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Sun Microsystems Laboratories A Safe Tcl Toolkit For Electronic Meeting Places

Sun Microsystems Laboratories A Safe Tcl Toolkit For Electronic Meeting Places
Sun Microsystems Laboratories A Safe Tcl Toolkit For Electronic Meeting Places

The following paper was originally published in the Proceedings of the First USENIX Workshop on Electronic Commerce

New York, New York, July 1995.

Safe Tcl: A Toolbox for Constructing

Electronic Meeting Places

Jacob Levy and John Ousterhout

Sun Microsystems Laboratories

For more information about USENIX Association contact:

1. Phone:510 528-8649

2. FAX:510 548-5738

3. Email:office@https://www.sodocs.net/doc/044375389.html,

4. WWW URL:https://www.sodocs.net/doc/044375389.html,

A Safe Tcl Toolkit For Electronic Meeting Places

(Extended Abstract)

Jacob Y. Levy and John K. Ousterhout

jyl@https://www.sodocs.net/doc/044375389.html,, ouster@https://www.sodocs.net/doc/044375389.html,

Sun Microsystems Laboratories

2550 Garcia Ave. M/S UMTV29-232

Mountain View, CA 94043

Abstract

Electronic commerce needs electronic meeting places to conduct business. To be useful, such meeting places must be safe for all participants and for hosts (owners of places). In this paper we discuss safety issues for participants and hosts. We then describe a system we are building, Safe Tcl, that will allow the construction of electronic meeting places with a range of safety proper-ties. Safe Tcl has two attractive properties. First, it uses a simple security model based on ``padded cells’’ that allows participants to coexist and interact safely. Second, Tcl makes it easy to integrate the numerous facilities required in an electronic meeting place such as integrity veri?cation and authentication.

1 The Problem Of Safety

Electronic commerce, like human commerce, needs “safe places” where participants can meet to conduct business. The safety of a place can be measured by e.g.: - Whether the host is protected against malicious or erroneous actions of individual participants.

- Whether participants are protected from each oth-ers’ malicious or erroneous actions, and whether partici-pants can be coerced by other participants to release, against their free will or without their knowledge and agreement, valued resources they carry with them (including information).

- Whether participants are protected from the actions of the host, both malicious and erroneous.

Tools for constructing safe meeting places for elec-tronic commerce will become increasingly important as electronic commerce becomes more widely used. We believe that the basic security mechanisms for privacy, authentication, integrity checking and non-repudiation are relatively well understood. However, how to com-bine these mechanisms into higher level policies is less clear. Therefore, at this stage it is useful to create tools that allow experimentation and rapid prototyping as well as the construction and deployment of completed elec-tronic commerce systems. Experience from human based commerce systems may be a useful guide in constructing electronic meeting and in choosing which tools to pro-vide. We show how each safety problem identi?ed above can be addressed in a computational context by drawing parallels from current common practice.

Currently, the human host and participants are pro-tected from malicious intent of a participant by ensuring that no coercion tools (weapons etc.) are brought into the meeting place. Without a means for coercion there is no way for one participant to force another participant to release valued resources (such as the $1 million they are carrying in a briefcase) or information they own. Also, without means for coercion, there is no way for one par-ticipant to coerce the host to deny service or subvert its service to another participant. The equivalent in compu-tational systems is to place each participant (or group of mutually trusting participants) in a separate environment (``padded cell’’), thus restricting their ability to manipu-late the state of other participants or the host. Function-ality in an environment is restricted to remove any method for a participant inside the environment to harm another participant outside the environment. To enable communication between participants, environments are extended with controlled communication channels that only allow legitimate communication.

Protecting a human participant from the host is cur-rently achieved through insurance and liability based mechanisms. Upon entry into a meeting place the partic-ipant is at risk of being coerced by the owner of the place to divulge information or to part with valued resources. These risks can be ameliorated by insurance or liability shifting arrangements, or by bonding. Similar mecha-nisms can be implemented in an electronic commerce system: a third party can offer insurance covering aspects of electronic business such as compromise of a transac-tion or participant owned resources by a host. Since these mechanisms are based on authentication, integrity checking and privacy, a system that provides access to these building blocks suf?ces.

