區(qū)邊界和p區(qū)邊界的空穴濃度R及電子濃度①如下：當加正向電壓時V>0,加反向電壓時V〈0。由于我們認為外加電壓僅跨越在空間電荷區(qū)，所以可視為n區(qū)內沒有電場，由空穴構成的電流只是由于它的濃度梯度形成的擴散電流。電流密度人為(2.35)(2.35)同樣，注入到P區(qū)的少數(shù)載流子電子的電流密度人為(2.36)(2.36)故總電流密度J為:(2.37)故總電流密度J為:(2.37)丿。=如"。牛+q%因加編壓V而產生的總電流是空穴電流與電子電流之和,(2.38)總電流密度J具有如圖2.13所示的整流特性。正向時，在電壓較人的區(qū)域，電流密度與exp(qV/kT)成正比：反向時則趨近于-J。。稱J。為飽和電流密度。1.2太陽電池工作原理當光照射到半導體上時，光子將能量提供給電子，電子將躍遷到更高的能態(tài)，在這些電子中，作為實際使用的光電器件里可利用的電子有：價帶電子；自由電子或空穴(FreeCarrier)；存在于雜質能級上的電子。太陽電池可利用的電子主要是價帶電子。由價帶電子得到光的能量躍遷到導帶的過程決定的光的吸收稱為本征或固有吸收。太陽電池能量轉換的基礎是結的光生伏特效應。當光照射到pn結上時，產生電子一空穴對，在半導體內部結附近生成的載流子沒有被復合而到達空間電荷區(qū)，受內建電場的吸引，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結果使n區(qū)儲存了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。它們在pn結附近形成與勢壘方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外,還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產生電動勢，這就是光生伏特效應。此時，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個電流稱作短路電流，另一方面，若將PN結兩端開路，則由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū),使N區(qū)的費米能級比P區(qū)的費米能級高，在這兩個費米能級之間就產生了電位差Vaco可以測得這個值，并稱為開路電壓。由于此時結處于正向偏置，因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定Vx的值。太陽電池是將太陽能直接轉換成電能的器件。它的基本構造是由半導體的PN結組成。此外，異質結、肖特基勢壘等也可以得到較好的光電轉換效率。本節(jié)以最普通的硅PN結太陽電池為例，詳細地觀察光能轉換成電能的情況。首先研究使太陽電池工作時，在外部觀測到的特性。圖2.14表示了無光照時典型的電流電壓特性（暗電流）。當太陽光照射到這個太陽電池上時，將有和暗電流方向相反的光電流5流過。圖2.14無光照及光照時電流一電壓特性當給太陽電池連結負載R，并用太陽光照射時，則負載上的電流h和電壓V；將由圖中有光照時的電流一電壓特性曲線與V二-IR表示的直線的交點來確定。此時負載上有PouFRI'h的功率消耗，它清楚地表明正在進行著光電能量的轉換。通過調整負載的犬小，可以在一個最佳的工作點上得到最人輸出功率。輸出功率（電能）與輸入功率（光能）之比稱為太陽電池的能量轉換效率。下面我們把目光轉到太陽電池的內部，詳細研究能量轉換過程。太陽電池由硅pn結構成，在表面及背面形成無整流特性的歐姆接觸。并假設除負載電阻R外，電路中無其它電阻成分。當具有hv（eV）（hv?Ec,兔為硅的禁帶寬度）能量的光子照射在太陽電池上時，產生電子一空穴對。由于光子的能量比硅的禁帶寬度人，因此電子被激發(fā)到比導帶底還高的能級處。對于P型硅來說，少數(shù)載流子濃度m極?。ㄒ话阈∮?05/cm）,導帶的能級幾乎都是空的，因此電子又馬上落在導帶底。這時電子及空穴將總的hv-Eg（ev）的多余能量以聲子（晶格振動）的形式傳給晶格。落到導帶底的電子有的向表面或結擴散，有的在半導體內部或表面復合而消失了。但有一部分到達結的載流子，受結處的內建電場加速而流入n型硅中。在n型硅中，由于電子是多數(shù)載流子，流入的電子按介電馳豫時間的順序傳播，同時為滿足n型硅內的載流子電中性條件，與流入的電子相同數(shù)目的電子從連接n型硅的電極流出。這時，電子失去相當于空間電荷區(qū)的電位高度及導帶底和費米能級之間電位差的能量。設負載電阻上每秒每立方厘米流入N個電子，則加在負載電阻上的電壓V二Q&二IR表示。由于電路中無電源，電壓V二IR實際加在太陽電池的結上，即結處于正向偏置。一旦結處于正向偏置時，二極管電流I<Fl°[“p（q\7nkT）-1]朝著與光激發(fā)產生的載流子形成的光電流咕相反的方向流動，因而流入負載電阻的電流值為I=~h=IPh-I0\e^）（qV/nkT）-1]（2.39）在負載電阻上，一個電子失去一個qV的能量，即等于光子能量hv轉換成電能qV。流過負

