基于PCR的太陽能電池硅電極參數(shù)檢測研究

【摘要】：隨著可持續(xù)能源需求的不斷提高,世界范圍內(nèi)的太陽能電池制造行業(yè)發(fā)展迅速,太陽能電池作為太陽能發(fā)電的重要器件,在民用和航空航天等各領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,其性能對太陽能發(fā)電的利用至關(guān)重要。硅太陽能電池的性能可以通過太陽能電池硅電極的載流子性能和電性能進(jìn)行表征,其中硅電極包括硅基太陽能電池的基極和發(fā)射極,為對太陽能電池硅電極的載流子輸運(yùn)性能和電性能進(jìn)行表征,需要可靠的非接觸無損檢測技術(shù)。調(diào)制載流子輻射檢測技術(shù)(photocarrier radiometry PCR)是將載流子輻射復(fù)合發(fā)光(光致發(fā)光或熒光Photoluminescence PL)與鎖相檢測相結(jié)合的一種近紅外鎖相發(fā)光檢測技術(shù),該技術(shù)具有非接觸、高信噪比及高精度等優(yōu)點(diǎn),為晶體硅太陽能電池硅電極的少數(shù)載流子輸運(yùn)與電性能參數(shù)的非接觸檢測提供了新方法。本文對調(diào)制激光激發(fā)晶體硅太陽能電池pn結(jié)的非平衡過剩少數(shù)載流子輸運(yùn)模型、非平衡過剩少數(shù)載流子動態(tài)響應(yīng)特性仿真、調(diào)制載流子輻射檢測系統(tǒng)研制、低注入條件的晶體硅太陽能電池的調(diào)制載流子輻射頻域響應(yīng)試驗與硅電極載流子輸運(yùn)參數(shù)反求、非平衡少數(shù)載流子輻射電流方程及晶體硅太陽能電池的電參數(shù)檢測等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)、深入地研究。分析調(diào)制激光激發(fā)晶體硅太陽能電池pn結(jié)的非平衡過剩少數(shù)載流子的擴(kuò)散輸運(yùn)過程,建立基于小交流電壓信號分析的非平衡過剩少數(shù)載流子密度波的一維數(shù)學(xué)模型,并采用格林函數(shù)法得到了其頻域一維解析模型,為非平衡少數(shù)載流子輻射的動態(tài)響應(yīng)分析奠定了理論基礎(chǔ);研究基于小交流信號分析的晶體硅太陽能電池pn結(jié)動態(tài)特性等效電路,結(jié)合非平衡過剩少數(shù)載流子密度波頻域一維解析模型,數(shù)值仿真分析少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)、準(zhǔn)中性區(qū)摻雜濃度、偏置電壓、并聯(lián)電阻及電池面積等對載流子輻射頻域動態(tài)響應(yīng)的影響及規(guī)律,由于pn結(jié)容抗-阻抗效應(yīng)的影響,PCR信號頻域響應(yīng)具有雙拐點(diǎn)特性;通過增加偏置電壓減小pn結(jié)容抗-阻抗效應(yīng)的影響,將晶體硅太陽能電池pn結(jié)動態(tài)特性等效電路簡化為二極管等效電路,此時的PCR信號頻域響應(yīng)具有單拐點(diǎn)特性,且只與少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)有關(guān)。建立高正向偏置電壓條件下的調(diào)制激光激發(fā)晶體硅太陽能電池非平衡過剩少數(shù)載流子密度波的多維數(shù)學(xué)模型,通過有限元數(shù)值仿真分析激光激發(fā)參數(shù)、載流子輸運(yùn)參數(shù)分布不均及積分面積對非平衡過剩少數(shù)載流子密度波分布及頻域響應(yīng)的影響。研究載流子輸運(yùn)參數(shù)分布均勻和分布不均的反求方法,基于多維模型,使用位置掃描和頻率掃描相結(jié)合的方式實現(xiàn)空間分布不均的載流子輸運(yùn)參數(shù)的多參數(shù)反求;研制PCR頻率掃描檢測實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體光纖激光器、調(diào)整與收集光路、二維工作臺、數(shù)字鎖相放大器、In Ga As(探測波長范圍0.9μm-1.7μm)近紅外探測器及基于Labview開發(fā)的軟件系統(tǒng)組成,該系統(tǒng)可實現(xiàn)調(diào)制激光激發(fā)晶體硅太陽能電池載流子輻射頻域響應(yīng)分析與少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)的檢測。通過單晶硅太陽能電池及模擬空間粒子輻照損傷電池的調(diào)制激光激發(fā)少數(shù)載流子輻射檢測試驗研究,驗證過剩少數(shù)載流子密度波模型的有效性,并利用該模型準(zhǔn)確獲得硅電極的少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)與摻雜濃度,通過頻域掃描試驗研究偏置電壓和光激勵參數(shù)對載流子輻射頻域響應(yīng)的影響與規(guī)律,實現(xiàn)晶體硅太陽能電池硅電極少數(shù)載流子輸運(yùn)特性的分析與評價;在載流子輻射電流方程中引入輻射電流理想因子和短路收集效率,基于能量守恒、激發(fā)光子流守恒、非平衡化學(xué)勢建立激光激發(fā)晶體硅太陽能電池載流子輻射信號(PCR成像信號)與電池電性能參數(shù)之間的關(guān)系。研制PCR成像檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)由半導(dǎo)體光纖激光器、激光整形與擴(kuò)束裝置、NI-DAQ數(shù)據(jù)采集卡、In Ga As近紅外相機(jī)、基于Labview開發(fā)的鎖相處理軟件系統(tǒng)組成,利用該系統(tǒng)與非平衡少數(shù)載流子輻射電流方程實現(xiàn)硅太陽能電池電參數(shù)的整體與局部非接觸檢測;通過單晶硅與多晶硅太陽能電池的伏安特性測量及PCR成像檢測的試驗研究,對比分析非接觸PCR成像檢測晶體硅太陽能電池電參數(shù)(短路電流密度JSC,開路電壓VOC、I-V曲線)的準(zhǔn)確性與可靠性,為非接觸、無損檢測與評價太陽能電池性能提供新方法與新技術(shù)。 【關(guān)鍵詞】：紅外鎖相 PCR檢測 載流子密度波 輻射光電流 硅太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-27