2 Tcl And Tk

Tcl [1] is an interpreted scripting language originally developed by Ousterhout at UC Berkeley, widely used for rapid application development. Tcl is easy to extend and one of its most popular extensions, Tk, is very pop-

ular for rapidly constructing highly interactive GUI com-ponents for programs.

Tcl programs are portable between systems on which a Tcl interpreter is implemented. Tcl programs are strings, as is all data manipulated by a Tcl program. Tcl programs can thus be input data for other Tcl programs, and Tcl programs can be generated by Tcl programs and executed on the ?y or transported in textual form. The global data state of a Tcl execution can be obtained and saved as a Tcl script, which when executed, restores the state to what it was when the script was created.

3 Borenstein’s And Rose’s Safe Tcl

Safe Tcl is an extension of Tcl created by Borenstein and Rose [2] to allow safe execution of programs trans-ported by email. It takes advantage of the ability of Tcl to support multiple totally independent Tcl interpreters within a single application process. Each Tcl interpreter provides a separate name space for variables and proce-dure de?nitions and a separate call stack for procedures. The command set of each interpreter can be tuned to include exactly the commands desired.

Borenstein and Rose’s Safe Tcl provides two inter-preters: one is unrestricted, and the other’s command set has been restricted to exclude unsafe facilities such as access to ?les and creating subprocesses. Incoming scripts can be executed in the restricted interpreter with-out fear of damage to the environment. The application’s unrestricted intepreter can implement safe methods for access to unsafe facilities and export these to the restricted interpreter by ``declaring them harmless’’. The overall effect is much like the common separation in operating systems between kernel space and user space: the unrestricted interpreter corresponds to kernel space, the restricted interpreter corresponds to user space, and the features that are declared harmless parallel system calls. Safe Tcl is more ?exible than the traditional kernel-user space mechanism because features exported to the restricted interpreter can be modi?ed at run-time.

4 The New Safe Tcl

The Safe Tcl extension created by Borenstein and Rose is useful for executing simple untrusted scripts. However, because it allows only one untrusted inter-preter to exist at a time it is not powerful enough to host mutually suspicious scripts and it does not provide com-munication mechanisms between such scripts. Also, it is intimately tied to email as a transport mechanism, and it does not provide security features such as authentication or integrity checks.

At SunLabs we have generalized Borenstein and Rose’s ideas to allow for multiple restricted interpreters, called ``slaves’’, under the control of a ``master’’ inter-preter. A slave can be master for other slaves, forming a hierarchy of interpreters. A master interpreter can con?g-ure the command set of its slaves to be a proper subset of the features that it itself has access to. A master can exe-cute arbitrary scripts in the slaves. A slave has no access to its master except as described below.

We have also generalized the ``declare harmless’’mechanism of Borenstein and Rose’s Safe Tcl into a more general ``alias’’ mechanism for communicating between interpreters. An alias creates a link between two interpreters such that when a particular command is invoked in one, the source interpreter, another command is executed in the other, the target interpreter. The target command receives the arguments of the source com-mand, and the result of the target is returned as the result of the source command. A master interpreter can create aliases between its slaves and itself, which are analogous to the ``declare harmless’’ mechanism of Borenstein and Rose. A master can also create aliases between any of its slaves in order to allow them to communicate directly.

Our third generalization will be to incorporate authentication techniques [3, 4] into Safe Tcl. A master interpreter will be able to authenticate scripts before exe-cuting them in slave interpreters. Based on the trust assigned to the script’s author, the master can customize the facilities available to the slave. A master intepreter will also be able to authenticate aliases individually, so that a script can include both untrusted parts that must execute in a slave interpreter and trusted parts that form aliases to be executed in the master.