載電阻的電子到達P型硅表面電極處，在P型硅中成為過剩載流子，于是和被掃出來的空穴復合，形成光電流1.3太陽電池的基本特性太陽電池的短路電流等于其光生電流。分析短路電流的最方便的方法是將太陽光譜劃分成許多段，每一段只有很窄的波長范闈，并找出每一段光譜所對應的電流，電池的總短路電流是全部光譜段貢獻的總和：〈=￡1(刃〃八上人⑷必=［：(1—尺(刃)曠(刃〃⑷必(2.40)Xo一一本征吸收波長限R(X)表面反射率F(X)一一太陽光譜中波長為???+d?間隔內的光子數(shù)。F(?)的值很人的程度上依賴于太陽天頂角。作為表示F(?)分布的參數(shù)是AM(AirMass)oAM表示入射到地球大氣的太陽直射光所通過的路程長度，定義為(2.41)AM=一secZ(2.41)式中:bo一一標準大氣壓b一一測定時的犬氣壓z—太陽天頂距離一般情況下，b?b。，例如，AMI相當于太陽在天頂位置時的情況，AM2相當于太陽高度角為30?時的情況，AM0則表示在宇宙空間中的分布在實際的半導體表面的反射率與入射光的波長有關，一般為30?50%。為防止表面的反射，在半導體表面制備折射率介于半導體和空氣折射率之間的透明薄膜層。這個薄膜層稱為減反射膜(Antir己flectivecoating)。設半導體、減反射膜、空氣的折射率分別為n：、m、n。，減反射膜厚度為山，則反射率R為(2.42)(2.42)式中:r：=(no-m)/(no+m)rp(ni-n：)/(m+n：)()二2nriidi/x—波長顯然，減反射膜的厚度di為1/4波長時，R為最小。即(2.43)(X=X)(2.43)一般在太陽光譜的峰值波長處，使得R變?yōu)樽钚。源藖頉Q定&的值。

以硅電池為例，因為在可見光至紅外光范I制內，硅的折射率為n=二3.4?4,0,使式(2.43)為零,則m的值(qjw,no=l)為1.8?m?2.0o設?二4800埃，則600埃?d：?667埃,滿足這些條件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波長處，反射率達到1%左右。由于制備了減反射膜，短路電流可以增加30?40%。此外，采用的減反射膜SiO2(m?l.5)、Aig(m?1.9)、SbO(m?1.9)、TO、Tq(m?2.25)。將具有不同折射率的氧化膜重疊二層，在滿足一定的條件下，就可以在更寬的的波長范鬧內減少折射率。此外也可以將表面加工成棱錐體狀的方法，來防止表面反射。3.2開路電壓當太陽電池處于開路狀態(tài)時，對應光電流的人小產生電動勢，這就是開路電壓。在式(2.39)中，設I二0(開路)，IPh=Isc,則匕嚴也In[(人〃。)+1](2.44)q在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時，Isc為與入射光強度成正比的值，在很弱的陽光下,Isc?Io,因此(2.45)nkT仏在很強的陽光下，Isc?Io,也inq也inqI。(2.46)由此可見，在較弱陽光時，硅太陽電池的開路電壓隨光的強度作近似直線的變化。而當有較>二￡amEfc>二￡amEfc強的陽光時，V°c則與入射光的強度的對數(shù)成正比。圖2?15表示具有代表性的硅和GaAs太陽電池的坯與V°c之間的關系。Si與GaAs比較，因GaAs的禁帶寬度寬，故I。值比Si的小幾個數(shù)量級，GaAs的Vx值比Si的高0.45伏左右。假如結形成的很好，禁帶寬度愈寬的半導體，V<x也愈大。圖2.15開路電壓與短路電流的關系為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負載系統(tǒng)用一等效電路來模擬。在恒定光照

下，一個處于工作狀態(tài)的太陽電池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可把它看作是恒流源。光電流一部分流經負載Rl,在負載兩端建立起端電壓V,反過來它又正向偏置于p—n結二極管，引起一股與光電流方向相反的暗電流施，這樣，一個理想的PN同質結太陽電池的等效電路就被繪制成如圖2.16(a)所示。但是，由于前面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免的要引入附加電阻。流經負載的電流，經過它們時，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻Rs來表示。由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時，在電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應通過負載的電流短路，這種作用的人小可用一并聯(lián)電阻R%來等效。其等效電路就繪制成上圖2.16(b)的形式。其中暗電流等于總面積AT與九乘積，而光電流II為電池的有效受光面積壓與Jl的乘積，這時的結電壓不等于負載的端電壓，由圖可見匕=IRS+V(2.47)()人￥卜yo昭R.4=F-R.4=F-(b)圖2.16pn同質結太陽電池等效電路(a)不考慮串并聯(lián)電阻(b)考慮串并聯(lián)電阻根據(jù)上圖就可以寫出輸出電流I和輸出電壓V之間的關系他?+心(2.48)他?+心(2.48)其中暗電流心應為結電壓V：的函數(shù)，而V：又是通過式(2.47)與輸出電壓V相聯(lián)系的。當負載Rl從0變化到無窮大時，輸出電壓V則從0變到Voc,同時輸出電流便從Isc變到0,由此得到電池的輸出特性曲線，如圖2.17所示。曲線上任何一點都可以作為工作點,工作點所對應的縱橫坐標，即為工作電流和工作電壓,其乘積P二IV為電池的輸出功率卩7

