太阳能电池制作及量测实验

一、    实验目的:

学习基本太阳能电池的原理、制作及量测

二、    实验设备:

超音波震洗机、快速加热退火炉(Rapid Thermo Annealing Furnace)、旋转涂布机(Spin Coater)、研磨机、真空热蒸镀机(Thermo Evaporator)、打线机(Wire Bounder)、双极性电源电表(KEITHLEY 236)、个人计算机、GPIB适配卡、Labview图控软件、氙灯。

三、    实验原理:

太阳能电池能将光能转换成电能的原理是应用半导体的光伏特效应。光伏特效应一般是指当光子射入具有PN接面的二极体元件后，会在二极体的两端电极可以产生输出功率的电压值，这个过程主要包含的是光子射到半导体内产生电子-空穴对(electron-hole pair)、电子与空穴因为PN接面所形成的内建电场(built-in electric field)作用下而分离、电子与电洞各自朝着相反方向运动，并且由两端电极来输出至负载，在回路上形成光电流。

具有PN接面的半导体元件一般是以掺杂少量硼原子的P型半导体当作基板(substrate)，然后以浓度较高于硼的磷为扩散源，用高温热扩散的方法把磷掺入P型基板内，如此即可形成PN接面。在接面处会因电子扩散行成空乏区，空乏区内会形成一个内建电场，内建电场的方向是从N型区指向P型区。

当太阳能电池受光时，太阳能电池可以吸收能量大于其能隙(energy gap)的光子，使电子由价带(valence band)跃迁至导带(conduction band)，进而产生电子-电洞对，其中自由电子会因為内建电场的作用而向N型区漂移(drift)，相反地，空穴则因内建电场的作用向P型区漂移，这种因为内建电的影响而产生从N型区向P型区的漂移电流，就是所谓的光电流 (photocurrent)。光伏特效应中的光电流对PN二极体而言，刚好就是逆向偏压 (reverse bias)的电流方向。最后光电流经由PN二极体的金属接触(metal contact)输出至负载，形成一个回路，这就是太阳能电池(photovoltaic cell) 的基本原理。

图一：太阳能电池结构示意图

图二：太阳能电池工作原理示意图

四、    实验步骤:

1．以接口活性剂、丙酮、去离子水清洁P-type的硅芯片、以BOE溶液去除芯片（事先切割成1.5×1.5cm²）上的氧化层(SiO2)。

2．以2% KOH(氢氧化钾)+8% IPA(异丙醇)混合溶液在75°C温度蚀刻芯片表面。

3．将硅芯片浸泡于浓硫酸(H₂SO₄ 98%)与过氧化氢(H₂O₂30%)的混和溶液(体积比为4：1)，温度保持90℃，浸泡时间为15分钟，以增加P509(五氧化二磷溶液)与基板间的亲水性(hydrophilic)。

4．将P509用旋转涂布机均匀涂布在P-type的硅芯片上。

5．再将芯片放入快速加热退火炉(RTA)中加热(1150℃ 2~5分钟)，通入氮气(N₂)与氧气(O₂)，气体流量分别为450与150sccm，使磷原子掺杂(Doping)进P-type芯片上内形成P-N junction。A:5min B:2~5min.

6．以BOE溶液去除芯片上的含磷SiO2(PSG)，再用研磨机磨除芯片边缘。

7．快速热氧化: 石英管中通流量为150sccm的氧气，温度设定1050℃，加热90秒。

8．以BOE溶液去除芯片上的SiO2，5min。

9．将芯片背面(P-type面)放入真空热蒸镀机中蒸镀厚度为1μm平面铝电极。

10．再将芯片放入快速加热退火炉(RTA)中作Anneal(通氮气550℃的温度加热20分钟)，使P-type面获得良好的欧姆接触(Ohmic Contact)。

11．将芯片正面(N-type面)放入真空热蒸镀机中蒸镀栅栏形(梳形，1μm)铝电极。

12．再次将芯片放入快速加热退火炉(RTA)中作Anneal(通氮气400℃的温度加热15分钟)，使N-type面获得良好的欧姆接触(Ohmic Contact)。

13．用打线机将铝电极和基座作联机，将铜箔板裁成2.5×2.5cm的正方形，砂纸将其表面的氧化层磨除，避免造成串联电阻的增加而影响效率。用铜箔板切割成两个互不导电的区域，将基板的背面电极处涂上银胶后，黏贴於铜箔版上较大的区域，正面电极处以银胶沾黏金线后，将金线连接至铜箔板上另一较小区域处，完成太阳能电池。

14．将太阳能电池接上KEITHLEY 236，透过GPIB接口，卡连接到个人计算机，以白炽灯照射太阳能电池，用Labview图控软件绘出电压-电流曲线。

五、    结果与讨论：

六、    注意事项:

    BOE含氢氟酸须全程在排气柜中取以塑料吸管取用，容器不可用玻璃材质，全程戴手套以策安全。

    芯片严禁以手触摸，必须用摄子夹取或戴手套拿取。

    真空热蒸镀机及快速加热退火炉操作前务必先开冷却水循环机。

 

第二篇：太阳能电池实验报告

实验题目：燃料电池综合特性的研究

1，电解池的特性测量

根据法拉第电解定律，电解生成物的量与输入电量成正比。

可得公式：

式中T为摄氏室温，Po为标准大气压，P为所在地大气压，F为法拉第常数

其中F=e*N_A，N_A为阿伏伽德罗常数。

故在误差允许的范围内，电解生成的氢气产生量V与输入电量It近似成正比，即验证了法拉第定律。

2，燃料电池输出特性测量

燃料电池输出功率-电压变化曲线:

从图中看出，燃料电池在电压较大时，功率随着电压的增大而减小。此时，燃料电池内部的电极部分存在一定的内阻，内阻消耗了部分的功率。

在输出电压为646mV左右的位置，燃料电池取得了最大输出功率。最大输出功率为218.35mW，输出电流为338mA。

综合考虑燃料电池的利用率及输出电压与理想电动势差异，燃料电池的效率为：

3,太阳能电池输出特性的测量

1．太阳能电池伏安特性曲线

2.太阳能电池输出功率-电压变化曲线

从曲线中看出，输出电压较大时电流下降较快，曲线斜率比较大。太阳能电池                  的最大输出功率约为Pm=831.5mW，这时的输出电压是Um=2.79V,输出电流为Im=298mA,太阳能电池的开路电压U_oc=3.26V，短路电流I_oc=314mA。

算得其填充因子:

理论上，填充因子应在70%~85%左右，说明实验数据正确。太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充系数就越大，反映到太阳能电池的电流—电压特性曲线上，曲线斜率的变化就越突然，整个曲线有趋向于直角的趋势。此时太阳能电池的转换效率就越高。