Our ?nal generalization is to separate how to exe-cute untrusted scripts from how they are transported. W e feel that transport issues are not a part of the problem to be solved by Safe Tcl and that we should not innovate here. We will connect Safe Tcl to email, HTTP and other mechanisms to allow participants to enter and leave places through a variety of mechanisms. Also, how par-ticipants ?nd and name each other is not a problem solved by Safe Tcl. Safe Tcl will be able to use a wide choice of external naming schemes. Of course, for Safe Tcl to be widely useful, eventually a small set of core transports and naming schemes must be supported. How-ever, at this time we are building for experimentation and thus we will provide no built in naming or communica-tion schemes.

Safe Tcl offers two advantages in setting up elec-tronic meeting places. First, its security model is very simple and makes it easy to isolate mutually suspicious participants. Safe Tcl is based on the kernel-user model that has been used successfully for thirty years in time-sharing systems, and it provides considerably more ?ex-ibility. Safe Tcl is implemented as part of the Tcl interpreter, so it of?oads many security concerns from the operating system kernel to the Tcl interpreter. For

example, Safe Tcl ensures that Tcl programs can not modify other programs’ address spaces even on insecure systems such as some personal computers’ operating systems which do not provide this assurance.

The second advantage of Safe Tcl stems from the Tcl scripting language, which makes it easy to integrate a variety of components. Electronic meeting places for commerce must include a large number of mechanisms from electronic cash to encryption to databases. With Tcl it is possible to extend the system facilities with code written in C or to write Tcl scripts to glue existing com-ponents together. Tk allows electronic participants to interact with humans as well as with other participants. Since Tk interfaces are Tcl scripts, they can be part of a participant’s script.

5 Electronic Meeting Places in Safe Tcl

Separate interpreters allow mutually suspicious and antagonistic participants to be in one meeting place while preventing them from harming each other or obtaining access to each other’s private data. Because they are exe-cuting in separate interpreters from that of the host, par-ticipants can not harm the host. The host controls the creation of communication channels that allow partici-pants to communicate with each other and with the host. These channels can be audited to provide accountability and non-repudiation. The host can also grant controlled access to a participant to speci?c safe uses of unsafe functionality on an as-needed basis. Using resource allo-cation policies implemented with tools provided by Safe Tcl, a host will be able to limit resource usage by scripts executing in its slave interpreters to prevent denial of ser-vice attacks or resource hogging.

The roles of host and participant are ?uid. Using the tools provided by Safe Tcl a participant can construct a temporary meeting place for its own use while it is visit-ing a place that allows this. It can control which partici-pants are admitted to its place and all aspects of their computation while the participants are within its own place.

Protecting participants from a host is a dif?cult problem. It is fundamentally impossible to protect a pro-gram from malicious behavior on the part of the engine that executes it. The host controls the engine (the Tcl interpreter) that executes the particpants, so there is no way to protect participants from a malicious host. A via-ble approach is for participants to ``avoid bad neighbor-hoods’’ by only entering meeting places that are known to be trustworthy. For example, trustworthy meeting places could be independently certi?ed and identify themselves with well-known public keys. A would-be participant can issue a challenge to the host with an advertized public key and only enter the place when the challenge is satis?ed. Also, participants can insure them-selves or require hosts to be bonded. Safe Tcl can be inte-grated with the needed mechanisms to enable this scenario.

6 Remaining Open Problems

Here are some remaining open problems that Safe Tcl currently does not address:

How to implement electronic currencies. There are several well known approaches to solving this prob-lem [5,6]; we believe that interfacing Safe Tcl to one or more of these is simple, and we will do so in a future ver-sion of Safe Tcl.

Persistence and recoverability of participants. Safe Tcl does not afford participants protection against crashes of a host; all state and information carried by a participant will be lost if a host crashes or disallows the computation of a participant to complete. This is a hard problem, a sub-problem of protecting a participant from a place’s host, and will be solved in that context.

Resource Controls and Denial of Service Attacks. Safe Tcl itself does not provide any mechanism for accounting for resources used by an application, and for preventing an application from mounting a denial of ser-vice attack through excessive resource consumption. However, the clean separation between applications through the use of separate interpreters affords a clean starting point for building a resource accounting system.