卩7圖2.17太陽電池的輸出特性轉換效率表示在外電路連接最佳負載電阻R時，得到的最人能量轉換效率，其定義為即電池的最大功率輸出與入射功率之比，這里我們定義一個填充因子FF為(2.49)填充因子正好是「V曲線下最人長方形面枳與乘積之比，所以轉換效率可表示為(2.50)太陽電池的光譜響應是指光電流與入射光波長的關系，設單位時間波長為X的光入身到單位面積的光子數(shù)為?o（?）,表面反射系數(shù)為P（?）,產生的光電流為則光譜響應SR（?）定義為SR(幾)=(2.SR(幾)=(2.51)其中Jl=Jlbik+Jl第金+Jl里區(qū)。理想吸收材料的光譜響應應該是：當光子能量hv<E￡時，SR=0；hv況時，SR=lo載流子的擴散系數(shù)隨溫度的増高而增人，所以少數(shù)載流子的擴散長度也隨溫度的升高稍有增犬，因此，光生電流五也隨溫度的升高有所增加。但是隨溫度的升高是指數(shù)增犬,因而V*隨溫度的升高急劇下降。當溫度升高時，I—V曲線形狀改變，填充因子下降，所以轉換效率隨溫度的增加而降低。作為人造衛(wèi)星和宇宙飛船的電源，太陽電池已獲得了廣泛的應用。但是在外層空間存在著高能粒子，如電子、質子、？粒子等。高能粒子輻照時通過與晶格原子的碰撞，將能量傳給晶格，當傳遞的能量人于某一閾值時，便使晶格原子發(fā)生位移，產生晶格缺陷，如填隙原子、空位、缺陷簇、空位一雜質復合體等。這些缺陷將起復合中心的作用，從而降低少子壽命。人量研究工作表明，壽命參數(shù)對輻照缺陷最為靈敏，也正因為輻照影響了壽命值，從而使太陽電池性能下降。1.4影響太陽電池轉換效率的因素一、禁帶亮度Voc隨E的增人而增人，但另一方面，Jsc隨兔的增人而減小。結果是可期塑在某一個確定的匕隨處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。隨溫度的增加，效率H下降。Isc對溫度T很敏感，溫度還對Voc起主要作用。對于Si,溫度每增加1?C,Vx下降室溫值的0.4%,?也因而降低約同樣的百分數(shù)。例如，一個硅電池在20?C時的效率為20%,當溫度升到120?C時，效率僅為12%。又如GaAs電池，溫度每升高1?C,Vcc降低1.7mv或降低0.2%o三、復合壽命希望載流子的復合壽命越長越好，這主要是因為這樣做Isc大。在間接帶隙半導體材料如Si中，離結100九處也產生相當多的載流子，所以希望它們的壽命能人于l?so在直接帶隙材料，如GaAs或Gd中，只要10ns的復合壽命就已足夠長了。長壽命也會減小暗電流并增大Voc。達到長壽命的關鍵是在材料制備和電池的生產過程中，要避免形成復合中心。在加工

過程中，適當而且經常進行工藝處理，可以使復合中心移走，因而延長壽命。四、光強將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產生出大量的電能。設想光強被濃縮了X倍，單位電池面積的輸入功率和Jsc都將增加X倍，同時y<x也隨著增加（kT/q）lnX倍。因而輸出功率的增加將人大超過X倍，而且聚光的結果也使轉換效率提高了。五、摻雜濃度及剖面分布對Vcc有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。雖然Nd和Na出現(xiàn)在J定義的對數(shù)項中，它們的數(shù)量級也是很容易改變的。摻雜濃度愈高，％愈高。一種稱為重摻雜效應的現(xiàn)象近年來已引起較多的關注，在高摻雜濃度卞，由于能帶結構變形及電子統(tǒng)計規(guī)律的變化，所有方程中的Nd和N.都應以（Nd）eff和（Na）心代替。如圖2.18o既然（叫）曲和（N.）旳顯現(xiàn)出峰值，那么用很高的Nd和Na不會再有好處，特別是在高摻雜濃度卞壽命還會減小。上圖（b）說明了這一點。圖2.18高摻雜效應。隨摻雜濃度增加有效摻雜濃度飽和，甚至會下降目前，在Si太陽電池中，摻雜濃度人約為1016em-3,在直接帶隙材料制做的太陽電池中約為10：'cm-3'為了減小串聯(lián)電阻，前擴散區(qū)的摻雜濃度經常高于10：9cm-3'因此重摻雜效應在擴散區(qū)是較為重要的。當Nd和凡或（Nd）皿和（凡）旳不均勻且朝著結的方向降低時，就會建立起一個電場,其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改善了Isco這種不均勻摻雜的剖面分布，在電池基區(qū)中通常是做不到的；而在擴散區(qū)中是很自然的。六、表面復住率低的表面復合速率有助于提高咚，并由于I。的減小而使Voc改善。前表面的復合速率測量起來很困難，經常被假設為無窮人。一種稱為背表面場（BSF）電池設計為，在沉積金屬接觸之前，電池的背面先擴散一層P「附加層。圖2.19表示了這種結構，在P/P+界面光NPP*金尿接臟光NPP*金尿接臟圖2.19背表面場電池。在P/P?結處的電場妨礙電子朝背表面流動存在一個電子勢壘，它容易做到歐姆接觸，在這里電子也被復合，在P/P+界面處的復合速率可表示為

TOC\o"1-5"\h\zND+VV+Sn=—土—coth—（2.52）N：—厶+an+n+其中N；,DJ和LJ分別是P十區(qū)中的摻雜濃度、擴散系數(shù)和擴散長度。如果、叮二0,則SF8,正如前面提到的。如果時與L「能比擬，且N+.?N.,則So可以估計零,Sa對Jsc、Voc和1｝的影響見圖2.20o當S「?很小時，Jsc和耳都呈現(xiàn)出一個峰。0.560.54―Sn=30cni；sSn=l04cnVsJ—0.560.54―Sn=30cni；sSn=l04cnVsJ—14J—262422圖2.20背表面復合速率對電場參數(shù)的影響。注意，S=較小時，在某個電池厚度出現(xiàn)n峰七、串聯(lián)電阻在任何一個實際的太陽電池中，都存在著串聯(lián)電阻，其來源可以是引線、金屬接觸柵或電池體電阻。不過通常情況卞，串聯(lián)電阻主要來自薄擴散層。PN結收集的電流必須經過表面薄層再流入最靠近的金屬導線，這就是一條存在電阻的路線，顯然通過金屬線的密布町以使串聯(lián)電阻減小。