光谱总结

1、太阳光谱

由于宇宙是近似真空的，太阳表面温度接近6000K ，我们把其放射光谱等同于该温度下的黑体辐射。由普朗克黑体辐射定律可知能量密度频谱：

581

(,)1

hc

kT hc T e λπμλλ=- 辐射率，在单位时间内从单位表面积和单位立体角内以单位频率间隔或单位波长间隔辐射出的能量。

太阳光经过 1.5亿公里传输到达地球大气圈表面的光谱辐射能量为太阳常数，大约其值为1.367 kW/m2 ，因此大气圈外的太阳光谱定义为AM0，其中大气质量(air mass)用来估量因为大气层吸收后，所导致影响太阳光谱表现与总体能量值。图一说明大气质量的计算方法，大气质量数值常是使用Air Mass =1/cos θ来计算的，其中θ=0所代表的是太阳光线从头顶上方直射下来。地球表面用以衡量太阳光谱的大气质量值是大于等于1，由于太阳光谱AM1.5更加接近人类生活现实，因此常被我们选用，此时太阳光入射角偏离头顶48.2度。当太阳光照射到地球表面时，由于大气层与地表景物的散射与折射的因素，会多增加百分之二十的太阳光入射量，抵达地表上所使用的太阳电池表面，其中这些能量称之为扩散部份，因此针对地表上的太阳光谱能量有AM1.5G (global)与AM1.5D(direct)之分，其中AM1.5G 包含扩散部分的太阳光能量，而AM1.5D 则没有。图一中人站的位置表示的是海平面位置，如果不是处于海平面，则应引入大气压力对大气质量进行修正。

图一、大气质量的计算方法示意图

图二、大气圈外(AM0)与地表上(AM1.5)太阳光能量光谱图二所表示的即是大气圈外(AM0)与地表上(AM1.5)太阳光能量光谱。AM1.5G 光谱的总照度为963.75W/m2，而AM1.5D光谱的总照度为768.31W/m2，为了方便国际标准化组织确定为1000 W/m2。

图三、各省太阳能资源分布图

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。

时引起的散射。散射系瑞利散射：散射粒子的直径比光波波长要小很多(d

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(/3

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。