A future version of Safe Tcl will explore these issues.

7 Availability

Safe Tcl is available by anonymous FTP. Retrieve the ?le https://www.sodocs.net/doc/044375389.html,:/pub/tcl/stcl0.2.tar.gz. The software is also available at the Tcl archive managed by Alcatel Inc., at https://www.sodocs.net/doc/044375389.html,:/tcl/extensions/stcl0.2.tar.gz.

8 References

[1] J. K. Ousterhout, “Tcl And The Tk Toolkit”, Addison-Wesley, (1994).

[2] N.S. Borenstein and M. Rose, “Safe Tcl”, avail-able at ftp://https://www.sodocs.net/doc/044375389.html,/pub/code/other/safe-tcl.tar.Z.

[3] S.Gar?nkel, “Pretty Good Privacy”, O’Reilly & Associates, Inc., (1995).

[4] W. Dif?e and M. Hellman, “Privacy and Authen-tication”, IEEE Proceedings, pp. 397-427, (1979).

[5] D.Tygar, “NetBill: An Internet Commerce Sys-tem Optimized for Network Delivered Services”, IEEE CompCon ‘95, (1995).

[6] D.Chaum, “Online Cash Checks”, Advances in Cryptology EUROCRYPT ‘89, pp. 288-293 (1989).

太阳能电池

太阳能电池及材料研究 引言 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源.也是清洁能源,不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中;大阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。为此,人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应,根据所用材料的不同,太阳能电池可分为:1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的大阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池,对太阳能电池材料一般的要求有:1、半导体材料的禁带不能太宽;②要有较高的光电转换效率:3、材料本身对环境不造成污染; 4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑,硅是最理想的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状,并讨论了太阳能电池的发展及趋势。 1 硅系太阳能电池 1.1 单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是*单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合.通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率:通过以上制得的电池转化效率超过23%,是大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面积(225cm2)单电晶太阳能电池转换效率为19.44%,国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发,研制的平面高效单晶硅电池(2cm X 2cm)转换效率达到19.79%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5cm X 5cm)转换效率达8.6%。 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电 池,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 1.2 多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350~450μm的高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料,人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒大小,未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜,人们一直没有停止过研究,并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等

太阳能电池材料的发展及应用

太阳能电池材料的发展及应用 材料研1203 Z石南起新材料(或称先进材料)是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料,具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志,通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程,创造出能满足各种需要的新型材料的技术。 随着科学技术发展,人们在传统材料的基础上,根据现代科技的研究成果,开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究,是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能,特殊的物理、化学、生物学效应,能完成功能相互转化,主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料是新材料领域的核心,是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用,还对我国相关传统产业的改造和升级,实现跨越式发展起着重要的促进作用。 功能材料种类繁多,用途广泛,正在形成一个规模宏大的高技术产业群,有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用,它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点,也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中,功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目(约占新材料领域70%比例),并取得了大量研究成果。

