太阳能电池重点答案(前4章)

第一章1. 法国物理学家 Edmond Becquerel 于 1839 年首先观察到光伏效应。2. 1883 年美国科学家 Charles fritts 制造了历史上第一个太阳能光电池。3. 1954 年贝尔实验室的科学家研制出了第一块现代太阳能电池，转换效率达到 6% ，这是太阳能电池发展史上一个重要里程碑。4. 2000 年德国首先颁布可再生能源法。5. 光子的能量？能量（ eV）与波长（ μ m）的关系。（计算）答：光子的能量： E(J) = hf = hc/ λ能量与波长的关系： E (eV ) = 1.24 / λ （ μm ）。光的能量与波长成反比。6. 太阳的能量主要来源于太阳内核发生核聚变反应（氢转换成氦），这些能量以电磁波的形式向四方辐射：太阳表面温度高达 6000 k 。7. 太阳光照射在距离 D 处的球面，入射到物体的光强为？（计算）答： （式中 ， Isun 为太阳的表面辐射功率强度）8. 大气效应主要在哪些方面影响着地球表面的太阳辐射？答：1）由大气吸收、散射和反射引起的太阳辐射能量的减少。2）由于大气对某些波长的较为强烈地吸收和散射而导致光谱含量的变化。3）当地大气层的变化引起入射光能量、光谱和方向的额外改变。引起的太阳辐射能量的减少：导致光谱含量的变化。（特殊的气体包括：臭氧（ O3），二氧化碳（ CO 2）和水蒸气（ H2O）都能强烈地吸收能量与其分子键能相近的光子。从而改变太阳的光谱含量，使得辐射光谱曲线深深地往下凹。然而空气分子和尘埃，却是通过对光的吸收和散射成为辐射能量减少的主要因素）9. 什么叫光学大气质量？太阳在相对水平面成 30?的高度，其相应的大气光学质量是多少？答：光线通过大气层的路程，太阳在头顶正上方时，路程最短。我们把实际路程与此最短路程的比称之为大气光学质量。简称 AM。大气光学质量表达式：（ θ 为太阳和头顶正上方成角度）当太阳在头顶上方时， AM=1 ，称为大气光学质量 1 的辐射。当太阳在相对水平面成 30?时，10. 地球表面的标准光谱称为 AM1.5 ，辐射能量密度为 1000 W/m 2；地球大气层外的标准光谱称为AM0 ，辐射能量 密度为 1366 W/m 2。11. 北半球，正午时分太阳高度角？式中各量表示什么？答：北半球正午时分太阳高度角表达式：式中 ф 为观测位置所处的纬度； δ 为偏向角，大小取决于所在一年中的天数，北半球：春分日和秋分日偏向角为 0° ，夏至日偏向角为 23.45° ，冬至日偏向角为 -23. 45° 。在赤道地区（纬度为 0?），春分日和秋分日：太阳处在头顶时高度角为 90?；在北回归线处（大约在纬度 23.5 ?），夏至日，太阳在头顶正上方，其高度为 90?。第二章1. 硅的晶体结构为金刚石结构。2. 求晶面的密勒指数？答：选一格点为原点，并作出沿三轴线，在某族晶面中必有一个离原子最近的晶面，假设它在 3个坐标轴上的截面距分别为 h1 ,h2 ,h3 , 用（ h1,h2,h3 ）来标志这个晶面系－密勒指数：注意：若晶面系和某轴线平行，截面距将为 ∞ 。所对应的指数为 0。3. 本征载流子浓度特点？载流子数目取决于什么？（ Or：禁带宽度，温度与本征载流子浓度的关系）答：本征载流子浓度特点：本征材料中，导带内电子数 n 等于价带内的空穴总数 p： n=p=ni （ ni为本征载流子浓度）。载流子的数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度：宽禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的本征载流子浓度一般比较低；可以通过提高温度让电子更容易被激发到导带，同时提高了本征载流子的浓度。4. V、 III 族掺杂半导体的平衡载流子浓度特点？少子浓度与掺杂水平的关系？答：掺杂后，平衡载流子浓度等于本征载流子浓度加上掺杂入半导体的自由载流子的浓度。V 族掺杂： ， III 族掺杂：多子的浓度几乎等于掺杂的载流子浓度。少子的浓度随着掺杂水平的增加而减少。5. 迁移率与掺杂浓度、有效质量关系？迁移率与扩散系数的关系。答：迁移率 μ ：定义为单位电场作用下载流子获得平均速度，反映了载流子在电场作用下输运能力。随着掺杂浓度的增加，迁移率减少。随着有效质量的增加，迁移率减小。对于非简并半导体（掺杂浓度不是很高），电子扩散系数与电子迁移率、空穴扩散系数与空穴迁移率的关系：第三章1. 一个光子是被吸收还是透射取决于什么？（光子能量和禁带宽度 Eg）什么样的情况下，光子能量才能被吸收？答：一个光子是被吸收还是透射取决于：光子能量 Eph 和禁带宽度 Eg。（ 1） EphEg 光子能量被强烈吸收。（ 3） Eph=Eg 光子的能量刚刚好足够激发出一个电子 -空穴对，能量被完全吸收。