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4MATLAB仿真实验
4.1实验背景及目的………………………………………………………
4.2实验设计及理论计算………………………………………………………
4.3实验结果及结论……………………………………………………………
5总结与展望…………………………………………………………………
5.1总结…………………………………………………………………………
5.2讨论…………………………………………………………………………
5.3展望…………………………………………………………………………
致谢…………………………………………………………………………
附录…………………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………………
1选题背景
1.1研究目的及意义
新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术领域之一。
光伏电池是一种重要的可再生能源,既可作为独立能源,亦可实现并网发电,而且是零污染排放。
硅太阳能电池由于成本原因,最初只能用于空间,随着技术发展和工艺成熟,应用也逐步扩大。
面对今天的能源供应状况和日益严重的环境污染,以至危及人类自身生存的现实,开发新能源和可再生能源的理念已被世界各国广泛接受。
太阳能电池根据所用材料的不同,可分为
(1)硅太阳能电池;
(2)以无机盐
如砷化镓、Ⅲ一IV族化合物、硫化镉、铜铟硒等多种化合物为材料的电池;
(3)纳米晶太阳电池.在各类电池中,因为硅是地球上储量第二大元素,作为半导体材料,人们对它的研究最多,且其性能稳定,无毒,无污染,因此硅系列电池技术比较成熟,且已具有商业价值.在硅系列太阳电池中,单晶硅转化效率高,但成本高,限制了它的应用,而非晶硅在可见光内有较高的吸收系数,可实现低成本的大面积薄膜沉积,使之较单晶硅太阳电池有更为广阔的应用前景。
与其他太阳电池相比,非晶硅电池具有以下突出特点:
(1)弱光性好。
可以设计成各种形式,利用集成型结构,可获得更高的输出电压和光电转换效率。
(2)成本低。
因为非晶硅不受硅材料价格的限制,在生产过程中,用硅烷气体通过辉光放电法,在玻璃等衬底上沉积成一层薄膜.因其材料较便宜,可以大规模生产和推广。
(3)高温性能好。
当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25℃时,其最佳输出功率会有所下降;
非晶硅太阳能电池受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小得多。
(4)能量回收周期短,在生产过程中的每瓦用电能耗较小,1.5-2年即可返回。
但是目前非晶硅电池仍然存在一些问题,主要集中在以下三个方面:
(1)稳定性问题。
非晶硅太阳能电池的光致衰减效应,是影响其大规模生产的重要因素。
目前,柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%,已具备作为空间能源的基本条件。
(2)成本问题。
非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右,因此项目投资有一定的资金壁垒。
且,成本回收周期较长,昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。
(3)转换效率问题。
单晶硅太阳能电池,单体效率为14%-17%(AMO什么意思),而柔性基体非晶硅太阳电池组件(约1000平方厘米)的效率为10-12%,还存在一定差距。
1.2国内外动态
非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世纪70年代中期开发成功,80年代其生产曾达到高潮,约占全球太阳能电池总量的20%左右,但由于非晶硅太阳能电池转化效率低于晶体硅太阳能电池,而且非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点:
