太阳电池 工作原理、工艺和系统的应用 「澳〕马丁格林著 李秀文谢鸿礼赵海滨等译 刘熙校
77,/ 太阳电池 工作原理、 工艺和 系统的应用 〔澳〕马丁·格林著 李秀文谢鸿礼赵海滨等译 刘熙校 合金我
内容简介 衣书介绍了太阳和以阳电池的知识和本理论,分析了限制太阳电池转换效率的 因素,详细描述了硅太刚电池、组件、方阵和系统的设计、制造工艺、性能测试和应 用 对聚光亡池、聚光系统和其它半导体材料的太阳电池以及关于太阳电池研究取得 的新进展亦有相应的描述 本书可供研制、竺产和应太电池的戎术人员阋读,也可作为大专院校有关专 业师生的教学参考书 SOLAR CELLS Opcrating Pr Technol MARTIN A CREEN 太阳电池 工作理、工苎和系统的应 「泱〕马丁·格林谐 秀文谢鸿礼赵海滨等译 刘 校 尔轩:坚文 电子工业出版社出版(北京市灯涛路) 新华书店北京发行所发行各地新华书店经售 北京涵县新印刷厂印刷 开本:850×1681/32印张:8,75字数:233.5千字 1987年8月第1版19879月第1次印刷 印数:2900册 定价:2.10元 统一书号:15290.137 ISBN75053-0679/'N40
前言 当阳光照射到太阳电池时,可在没有机械转动或污染性副产 物的情况下将入射能直接转换为电能。太电池早已不再是实验 室仅有的珍品,它已有廿多年的使用历史。开始是提供空问电源, 近来巳用于地而电源系统。在不久的将来,这类电池的制造技术 很可能得到显著改进。这样,太阳电池将可以在合适的价格下生 产,从对世界能源需求做出重要贡献。 本书将莖点叙述太阳电池的基本工作原理和设计,目前采用 的电池制造工艺和即将实施的改进工艺,以及在应用这些电池的 系统的设计中的重要考虑。本书前面几章综述了阳光的性厥、构 成电池的半导体材料的有关性质以及这两者之间的相互作用。接 下来几章详绷地论述了太阳电池设计中的重要因素、现行的电池 制造工艺以及未来可能的工艺。最后几章论及系统的应用,包括 目前市售的小型系统和将来可能提供的住户和中心电源系统。 本书首先可供被这一迅速发展的领城所吸引的日益增多的工 程技术人员和科学工作者使用,也适合用作大学生和研究生的课 本。本书尽力使其内容适合于从不同专业进入这个领域的读者的 需求。例如,包括了与理解太阳电池工作有关的半导体性质的形 象性的综述。对于许多读者来说,这可作为一个简捷的复习,而 对其他读者则可提供一个便于理解以后各章节内容的梗概。不管 基础如何,通过学习本书并做练习将使读者在从事这个领域的工 作时能很好地胜任。 我要对那些为数众多以致不能一一提及的人们表示感谢。他 们在过去十多年中促进了我对太阳电池的兴趣。我要特感谢 A·布菜克尔〔 Andy blakers),B·高德福( Bruce god frey),P丶哈尔特( Phill hart)和M韦理森( Mike willi 是0792
son)的建议和间接支持我的这一尝试。特别要感谢G·盖蓝恩 ( Gelly galang)帮我准备底稿以及J·妥德( John todd) 和M韦理森为本书准备照片。最后我要感谢J·格林(John Gren)在本书进展正紧张的时候给予的支持和鼓励。 M·A·格林 Ciil
译者的话 太阳电池属于物理电源,是一种特殊的半导体器件。由于它 具有结构简单、制造方便、使用寿命长、維护筒便、可靠性髙、 原材料丰富、无污染、无噪音等优点,又有太作为它的取之不 尽、用之不竭的能源,因此,太阳电池不仅在人造卫星、宇宙飞 船等特殊应用中早就得到重视,而且,在诸如高山、海岛、牧场、 人烟稀少的边远地区也巳迅速推广。此外,它作为一种“光敏器 件”已正在光学仪器、自动挖制等领域与光电管相抗衡,无疑它 将具有很强竞争力。 太阳电油应用的迅速发展已经引起从事教学、科研、生和 应用的有关学者、工技术人员的极大兴趣和关注,并吸引了越 来越多的人加入到太阳电池研制、生产的行列。 本书作者马丁·格林( Martin a. Green)教授是澳大利 亚新南威尔士大学联合微电子研究中心太阳电池实验室负责人。 他不仅在MS太附电池理论方面造诣较深,丽且在工艺研究方 而也有不少成果。