太阳能光伏电池及其应用pptConvertor.docx

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太阳能光伏电池及其应用试题

2012.3.18

◆二、课程简介

 本书对有关太阳能电池及太阳能发电系统的世界最新技术进行了综述。

各章各节的执笔者都选自日本的杰出专家，由他们介绍尖端技术的现状。

具体内容包括太阳能电池的原理及装置物性、单晶硅太阳能电池和太阳能电池模板、非晶硅及微晶硅薄膜太阳能电池、CIS以及CIGS系太阳能电池、色素增感型太阳能电池等。

该书可供各大专院校作为教材使用，也可供从事相关工作的人员作为参考用书使用。

★1  总论

★2  太阳能电池的原理及装置物性

★3  单晶硅太阳能电池和太阳能电池模板

★4  多晶硅太阳能电池

★5  非晶硅及微晶硅薄膜太阳能电池

★6  CIS以及CIGS系太阳能电池

★7  Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池

★8  色素增感型太阳能电池

★9  太阳能电池在日常生活中的应用

★10  住宅用太阳光发电系统

★11  楼房用太阳光发电模板及其系统

★12  空间太阳光发电所

★13  太阳光发电的展望

第一章  总论

1.1  引言

  1.2  能源革命与文明的进步

  1.3  能量的需求预测与能源资源

  1.4  3E的三重矛盾与解决策略

  1.5  太阳能的质和量

  1.6  太阳能发电的独特特点

第一章  

一、填空

1.人们生活所必需的能源可分为维持个人生命的（生理能源）和（日常生活、社会活动及生产活动中使用的（生活能源）两部门。

2.目前，占现有一次能源45%的电力能源包括煤炭火力发电和重油火力发电。

人类文明的进步与人类社会工业化、近代化的变迁，都称为动力来源的一次能源的形态和变迁。

4、伴随着能源工业化的进展，人们选择更方便、更经济性的能源形态，也就是说，这一技术革新也是基于经济大原理而产生的。

5、不同于化石能源的消费的原子能发电，称之为生态发电的太阳能发电、风力发电的应用。

6、在化学能源枯竭之前找到清洁的替代能源。

7、3E三重矛盾是在经济发展的过程中，伴随着能源的消费，以化石能源为主体的资源需求结构会造成对环境的破坏。

8、到达地球表面的太阳能，是通过几乎接近真空的宇宙空间，以电磁波的形式辐射过来。

9、太阳能到达地球的总辐射能量应该是太阳常数与地球表面投影面积的乘积。

10、太阳能电池的转换效率几乎是恒定的，与其所利用的装置规模与大小无关。

11、光发电是对废弃能源有效利用。

二、问答题：

1.什么是3E矛盾？

2.人们生活所必需的能源的组成有哪几部分？

3.什么是生态发电？

生态发电的重要意义是什么？

4.什么叫太阳常数？

5.太阳能发电的优点？

2.1  引言

  2.2  半导体的光吸收和光传导效率

  2.3  半导体的光电效应

  2.4  太阳能电池的原理及能量转换效率

  2.5  理论极限效率和太阳能电池的损失

  2.6  高效率化技术及其装置物性

第二章  太阳能电池的原理及装置物性

一、填空

1、光和物质的相互作用有：

吸收、反射、折射、偏转漫射等现象。

引起这些现象的本质过程，可以理解为物质内存在的载流子和电磁波之间的相互作用。

2、光引起的电子跃迁门槛值所需的能量，是由原子规则排列产生的结晶结构中的禁带宽度所决定的。