• 1.1 課題的研究背景14-15
• 1.2 太陽能電池參數(shù)檢測方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-22
• 1.2.1 太陽能電池硅電極的性能表征參數(shù)15-19
• 1.2.2 光電導(dǎo)衰減法19
• 1.2.3 光致熒光法19-20
• 1.2.4 電致熒光法20-21
• 1.2.5 調(diào)制光熱法21
• 1.2.6 調(diào)制載流子吸收成像法21-22
• 1.3 調(diào)制載流子輻射檢測技術(shù)研究概況22-25
• 1.3.1 調(diào)制載流子輻射檢測概述22
• 1.3.2 調(diào)制載流子輻射檢測研究現(xiàn)狀22-25
• 1.4 課題的研究意義25
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容25-27
• 第2章 過剩少數(shù)載流子密度波模型與分析27-57
• 2.1 自由載流子濃度與PCR信號27-30
• 2.2 調(diào)制激光激發(fā)晶體硅太陽能電池的PCR信號30-37
• 2.2.1 過剩少數(shù)載流子密度波一維模型30-35
• 2.2.2 pn結(jié)動態(tài)特性等效電路35-37
• 2.3 PCR信號頻域響應(yīng)仿真分析37-55
• 2.3.1 少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)對PCR信號頻域響應(yīng)的影響38-42
• 2.3.2 準(zhǔn)中性區(qū)摻雜濃度對PCR信號頻域響應(yīng)的影響42-44
• 2.3.3 太陽能電池電參數(shù)及面積對PCR信號頻域響應(yīng)的影響44-46
• 2.3.4 外部電路阻抗對PCR信號頻域響應(yīng)的影響46-49
• 2.3.5 太陽能電池pn結(jié)容抗-電阻抗效應(yīng)的影響分析49-55
• 2.4 本章小結(jié)55-57
• 第3章 高正向偏置電壓下PCR信號多維仿真與參數(shù)辨識57-87
• 3.1 高正向偏置電壓的太陽能電池PCR信號多維模型57-64
• 3.1.1 過剩少數(shù)載流子濃度時域三維模型57-61
• 3.1.2 過剩少數(shù)載流子密度波三維模型61-64
• 3.2 PCR信號多維有限元仿真64-76
• 3.2.1 激光激發(fā)參數(shù)影響的仿真分析65-70
• 3.2.2 少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)分布不均影響的仿真分析70-74
• 3.2.3 積分面積（探測面積）影響的仿真分析74-76
• 3.3 過剩少數(shù)載流子密度波一維與多維模型的差異性分析76-78
• 3.4 太陽能電池少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)的辨識78-85
• 3.4.1 少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)辨識算法的實現(xiàn)79-81
• 3.4.2 分布均勻的少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)辨識81-82
• 3.4.3 分布不均的少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)辨識82-84
• 3.4.4 柵線附近少數(shù)載流子輸運(yùn)參數(shù)的辨識84-85
• 3.5 本章小結(jié)85-87
• 第4章 調(diào)制載流子輻射頻域響應(yīng)檢測試驗研究87-103
• 4.1 PCR頻域響應(yīng)實驗系統(tǒng)及組成87-92
• 4.1.1 硬件系統(tǒng)87-89
• 4.1.2 軟件系統(tǒng)89-91
• 4.1.3 系統(tǒng)響應(yīng)與校準(zhǔn)91-92
• 4.2 小交流信號作用下的PCR信號頻域響應(yīng)92-96
• 4.2.1 小交流信號作用的PCR檢測少數(shù)載流子參數(shù)92-94
• 4.2.2 并聯(lián)容抗對小交流信號PCR響應(yīng)的影響94-95
• 4.2.3 偏置光對小交流信號作用PCR響應(yīng)的影響95-96
• 4.3 高偏置電壓作用下的PCR信號頻域響應(yīng)96-100
• 4.3.1 高偏置電壓作用的PCR檢測少數(shù)載流子參數(shù)96-97
• 4.3.2 激勵源參數(shù)對PCR響應(yīng)的影響97-98
• 4.3.3 小面積電池的PCR響應(yīng)試驗98-99
• 4.3.4 遮擋對高偏置電壓下PCR響應(yīng)的影響99-100
• 4.4 電子輻照損傷電池的PCR信號頻域響應(yīng)100-102
• 4.5 本章小結(jié)102-103
• 第5章 硅太陽能電池電性能的PCR成像檢測技術(shù)103-116
• 5.1 輻射光電流數(shù)學(xué)模型103-108
• 5.2 PCR成像檢測系統(tǒng)的建立108-111
• 5.3 基于PCR成像的電參數(shù)檢測試驗111-115
• 5.4 本章小結(jié)115-116
• 結(jié)論116-118
• 參考文獻(xiàn)118-126
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果126-128
• 致謝128-129
• 個人簡歷129

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