光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减,其发展速度逐步放缓。
目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的10%左右。
但由于晶体硅的短缺及价格上涨将是长期存在的事实,即使晶体硅瓶颈突破,能源节省优势仍然能保障非晶硅太阳能电池的生存空间。
目前非晶硅电池仍然存在一些问题,主要集中在两个方面,一个是转化效率低,另一个是电池稳定性不高。
从1980年日本sanyo公司首次使用a-Si太阳电池为袖珍计算机供电以
来,a-Si太阳电池的应用领域不断的在阔大,对民用产品如:
手表,录音机,电视机的供电,这种应用主要是以低能耗为特点。
在建筑领域的应用,主要是在玻璃上直接沉积非晶硅太阳能电池做为屋顶瓦,此种屋顶瓦与普通的屋顶瓦规模,重量相同可节省安装空间,降低系统费用,日本,目前正在实施“百万屋顶”计划,使光电系统进入家庭。
此外,非晶硅太阳电池可用作偏远地区的照明和通信能源,可以用于汽车顶棚给汽车电池供电,可以作为小型发电系统,提供电源。
随着非晶硅太阳电池转化效率的提高及生产成本的降低,目前,又开发了
一种新应用类型非晶硅太阳电池,即柔性衬底非晶硅太阳电池,柔性衬底的非晶硅电池具有高比功率,轻便,柔韧性强等优点,因此,在光伏建筑一体化,特别是在城市遥感用平流层气球平台,军用微小卫星,空间航天器等应用中极具优势。
在目前的卫星系统中电源系统的重量占整星重量的近三分之一,而柔性衬底的非晶硅电池可达2000W/kg的功率/重量比,远远高于晶硅的比功率,因此,使用柔性衬底的非晶硅电池可大大降低电源系统的重量。
在民用方面,由于柔性衬底的非晶硅电池具有极好的柔韧性,可卷曲性,这使它不但易于贮存和运输,而且为电池的安装,特别是与建筑物及供电系统的一体化设计方面提供了方便的条件,具有广阔的应用前景。
为了获得具有高效率、高稳定性的硅基薄膜太阳电池,近年来又出现了微晶、多晶硅薄膜电池。
微晶硅薄膜是采用大氢稀释和微量掺硼技术制备的。
多晶硅薄膜的制造技术主要有两种,一种是采用PECVD技术或热丝法直接生长;
另一种则是通过对a-Si∶H材料进行后退火,实现低温固相晶化。
值得指出的是,我国依靠自己的力量自行设计,采用国产器材研制出了一批非晶硅材料及其太阳电池研究生产用的专用设备、装置和仪器。
其中特别有意义的是非晶硅薄膜沉积装置。
例如超高真空三室a-Si沉积试验装置、七室a-Si连续沉积装置、六室卧式分室连续a-Si沉积装置、三室多片大面积a-Si连续沉积装置、大面积SnO2导电膜连续沉积装置、大面积a-Si电池特性测试装置等等。
这些装置的研制成功,尤其是一大批PCVD装置的问世,把我国用等离子化学气相沉积制取功能薄膜的技术和装备水平大大提高了一步。
同时还形成了一支从事a-Si材料及其电池研究的具有多学科综合力量的科技队伍。
2非晶硅太阳能电池的结构原理、制备及测试
2.1太阳能电池的基本结构和原理
太阳能电池的基本结构就是一个PN结,如图2.1。
其发光原理就是光伏效应,即在半导体PN结的N区导带中有较多的电子,P区价带中有较多的空穴。
在PN结中由于存在载流子浓度梯度,便发生电子向P区、空穴向N区的扩散。
扩散的结果使得P区带负电,N区带正电,形成有不能移动的离子组成的空间电荷区,随之出现内建电场。
在入射光作用下,如果光子能量大于禁带宽度Eg,则在P区、结区和N区都会引起本征激发而产生电子-空穴对,破坏原来的平衡状态,使得P区获得附加的正电荷,N区获得附加的负电荷。
结果使P区电势升高,N区电势降低,于是在PN结两端形成了光生电动势。
因此它是一种不需加偏置电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件,也称为赋能元件,同时也可作为光信号的探测元件。
加上负载RL后的等效电路如图2.2。
图2.1太阳能电池结构
图2.2等效微变电路