一定的串聯(lián)電阻Rs的影響是改變I—V曲線的位置。八、金屬柵和光反射在前表面上的金屬柵線不能透過陽光。為了使段最人，金屬柵占有的面積應最小。為了使Rs小，一般是使金屬柵做成又密又細的形狀。因為有太陽光反射的存在，不是全部光線都能進入Si中。裸Si表面的反射率約為40%。使用減反射腋町降低反射率。對于垂直地投射到電池上的單波長的光，用一種厚為1/4波長、折射率等于亦（n為Si的折射率）的涂層能使反射率降為零。對太陽光，采用多層涂層能得到更好的效果。1.5小結許多結構，如PN結和金屬半導體結，具有明顯的單向導電的「V特性。在照明條件下，它們的i-v曲線沿電流軸平移，接上負載后，該器件在正電壓和正電流彖限工作，給負載提供功率。一個太陽電池的轉換效率是其輸出功率與輸入功率之比。為獲取高效率，希望有大的短路電流，高的開路電壓和人的填充因子，如果太陽電池用禁帶寬度（EJ小的材料做成，則短路電流較人。好的制造工藝及好的電池設計因載流子復合最小，也能使短路電流提高。太陽電池若用E,大的材料做成，則具有較高的開路電壓。填充因子是I—V曲線拐點處陡度的量度，串聯(lián)電阻可使它變小。通常開路電壓較高時，F(xiàn)F也較人。轉換效率隨光強増人而增大，隨溫度降低也增大。用匕值介于1.2?1.6eV的材料做成太陽電池，可塑達到最高效率。薄膜電池用直接帶隙半導體更為可取，因為它能在表面附近吸收光子。第二章硅太陽電池常規(guī)工藝自1953年研制出具有一定光電轉換效率的硅太陽電池后，便被主要應用于空間飛行器的能源系統(tǒng)。最早在尖兵一號衛(wèi)星上裝備了太陽電池，從此，太陽電池在空間的應用不斷擴大。相應地，研制了生產滿足空間電池的標準電池工藝流程。該工藝在六十年代和七十年代初期一直被沿用。到七十年代中期，由于石油危機，人們將注意力投到新能源上。一些企業(yè)開始生產專門用于地面的電池，生產電池的工藝有了某些重大的改變。其基本工藝可以歸納為卞列步驟:1、砂子還原成治金級硅2、治金級硅提純?yōu)榘雽w級硅3、半導體級硅轉變?yōu)楣杵?、硅片制成太陽電池5、太陽電池封裝成電池組件2.1硅材料的制備與選取硅是地球外殼第二位最豐富的元素，提煉硅的原料是SiO?。在目前工業(yè)提煉工藝中,一般采用SiO2的結晶態(tài)，即石英砂在電弧爐中（如圖3.1）用碳還原的方法治煉得反應方程為圖3.1生產冶金級硅的電弧爐的斷面圖碳和石英巖：2.內腔；3.電極：4.硅：5.碳化硅：

6?爐床:7.電極膏:8.銅電極：9.出料噴口:10.鑄鐵壁：11.陶瓷：12.石墨蓋工業(yè)硅的純度一般為95%?99%,所含的雜質主要為Fe、Al、Ga、Mg等。由工業(yè)硅制成硅的鹵化物（如三氯硅烷，四氯化硅）通過還原劑還原成為元素硅，最后長成棒狀（或針狀、塊狀）多晶硅。習慣上把這種還原沉枳出的高純硅棒叫作多晶硅。多晶硅經過區(qū)熔法（Fz）和圮壩直拉法（CG）制成單晶硅棒。隨著太陽電池的應用從空河擴展到地面，電池生產成本成為推廣應用的最大障礙。硅片質量直接影響成品電池的性能，它的價格在很大程度上決定了成品電池的成本。質屋和價格是必須要重點考慮的因素。降低太陽電池的成本決定于硅材料成本的降低。而硅材料成本的關鍵在于材料的制造方法。為了能與其它能源競爭，一般要和晶硅太陽電池的轉換效率犬于10%。達到這一要求實際上并不需要使用半導體級硅。人們研制、生產太陽電池級硅（SOG—一Si）。我們知道一些金屬（Ta、Mo、Nb、Zr、W、Ti和V）只要很低的濃度就能降低電池的性能，而另一些雜質即便濃度超過1仍不成問題，此濃度人約比半導體級硅的雜質濃度高100倍，這樣就可以選用成本較低的工藝來生產純度稍低的太陽電池級硅,而仍舊能制造性能比較好的電池。為了進一步降低電池成本，人們還在研究單晶硅。如圖2和圖3.3圖3.2膜狀硅生產設備示意圖圖3.3柱形晶粒的多晶硅太陽電池除了價格、成本和來源難易外，根據(jù)不同用途，可以從下幾方面選用硅材料1、導電類型：從國內外硅太陽電池生產的情況來看，多數(shù)采用P型硅材料，這是基于n+/p型電池在空間的應用及其傳統(tǒng)的生產歷史。也由于該種材料易得。2、電阻率：由硅太陽電池的原理知道，在一定范闈內，電池的開路電壓隨著硅基體電阻率的下降而增加，材料電阻率較低時，能得到較高的開路電壓，而路電流則略低，總的轉換效率較高。所以，地面應用傾向于0.5?3.0?cm的材料。太低的電阻率。反而使開路電壓降低，并且導致填充因子下降。3、晶向、位錯、壽命太陽電池較多選用（111）和（100）晶向生長的單晶。由于絨面電池相對有較場合，位錯密度和電子壽命不作嚴格要求。2.2單體電池的制造硅單體太陽電池的主要制造工藝主要包包拾表面準備、擴散制結、制作電極和減反射膜幾道工序，下面分別作一敘述：硅片的表面準備是制造硅太陽電池的第一步主要工藝，它包括硅片的化學清洗和表面腐蝕。通常，由單晶棒所切割的硅片表面可能污染的雜質人致可歸納為三類：1、油脂、松香、蠟等有機物質。2、金屬、金屬離子及各種無機化合物。3、塵埃以及其它可溶性物質，通過一些化學清洗劑可以達到去污的目的。如硫酸、王水、酸性和堿性過氧化氫溶液等。硅片經過初步清洗去污后，要進行表面腐蝕，這是由于機械切片后，在硅片表面留卞的平均為30?50加厚的損傷層，腐蝕液有酸性和堿性兩類。1、酸性腐蝕法硝酸和氫氟酸的混合液可以起到很好的腐蝕作用，其溶液配比為濃硝酸：氫氟酸二10：1到2：1。硝酸的作用是使單質硅氧化為二氧化硅，其反應為3Si+4HNO3===3SiO2+2HO2+4NO?而氫氟酸使在硅表面形成的二氧化硅不斷溶解，使反應不斷進行，其反應為生成的絡合物六氟硅酸溶于水，通過調整硝酸和氫氟酸的比例，溶液的溫度可控制腐蝕速度，如在腐蝕液中加入醋酸作緩沖劑，可使硅片表面光亮。一般酸性腐蝕液的配比為硝酸：氫氟酸：醋酸二二5：3：3或5：1：12、堿性腐蝕硅可與氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿的溶液起作用，生成硅酸鹽并放出氫氣，化學反應