太阳能电池板选择

太阳能电池板选择
太阳能电池的最大功率 Pmax=开路电压×短路电流, 这是它们的理想功率, 而平时大家衡量太阳能电池的是额定功率 Pm。实际中额定功率是小于最大功率 的,主要是由于太阳能电池的输出效率 u 只有 70%左右。在使用中由于受光强 度的不同,所以不同时刻的功率也是不同的,根据实验数据它的实际平均功率 P=0.7Pm。如果太阳能电池要直接带动负载,并且要使负载长期稳定的工作, 则负载的额定功率为 Pr=0.7Pm。 如果按照负载的功率选择太阳能电池的功率则 电池的功率为: Pm=1.43Pr。 就是说太阳能电池的功率要是负载功率的 1.43 倍。 在选择太阳能电池的功率时,应合理选择负载的耗电功率,这样才能使发电功 率与耗电功率处于一种平衡状态。当然太阳能电池的发电功率也会受到季节、气 候、地理环境和光照时间等多方面因素的制约。
蓄电池的使用(这里仅以夏季为例,介绍太阳能电池与蓄电池在一般情况下的使用)
蓄电池是一种储存电能的容器,常被作为其它电路的“能源基地”。由于太 阳能电池所产生的电力有限,因此要尽可能的扩大“基地”的储电容量,但也不 能无限扩大,因为太阳能电池只能在白天发电,其日发电量 M=发电功率(最 大输出功率)×有效光照时间×发电时间,由此它的日电量等于输出电流与有效 光照时间的乘积,即:C=IH(Ah)。而蓄电池的容量则使放电时间和放电电流的乘 积,因此计算公式为:C=IH(单位 Ah,就是额定 1A 的电流放电一小时)。那么 太阳能电池和蓄电池在容量和电量上使如何计算的呢?我们可以通过电功率公 式:P=IU 演化为:P=Iuh/h=CU/h。

几种新型太阳能电池性能比较

以化合物半导体为基体制成的太阳能电池。在种类繁多的化合物半导体材料中,不乏兼备优良光电特性、高稳定性、宜于加工制造的太阳能电池材料。化合物可构成同质结太阳能电池、异质结太阳能电池和肖特基结太阳能电池。它既可制成高效或超高效太阳能电池,又可制成低成本大面积薄膜太阳能电池,从而拓宽了光电材料的研究范围,也极大地丰富了太阳能电池家族。目前,世界上光电转换效率最高的是化合物半导体太阳能电池(如砷化镓太阳能电池效率η=24%~28%),或者是以化合物作为重要组分的太阳能电池(如砷化镓和硅叠合聚光太阳能电池效率η=32%~37%,薄膜硒铟铜/非晶硅太阳能电池效率η=14%~17%)。 在元素周期表中的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体,如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP);Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,如硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)等,都具有直接禁带跃迁的能带结构,吸收系数大,结构比较稳定。若用Ⅰ-Ⅲ族元素取代Ⅱ-Ⅵ族化合物中的Ⅱ族元素,则得到Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物,如硒铟铜(CuInSe)、硫铟铜(CuInS)等。对应地,用Ⅱ-Ⅳ族元素代替Ⅲ-Ⅴ族化合物中的Ⅲ族元素,则构成Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ族三元化合物,如锌硅砷(ZnSiAs2)等。从中可以挑选禁带宽度适合于吸收不同波长的太阳光、且可制成低电阻p型或n型基体的化合物半导体来制造太阳能电池。 具有代表性的化合物半导体太阳能电池有砷化镓太阳能电池、硫化镉太阳能电池和硒铟铜太阳能电池。 砷化镓太阳能电池Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池,其主要特点是: (1) GaAs的禁带宽度达1.43 eV,能有效地吸收太阳光,其理论效率达28%。 (2) GaAs是直接禁带跃迁材料,吸收系数大。吸收90%的太阳能只需5μm厚的GaAs,而硅则需厚为100μm以上才能吸收同样多的太阳能。 (3)耐高温,耐辐射,适宜于做聚光太阳能电池(聚光比可以高达1000~1735倍),也适宜于做太空飞行器上用的太阳能电池。 砷化镓太阳能电池的主要缺点是:价格昂贵,功率/重量比小,表面复合速度大等。 自1956年砷化镓太阳能电池问世以来,已制成pn结GaAs同质结太阳能电池和GaAlAs/GaAs 异质面太阳能电池等。砷化镓还可以分别与元素半导体、其他化合物构成许多异质结构的多晶薄膜GaAs太阳能电池。砷化镓太阳能电池的结构类同于硅太阳能电池,开路电压为0.88~1.0 V,短路电流密度稍低,一般为20~30 mA/cm2。 硫化镉太阳能电池是最先问世的Ⅱ-Ⅵ族化合物太阳能电池。硫化镉的禁带宽度为2.42 eV,吸收系数大,是比较理想的异质结窗口材料,CdS-Cu2S太阳能电池的效率极限为17.8%。但在研究中发现,CdS-Cu2S电池在自然光照条件下,铜离子会在pn结中宏观迁移,因而造成输出功率下降。现在正在用CdTe和其他合适的材料来制造低成本薄膜太阳能电池。 碲化镉太阳能电池碲化镉具有稳定性好、薄膜沉积速度快、价格便宜等优点,因而碲化镉与硒铟铜同样被选为当前最有希望的两种薄膜化合物太阳能电池之一。其光电转换效率,1991年为12.5%,1995年为15.8%,2000年有可能达到18%而进入产业化生产。 硒铟铜太阳能电池性能最好的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物太阳能电池。硒铟铜是目前已知的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半导体中性能最好的光电材料,禁带宽度为1.01~1.04 eV,有直接能带结构,在异质结电池中可作为理想的基体材料。硒铟铜与硫化镉、碲化镉材料一样,可以用真空沉积法、喷涂法、丝网印刷法和悬浮电镀法制造薄膜电池。电池结构与硅薄膜电池类同。也可制成前壁型和后壁型两种。CuInSe电池的开路电压比硅的低,约为0.4~0.5 V,而短路电流密度可高达40 mA/cm2左右,是一种稳定性比较好的薄膜太阳能电池。其光电转换效率,1991年为13%,1995年为17%,2000年可达20%。

