comsol毫秒激光对硅太阳能电池的损伤效应研究(2)
总结 25
致谢 26
参考文献 27
1 引言
太阳能电池是进行光能动能转换的半导体器件。它利用半导体的光电效应，把太阳能变成电能。单晶硅太阳能电池研发成功就使用于航空航天，现在依然占有很重要的地位，例如如今的在轨卫星大都使用太阳能电池阵与蓄电池一起做主电源。外太空中温度变化大，高能粒子多，这种环境需要太阳能电池满足转化率高、稳定性好和耐辐照等特点。近几年来，随着传统能源日渐枯竭以及环境污染严重，太阳能作为一种新型的清洁能源日渐受到关注 。现实使用中，用毫秒激光照射单晶硅太阳能电池，硅材料的物理参数随时间发生变化，由于硅材料中不同地方吸收的激光能量不同，就会在吸收过程中产生温度梯度，由此生成很大的热应力。热应力不断变大，就会对硅材料造成应力破坏。同时因为硅材料发生热熔融，其中掺杂的离子就会造成浓度的重分布。这些变化会对硅太阳能电池性能造成巨大影响和破坏。
1.1 激光对硅太阳能电池损伤效应的研究现状
1.2 本文构架
实验以 2cu66 硅太阳能电池为研究对象，对其用 comsol软件数值模拟温度场等，并用毫秒激光辐射硅太阳能电池对其损伤效应研究，把不同能量的激光对电池的损伤效应加以对比，最后得出硅太阳能电池的损伤机理结论。
第一章引言介绍课题的研究背景，以及国内外的研究现状和本实验的研究内容及论文的架构。
第二章介绍了硅太阳能电池的结构和原理及其激光损伤的机理。
第三章介绍了comsl软件的原理和使用，并且对激光损伤后的温度场，浓度场进行模拟，根据结果分析毫秒激光损伤太阳能电池的机理。
第四章进行了毫秒激光对硅太阳能电池的损伤效应实验研究，根据不同能量强度激光辐射太阳能电池的实验结果，探究毫秒激光辐射硅太阳能电池性后其性能变化以及模拟的结果进行总结，得出结论。
2 单晶硅太阳能电池简介及其激光损伤的机理
2.1 单晶硅太阳能电池的工作原理和结构
太阳能电池的种类有许多，本文研究的是太阳能电池中最早被研发出的，也是相对稳定的性能好和光电转换效率较高的单晶硅太阳能电池。
图 2.1 单晶硅太阳能电池工作原理示意图
单晶硅太阳能电池核心是一个如图所示的PN 结，当有光照产生时，外部能量有一定几率使大于禁带宽度的光子的电子从价带跃迁至导带，这样就会在价带上形成一个空穴。假如形成的电子空穴对在PN结内部的电场的作用范围中，PN结的N端的空穴和P端的电子，即掺杂硅内部的载流子，在 PN 结内部电场的影响下，会各自向另外的一边运动。由此电池内部的电中性就被打破了，N 型硅是一端因为电子的聚积带上了负电，P 型硅的一端因为空穴的聚积而带上了正电。太阳能电池原理示意如图 2.1所示。假如N 型硅端和 P 型硅端上各自加上电极，同时给上一个外面的电流通路，那么电子会通过外部电路流到 P 端，在P端与电场产生的空穴结合，电子由于流动而形成电流，电池内部的电场则产生了电压。
为了让光生的载流子最多的运动到硅电极同时通过外接电路，可以在电池的底部涂一层金属材料，来保证很好的通电性。但不可以将电池顶部也彻底涂上金属材料，由于这样光子就会不能穿过基本不透光的材料金属，也就没有了太阳能电池的实际意义。硅是半导体，其传输电流能力没有金属那样强，其内部电阻很高，这就意着会有很高的损耗。我们为了尽可能地降低这些没必要的损耗，就需要在电池的上方覆上具有可以深入到硅层内部的栅状电极，这样一来就能缩短电子在电极端运动的距离。即使栅状电极仅仅覆盖了电池表面的很小部分，但仍会有些光子会被光栅阻挡，不过栅状电极也不能太小，不然其本身的电阻就会很高。 同时，为了能够减少由于反射而造成的损失，也可以在太阳能电池顶部再覆盖一层可以防止反射的涂层，这样就能把反射损失降低到大约5%以下。最后在上面放置一层玻璃盖片或者塑料封装，就能防止例如质子、中子、电子这些高能粒子和紫外线，对太阳能电池形成有效的保护。而且 N 型硅端朝上的 N/P 结构可以更好的防止高能粒子辐射造成损伤，所以空间使用的太阳能电池大多数都采用了 N/P 结构。本文的实验采用的是普通的单晶硅太阳能电池。