為：Si+2NaOH+H：O==Na：SiO3+2H2?出于經濟上的考慮，通常用較廉價的NaOH溶液，圖3?4為100兀下不同濃度的NaOH溶液對（100）晶向硅片的腐蝕速度。圖3.4硅片在不同濃度NaOH溶液中的腐蝕速率堿腐蝕的硅片表面雖然沒有酸腐蝕光亮平整，但制成的電池性能完全相同，目前，國內外在硅太陽電池生產中的應用表明，堿腐蝕液由于成本較低，對壞境污染較小，是較理想的硅表面腐蝕液，另外堿腐蝕還可以用于硅片的減薄技術，制造薄型硅太陽電池。太陽電池主要進展之一是應用了絨面硅片，絨面狀的硅表面是利用硅的各向異性腐蝕，在硅表面形成無數(shù)的四面方錐體，圖3?5為打描電子顯微鏡觀察到的絨面硅表面。圖3.5在掃描電鏡下絨而電池表而的外貌高圖3.5在掃描電鏡下絨而電池表而的外貌高10饑的堆是方形底面金字塔的頂。這些金字塔的側面是硅晶體結構中相交的dll）ifti由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，其反射率很低，故絨面電池也稱為黑電池或無反射電池。各向異性腐蝕即腐蝕速度隨單晶的不同結晶方向而變化，一般說來，晶面間的共價健密度越高,也就越難腐蝕。對于硅而言，如選擇合適的腐蝕液和腐蝕溫度，（100）面可比（111）面腐蝕速度大數(shù)十倍以上。因此，（100）硅片的各向異性腐蝕最終導致在表面產生許多密布的表面為（111）面的四面方錐體，由于腐蝕過程的隨機性，方錐體的人小不等，以控制在3?6加為宜。硅的各向異性腐蝕液通常用熱的堿性溶液，如氫氧化鈉，氫氧化鉀，氫氧化鋰，聯(lián)氨和乙二胺等，商品化電池的生產中，通常使用廉價的氫氧化鈉橋溶液（濃度為1?2%）來制備絨面硅，腐蝕溫度為80?C左右，為了獲得均勻的絨面，還應在溶液中添加醇類（如無水乙醇或異丙醇等）作為絡合劑，加快硅的腐蝕。制結過程是在一塊基體材料上生成導電類型不同的擴散層，它和制結前的表面處理均是電池制造過程中的關鍵工序。制結方法有熱擴散，離子注入，外延，激光及高頻電注入法等。本節(jié)主要介紹熱擴散法。擴散是物質分子或原子運動引起的一種自然現(xiàn)象，熱擴散制p-n結法為用加熱方法使V族雜質摻入P型或III族雜質摻入n型硅。硅太陽電池中最常用的V族雜質元素為磷，11【族雜質元素為硼。對擴散的要求是獲得適合于太陽電池P-n結需要的結深和擴散層方塊電阻，淺結死層小，電池短波響應好，而淺結引起串聯(lián)電阻增加，只有提高柵電極的密度，才能有效提高電池的填充因子，這樣，增加了工藝難度，結深太深，死層比較明顯，如果擴散濃度太人，則引起重摻雜效應，使電池開路電壓和短路電流均卜降，實際電池制作中，考慮到各個因素,太陽電池的結深一般控制在0.3?0.5?m,方塊電阻均20?70?/口，硅太陽電池所用的主要熱擴散方法有涂布源擴散，液態(tài)源擴散，固態(tài)源擴散等，下面分別對這幾種方法作簡單介紹。涂布源擴散一般分簡單涂源擴散和二氧化硅乳膠源涂布擴散。簡單涂源擴散是用一、二滴五氧化二磷或三氧化二硼在水（或乙醇）中桶溶液，預先滴涂于P型或n型硅片表面作雜質源與硅反應，生成磷或硼硅玻璃。沉枳在硅表面的雜質元素在擴散溫度下向硅內部擴散。因而形成pn或np結。工業(yè)生產中，涂布源方法有噴涂，刷涂，絲網(wǎng)印刷，浸涂，旋轉涂布等。該方法成本低廉，適宜于小批量生產涂源擴散工藝的主要控制因素是擴散溫度，擴散時間和雜質源濃度,最佳擴散條件常隨硅片的性質和擴散設備而變化。實例：P型硅片晶向（111）電阻率1.0?cm擴散溫度900?950?C擴散時間10?15min氮氣流量30?70ml/min雜質源為特純P：05在水或乙醇中的溶液表面方塊電阻20?40?/□二氧化硅乳膠實際上是一種有機硅氧烷的水解聚合物，能溶于乙醇等有機溶劑中，形成有一定粘度的溶液，它在100?400?C卞燒烘烤后逐步形成無定型的二氧化硅。二氧化硅乳膠可在硅酸乙酯中加水和無水乙醇經過水解而成，也可將四氯化硅通入醋酸后加乙醇制得。乳膠中適量溶解五氧化二磷或三氧化二硼等雜質，并經乙醇桶釋成可用的二氧化硅乳膠源。實例l?cmP型硅片中，將摻雜五氧化二磷的這種源涂布，干燥溫度200?C擴散溫度800?950?C擴散時間15?60min則可使方塊電阻為10?40?/□結深0.5?m左右。液態(tài)源擴散有三氯氧磷液態(tài)源擴散和硼的液態(tài)源擴散，它是通過氣體攜帶法將雜質帶入擴散爐內實現(xiàn)擴散。其原理如圖3.6：圖3.6三氯氣磷擴散裝置示意圖對于p型10?cm硅片，三氯氧磷擴散過程舉例如下：（1）將擴散爐預先升溫至擴散溫度（850?900?C）o先通入人流量的氮氣（500?1000ml/min）,驅除管道內氣體。如果是新處理的石英管，還應接著通源，即通小流量氮氣,（40?100ml/min）和氧氣（30?90ml/min）,使石英壁吸收飽和。（2）取出經過表面準備的硅片，裝入石英舟，推入恒溫區(qū)，在人流量氮氣（500?1000ml/min）保護下預熱5分鐘。（3）調小流量,氮氣40?100ml/min、氧氣流量30?90ml/min<>通源時間10?15min。（4）失源，繼續(xù)通大流量的氮氣5min,以趕走殘存在管道內的源蒸氣。（5）把石英舟拉至爐I】降溫5分鐘，取出擴散好的硅片，硼液態(tài)源擴散時，其擴散裝置與三氯氧磷擴散裝置相同，但不通氧氣。