太阳能电池特性测量

太阳能电池特性实验仪 能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。本世纪初进行的世界能源储量调查显示,全球剩余煤炭只能维持约216年,石油只能维持45年,天然气只能维持61年,用于核发电的铀也只能维持71年。另一方面,煤炭、石油等矿物能源的使用,产生大量的CO 2、SO 2等温室气体,造成全球变暖,冰川融化,海平面升高,暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生,给人类带来无穷的烦恼。根据计算,现在全球每年排放的CO 2已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主,CO 2的排放量占世界的15%,仅次于美国,所以减少排放CO 2、SO 2广义地说,太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能,它们随着太阳和地球的活动,周而复始地循环,几十亿年内不会枯竭,因此我们把它们称为可再生能源。太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。 在地球大气圈外,太阳辐射的功率密度为1.353kW /m 等温室气体,已经成为刻不容缓的大事。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。 2 ,称为太阳常数。到达地球表面时,部分太阳光被大气层吸收,光辐射的强度降低。在地球海平面上,正午垂直入射时,太阳辐射 的功率密度约为1kW /m 2 太阳能发电有两种方式。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气,再驱动汽轮机发电,太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。光—电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。 ,通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大,从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大,用之不竭,而且是不会产生环境污染的绿色能源,所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。 与传统发电方式相比,太阳能发电目前成本较高,所以通常用于远离传统电源的偏远地区,2002年,国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”,通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。随着研究工作的深入与生产规模的扩大,太阳能发电的成本下降很快,而资源枯竭与环境保护导致传统电源成本上升。太阳能发电有望在不久的将来在价格上可以与传统电源竞争,太阳能应用具有光明的前景。 根据所用材料的不同,太阳能电池可分为硅太阳能电池,化合物太阳能电池,聚合物太阳能电池,有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。 本实验研究单晶硅,多晶硅,非晶硅3种太阳能电池的特性。 实验内容 1. 太阳能电池的暗伏安特性测量 2. 测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系 3. 测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系 4. 太阳能电池的输出特性测量

几种太阳能电池的工作原理及区别

单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池 的工作原理及区别 硅太阳能电池的外形及基本结构如图1。其中基本材料为P型单晶硅,厚度为0.3—0.5mm左右。上表面为N+型区,构成一个PN+结。顶区表面有栅状金属电极,硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N+区和P区形成欧姆接触,整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。 当入发射光照在电池表面时,光子穿过减反射膜进入硅中,能量大于硅禁带宽度的光子在N+区,PN+结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区,就对发光电压作出贡献。光生电子留于N+区,光生空穴留于P区,在PN+结的两侧形成正负电荷的积累,产生光生电压,此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后,光电池就从P 区经负载流至N+区,负载中就有功率输出。 太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区湿产生阳光电流对短波长的紫光(或紫外光)敏感,约占总光源电流的5-10%(随N+区厚度而变),PN+结空间电荷的光生电流对可见光敏感,约占5 %左右。电池基体域

