一、填空题（20分，每空1分）
1、下表是关于大气光学质量的表格，请填写完整。 大气光学质量AM=1/cosθZ θz(/°) 0 48.2 60 AM 1 1.5 2 AM 1.5 为光伏业界的标准 2、AM0在整个光谱范围积分的总和，称为 太阳常数 ，它
的公认值是γ= 1.3661 kW/m2
。
3、穿过地球大气层的太阳光到达地球表面时，其能量被减少或削弱了大约 30% ，其影响因素如下： （1）大气中分子的 瑞利 散射，对短波长光而言更为明显。 （2）烟雾和尘埃 粒子的散射。 （3）大气中气体的吸收，如 氧气 ， 臭氧 ， 水蒸气 和 二氧化碳 。
4、能产生温室效应的“人造气体”主要有： 二氧化碳 ， 甲烷 ，臭氧 ， 氮氧化合物 ， 氯氟碳化（合）物 。这些气体吸收波长的范围在 7-13 μm。
5、不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为 本证半导体 ；价带中缺啥一个电子后形成一个带 正电 的空位，称为 空穴。 6、太阳能对地球的全辐射分为 直接辐射 和 漫射 。 二、计算题（20分，每题10分）
1、薄层电阻决定了太阳能电池顶电极栅线（副栅）之间的理想间隔。已知一个典型的硅太阳能能电池的
ρΩ/□，J=30mA/cm2
□=40mp，Vmp=450mV，要使横向电阻影响造成的功率损失小于4%，求最大栅线间距为多少？ 解：按照题意
（5分）
s2<12?Vmp?P损失ρ?Jmp?P产生 <12?4?450100?40?30（5分） s<0.424cm <4mm答：最大栅线间距为4mm。
2、已知一块单晶硅太阳能电池组件的EPT（能量返还时间）为4年，其寿命为20年，求其能量产出比EYR是多少？ 解：根据题意得
EYR?EgenLPVEinput?LPVEPT（公式5分，计算正确5分）
?204?5答：其能量产出比EYR为5。
三、简答题（共30分，每题6分） 1、简介硅半导体的种类。
答：按照结构及晶粒大小，可以分为以下几类：
微晶硅:晶粒小于1μm （1分） pc多晶硅:晶粒小于1mm（1分） mc多晶硅:晶粒小于10cm（1分）
单晶硅（sc-Si）:是规则的晶体结构，每个原子都理想地排列在预先注定的位置，表现出可预测和均匀的行为特性。（2分）
无定形硅（a-Si）:无长程有序，某些区域含有未饱和或摇摆键，氢饱和后，禁带宽度从晶体硅的1.1eV增大到
1.7eV。（1分）
2、画图说明带隙对硅太阳能电池量子效率的限制。 答：
（3分）
当Eg宽度介于1.0-1.6eV时，入射阳光的能量才有可能被最大限度地利用。（1分）单独考虑这个因素(Eg宽度介于1.0-1.6eV)，太阳能电池最大可能EQ限制在44%以下。（1分）硅的Eg宽度1.1eV，砷化镓的Eg宽度1.4eV，后者更适合光伏应用。（1分） 或：EQE=ne/nph（2分）；入射波长小于λg时（即能量大于λg光波），一个光子产生一个电子-空穴对，所以，EQE=1（2分）；当入射光波能量低于λg光波时，不足以激发出电子空穴对，不产生电流，因此EQE=0. （2分） 3、何为寄生串联电阻和分流电阻？
答：寄生串联电阻Rs主要源于半导体材料的体电阻、金属接触与互联、载流子在顶部扩散层的运输，以及金属和半导体材料之间的接触电阻。（2分）
分流电阻Rsh是由于P-N结的非理想性和结附近的杂质引起的，它引起结的局部短路，尤其是电池边缘。（2分）
太阳能电池片希望降低寄生串联电阻Rs，增大分流电阻Rsh，以提高其性能（2分）。
4、硅的带隙宽大约是多少？除了硅半导体材料，再举出2种半导体材料，简单说明其带隙数值。 答：
晶体硅的带隙宽大约1.12（eV）电子伏特（2分） 晶体锗的带隙宽大约0.664（eV）电子伏特（2分） 金刚石的带隙宽大约5.5（eV）电子伏特（2分） 硒的带隙宽大约2.1-2.5（eV）电子伏特 碲的带隙宽大约0.32-0.38（eV）电子伏特 砷化镓的带隙宽大约1.42（eV）电子伏特
硫化镉的带隙宽大约2.31-2.41（eV）电子伏特 硫化锌的带隙宽大约3.66-3.88（eV）电子伏特 另外：还有氧化锌、硒化锌、磷化铟等均可。 5、太阳能电池失谐可能的原因有哪些？
答：失谐可能的原因有：生产缺陷（1分）降格（例如：开裂）（2分）部分遮挡（例如：树木、建筑物、树叶、鸟粪、变色的封装材料等）（2分）高温。（1分） 6、简介光的波动性和光学性。
答：粒子性就是指光的能量具有不连续的特性；波动性突出表现在其传播过程中，粒子性则突出表现在物体的电磁辐射与吸收、光子与物质的相互作用中，一般地说，频率越高，波长越短；能量越大的光子其粒子性越显著；而波长越长的光子则波动性越显著。
（光是由不连续的例子或能量子组成的。既是粒子，又是波光，同时具有这两种对立而互补的性质，总结为E=hf/λ，即为光的波粒二象性。）
7、图示太阳能体电阻和方块电阻
太阳能电池中电子从产生到外部电极的流动：见图4-11.先是垂直地流向电池表面，然后横向地通过顶部掺杂层，最后被表面接触（电极）收集。
体电阻（电池主体部分电阻）定义：
