半导体激光对硅太阳能电池的辐照效应研究

摘要 (i)

ABSTRACT ........................................................................................................ i ii 第一章绪论 (2)

1.1 研究背景和意义 (2)

1.2研究进展 (3)

1.2.1 激光供能的进展 (3)

1.2.2 温度对电池供电性能的影响 (3)

1.2.3 太阳能电池的损伤特性研究 (4)

1.2.4 太阳能电池的少子寿命测量 (5)

1.2.5 电致发光检测太阳能电池 (5)

1.3本文结构 (7)

第二章太阳能电池基础 (9)

2.1 太阳能电池 (9)

2.1.1太阳能电池的分类和典型结构 (9)

2.1.2太阳能电池的表征 (10)

2.1.3影响太阳能电池性能的因素分析 (12)

2.2少数载流子寿命 (15)

2.2.１非平衡载流子的寿命 (15)

2.2.2 测量太阳能电池少子寿命的开路电压衰减法 (16)

2.3 PN结的电致发光 (18)

2.4 小结 (20)

第三章半导体激光辐照下单晶硅电池的供电特性研究 (21)

3.1 半导体激光对硅电池供电的实验研究 (21)

3.1.1 实验装置 (21)

3.1.2光斑分析及功率密度定标 (21)

3.1.3 实验结果 (23)

3.2 电池相关输出参数的理论分析 (27)

3.2.1相关公式推导 (27)

3.2.2理论和实验结果对比 (28)

3.2.3影响开路电压和短路电流变化的因素讨论 (29)

3.3 小结 (30)

4.1硅电池受较高功率密度激光辐照后供电特性的变化 (31)

4.1.1 不同功率密度激光辐照对单晶硅电的损伤 (32)

4.1.2 不同辐照时间对电池的影响 (38)

4.1.3 无盖片玻璃电池的对比辐照实验 (41)

4.2电池的少子寿命 (42)

4.2.1 实验装置 (42)

4.2.2 线性衰减段的选取 (43)

4.2.3少子寿命测试结果 (45)

4.3电池的电致发光成像 (48)

4.3.1 EL实验装置 (49)

4.3.2 实验结果 (49)

4.4 小结 (54)

第五章总结 (56)

致谢 (58)

参考文献 (59)

作者在学期间取得的学术成果 (62)

表目录

表3.1 电池在不同功率激光辐照下的串联电阻 (26)

表4.1 电池的短路电流和开路电压在辐照前后的变化量 (33)

表4.2 两种电池辐照前后的FF和Pm变化 (42)

表4.3 未经激光辐照的电池寿命测量结果 (44)

表4.4 不同辐照程度电池的寿命测量结果 (45)

表4.5 长时间辐照及累积辐照后的电池的少子寿命测量结果 (47)

表4.6 带盖片和不带盖片电池的寿命对比 (47)

表4.7 IV曲线相近的电池少子寿命对比 (48)

图目录

图1.1 电池在正向偏压下的光强和少子扩散长度的分布 (6)

图1.2通过发光强度求串联电阻 (7)

图2.1 单晶硅太阳能电池的结构示意图及实物图 (10)

图2.2 PN结光生伏特效应示意图 (10)

图2.3 太阳能电池的等效电路图 (11)

图2.4 太阳能电池的IV曲线示意图 (12)

图2.5 包含寄生电阻的太阳能电池等效电路 (12)

图2.6 串联电阻和并联电阻对输出特性的影响 (13)

图2.7 温度对IV曲线的影响 (14)

图2.8 光强对开路电压、短路电流和峰值功率的影响[36] (15)

图2.9PN结的电致发光示意图 (19)

图3.1 低功率激光对对电池供电的实验系统示意图 (21)

图3.2 实验所用光斑图示 (22)

图3.3 辐照到光阑上的光斑 (23)

图3.4 功率密度标定 (23)

图3.5 不同功率密度激光辐照下的伏安特性曲线 (24)

图3.6 电池背表面的温度 (25)

图3.7 通过对比IV曲线求解串联电阻 (25)

图3.8 电池最大输出功率和填充因子随光照强度的变化 (26)

图3.9 开路电压随光强变化的理论和实验结果对比 (28)

图3.10短路电流随光强变化的理论和实验结果对比 (29)

图3.11 不同因素对开路电压和短路电流的影响 (30)

图4.1较高功率密度激光对硅电池的辐照实验示意图 (31)

图4.2 功率密度为5W/cm2的激光辐照后电池的IV曲线和表面形貌 (32)

图4.3 功率密度为5.5W/cm2的激光辐照后电池的IV曲线 (33)

图4.4 功率密度为5.5W/cm2的激光辐照后电池的表面形貌 (34)

图4.5 两种典型硅橡胶在氮气下的热失重曲线[45] (34)

图4.6 辐照后电池前表面不同区域的扫描电镜图像 (34)

图4.7 功率密度为6W/cm2的激光辐照后电池的IV曲线 (35)

图4. 8 功率密度为6W/cm2的激光辐照后电池的表面形貌 (35)

图4. 9 功率密度为6.5W/cm2的激光辐照后电池的IV曲线 (36)

图4. 10 功率密度为6.5W/cm2的激光辐照后电池的表面形貌 (36)

图4.12 功率密度为7W/cm2的激光辐照后电池的表面形貌 (37)

图4.13辐照前后电池输出特性的变化，图中横坐标为破坏电池所用激光的功率密度。 (38)

图4.14 间隔一段时间的IV曲线对比测量 (38)

图4.15 不同辐照时间的IV曲线变化 (39)

图4.16经过不同辐照时间后电池的填充因子和最大输出功率的变化，其中横坐标为测试激光的功率密度。 (40)

图4.17 长时间辐照过程中电池的背表面温度变化 (41)

图4.18 有盖片和无盖片电池辐照前后的形貌对比 (41)

图4.19 有盖片玻璃和无盖片玻璃的电池辐照前后的IV曲线 (42)

图4.20 用开路电压法测量电池少子寿命装置示意图 (43)

图4.21 测量寿命所用的脉冲光斑分布与波形 (43)

图4.22 不同功率地激光对应的开路电压衰减曲线 (44)

图4.23不同功率激光辐照后电池的开路电压衰减曲线 (45)

图4.24 不同输出参数的变化值和少子寿命的关系 (46)

图4.25 不同电池辐照后的IV曲线 (48)

图4.26 太阳能电池电致发光检测设备 (49)

图4.27 典型硅电池的电致发光图像 (50)

图4.28不同功率密度激光辐照后电池的电致发光图像（插图）及其灰度直方图 51图4.29电池的相对发光强度与最大输出功率变化量的关系 (52)

图4.30 功率密度为5W/cm2的激光辐照不同时间后电池的电致发光图像 (52)

图4.31 功率密度为6W/cm2的激光辐照不同时间后电池的电致发光图像 (53)

图4.32 No.20~21电池的电致发光图像(编号见4.2节) (53)

图4.33无盖片电池的电致发光图像 (54)