3、迁移前后电子动量不发生变化，垂直移动叫直接跃迁;而在跃迁前后动量变化时，所表示的结晶空穴振动能量的移出、移入、称为间接跃迁。

4、半导体的界面或表面被光照射产生载流子后，生成的电子和空穴由于载流子的作用向相反的方向漂移，引起载流子的极化，从而产生了因光照射引起的电流。

5、太阳能电池由于要接收太阳辐射光，所以具有很大面积的PN结二极管，引起光电效应必要的内建电场，就是利用了PN结的界面诱导电场。

6、太阳能电池的能量转换效率是从太阳能电池的端子输出的电力能力与输入的太阳能辐射光能量的比。

7、以标称效率为基础，用于计算太阳能电池的输出测定法，可以求得实用太阳能电池的性能指数。

8、光电流与照射的光强度有关系，与所加的电压无关，是一个固定值。

9、太阳能电池的输入光与波长有相关性。

10、太阳能电池处于开路状态，与辐射光强度相对应会产生一个电压，此时的电压称为开路电压。

11、填充因子是表示太阳能电当好坏的重要指标。

12、结晶硅的理论极限为28%，其研究阶段为24%，

大量生产规模为18%~20%。

13、存在具有最低禁带宽度εɡ的Hω-QVOC的损失,此损失叫做电压因子损失。

13、目前实用化的太阳能电池中98％使用的是硅材料。

14、为了发挥太阳能转换因子的作用，将光生成的电能有效输出到输出端的电极配置的设计也是重要的因素，这就是D。

15、利用两种半导体的异质结串联太阳能电池，称为叠层太阳能电池。

16.光的吸收系数a被定义为单位距离光强度的衰减比。

17.决定半导体光学特性最重要是波段是红外光到可见光范围。

18.标称效率：

太阳光线通过的空气气量条件为AM1.5，输入光的功率为100mW/cm2，在负荷变化的最大电力输出与其的比值。

1、什么是禁带宽度？

2、什么叫半导体的基础吸收边缘？

3、什么叫光传导效应？

由几种类型组成的？

4、什么叫光生伏特效应？

什么是丹倍效应？

什么是PEN效应？

5、太阳能电池的工作原理是什么？

能量转换效率的表达式是怎样？

什么是标称效率？

6、什么叫短路光电流密度？

7、什么叫开路电压？

开路电压的表达式

8、太阳能电池的转换效率的表达式？

9、什么叫太阳能理论极限效率？

10、太阳能电池转换率低下，产生损失的主要原因是什么?

二、简答

11、请画出太阳能电池作用的四个基本功能图？

其中ABCD的作用各是什么？

12、入射到材料的光能的有效封闭的技术有几种方法？

13、光生载泫子的有效收集和光电效果的增大技术有几种？

14、光生成载流子的复合损失的减少技术有几种？

15、直接电阻损失的减少技术有几种？

16、电压因子损失的有几种？

17、更宽光谱的光能的收集技术有几种？

18、什么是BSF？

19.什么是直接跃迁和间接跃迁？

第三章  单晶硅太阳能电池和太阳能电池

模板

3.1  引言

  3.2  单晶硅太阳能硅片的制造方法

3.3  HIT太阳能电池片及其制造方法

3.4  大面积太阳能电池模板

3.5  采光型太阳能电池模板

3.6  超高效率太阳能电池

1、单晶硅太阳能和多晶硅太阳能电池的产量合计约占世界太阳能产量的80%左右。

2、单晶硅棒和PN结的制造技术等，与IC以及LSI等半导体制造技术有较多共同部分，且历史悠久，实际业绩突出。

3、单晶硅太阳能电池制造工程由电池片工程和模板工程组成。

4、原材料用硅砂，先将其还原为纯度为97％-98％的金属硅，为了进一步提高纯度，将金属硅与盐酸反应，生成三氯氢硅，再将其还原、热分解得到纯度为99.99999％以上的多晶硅。