固態(tài)氮化硼擴散通常采用片狀氮化硼作源，在氮氣保護下進行擴散。片狀氮化硼可用高純氮化硼棒切割成和硅片人小一樣的薄片，也可用粉狀氮化硼沖壓成片。擴散前，氮化硼片預先在擴散溫度下通氧30分鐘使氮化硼表面的三氧化二硼與硅發(fā)生反應,形成硼硅玻璃沉積下在硅表面，硼向硅內部擴散。擴散溫度為950?1000?C,擴散時間15?30分鐘，氮氣流量2000ml/min以下，氮氣流量較低，可使擴散更為均勻。擴散方法比較簡單涂布源擴散設備簡單，操作方便。工藝要求較低，比較成熟。擴散硅片中表面狀態(tài)欠佳，p-n結面不太平整，對于大面積硅片薄層電阻值相差較大。二氧化硅乳膠源涂布擴散設備簡單，操作方便，擴散硅片表面狀態(tài)良好，P—n結平整。均勻性，重復性較好。改進涂布設備。可以適用自動化，流水線生產。液態(tài)源擴散設備和操作比較復雜。擴散硅片表面狀態(tài)好，P—n結面平整，均勻性，重復性較好，工藝成熟。氮化硼固態(tài)源擴散設備簡單，操作方便，擴散硅片表面狀態(tài)好，P-n結面平整，均勻性，重復性比液態(tài)源擴散好適合于人批量生產。擴散過程中，在硅片的周邊表面也形成了擴散層。周邊擴散層使電池的上下電極形成短路環(huán)，必須將它除去。周邊上存在任何微小的局部短路都會使電池并聯(lián)電阻卞降，以至成為廢品。去邊的方法有腐蝕法，即將硅片兩面掩好。在硝酸、氫氟酸組成的腐蝕液中腐蝕30秒鐘左右。擠壓法是用人小與硅片相同，略帶彈性的耐酸橡膠或塑料，與硅片相間整齊隔開，施加一定壓力后，阻止腐蝕液滲入縫隙取得掩蔽。目前，工業(yè)化生產用等離子干法腐蝕，在輝光放電條件下通過氟和氧交替對硅作用，去除含有擴散層的周邊。去除背結常用下面三種方法，化學腐蝕法，磨沙法和蒸鋁燒結，絲網(wǎng)印刷鋁燒結法?；瘜W腐蝕是一種比較早使用方法，該方法可同時除去背結和周邊的擴散層，因此可省去腐蝕周邊的工序。腐蝕后背面平整光亮，適合于制作真空蒸鍍的電極。前結的掩蔽一般用涂黑膠的方法，照膠是用真空封蠟或質量較好的瀝青溶于甲苯，二甲苯或其它溶劑制成。硅片腐蝕去背結后用溶劑溶去真空封蠟，再經過濃硫酸或清洗液煮清洗。磨片法是用金鋼砂將背結磨去，也可以用壓縮空氣攜帶砂粒噴射到硅片背面除去。磨片后背面形成一個粗糙的硅表面，因此適應于化學鍍線制造的背電極。前兩種去除背結的方法，對于n+/n和P+/n型電池都適用，蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結法僅適用于n7p型太陽電池制作工藝。該方法是在擴散硅片背面真空蒸鍍或絲網(wǎng)印刷一層鋁，加熱或燒結到鋁一硅共熔點（57770以上燒結合金（如圖3.7）。經過合金化以后，隨著降溫，液相中的硅將重新凝固出來，形成含有一定量的鋁的再結晶層。實際上是一個對硅摻雜的過程。它補償了背面n-

層中的施主雜質，得到以鋁摻雜的p型層，由硅一鋁二元相圖可知（圖3.8）隨著合金溫度的上升，液相中鋁的比率增加。在足夠的鋁量和合金溫度下，背面甚至能形成與前結方向相AlS)(O9)<577CN?SiS)(O9)<577CN?SiAJSi熔液>577C|N-Si峑溫Al-Si共晶體NSi同的電場，稱為背面場，目前該工藝已被用于人批量的生產工藝。從而提高了電池的開路電壓和短路電流，并減小了電極的接觸電阻。圖3.7硅合金過程示意圖圖3.8鋁硅相圖背結能否燒穿與下列因素有關，基體材料的電阻率，背面擴散層的摻雜濃度和厚度，背面蒸鍍或印刷鋁層的厚度，燒結的溫度，時間和氣氛等因素。電極就是與p-n結兩端形成緊密歐姆接觸的導電材料。習慣上把制作在電池光照面上的電極稱為上電極。把制作在電池背面的電極稱為下極或背電極。制造電極的方法主要有真空蒸鍍、化學鍍銀，鋁漿印刷燒結等。鋁漿印刷是近幾年比較成熟和在商品化電池生產中大量被采用的工藝方法。電極及電極材料的選擇：對于制作的上卜電極材料一般要滿足卜?列要求：（1）能與硅形成牢固的接觸（2）接觸電阻比較小，應是一種歐姆接觸（3）有優(yōu)良的導電性??''桂巫蛍百分數(shù)(4)遮擋面積小，一般小于8%(5)收集效率高(6)可焊性強(7)成本低廉(8)污染比較小。歐姆接觸一般分高復合接觸，低勢壘接觸，高摻雜接觸等，制作方法有：真空蒸鍍法一般用光刻方法或用帶電極圖形掩膜的電極模具板。掩膜由線切割機，光刻加工或激光加工的不銹鋼箔或被銅箔制成。<2)化學鍍鐮制作電極利用銀鹽(氯化鈉或硫酸銀)溶液在強還原劑次磷酸鹽的作用下，依靠鍍件表面具有的催化作用，使次磷酸鹽分解出生態(tài)原子氫將銀離子還原成金屬線，同時次磷酸鹽分解析出磷，因此在鍍件表面上獲得銀磷合金的沉積鍍層，化學鍍線的配方很多，堿性溶液用于半導體鍍銀比酸性溶液好，下面是一種典型鍍液的萬分：TOC\o"1-5"\h\z氯化銀30g/l氯化技50g/l檸檬酸錢65g/l次磷酸鈉10g/l絲網(wǎng)印刷制作電極真空蒸鍍和化學鍍銀制作電極的方法是一種傳統(tǒng)的制作方法，但存在工藝成本較高，耗能量犬，批量小，不適宜于自動化生產，為了降低生產成本和提高產量，人們將厚膜集成電路的絲網(wǎng)漏印工藝引入太陽電池的生產中。目前，該工藝已走向成熟，使線條的寬度可降到50?m,高度達到10?20?m。上電極的設計的一個重要方向是上電極金屬柵線的設計。當單體電池的尺寸增加時，這方面就變得愈加重要。圖3.9為幾種在地面應用電池中使用的上電極的設計方法。對于普通的電極設計，設計原則是使電池的輸出最人，即電池的串聯(lián)電阻盡可能小和電池的光照作用面積盡可能大。13%13%。金屬電極一般由兩部分構成如圖3.10所示，主線是直接將電流輸?shù)酵獠康妮^粗部分,柵線則是為了把電流收集起來傳遞到主線上去的較細的部分。如圖3.10(a)那樣的對稱分布可以分解成如圖3.10(b)所示的一個個的單體電池。這種單電池的最人輸出功率可由ABJdJ得到，式中AB為單電池的面積，J中和％＞分別為最人功率點的電流密度和電壓。用單電池的最大功率輸出歸一化后，得到柵線和主線的電阻功率損耗分別為(a)(b)圖3.10（a）示出主線和柵線的上電極設計的示童圖。圖屮也表示出