2. 波长 λ ，光强为 Io 的单色光入射到半导体表面，其反射率为 R。如果半导体对该波长的吸收系数为 α ，则光进入半导体深度 x 的关系式为什么？光子通量 N 与半导体深度 x 的关系式是什么？如果减少的光能量全部用来产生电子 — 空穴对（即每吸收一个光子产生一个电子 — 空穴对），则电子 — 空穴对的产生率 G 与穿透半导体的深度 x 之间的关系是什么？答：1） I = (1-R ) Io e –α x （ α 的单位为 cm-1 ）（补充：吸收深度 x 与吸收系数 α 成反比例关系。对于给定波长的光，吸收系数 α 决定了光束在进入电池表面多深的距离 x 可以被吸收掉。吸收系数 α 的大小与材料（禁带宽度）和光的波长（光子能量）有关。光子能量越高，波长越短，吸收系数越大，吸收深度越短）2） （暂时不知道答案）3） G = αN o e –α x3. 半导体材料： GaAs ， ZnO ， GaN ， Si， Ge，哪些是直接带隙半导体、哪些是间接带隙半导体？直接、间接带隙半导体吸收光过程有什么不同？答：直接带隙半导体： GaAs ， ZnO ， GaN ；间接带隙半导体： Si， Ge （补充：直接带隙：价带极大值和导带极小值都位于 k 空间的原点上。直接跃迁。间接带隙：价带极大值和导带极小值不位于 k 空间的原点上。间接跃迁。）1）直接带隙半导体吸光过程：材料吸收光子能量后，将电子从价带激发到导带，同时在价带留下空位。光子动量很小， 跃迁发生在同一竖直线上。2）间接带隙半导体吸光过程：电子在跃迁过程中，光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需的动量，这样跃迁可在光子能量较低的情况下发生。3）间接带隙吸收过程需要另外的粒子，该过程的光吸收几率比直接带隙吸收情况小的多，所以吸收系数小。4. 辐射复合的特点是什么？在哪种带隙半导体进行得更有效？答：辐射复合中，来自导带的电子与价带的空穴直接结合并释放一个光子。释放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，大部分能够飞出半导体。对于辐射复合：净复合率 = 总的复合率 - 平衡时的产生率。辐射复合在直接带隙半导体中进行的更有效。5. SRH 复合的特点是什么？载流子被俘获到缺陷能级的概率取决于什么？缺陷能级位于什么位置时，发生复合的概率最大？答：半导体中的杂质和缺陷会在禁带间隙中产生允许能级，这个缺陷能级引起经由陷阱的复合。经由陷阱的复合 (SRH) ：电子从导带能级弛豫到缺陷能级，然后再弛豫到价带，最后与一个空穴复合。载流子被俘获到缺陷能级的概率取决于能级到导带和禁带的距离。处在禁带中间的能级发生复合的概率最大。6. LED 灯和激光这类的半导体器件的主要复合机制是什么？硅太阳能电池来说，什么复合是主要的复合过程？答：辐射复合是 LED 灯和激光这类的半导体器件的主要复合机制。对硅太阳能电池来说，经由陷阱的复合 (SRH) 为主要的复合过程。 （补充：它的复合率取决于材料中的缺陷数量，所以当太阳能电池的掺杂量增加时， SHR 复合率也将随之增加。对硅太阳能电池来说，因为硅不是直接带隙半导体，电子不能直接从价带跃迁到导带，所以辐射复合并不是主要的复合过程。）7. 在硅中，少子寿命可以达到 10 μ s。对于单晶硅太阳能电池来说，扩散长度通常在 100-300 μ m 之间。第四章1. PN 结内建电势的表达式，它与掺杂程度、禁带宽度之间的关系。答：2. 太阳能电池基本工作原理。（具体过程：载流子的流动）答：太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。太阳能电池能量转换的基础是半导体 PN 结的光生伏打效应。当光照射到半导体光伏器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在 N区、耗尽区、 P 区中激发出光生电子空穴对。（ 1）在耗尽区外：光照产生的电子空穴对，由于没有内建电场的作用，并且多子浓度基本上不受光照效应的影响，所以在光照下，少子浓度增加，会产生的扩散电流。（ 2） P 区内：由于耗尽层靠近 P 区边缘的电子浓度较低，所以 P 区内光照产生的光生电子（少子）会扩散进入耗尽区，再流入 N 型区，光生空穴（多子）留在 P区；（ 3） N 区内：光照产生的光生空穴（少子）会扩散进入耗尽区，进而再流入 P 型区，光生电子（多子）留在 N 区。耗尽层内的漂移电流、 P 区的电子扩散电流、 N 区空穴扩散电流的总和就是 ― 光生电流 ‖ 。