5、将得到的多晶硅进行溶解，做成单晶硅，其方法有乔克莱尔斯基法（CZ）和浮游带熔融法（FZ）两种。

6、目前太阳能电池用的铸模，仍以生产性能高的线性锯切割的为主。

7、由于线切割面是被机械冲击过，因此会残留结晶变形，使电气特性变坏，因此需用HF+HNO3进行腐蚀，使表面减薄10~20um的程度，最终约为300um厚的硅片。

8、气体扩散法是将含P的气体在高温（800~900

）下向硅片进行扩散，形成PN结，一般都用这一方法。

9、涂层扩散法是用含有磷的溶液代替气体进行涂层和加热，使磷向硅片中扩散形成PN结，具有简单易于大型化生产的优点。

10、电池高效率化技术说明已被规模生产所采用的材料蚀刻及BSF结构。

11、用碱性溶液，利用单晶表面蚀刻速度的差异性，可以对单晶硅片表面进行棱状的凹凸加工处理。

12、单晶硅太阳能电池的基本结构是PN结，在背场将不纯物进行喷雾处理，形成P+层，可以改善收集效率。

13、BSF型电池片的收集效率，P+层形成，可以在更长波长范围内改善收集效率。

14、太阳能电池是由单晶硅和非晶硅进行叠层得到的新型太阳能电池。

15、HIT电池片是在n型单晶电池片的两面形成

层制造的。

16、由于入射光也可以发电，具有两面发电的可能性是漫射光和地面来的反射光进行发电。

17、一般的太阳能电池模板只有电池片的表面一侧是透明的，而HIT太阳能电池在背面也采用透明材料，可以利用漫射光和从地面来反射光进行发电。

18、两面发电型最特别的有效应用垂直安装。

19、太阳能电池模板有超级直线型、玻璃包装型、次直线型三种结构。

20、压模可分为两部分，真空室和加热装置。

21、一般的太阳能电池的模板，为了提高填充率，需尽量减少电池片和电池片之间的间隙，而采光型太阳能电池的模板却相反，在电池片和模板周围开数CM的缝隙，由此处让太阳光透过。