产生的光电流对红外光敏感,占80-90%,是光生电流的主要组成部分。 2.单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池,它的构成和生产工艺已定型,产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料,纯度要求99.999%。为了降低生产成本,现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒,材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料,经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片,一般片厚约0.3毫米。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序,制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片,首先要在硅片上掺杂和扩散,一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法,将配好的银浆印在硅片上做成栅线,经过烧结,同时制成背电极,并在有栅线的面涂覆减反射源,以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉,至此,单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验,即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件(太阳能电池板),用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流,最后用框架和封装材料

(整理)太阳能电池各电性能参数-草稿.

太阳能电池各电性能参数的本质及工艺意义 ?武宇涛 ? 电性能参数主要有:V oc,Isc,Rs,Rsh,FF,Eff,Irev1,… 电性能参数在生产过程中尤其是在实时的生产控制现场,非常及时地反映了整个生产线生产工艺尤其是后道工序的动态变化情况,为我们对产线的控制及生产设备工艺参数的实时调节起到了非常重要的参考作用。 从可控性难易角度来说,V oc,Rs,Rsh,主要和原材料及生产工艺的本身特征相关,与工艺现场的调控波动性关系不是特别紧密,可称之为长程可控参数。而Isc,FF, Irev1与工艺现场的调控联系紧密,对各调控参数比较敏感,可称之为短程可控参数。 当然我们最关心的是效率Eff。而Eff则是以上所有参数的综合表现。 太阳能电池的理论基础建立在以下几个经典公式之上: Voc=(KT/q)×ln(Isc/Io+1) Voc=(KT/q)×ln(N aNd/ni2) 1 2 FF=Pm/(Voc×Isc)=Vm×Im/ (Voc×Isc) 3 4

Eff=Pm/(APin)=FF×Voc×Isc/APin=FF×Voc×Jsc/Pin 5 图-1太阳能电池的I-V曲线 图-2太阳能电池等效电路 从上面5式我们可以看到,与效率直接相关的电性能参数主要有:FF,Voc, Isc。在生产中我们还比较关心暗电流情况:Irev1,由1式可以看出,它与Voc有比较紧密地联系(实际也是这样的)。 为了更好地说明各参数间的联系,这里先录用几组数据如下:

表-1 线别Uoc Isc FF Rs Rsh EFF Irev>6>16%Isc>8.2Voc>620FF>78 P156(71)0.6188.2177.20.00381816.11%0.17%78.73%56.2%33.1% 1.3% P156(62)0.6168.2176.60.00413315.92%0.53%56.06%55.2%18.1%0.4% E-CELL(LY)0.6277.2978.10.00312914.68% 1.23%40.03%20.3%69.8%65.8% 以上P156均系LDK片源。 1,Voc 由于光生电子-空穴对在内建场的作用下分别被收集到耗尽层的两端,从而形成电势。所以我们认为Voc是内建电场即PN 结扫集电流的能力的直观表现。 由上面公式1所反映,Voc主要与电池片的参杂浓度(Nd)相关。对于宽△Eg的电池材料,相对会有比较高的Voc;但△Eg过高,又会导致光吸收效率的迅速下降(主要是长波段响应降低),使Isc是降低,所以需要找到一个最佳掺杂深度值。另一方面,高参杂又会引入更多的复合中心,使复合电流增加,同样也降低了Voc。所以在没有引起复合电流增加或者其增量比较小的前提下,参杂浓度的提高对Voc总是有益的。 在上表所示的三种成品电池片中,P156的片子与E-CELL 片子Voc有着显著的不同,这显然是由于冶金级硅的杂质浓度过大导致的。而对于62栅线和71栅线的电池片,由于其总体参杂浓度并没有显著的改变,所以其开压并没有显著差别。从上表还可以看出,E-CELL电池的Isc已经比比另两者有显著降低,我们可以认为对于P156的正常多晶硅电池片其Voc在620mv左右达