l是传导路径（有电阻）的长度，ρb是体电池材料的电阻率（硅太阳能电池典型值为0.5-5.0Ω·cm），A是电池面积，ω是电池体区域的宽度（如图4-11所示）。 方块电阻（方块电阻率或薄层电阻）定义：
8、光谱响应度与波长关系函数的量子限制。
光谱响应度：每瓦特功率入射光所产生的电流强度。 ⑴短波辐射情况下，电池无法利用光子全部能量。 ⑵长波辐射，电池对光线的吸收作用很弱，大部分光子在远离P-N结的区域被吸收，也没有响应。或者说，半导体材料
的有限扩散长度限制了电池对光的响应。
四、问答题（30分，每题15分）
1、介绍从硅片开始生产太阳能电池片的工艺过程。
答：工艺过程主要有：硅片检测、清洗制绒、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结、测试分拣等。（5分） （1）硅片检测
硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、P/N型和微裂纹等。（1分） （2）表面制绒
由于硅片的内部结构不同，各向异性的碱液刻蚀主要用于晶向分布均匀的单晶硅，而晶向杂乱的多晶硅采用各向同性的酸液刻蚀会有更好的构化效果。
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分） （3）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。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。（2分）
（4）去磷硅玻璃
该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法亦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。（1分） （5）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，提高寄生并联电阻。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。 （1分） （6）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。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。 （1分） （7）丝网印刷
太阳电池在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。（1分） （8）快速烧结
经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。（1分）
2、看图说话，说明下图是什么系统，包含哪些组件？除了图中所示的组件外，你还能列举出其它组件？
答：（1）该图显示为独立光伏系统。（1分）
（2）该系统中包含组件有：太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池系统、直流电负载、逆变器、交流电负载。（2分） 其各部分设备的作用是：
⑴太阳能电池方阵：在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生\光生电压\，这就是\光生伏打效应\。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。（2分）
⑵蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。（2分） ⑶充放电控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。（2分）
⑷逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电
池发电系统，为独立负载供电。（2分）
逆变器保护功能：
a、 过载保护；b、短路保护；c、接反保护；d、欠压保护；e、过压保护；f、过热保护。（2分）
（3）其他组件：主要是一些系统平衡器件，如：电路布线、过流保护、开关、连接器、接地、雷电防护、计量和报警、电子元器件的保护、组件支架等。（2分）
3、何为P-N结，从其入手，说明太阳能电池构造及其工作原理。
⑴P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。 N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从
而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。
⑵工作原理：光照下产生光伏效应。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN
结中形成电势差，这就形成了电源。
⑶构造：上图组件有玻璃盖板、抗反射涂层、前接触网、P型硅、N型硅、背部接触面； 一般用金属网格覆盖p－n结（如图 梳状电极），以增加入射光的
面积；另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），