22、由于单晶硅基片的制造技术和LSI等的半导体技术有很多的共同点，因此新技术从半导休整上导入是有右能的，最近引人注目的技术之一是快速热处理（RTP）技术。

23、在多晶硅薄膜制造装置中可使用RTP，将得到的灯光用聚光镜聚光，然后缓慢地移动位置，使多晶硅薄膜再结晶化。

第三章

1、单晶硅太阳能电池的特点是什么？

2、电池片工程分哪三部分？

3、什么是集麦斯法？

4、什么是CZ法？

5、单晶硅硅片的制造过程？

6、电池片高效率化的技术方法有哪些？

7、硅片表面的材料蚀刻目的是什么？

8、什么叫BSF结构？

9、HIT电阳能电池的结构及制造方法？

特点是什么？

10、太阳能电池模板的种类？

各种类的作用？

11、太阳能电池构成的原素有哪些？

各无素的作用是什么？

12、太阳能电池模板的制造过程是什么样的？

13、压模过程的顺序步骤如何？

14、高效率太阳能电池的种类及各种类的结构是什么？

15、简述PERL、OECO电池片的特点。

16、什么是理论极限效率？

17、太阳电池能量损失部分大致可分为哪些？

第四章  多晶硅太阳能电池

4.1  引言

  4.2  多晶硅铸模的制造技术

  4.3  多晶硅太阳能电池的高效率化技术

  4.4  多晶硅薄膜太阳能电池的开发

  4.5  结束语

一、填空

1、大部分的多晶硅基片都是用所谓的铸造法生产的。

基片广泛使用10~15cm的角。

目前是用众所周知的固液界面的温度分布、固液速度等许多知识的累积来生产铸模。

2、电解液的高度微细喷射到铸模上，喷射流中夹有激光束。

喷射流到了光纤维的作用，激光束在铸模上与电解液一同被切照射。

3、目前世界上，用铸造法制造基片得到的小面积电池片的最高转换效率可达到19.8%。

4、由于有漏电电流流动，使所谓的反向饱和电流密度变大，从而减少了开路电压。

第四章

5、多晶硅表面的结晶面是多重的，因此不能像单晶硅基片那样，使用KOH产生的不同方向腐蚀的化学蚀刻方法。

6、干式法由于应力自由，因此即可以适用于切割大面积基片，又可以适用于高斜率的过程。

7、结晶硅具有间接跃迁型能带结构，因此吸收系数较小，有必要进行光封闭，活性层的厚度为数um的薄膜太阳能电池也可得到高的转换效率。

8.广泛采用光电导率衰减测定法测定少数载流子在基片内的寿命分布，以此来对该过程进行评价。

9.基本技术中最引人注目的是基片的薄形化技术。

10.结晶硅具有间接跃迁型能带结构，因此吸收系数较小。

11.异质基片上高品质叠层的多晶硅型薄膜技术有：

化学气相沉积（CVD）法、液相外延（LPE）法和固相结晶（SPC）法。

二、简答

1、多晶三太阳能电池的高效率化技术有哪些？

2、请简述表面钝化常用的方法有哪些？

3、请简述非晶硅薄膜太阳电池为什么用pin结构？

4、多晶硅铸模的制造成技术有哪些？

5、在多晶硅电池片上用等离子体进行的化学气相沉积法生产的氮化硅膜会产生哪两种效果？

6、异质基片上高品质叠层的多晶硅型薄膜技术有几种方法？

第五章 非晶硅及微晶硅薄膜太阳能电池

5.1  引言

5.2  Si系薄膜的制作、基础物性和太阳能电池的装置

5.3  无结晶硅太阳能电池及其性能

5.4  薄膜微晶硅（μc-Si）太阳能电池及其性能

5.5  非晶硅／微晶硅型串联太阳能电池

1.清洁且无限的太阳能发电将成为支撑21世纪社会文明的重要能源技术之一。

2.目前太阳能电池的主流是单晶以及多晶硅，占世界太阳能电池总产量的70%。

3.a-Si：

H以及合金材料，用等离子体CVD、热CVD、反应活性喷涂、光CVD等气相生长法可以制造薄膜。

4.薄膜化是通过弥补无合金金属材料较差的载流子输送特性，得到太阳能电池的性能，同时也有利于节约资源、降低成本。

5.非晶半导体材料，是失去了像结晶型那样的长距离晶格结构的材料，可以认为其原子周围的化学键状态与结晶时保持相同的状态。

6.由于不纯物的掺入，可能将p、n控制在导电率为10-11~10-2S/cm。

7.a-Si是四面体结合的非晶体，a-Si系薄膜的制作方法有：

等离子化学气相沉积法（PECVD）、光化学气相沉积法（Photo-CVD）、热丝化学气相沉积（HW-CVD）法、真空蒸发法、溅射法等。

8.uc-Si是由结晶粒相+结晶粒相界+非晶相组成的。

9.关于载流子移动速度，目前使用由TOF（膜垂直）以及变调光电流片（膜平行、垂直）进行评价的方法。

10.作为太阳电池的特性因素的短路电流Jsc可视为光电流Jph，曲线因子FF可视为二极管电流Jd（V），开路电压Voc与最大功率点的比值。

11.转换效率和与扩散有关的膜厚度有最大值，这是由于伴随膜厚度的增加而增加的吸收光量与由于偏压电压的下降引起的载流子输送特性变差共同作用的结果。

12.MIS型a-Si太阳能电池的问题是，光的入射一侧由于有Pt的薄膜，所以有竞价的光被吸收掉了，从而限制了电流。

13.为了降低太阳能电池的成本，必须尽可能地提高生产效率。

14.a-Si太阳能电池是大面积制膜，但透明电层的阻力引起的损失使电池无法得到高的效率。

15.a-Si太阳能电池是由形成正极和负极的二个导电层、作为活性部分的半导体层这三层基本结构构成的，为了实现大面积、高效率化，能够使a-Si层重复性好、均匀、均一膜厚的制膜技术，对大面积化是非常重要的。

