基于PCR的太阳能电池硅电极参数检测研究

【摘要】：随着可持续能源需求的不断提高,世界范围内的太阳能电池制造行业发展迅速,太阳能电池作为太阳能发电的重要器件,在民用和航空航天等各领域发挥着重要作用,其性能对太阳能发电的利用至关重要。硅太阳能电池的性能可以通过太阳能电池硅电极的载流子性能和电性能进行表征,其中硅电极包括硅基太阳能电池的基极和发射极,为对太阳能电池硅电极的载流子输运性能和电性能进行表征,需要可靠的非接触无损检测技术。调制载流子辐射检测技术(photocarrier radiometry PCR)是将载流子辐射复合发光(光致发光或荧光Photoluminescence PL)与锁相检测相结合的一种近红外锁相发光检测技术,该技术具有非接触、高信噪比及高精度等优点,为晶体硅太阳能电池硅电极的少数载流子输运与电性能参数的非接触检测提供了新方法。本文对调制激光激发晶体硅太阳能电池pn结的非平衡过剩少数载流子输运模型、非平衡过剩少数载流子动态响应特性仿真、调制载流子辐射检测系统研制、低注入条件的晶体硅太阳能电池的调制载流子辐射频域响应试验与硅电极载流子输运参数反求、非平衡少数载流子辐射电流方程及晶体硅太阳能电池的电参数检测等关键技术进行系统、深入地研究。分析调制激光激发晶体硅太阳能电池pn结的非平衡过剩少数载流子的扩散输运过程,建立基于小交流电压信号分析的非平衡过剩少数载流子密度波的一维数学模型,并采用格林函数法得到了其频域一维解析模型,为非平衡少数载流子辐射的动态响应分析奠定了理论基础;研究基于小交流信号分析的晶体硅太阳能电池pn结动态特性等效电路,结合非平衡过剩少数载流子密度波频域一维解析模型,数值仿真分析少数载流子输运参数、准中性区掺杂浓度、偏置电压、并联电阻及电池面积等对载流子辐射频域动态响应的影响及规律,由于pn结容抗-阻抗效应的影响,PCR信号频域响应具有双拐点特性;通过增加偏置电压减小pn结容抗-阻抗效应的影响,将晶体硅太阳能电池pn结动态特性等效电路简化为二极管等效电路,此时的PCR信号频域响应具有单拐点特性,且只与少数载流子输运参数有关。建立高正向偏置电压条件下的调制激光激发晶体硅太阳能电池非平衡过剩少数载流子密度波的多维数学模型,通过有限元数值仿真分析激光激发参数、载流子输运参数分布不均及积分面积对非平衡过剩少数载流子密度波分布及频域响应的影响。研究载流子输运参数分布均匀和分布不均的反求方法,基于多维模型,使用位置扫描和频率扫描相结合的方式实现空间分布不均的载流子输运参数的多参数反求;研制PCR频率扫描检测实验系统,该系统主要由半导体光纤激光器、调整与收集光路、二维工作台、数字锁相放大器、In Ga As(探测波长范围0.9μm-1.7μm)近红外探测器及基于Labview开发的软件系统组成,该系统可实现调制激光激发晶体硅太阳能电池载流子辐射频域响应分析与少数载流子输运参数的检测。通过单晶硅太阳能电池及模拟空间粒子辐照损伤电池的调制激光激发少数载流子辐射检测试验研究,验证过剩少数载流子密度波模型的有效性,并利用该模型准确获得硅电极的少数载流子输运参数与掺杂浓度,通过频域扫描试验研究偏置电压和光激励参数对载流子辐射频域响应的影响与规律,实现晶体硅太阳能电池硅电极少数载流子输运特性的分析与评价;在载流子辐射电流方程中引入辐射电流理想因子和短路收集效率,基于能量守恒、激发光子流守恒、非平衡化学势建立激光激发晶体硅太阳能电池载流子辐射信号(PCR成像信号)与电池电性能参数之间的关系。研制PCR成像检测系统,该系统由半导体光纤激光器、激光整形与扩束装置、NI-DAQ数据采集卡、In Ga As近红外相机、基于Labview开发的锁相处理软件系统组成,利用该系统与非平衡少数载流子辐射电流方程实现硅太阳能电池电参数的整体与局部非接触检测;通过单晶硅与多晶硅太阳能电池的伏安特性测量及PCR成像检测的试验研究,对比分析非接触PCR成像检测晶体硅太阳能电池电参数(短路电流密度JSC,开路电压VOC、I-V曲线)的准确性与可靠性,为非接触、无损检测与评价太阳能电池性能提供新方法与新技术。 【关键词】：红外锁相 PCR检测 载流子密度波 辐射光电流 硅太阳能电池
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-27