其中,Ip为入射光照产生的电流,ID为二极管电流,Cf为二极管结电容,Rsh为并联电阻,Rs为串联电阻,RL为负载电阻,VL为负载输出电压,IL为负载输出电流。
2.2非晶硅太阳能电池的制备方法
非晶硅太阳能电池的制备方法有很多,比如电子回旋共振法、光化学气相沉
积法、直流辉光放电法、射频辉光放电法、溅射法和热丝法等。
目前国内外的非晶硅太阳能电池制造工艺大多采用非微晶堆叠(micromoph)这种制备方法,制备过程大致如下:
(1)在玻璃衬底上采用化学气象沉淀法(CVD)生长一层ZnO作为透明导电膜(TCO)。
(2)用激光切割法(laser-scribing)在导电膜上切割出一系列平行槽。
(3)然后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型三层a-Si。
(4)蒸镀一层铝作为金属电极。
(5)用激光切割铝电极层和PIN层,形成一系列有同样结构的分立的独立电池。
(6)连接引线,将每个分立电池串联起来,提高输出电压。
2.3太阳能电池测试系统
2.3.1太阳能电池IV特性测试
主要部件有:
(1)太阳光模拟器系统
1)Oriel模拟器MODEL91192美国NEWPORT公司生产的Oriel太阳光模拟器是世界公认的标准太阳光模拟器,广泛为世界各大专业院校使用。
该产品被作为行业标准,甚至在计量单位作为计量标准对其他的光源进行校准;
在国际光电池行业是唯一被认可的权威产品;
被全世界权威杂志所认可。
所配套的辐照计在出厂的时候通过国际再生能源实验室校准。
其技术指标如下:
1灯的类型:
氙灯光源,AM1.5标准光谱
2氙灯功率:
1000W
3输出光斑面积:
4х4inch
4光斑均匀度:
好于±
5
5光的波动:
<
1%r.m.s
6输出光的平行度:
±
4°
2)MODEL:
91150校准仪
(2)2400系列数字源表SourceMeter(数字源表)系列专门设计用于要求有精密电压和电流产生与测量的测试应用。
SourceMeter型号综合了回读功能的精密、低噪声、高度稳定的DC电源以及低噪声、高重复性、高阻抗5½
数字万用表。
结果成为小型、单通道、DC参数测试仪。
在操作中,仪表可以作为电压源、电流源、电压表、电流表以及欧姆表。
对于由独立的源和测量仪表组成的系统,具有许多优势。
例如,它们半个机架大小的尺寸节约了测试架或测试台上宝贵的空间。
也可以减少测试系统开发、安装调试以及维护所需的时间,并且降低系统的总成本。
此外,SourceMeter仪表通过消除使用多个仪表时的复杂的同步化与连接问题,简化了测试工艺。
SourceMeter仪表适合于进行大范围的DC测量,包括在给定电流或电压下的电阻、击穿电压、漏电流、绝缘阻抗以及半导体特性曲线。
当光照射太阳能电池时,将产生一个由n区到p区的光生电流Iph。
同时,由于pn结二极管的特性,存在正向二极管电流ID,此电流方向从p区到n区,与光生电流相反。
因此,实际获得的电流I为:
(2.1)
式中VD为结电压,I0为二极管的反向饱和电流,Iph为与入射光的强度成正比的光生电流,其比例系数是由太阳能电池的结构和材料的特性决定的。
n称为理想系数(n值),是表示pn结特性的参数,通常在1~2之间。
q为电子电荷,kB为波尔兹曼常数,T为温度。
当太阳能电池的输出端短路时,V=0(VD≈0),由(2.1)式可得短路电流
(2.2)
即太阳能电池的短路电流等于光生电流,与入射光的强度成正比。
当太阳能电池的输出端开路时,I=0,由
(2)和(3)式可得开路电压
(2.3)
当太阳能电池接上负载R时,所得的负载伏—安特性曲线如图2.3所示。
负载R可以从零到无穷大。
当负载Rm使太阳能电池的功率输出为最大时,对应的最大功率Pm为
(2.4)
式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压。
图2.3太阳能电池伏安特性曲线(曲线的标注不清楚,重新用文本框输入)
2.3.2太阳能电池量子效率测试
将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF,则