1984年,他领导的实验室所研制的MINP单晶 硅太阳电池的转涣效已达19.1%(AM1.5,28℃),这是至今 网际上所报导的最高水平。 本书比较系统扼要地介绍了太阳电池的基本理论;分析了限 制太阳电池转换效率的因素!详细描述了砖太阳电池、组件、方 阵和系统的设计、制造工艺、性能测试和应用,以及这方面的最 新进展;同时,它还提及聚光电池及其他半导体材料的太阳电 池,内容比较丰富。它可供从事太阳电池研制、生产和应用部门 的技术人员以及有关专业师生阅读。 参加本书翻译的有电了工业部第十八研究所的谢鸿礼、巾春 幸、郭印池、杜福生、郑彝盉、赵海滨、宋礼彬、胡宏勋、李秀
文、罗荣萱、赵秀田、王保民、张德群、伍炳珍十四位同志(按 参加翻译工作量多少顺序排列)。其中李秀文、谢鸿礼、赵海滨承 担了预审。全书最后由刘熙和李秀文同志进行了统一审校和加工 整理。第十八研究所毕道治总工程师对此书的翮译与出版工作给 予了热情的关怀和支持,并亲自审校了部分译稿。 〔i
目录 前言 第一章太阳电池和太阳光 1.1引言 ∴∴………1 1.2太阳电池发展概况…∷1 1.3阳光的物理来派∴ 1.4太阳常数 b.·甲.,面·甲4·、甲看·D垂 1.5地球表面的阳光强度∴ 1.6直接辐射和散射辐射 17太阳的视运动∴ 1,8太阳的日照数据 19小结∴∴ 第二章半导体的特性 2.1引言 ……13 2,2品休结构和取向∴ 13 2.3禁带宽度∴ 2.4允许能态的占有几率……16 电子和空穴 2.6电子与空穴的动力学∴…21 2.7允许态的能量密度 电子和空穴的密度∴ ●曲 ∴24 2.9Ⅳ族半导体的键模型 ·25 2.10族和V族擒杂剂… 2.11载流子浓度… 早鲁 2.12掺杂半导体中费密能级的位置… 31 2.13其他类型杂质的影响………32 2.14载流子的传输……………… 3 2.14.1溟移 °·······3
2.14.2扩散…∴…∴∴35 2.15小结· ∴∴36 第三章产生、复合及器件物理学的基本方程……39 3.I引言∴ …39 3.2光与平导体的相互作用∴…39 3.3光吸收∴∴ 42 3.3.1直接带半导体∴42 33.2间接带隙半导体…43 3.3.3其他吸收过程 ···非·◆p·鲁 ·47 3.4复合过程∴ 3.4.1弛豫到平衡 ●,,·,垂 3.4.2辐射复合 ∷“49 3.4.3俄歇复合∴…51 3.4.4通过陷阱的复合 3.4.5表面复合 35半导体器件物理学的基本方程∴……54 3.5.1引言∴…54 3.5.2泊松方程 3.5.3电流密度方程 3.5.4连续方程∴…55 3.5.5方程组∴ 36小结 ·57 第四章p-n结二极管 4,1 60 4.2p-n结的静电学…… 61 43结电容…64 4.载流子注入∴ 4.5准中作区的扩散流……67 4.6暗特忸∴………69 4.6.1准中性区中的少数载流子 少数载流子电流 ∴…71 4.7光照特性 73 〔vi
4.8阳电池的输出参数… .·76 49有限电池尺寸对I0的影响………77 4.10小结 ,甲春 ∴79 第五章效率的极限、损失和测量… 81 5.1引言…………………………81 5.2效率的极限 5.2,1概要………∴… 5.2.2短路电流∴…∷………81 52.3开路电压和效率 ·83 5.2.4黑体电池的效率板限……………85 5.3温度的影响……∴………86 5.4效率损失 5.4.1概要∴……87 5.4.2短路电流损失 88 5,4.3开路电压损失∴ 5.4.4填充因效的损失 M·90 5.5效率测试…… 5.6小结 96 第六章标准硅太阳电池工艺…………………98 6.1引言 6.2砂子还原为冶金级硅· 6.3冶金级硅提纯为半导体级…………101 64半导体级多晶硅变成单品硅片 102 6.5单品硅片制成太阴电池∴……[03 66太阳电池封装成太阳电池组件 105 6.6.1组件结杓 105 6.6.2电池的工作温度· 6.63组件的耐久性…∴ 6.6.4组件屯路设计…………………110 6.7熊量计算∴… 68小结 第七章改进的硅电池工艺…………………16 cvi〕