這個設計的對稱性。根據(jù)這種對稱性電極可以分解成12個

相同的單電池：（b）典型的單電池的重要尺寸?曲和?沁分別為電極的柵線和主線的金屬層的薄層電阻。在某些情況下，這兩種電阻是相等的。而在另一些情況卞，如浸過錫的電池，在較寬的主線上又蓋了一層較厚的錫，？汕就比較小。如果電極各部分是線性地逐漸變細的，則m值為4,如果寬度是均勻的，則m值為3。％和Wb是單電池柵線和主線的平均寬度。S是柵線的線距。由于柵線和主線的遮擋布而引起的功率損失是：忽略直接由半導體到主線的電流，接觸電阻損耗僅僅是由于柵線所引起的，這都分功率損耗一般近似為其中?c是接觸電阻率。對于硅電池來說，在一個太陽下工作時，接觸電阻損耗一般不是主要問題。余卞的是由于在電池的頂層橫向電池所引起的損耗。其歸一化形式為其中Z是電池表面擴散層的方塊電阻。主線的最佳尺寸可以由（2）和（4）式相加，然后對恥求導而得出。結果為當主線的電阻損耗等于其遮擋損失時，其尺寸最佳，這時，同時，這部分功率損失的最小值由下式得出：這表明使用逐漸變細的主線（m二4）而不是等寬度的主線時（m二3）,功率損失人約低從上面一些式子可看出，單從數(shù)字上講，當柵線的間距變得非常小以致橫向電流損耗可忽略不計時，出現(xiàn)最佳值。于是，最佳值由下面條件給出，即即：（%+Pt+Py+=2BJ也號宦?A（10）VVnip實際上，不可能得到這個最佳值，在特定的條件下，要保持產品有較高的成品率，冊及S的最小值均受到工藝條件的限制。在這種情況下，可通過簡單的迭代法實現(xiàn)最佳柵線的設計。若把柵線寬度％取作在特定工藝條件下的最小值，則對應于這個最小的S值能夠用漸近法求出，對某個設定值S,可計算出相應的各部分功率損失PcoP詰和Pz然后可按下式求出一個更接近最佳值的值S*這個過程將很快收斂到相應于最佳值的一個不變的值上。從式（10）計算的S值是一個過高的估計值，由此可求出最佳的初試值。用式（10）所算出的S值的一半作初試值即可得出一個穩(wěn)定的迭代結果。對于卞電極的要求是盡可能布滿背面，對于絲網(wǎng)印刷，覆蓋面積將影響到填充因子。光照射到平面的硅片上，其中一部分被反射，即使對絨面的硅表面，由于入射光產生多次反射而增加了吸收，但也有約1氓的反射損失。在其上覆蓋一層減反射膜層，可大人降低光的反射，圖3.11中示出四分之一波長減反射膜的原理。從第二個界面返回到第一個界面的反射光與第一個界面的反射光相位差1807C,所以前者在一定程度上抵消了后者。圖3.11山四分之一波長減反射膜產生的于涉效應在正常入射光束中從覆蓋了一層厚度為&的透明層的材料表面反射的能量所占比例的表達式為其中G、r：由下式得出：式中m代表不用媒質層的折射率。由下式給出：當nd二?。/4時，反射有最小值：如果反射率是其兩邊材料的折射率的幾何平均值（nJ二nonJ）,則反射值為零。對于在空氣中的硅電池（皿二3.8）,減反射臉的最佳折射率是硅折射率的平方根（即11切二1.9）。圖3.12中有一條曲線表示出在硅表面覆蓋有最佳折射率（1.9）的減反射膜的情況下，從硅表面反射的入射光的百分比與波長的關系。35353535圖3.12從裸霜的硅表面和從覆蓋有折射率為1.9和2.3的

減反射膜的硅表面反射的正常入射光的百分比與波長的關系

減反射膜的M度的選取使得波長在600nm處產生姒小的反射’虛線

表示將硅封裝在玻璃或冇類似折射率的材料Z下的結果電池通常是裝在玻璃之下（nE.5）o這使減反射膜的折射率的最佳值增加到人約2.3。覆蓋有折射率為2.3的減反臉的電池在封裝前為封裝后對光的反射情況也表示在圖12中。商品化太陽電池中使用的一些減反射膜材料的折射率如下表。除了有合適的折射率外，減反射膜材料還必須是透明的，減反射膜常沉積為非結晶的或無定形的薄層，以防止在晶界處的光散射問題。表：制作減反射膜所用材料的折射系數(shù)材料折射系數(shù)MgF：1.3?1.4SiO：1.4?1?5AlcOs1?8?1?9SiO1?8?1?9SisN.<?1.9TiO：?2.3Ta：052.1?2?3ZnS2.3?2.4減反膜的制備方法：真空鍍SiO類金剛石膜濺射法Ta^OsIT膜NbcOsSiO：TiO：印刷法TiOTacOs噴涂法Ti(OGH)鈦酸乙酰PECVD沉積SisN.,2.3太陽電池組件及封裝單體太陽電池不能直接作電池使用。作電源用必須將若干單體電池串、并聯(lián)連接并嚴密封裝成組件。對太陽電池組件要求為：（1）有一定的標稱工作電流輸出功率。（2）工作壽命長，要求組件能正常工作20?30年，因此要求組件所使用的材料，零部件及結構，在使用壽命上互相一致，避免因一處損壞而使整個組件失效。（3）有足夠的機械強度，能經受在運輸、安裝和使用過程中發(fā)生的沖突，振動及其它應力。（4）組合引起的電性能損失小。（5）組合成本低。常規(guī)的太陽電池組件結構形式有卞列幾種，玻璃殼體式結構如圖3.13,底盒式組件如圖3.14,平板式組件如圖3.15,無蓋板的全膠密封組件如圖3.16。目前還出現(xiàn)較新的雙面鋼化玻璃封裝組件。圖3?13玻璃殼體式太陽電池組件示總圖1一玻璃殼體：2—硅太陽電池：3—互連條：4一粘接劑:5—襯底：6—下底板：7—邊椎線：8—電極接線柱。