(2.5)
FF为太阳能电池的重要表征参数,FF愈大则输出的功率愈高。
FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。
太阳能电池的转换效率η定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能P之比,即
(2.6)
如果太阳能电池产生的平均光电流为IP(A),则每秒入射到接收表面的光子数为P/hγ,单位时间内被入射光子激励的光电子数为IP/e。
根据量子效率的定义则有
(2.7)
式中,e是电子电荷,λ是入射波长,c是光速。
由式2.7可知,如果可以测得入射光的光功率和产生的电流,就可以算出对于某一特定的波长,太阳能电池的量子效率。
如果可以改变λ,那么就能得到连续的光谱分布。
IPCE(monochromaticincidentphoton-to-electronconversionefficiency)系统是专门用来测试光电转换效率和量子效率的测试系统。
它主要包括氙灯光源、单色仪以及锁相放大器。
结构如图2.4所示。
图2.4IPCE系统基本光路图
(1)提供300W的研究级的氙灯光源,光源的输出功率可调。
输出光斑尺寸:
Φ33;
光的波动<
1%r.m.s
(2)双光栅以上的全自动单色仪,分辨率好于0.5纳米
(3)整体光路模块化的设计,方便的机械集成
(4)软件实现对锁相放大器,滤波轮,斩波器以及单色仪的全自动控制
(5)参比SI探测器,探测范围400-1100nm.探测面积10х10mm
光从光源出发,经过一系列光阑和透镜进入单色仪中,因为反射光栅的存在,从而使各种波长的光成一分布排列。
光栅常数越小,衍射角度越大,所获得光谱的波段越窄,单色性也就越好。
将各个波长的光分开之后,我们可以选择任何波段内的光透出来。
此时可以测得光的入射功率。
然后到达样品,一段时间后可测其输出电流,从而根据式2.7得到某个或者某段波长的量子效率。
3激光切割太阳能电池导电膜实验
3.1实验目的
在a—Si:
H太阳电池中,用作正面电极的透明导电膜(TCO膜),是决定
电池性能的关键材料之一。
TCO膜的厚度及其光学、电学特性对a—SI:
H太阳能电池的光伏转换特性影响较大,因此,我们将要进行的实验是太阳能电池制备方法的第2步,用激光切割导电膜。
这个实验的目的主要有以下几点:
(1)了解太阳能电池的制作过程
(2)设计用激光切割导电膜的实验平台
(3)对激光传输光路进行设计和计算
(4)熟练掌握切割软件的使用方法
(5)得出最适合用来切割的激光参数、切割速度等的选择。
3.2实验方案及平台设计
薄膜电池在制作过程中,需要将表面划分成多个长条状的电池组,这些电池组被串联起来用以提高输出能效。
因此,TCO玻璃在镀半导体膜之前,必须要对表面的导电膜进行刻划,被刻蚀掉的部分必须完全除去氧化物导电膜层,以保持绝缘。
刻蚀方法目前有化学刻蚀和激光刻蚀两种,但由于刻蚀的线条要很细,一般为几十微米的宽度,而激光刻蚀具有沟槽均匀,剔除干净,生产效率快的特点,所以光伏TCO玻璃的刻蚀目前都使用激光刻蚀。
在量化生产的过程中我们大多用红光或者绿光激光器来切割,紫外激光器虽然光斑小、能量集中,但价格昂贵,而且玻璃对紫外的吸收远大于绿光和红光,这样会造成能量的浪费。
通常,在激光切割的过程中总共要实现三次切割,具体切割过程如图1,第一步
用红外激光器透过切割导电膜,然后镀上非晶硅。
第二步用绿光切割非晶硅层,然后镀上铝层。
第三步仍用绿光将非晶硅和铝层同时切割,如图3.1。
因为非晶硅半导体层的吸收范围主要在400~700nm波段上,对绿光(波长532nm)的吸收更好一些,而透明导电膜和金属铝对红光的吸收更好,因此切非晶硅的时候用绿光,而切导电膜或者铝层的时候使用红光。
图3.1激光切割导电膜过程(可在图上标注第一步,第二步,第三步)
本实验主要进行第一步的切割,即用激光透过玻璃切割透明导电膜。
激光器发生的激光通过扩束镜扩束来减小发散角,变成一束近似的平行光束,接着经二维的反射式振镜头和聚焦镜将光束聚焦到载物台上来切割载物台上的导电膜。