在 P-N 结两侧形成了正、负电荷的积累，使 N 区储存了过剩的电子， P 区有过剩的空穴，从而形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消内建电场的作用外，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了电动势，这就是光生伏打效应。3. 电池外接负载时，光电流为 IL，正向结电流 Ip，流过负载的电流的关系？答： I = I L – Ip4. 太阳能电池中工作电流与短路电流、工作电压与开路电压的关系？理想太阳能电池的电压与电流的关系表达式、暗电流表达式。答：1）短路电流是电池能输出的最大电流。2）开路电压是电池能输出的最大电压。3）理想太阳能电池的电压与电流的关系表达式：4）暗电流表达式： （ A 为二极管的横截面积）5. 太阳能电池的输出参数有哪些？开路电压、填充因子、能量转换效率的定义式什么，表达式是什么？答：太阳能电池的输出参数：短路电流 Isc 、开路电压 Voc、填充因子 FF、转换效率 η 。1）短路电流： Isc = - I L （ V=0）2）开路电压： （ I=0） （补充： Voc 大小主要取决于 IL 和 I0）3）填充因子：（填充因子 FF 是电池的最大输出功率 Pm 与开路 Voc 和 Isc 的乘积的比值）定义式： 表达式： （式中 voc=V oc /(kT/q) >10 时）（补充： FF 正常范围： 0.7~0.85 ）4）转换效率：（定义为太阳能电池输出功率 Pm 与进入电池的太阳辐射光功率 Pin 的比值）（补充： η 正常范围： 15%~18% ）6. 实验室测得的硅太阳能电池在 AM1.5 光谱下地最大开路电压达到 720 mV ，而商业用太阳能电池通常为 600 mV 。7. 当电池温度为 300 K 时，面积为 100 cm 2 的硅太阳能电池在 100 mW/cm 2 光照下，开路电压为600 mV ，短路电流为 3.3 A 。假设电池工作在理想状况下，问在最大功率点它的能量转换效率是多少？答：在温度为 300k 时， kT/q=25.85mV ，因为 voc =V oc /(kT/q) =600/25.85 =23.25 >10 ，所以：=(23.25-ln(23.25+0.72)) / (23.25+1) =0.83 =(600X3.3X0.83) / (100X100) =16.4% 第五章1. 禁带宽度与短路电流，开路电压的关系？2. 开路电压的大小主要取决于什么？其中最主要的影响因素是什么？3. 温度与太阳能电池的影响是什么？以硅太阳能电池为例说明。4. 短路电流的损失因素是什么？5. 太阳能电池中，最常见的寄生电阻是什么？它们分别是由什么产生的？寄生电阻对电池最主要的影响是什么？6. 太阳能电池的等效电路，电路中各部件的含义。7. 填充因子的计算：理想状况下、仅串联电阻影响时、仅分流电阻影响时，串联电阻和分流电阻都存在时。8. 太阳能电池的测试条件是什么？第六章1. 由砂到单晶硅片的主要过程是什么？反应式是什么？2. 冶金级硅中主要的杂质是什么？3. 单晶硅的生长方法有哪些，目前使用最广泛的单晶硅片类型是什么？4. 晶体硅电池板中由哪几部分组成，各部分通常用用的材料是什么？5. 晶体硅电池板中前表面封装材料应具有什么样的特点？6. 晶体硅电池板中前表面封装密度的定义，它的大小取决于什么，它对太阳能电池有什么影响？7. 光伏组件向外散发热量可分为几个过程，这些过程的原因是什么？8. 大多数光伏组件由 36 块电池片串联组成，以使输出的电压足以为 12V 的电池充电。9. 在互联的电池中，什么是失配现象？出现失配时，整个光伏组件的输出是有谁决定的？会产生什么现象？（会影响整个太阳能电池方阵所发出的电力，从而产生热斑现象）10. 两个太阳电池串联时，下面两种情况下，电池是怎么工作的：（ 1）正常工作时。（ 2）电池 2 被阴影遮挡 50% 时。出现第二种情况下，怎么解决这种失配现象，原理是什么？第七章1. 举例说明太阳能电池中减少光损失的方法。2. 在光伏应用中，设计减反膜的厚度和反射率，使波长为 0.6 μ m 的光的反射率达到最小。3. 硅太阳能电池中，光生载流子的收集几率是位置的函数，它的大小取决于什么因素？说明电池内部：耗尽区、耗尽边缘、电池表面区域处收集几率的特点。4. 在硅太阳能电池中，采用什么技术去减小复合效应。5. 硅太阳能电池中，电池体的电流方向是什么（体电流，垂直于电池表面），电池表面的电流方向是什么（横向电池，横向流过电池材料的顶层）？6. 横向电阻引起的相对功率损耗表达式的推导。7. 对于一个典型的市售硅电池， ? s = 40 ? /， Jnp = 30 mA/cm 2， Vnp = 450 mV ，为了使由于顶层横向电阻影响引起的功率损耗小于 4% ，栅极间隔应为多少？8. 光谱响应、量子效率的定义。