16.光照所引起的大部分特性的变化是在最初的一年中，以后其特性是稳定的。

这时的光电转换效率叫做稳定效率。

17.用等离子体CVD法得到的微晶硅，在1980年前后就有报道，由于微晶化带来的低电阻，主要用于a-Si太阳能电池的n层。

18.在带边缘附近的光吸收系数是间接吸收形式，在很上的薄膜uc-Si电池片中，光封闭技术是uc-Si太阳能电池提高效率的核心技术。

1.p-i-n结合型a-Si太阳能电池与受金属薄膜制膜条件等敏感特性所左右的短键垒位型相比较，具有哪些优点？

（P86）

2．什么叫诱导光导率新现象？

（P88）

3.薄膜微晶硅（c-Si）太阳能电池的主要特点有哪些？

（P96-97）

4.非晶硅、微晶硅型串联太阳能电池制造叠层结构有哪些优点？

（P103）

三、论述

1.请从材料、性能及制造结构等方面，阐述单晶硅、多晶硅、非硅硅及微晶硅薄膜太阳能电池的相同点和不同点，并简单地介绍一下硅太阳能电池的现状及发展前景。

5.什么叫微晶硅？

6.光封闭技术在什么条件下才能达到？

（P99）

第六章CIS以及CIGS系太阳能

6.1  引言

6.2  CIS以及CIGS系半导体的基础物性及其特性

6.3  CIS以及CIGS系太阳能电池的结合形式与制法

6.4  模板制造法及其规模生产技术

6.5  R&D领域的新进展

6.6  结束语

一、填空

1. CIS：

CuInSe2太阳能电池，CIGS：

Cu（InGa）Sn2薄膜太阳能电池。

2.随着太阳能电池片逐渐向薄膜化发展，目前正在研究开发的是薄膜多晶材料。

CIS的禁带宽度为1.0ev，与太阳能电池最适宜的禁带宽度1.4ev偏小的值。

3.CIGS系太阳电池的特点是多样的结晶相和固有缺陷。

4.在一般的半导体中，通过不纯物添加，进行p型、n型的控制，CIS系用Cu/In比进行控制，也就是固有缺陷控制，才有可能控制PN。

5.Mo和Se的反应活性高，Mo/CIS界面状态对膜的致密性有很大影响。

6.在CIGS光吸收层上，用溶液成长法可以产生CdS。

7．硒化法主要用于大面积模板制造。

8.与硅系薄膜不同，由于CIGS是软材料，因此不能用激光加工，可以用机械扫描。

9.CIGS系太阳能电池，小面积电池片的转换效率已经达到大于18%的程度，而大面积模板的转换效率为12%~14%。

10.为了实现串联太阳能电池，有必要开发迟缓的宽禁带宽度的材料的高品质化加快进程。

11.为了实现串联结构，有必要隧道结合部开发禁带宽度更广的P型透明导电膜。

12.CIGS系太阳能电池的制造方法中，广泛使用蒸镀法、硒化法外，还有喷雾法、镀金法。

13.多晶薄膜太阳电池中，开路电压（Voc）是禁带宽度（Eg）的函数，通常经验性地表示为Voc=Eg/e-0.5（V）。

14.CIGS系太阳能电池是以高转换效率为特征的。

15.不使用青板玻璃时，也可以使用Na2O2、NaS2、Na2Se、Na2F等Na的化合物进行Na参加。

二、简答

1.CIGS系半导体的特点有哪些？

2.CIGS系太阳能电池的基本结构如何？

可用图表进行说明。

3.在CIGS系太阳能电池的制造方法中，请介绍什么是蒸镀法？

什么是硒化法？

4.在CIGS系太阳能电池中，请说明添加Na好处有哪些？

5.什么叫光照射效应？

6.简述CIS和CIGS系太阳能电池的新进展表现在哪些地方。

三、论述

1.请从材料、性能以及制造方法上，比较说明Si系太阳能电池和CIS、CIGS系太阳能电池有哪些异同。

2.请从材料开发及制造技术方面分析，如何才能提高CIGS系太阳能电池的效率？

第七章Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池

7.1  引言

 7.2  Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池所用材料的特点

 7.3  GaAs系太阳能电池片的结构及其制法

7.4  超高效率多结太阳能电池及其构成

 7.5  聚光型太阳能电池技术及其现状

 7.6  R&D领域的新进展

一、填空

1.太阳能电池材料是由元素周期表中的Ⅲ族元素镓（Ga）、铟（In）和Ⅴ族P、As元素组成的半导体，如用GaAs、InP等由Ⅲ-Ⅴ族化合物组成的半导体所

构成的太阳能电池。

2.GaAs或InP太阳能电池由于高效率且有优良的耐放射性能，作为空间太阳能电池已经被实用化。

3.太阳能电池材料的禁带宽度Eg为1.4~1.5ev左右，认为是最合适的，Eg为1.42ev的GaAs及1.35ev的InP等应该是合适的。

4.化合物半导体太阳能电池有高效率化、轻量化、低成本化的种种优点，对于电池片结构，也在进行许多尝试。

5.对于太阳能电池的制作，历来都是用常用的液相外延（LPE）法，但现在有可能多层生长的大面积化、规模化生产的有机金属气相生长法已成为主流。

6.由于大多数化合物半导体能带结构都是直接跃迁型的，因此不想间接跃迁型的那样容易产生太阳能电池特性的放射线衰退现象。

7.化合物半导体由于有直接跃迁型能带结构，且光吸收系数大，因此作为薄膜太阳能电池显示出了可用性。

8.Ⅲ-Ⅴ族在Si结构上的第一课题是，由于Si基片.Ⅲ-Ⅴ族化合物的晶格常数的不整合（在Si上的GaAs的不整合率约为4%）引起的异质界面的高密度不整位错的发生和热膨胀系数的差别引起的热应力诱导位错的发生。

