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硅太阳电池基础 1.1 太阳的结构和太阳辐射能 太阳是距离我们最近的恒星，其内部由氢、氦、碳、氧和各种金属元素组成。直径为8.68×105km，质量约为1024t。总的讲，太阳是一个高温高压的的气体团，表面（即肉眼所见的光球）温度接近6000K，从光球开始愈向内部温度愈高，压强及密度也愈大。在太阳的中心区不断的进行着激烈而复杂的热核反应，轻元素聚合成重元素，反应释放出巨大的能量穿透光球层和色球层以电磁波的形式向太空辐射，这种电磁辐射称为太阳辐射能。 物体辐射的波长随物体的温度而定，温度越高，辐射的短波成分越多。太阳辐射的波长范围很广，但总能量的99%集中在波长0.15-4微米之间，我们通常所说的太阳辐射是含有各种波长的辐射的总称。 1.2 太阳辐射光谱 太阳辐射在到达地球表面之前，通过地球大气层时，会被大气层中的固定和不固定成分以及悬浮微粒吸收、散射或反射，导致太阳辐射度削减，形成具有一定强度分布太阳辐射，称为太阳辐射光谱。以太阳辐射能量强度为纵坐标，波长为横坐标所绘制的太阳辐射强度随波长变化的曲线称为太阳辐射光谱曲线。 太阳光谱中，各波长的能量很不相同，而且还和地点、时间、当时的天气情况等因素有关。因此，确定太阳辐射的能量值是很复杂的事，为了得到计量的参考标准，定义地球大气层外，日地平均距离处，单位时间单位面积上全部太阳辐射能为太阳常数。大气层外的太阳辐射，因未受到大气层的反射和吸收，又称为大气质量为0的辐射，以AM0表示。 大气层对太阳辐射的削弱作用还与太阳辐射穿透大气层的距离有关，这又与太阳辐射的方向有关，因此用大气质量AM表示太阳光通过大气的距离，大气质量为太阳光线通过大气的路程与太阳在天顶时太阳光线通过的大气路程之比，可近似表示为AM=d/D=secZ 如以AM1表示垂直于太阳入射方向上单位面积上得到的太阳光谱。AM1.5，AM2等分别表示不同入射方向得到的太阳光谱。图1表示大气质量与入射角度的关系。虽然可用AM1、AM1.5、AM2等来表示大气对太阳辐射的影响，但实测表明，即使大气质量相同，所得光谱各异。为统一标准，一般都采用美国ASTM地面用光伏电池的辐射光谱作为电池地面应 用的测试标准。AM1.5曲线中的不连续部分为各种不同大气组分对太阳光的吸收带，而波长小于300nm的光几乎全被地球表面的臭氧层吸收，如下图2所示。AM1.5光谱积分能量为835W/m2。 1.3 太阳能的特点 太阳能之所以能成为一种有希望的能源，是因为其具有以下特点： 供给量丰富：地球每小时从太阳获得的能量为1.48×1017卡，其中30%被直接反射回去，70%则被地面吸收。据统计，世界全年的耗能总量，只相当于30分钟降落于地球的全部的太阳能。 清洁、干净：化石燃料的使用会形成大量污染气体，如CO2和SO2，原子能发电会给地球和人类造成潜在的核污染。而利用太阳能直接发电，不影响地球的热平衡，在确保能量供给的同时解决环境污染的问题。 太阳能的分散性：太阳光尽管辐射全球，但每单位面积上的入射功率却很小。要得到较大的功率，需要庞大受光面积的发电装置。对于小功率发电问题不大，但对于大功率发电，要涉及的设备的材料、结构、占用土地等的费用问题，目前投资比其他能源高得多。 间歇性：太阳的高度角一日内及一年内在不断变化，且于地面纬度有关，即使没有气象的变化，太阳辐射的变化也相当大。因此，太阳能利用的随机性很大。利用太阳能发电必须有相当容量的贮能设备，如蓄电池等，这不仅增加了设备及维护费用，也限制了功率的规模。 总的来说，太阳电池有许多优点，但在实际应用时，也存在着许多问题，如：密度低（照射于地面的太阳能的最大密度为1KW/m2），单位面积效率低，供给不稳定。因此，在考虑太阳能的利用时，不仅要从技术方面考虑，还要从经济、生态及国家建设的整体方针来研究。 二、硅太阳电池的构造及工作原理 一般的硅太阳电池结构包括以掺杂少量硼原子的p型半导体作为基体材料，采用高温热扩散的方法，将浓度高于硼的磷掺入p型基体内形成实现能量转换的P-N结、丝网印刷电极以输出功率、等离子体化学气相沉积的SiN减反射膜以减少光学损失及钝化表面，以及同时作为电极和背面反射器的铝背场。其剖面图如图3所示。 三、硅太阳电池等效电、电性能参数及I-V曲线 3.1 等效电路 太阳电池的的等效电路如图5所示，Rm为外接负载。RS为串联电阻，由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅片间的接触电阻所组成。RSH