圖3.14底盒式太陽電池組件示意圖1一玻璃蓋阪2—硅太陽電池：3—盒式下底板：4一粘接劑：5—甘底:圖3?15平板式太陽電池組件示意圖1一邊権：2—邊柩封裝膠：3—上玻璃蓋板:4一粘接劑：5—下底板:6—硅太陽電池：7—互連爬8—引線護套：9一電極引線。圖3.16全膠密封太陽電池組件示意圖1一硅太陽電池；2—粘接劑：3—電極引線；4一下底板：5—互連敘組件工作壽命的長短和封裝材料，封裝工藝有很犬的關系，它的長短是決定組件壽命的重要因素之一。在組件中它是一項易被忽視但在實用中是決不能輕視的部件?，F(xiàn)對材料分述如下。上蓋板上蓋板覆蓋在太陽電池組件的正面，構成組件的最外層，它既要透光率高，又要堅固,起到長期保護電池的作用。作上蓋板的材料有：鋼化玻璃、聚丙烯酸類樹脂、氟化乙烯丙烯、透明聚酯、聚碳酯等。目前，低鐵鋼化玻璃為最為普遍的上蓋板材料主要有：室溫固化硅橡膠、氟化乙烯丙烯、聚乙烯醇縮丁醛、透明雙氧樹酯、聚醋酸乙烯等。一般要求其：（1）在可見光范圍內具有高透光性（2）具有彈性（3）具有良好的電絕緣性能。（4）能適用自動化的組件封裝一般為鋼化玻璃、鋁合金、有機玻璃、TPF等。目前較多應用的是TPF復合膜，要求：（1）具有良好的耐氣候性能（2）層壓溫度下不起任何變化（3）與粘接材料結合牢固平板組件必須有邊框，以保護組件和組件與方陣的連接固定。邊框為粘結劑構成對組件邊緣的密封。主要材料有不銹鋼，鋁合金，橡膠，增強塑料等。平板式組件制造工藝流程如下：單體電池制備互連條1上電極焊互連條單防電池分選組合焊接組合電池測試玻璃清洗?疊層層壓封裝邊框封裝電性能測試組件檢輪組件包裝第三章太陽電池測試3.1太陽模擬器太陽電池是將太陽能轉變成電能的半導體器件，從應用和研究的角度來考慮，其光電轉換效率、輸出伏安特性曲線及參數(shù)是必須測屋的，而這種測量必須在規(guī)定的標準太陽光卞進行才有參考意義。如果測試光源的特性和太陽光相差很遠，則測得的數(shù)據(jù)不能代表它在太陽光下使用時的真實情況，甚至也無法換算到真實的情況，考慮到太陽光本身隨時間、地點而變化，因此必須規(guī)定一種標準陽光條件，才能使測量結果既能彼此進行相對比較，又能根據(jù)標準陽光下的測試數(shù)據(jù)估算出實際應用時太陽電池的性能參數(shù)。（1）發(fā)光強度。按照1979年第16屆國防計量會議（CGPN）確定，以坎德拉（cd）為發(fā)光強度的計量單位?？驳吕且还庠丛诮o定的方向上的光強度，該光源發(fā)出頻率為540?101：Hz的光學輻射，且在此方向上的輻射強度為l/683WSr_1（2）光通量。光通量的單位是流明（lm）,它用來計量所發(fā)岀的總光量，發(fā)光強度為led的點光源，向周圍空間均勻發(fā)出4?流明的光能量。（3）光強度。指照射于一表面的光強度，它用勒克斯（lx）作為單位，當11m光通量的光強射到lm‘面枳上時，該面積所受的光照度（簡稱照度）就是1"。（4）輻射度，通常稱為光強，即入射到單位面積上的光功率，單位是W/m'或mw/crn^對空間應用，規(guī)定的標準輻照度為1367w/m：（另一種較早的標準規(guī)定為1353w/m2）,對地面應用，規(guī)定的標準輻照度為1000w/m\實際上地面陽光和很多復雜因素有關，這一數(shù)值僅在特定的時間及理想的氣候和地理條件下才能獲得。地面上比較常見的輻射照度是在600^900w/m：范闈內，除了輻照度數(shù)值范圍以外，太陽輻射的特點之一是其均勻性，這種均勻性保證了同一太陽電池方陣上各點的輻照度相同。太陽電池對不同波長的光具有不同的響應，就是說輻照度相同而光譜成分不同的光照射到同一太陽電池上，其效果是不同的，太陽光是各種波長的復合光，它所含的光譜成分組成光譜分布曲線，而且其光譜分布也隨地點、時間及其它條件的差異而不同，在犬氣層外情況很單純，太陽光譜幾乎相當于6000K的黑體輻射光譜，稱為AMO光譜。在地面上，由于太陽光透過人氣層后被吸收掉一部分，這種吸收和犬氣層的厚度及組成有關，因此是選擇性吸收，結果導致非常復雜的光譜分布。而且隨著太陽天頂角的變化，陽光透射的途徑不同吸收情況也不同。所以地面陽光的光譜隨時都在變化。因此從測試的角度來考慮，需要規(guī)定一個標準的地面太陽光譜分布。目前國內外的標準都規(guī)定，在晴朗的氣候條件卜，當太陽透過人氣層到達地面所經過的路程為大氣層厚度的1.5倍時，其光譜為標準地面太陽光譜，簡稱AM1.5標準太陽光譜。此時太陽的天頂角為48.19?,原因是這種情況在地面上比較有代表性。在大氣層外，太陽光在真空中輻射，沒有任何漫射現(xiàn)彖，全部太陽輻射都直接從太陽照射過來。地面上的情況則不同，一部分太陽光直接從太陽照射下來，而另一部分則來自大氣層或周I制壞境的散射，前者稱為直接輻射，后者稱為天空輻射。二部分合起來稱為總輻射,在正常的犬氣條件卞，直接輻射占總輻射的75%以上，否則就是大氣條件不正常所致，例如由于云層反射或嚴重的大氣污染所致。天氣晴朗時，陽光輻照是非常穩(wěn)定的，僅隨高度角而緩慢的變化，當天空有浮云或嚴重的氣流影響時才會產生不穩(wěn)定現(xiàn)象，這種氣候條件不適宜于測量太陽電池，否則會得到不確定的結果。3?2太陽模擬器綜上所述，標準地面陽光條件具有1000w/m2的輻照度，AM1.5的太陽光譜以及足夠好的均勻性和穩(wěn)定性，這樣的標準陽光在室外能找到的機會很少，而太陽電池又必須在這種條件下測量，因此，唯一的辦法是用人造光源來模擬太陽光，即所謂太陽模擬器。3.2.1穩(wěn)態(tài)太陽模擬器和脈沖式太陽模擬器穩(wěn)態(tài)太陽模擬器是在工作時輸出輻照度穩(wěn)定不變的太陽模擬器，它的優(yōu)點是能提供連續(xù)照射的標準太陽光，使測屋工