• 1.1 课题的研究背景14-15
• 1.2 太阳能电池参数检测方法的国内外研究现状15-22
• 1.2.1 太阳能电池硅电极的性能表征参数15-19
• 1.2.2 光电导衰减法19
• 1.2.3 光致荧光法19-20
• 1.2.4 电致荧光法20-21
• 1.2.5 调制光热法21
• 1.2.6 调制载流子吸收成像法21-22
• 1.3 调制载流子辐射检测技术研究概况22-25
• 1.3.1 调制载流子辐射检测概述22
• 1.3.2 调制载流子辐射检测研究现状22-25
• 1.4 课题的研究意义25
• 1.5 本文的主要研究内容25-27
• 第2章 过剩少数载流子密度波模型与分析27-57
• 2.1 自由载流子浓度与PCR信号27-30
• 2.2 调制激光激发晶体硅太阳能电池的PCR信号30-37
• 2.2.1 过剩少数载流子密度波一维模型30-35
• 2.2.2 pn结动态特性等效电路35-37
• 2.3 PCR信号频域响应仿真分析37-55
• 2.3.1 少数载流子输运参数对PCR信号频域响应的影响38-42
• 2.3.2 准中性区掺杂浓度对PCR信号频域响应的影响42-44
• 2.3.3 太阳能电池电参数及面积对PCR信号频域响应的影响44-46
• 2.3.4 外部电路阻抗对PCR信号频域响应的影响46-49
• 2.3.5 太阳能电池pn结容抗-电阻抗效应的影响分析49-55
• 2.4 本章小结55-57
• 第3章 高正向偏置电压下PCR信号多维仿真与参数辨识57-87
• 3.1 高正向偏置电压的太阳能电池PCR信号多维模型57-64
• 3.1.1 过剩少数载流子浓度时域三维模型57-61
• 3.1.2 过剩少数载流子密度波三维模型61-64
• 3.2 PCR信号多维有限元仿真64-76
• 3.2.1 激光激发参数影响的仿真分析65-70
• 3.2.2 少数载流子输运参数分布不均影响的仿真分析70-74
• 3.2.3 积分面积（探测面积）影响的仿真分析74-76
• 3.3 过剩少数载流子密度波一维与多维模型的差异性分析76-78
• 3.4 太阳能电池少数载流子输运参数的辨识78-85
• 3.4.1 少数载流子输运参数辨识算法的实现79-81
• 3.4.2 分布均匀的少数载流子输运参数辨识81-82
• 3.4.3 分布不均的少数载流子输运参数辨识82-84
• 3.4.4 栅线附近少数载流子输运参数的辨识84-85
• 3.5 本章小结85-87
• 第4章 调制载流子辐射频域响应检测试验研究87-103
• 4.1 PCR频域响应实验系统及组成87-92
• 4.1.1 硬件系统87-89
• 4.1.2 软件系统89-91
• 4.1.3 系统响应与校准91-92
• 4.2 小交流信号作用下的PCR信号频域响应92-96
• 4.2.1 小交流信号作用的PCR检测少数载流子参数92-94
• 4.2.2 并联容抗对小交流信号PCR响应的影响94-95
• 4.2.3 偏置光对小交流信号作用PCR响应的影响95-96
• 4.3 高偏置电压作用下的PCR信号频域响应96-100
• 4.3.1 高偏置电压作用的PCR检测少数载流子参数96-97
• 4.3.2 激励源参数对PCR响应的影响97-98
• 4.3.3 小面积电池的PCR响应试验98-99
• 4.3.4 遮挡对高偏置电压下PCR响应的影响99-100
• 4.4 电子辐照损伤电池的PCR信号频域响应100-102
• 4.5 本章小结102-103
• 第5章 硅太阳能电池电性能的PCR成像检测技术103-116
• 5.1 辐射光电流数学模型103-108
• 5.2 PCR成像检测系统的建立108-111
• 5.3 基于PCR成像的电参数检测试验111-115
• 5.4 本章小结115-116
• 结论116-118
• 参考文献118-126
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果126-128
• 致谢128-129
• 个人简历129

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