第二课题是，由两者的膨胀系数的差别引起的异质延伸膜内的裂缝的发生，因此试图降低了残留应力的方法是必要的吧。

9.外延生长技术，也可从LPE到ＭＯＣＶＤ,化学束外延生长法逐渐进行着变迁。

10.GaAs以及 InP的禁带宽度分别为1.42ev，1.35ev与高效率最适合的1.4eV～1.5eV相近，故具有高效率的特点。

12.写出以下缩写的中文全称：

MOCVD有机金属气相生长，LED发光二级管，

LPE液相外延，Jsc短路光电流密度，Voc开路电压。

二、简答

1. 请例举几种Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池，并说明该太阳能电池所用的材料有哪些特点？

（P125-129）

2.什么是LPE法？

并对该法作简单描述。

3.什么是MOCVD法？

并对该法作简单描述。

4.什么是阿尼尔现象？

（P131）

5.Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池主要分为哪几类？

（P130）

6.请写出短路光电流Jsc以及开放电压Voc，与少数载流子扩散长度L或者寿命的关系式，并指出各物理量所表示的意义。

7.什么是聚光型太阳能电池技术。

三、论述

1.从Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池的材料成本、性能等，请阐述色素增感薄膜太阳电池和聚光型太阳电池的目前发展现状及未来发展方向。

（P126-138）

第七章

第八章色素增感型太阳能电池

8.1  引言

8.2  色素增感型太阳能电池的特征

8.3  基本原理和理论可达到的效率

8.4  色素增感型太阳能电池的结构和制造方法

8.5  色素增感型太阳能电池技术的现状和性能

8.6  R&D领域的新进展

一、填空

1.自1991年瑞士EPFL的Graetael教授开发出转换效率为7.9%（AM1.5）的新型色素增感型太阳电池问世以来，色素增感型太阳能电池在全世界开始研究和应用起来，这种电池又叫格蕾茨尔电池。

2.色素增感型太阳电池就是所谓的湿式太阳能电池，很早以前就已开始研究。

3.色素增感型太阳电池的理论可达到效率为32.4%。

4.构成色素增感型太阳电池的TiO2等无机氧化物及色素的原材料硅等比金属价格便宜。

5.目前报道的色素增感型太阳能电池的最高转换效率的使用N3色素、N719色素及黑色色素的TiO2色素增感型太阳能电池。

6.由氧化物半导体和色素进行组合,可以制造出光吸收范围不同的多种多样的色素增感型太阳能电池。

7.由于使用有机色素增感型太阳能电池可通过色素的脱除及燃烧除去,帮氧化物半导体光电极是有可能实现资源再利用的。

8.为了将增感色素上的跃迁电子有效地注入TiO2,层中,增感色素激发态的能极必须不小于半导体导带（Ec）的能级。

9.TiO2光电极的准能级,相对于NHE为-0.5V，I-/I-3的氧化还原电位相对于NHE被评价为+0.4V，因此，将其组合起来得到0.9V的最大电位。

10.GreatzelCell的一个特点就是根据选择不同的色素可以制造各种不同的透明太阳能电池。

GreatzelCell是由于2个导电性玻璃电极和由电极包围的电解质溶液所构成的。

11.为了提高光吸收效率,通过将更大的TiO2微粒子作为散乱中心混入,或者为使微孔的容积增大从而使电解质溶液容易通过,而采用添加聚乙烯基锌等有机基片，使其在焙烧过程中能残留一些大的孔等方法。

12.为了实现光在TiO2微粒子的表面进行吸收和光电转换这一基本作用,需将Ru增感色素固定在表面上。

13.Ru增感色素的吡啶系配位具有羧酸基（-COOH基）,此吡啶酸基与TiO2表面的羟基（-OH基）结合形成酯,这样Ru色素就