振镜可由软件驱动电机来控制,以此激光切割的方向及速度,可实现二维切割。
实验台的高度变成可调,便于调整光斑的位置,使聚焦点能够准确落在载物台上,整体实验装置结构如图3.2所示。
图3.2实验装置结构简图
3.3实验原理
3.3.1激光焦点及特性
进行激光热加工的时候,激光束一般需要经过光学系统聚焦。
激光束是一种相干性很好的光源,从理论上可证明激光束经过聚焦后,焦平面上的强度分布为
(3.1)
式中
为极角,
=r/f;
r为聚焦光斑半径;
f为透镜焦距;
k1=2π/λ;
λ为激光波长;
a为聚焦透镜口径的半径;
P为激光功率;
J1为第一类一阶贝塞尔函数。
从式中可以得出,激光束在焦平面上的光强分布呈现圆环形,光班中心的光强度最大,其值为
(3.2)
式中(fλ/a)2是爱里(Airy)斑面积,它是光束通过透镜聚焦后的焦斑尺寸大小的理论极限值。
激光束辐射和被加工表面的相互作用与其焦点的位置及其附近的光斑的光强度分布有密切关系。
高斯光束通过透镜聚焦后仍为高斯光束,且薄透镜两个表面上的光斑半径W1、W2、R1、R2满足下述关系
(3.3)
(3.4)
对于激光焦点处光斑的半径W01,可证明有
(3.5)
(3.6)
式中W01及d1分别为高斯光束聚焦前束腰的半径及其距透镜的距离;
W02及d2分别为聚焦后高斯光束的束腰(即激光焦点)的束腰半径及其距透镜的距离。
从式3.5可知,激光焦点的位置并不在聚焦透镜的焦平面,当d1>
f时,则d2>
f。
激光焦点与普通光的几何焦点是不重合的,它与W01、d1等有关。
3.3.2激光焦点的聚焦深度
在实际的激光加工中,例如激光打孔,往往要求也圆而深,且锥度尽量小,激光切割、划片要求切、划的缝窄而深,断面锥度小,这些要求能否达到与激光聚集深度密切相关。
激光的聚焦深度定义为:
当光轴上某点的光强度降低为激光焦点处的光强度一半时,该点到激光焦点的距离为聚焦深度。
其准直距离Za为
(3.7)
可见激光聚焦深度与λ及f2成正比,与W12成反比,因此要获得聚焦深度较大的激光焦点,就要选择长焦距透镜,例如在打深孔或者穿透焊接及切割中,要减小锥度就要如此。
3.3.3激光切割
激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件,在超过阈值激光功率密度的前提下,激光束的能量以及用活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收,由此引起激光作用点的温度急剧上升,达到沸点后材料开始气化,并形成孔洞,随着光束与工件的相对运动,最终使材料形成切缝,切缝处的熔渣被一定压力的辅助气体吹除。
激光切割与激光打孔的不同之处就是要热源相对工件移动。
激光切割从切割各类材料不同的物理形式来看,可分为气化切割、熔化切割和氧助熔化切割等。
本实验的原理是气化切割。
气化切割时工件在激光束加热下升至沸点以上温度后,部分材料化作蒸气逸去,部分作为喷射物从切缝底部吹走。
其机制如下:
(1)激光束照射工件表面,激光能量部分被反射,部分被吸收,表面反射率随着温度升高继续下降
(2)激光作用区材料温度上升到沸点的速度非常快,足以避免热传导造成的熔化
(3)蒸气从工件表面以声速飞快逸出,其加速力在材料内部产生一个应力波,当功率密度大于109W/cm时,应力波在材料内部会导致脆性材料破裂,同时也升高蒸发前沿压力,提高气化温度
(4)蒸气随着自身带走熔化质点,并冲刷碎屑形成孔洞,气化过程中,60%的材料是以熔滴形式被去除的。
3.3.4半导体泵浦激光器
实验中采用的是Advancedoptowave全固态风冷半导体泵浦激光器,晶体为Nd:
YVO4(掺钕钒酸钇),输出波长为1064nm的近红外连续激光,Nd:
YVO4在激光波长有大的受激辐射截面,对泵浦光有高的吸收系数和宽的吸收带宽,光损伤阈值高,并具有优良的机械、物理、光学性能,这些都使得它特别适于作半导
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