太阳能电池各电性能参数-草稿

太阳能电池各电性能参数的本质及工艺意义 武宇涛 电性能参数主要有:V oc,Isc,Rs,Rsh,FF,Eff,Irev1,… 电性能参数在生产过程中尤其是在实时的生产控制现场,非常及时地反映了整个生产线生产工艺尤其是后道工序的动态变化情况,为我们对产线的控制及生产设备工艺参数的实时调节起到了非常重要的参考作用。 从可控性难易角度来说,V oc,Rs,Rsh,主要和原材料及生产工艺的本身特征相关,与工艺现场的调控波动性关系不是特别紧密,可称之为长程可控参数。而Isc,FF, Irev1与工艺现场的调控联系紧密,对各调控参数比较敏感,可称之为短程可控参数。 当然我们最关心的是效率Eff。而Eff则是以上所有参数的综合表现。 太阳能电池的理论基础建立在以下几个经典公式之上: Voc=(KT/q)×ln(Isc/Io+1) Voc=(KT/q)×ln(N aNd/ni2) 1 2 FF=Pm/(Voc×Isc)=Vm×Im/ (Voc×Isc) 3 4 Eff=Pm/(APin)=FF×Voc×Isc/APin=FF×Voc×Jsc/Pin 5

图-1太阳能电池的I-V曲线 图-2太阳能电池等效电路 从上面5式我们可以看到,与效率直接相关的电性能参数主要有:FF,Voc, Isc。在生产中我们还比较关心暗电流情况:Irev1,由1式可以看出,它与Voc有比较紧密地联系(实际也是这样的)。 为了更好地说明各参数间的联系,这里先录用几组数据如下:表-1

线别Uoc Isc FF Rs Rsh EFF Irev>6>16%Isc>8.2Voc>620FF>78 P156(71)0.6188.2177.20.00381816.11%0.17%78.73%56.2%33.1% 1.3% P156(62)0.6168.2176.60.00413315.92%0.53%56.06%55.2%18.1%0.4% E-CELL(LY)0.6277.2978.10.00312914.68% 1.23%40.03%20.3%69.8%65.8% 以上P156均系LDK片源。 1,Voc 由于光生电子-空穴对在内建场的作用下分别被收集到耗尽层的两端,从而形成电势。所以我们认为Voc是内建电场即PN 结扫集电流的能力的直观表现。 由上面公式1所反映,Voc主要与电池片的参杂浓度(Nd)相关。对于宽△Eg的电池材料,相对会有比较高的Voc;但△Eg过高,又会导致光吸收效率的迅速下降(主要是长波段响应降低),使Isc是降低,所以需要找到一个最佳掺杂深度值。另一方面,高参杂又会引入更多的复合中心,使复合电流增加,同样也降低了Voc。所以在没有引起复合电流增加或者其增量比较小的前提下,参杂浓度的提高对Voc总是有益的。 在上表所示的三种成品电池片中,P156的片子与E-CELL 片子Voc有着显著的不同,这显然是由于冶金级硅的杂质浓度过大导致的。而对于62栅线和71栅线的电池片,由于其总体参杂浓度并没有显著的改变,所以其开压并没有显著差别。从上表还可以看出,E-CELL电池的Isc已经比比另两者有显著降低,我们可以认为对于P156的正常多晶硅电池片其Voc在620mv左右达到了峰值。另外通过对高Voc电池片(如E-CELL)进行QE扫

太阳能电池材料

太阳能电池材料 The materials of Solar Cells 课程编号:07310550 学分:3 学时:45 ( 其中:授课学时:45 实验学时:0 上机学时:0 ) 先修课程:新能源材料,固体物理导论 适用专业:无机非金属材料工程(光电材料与器件) 教材:《太阳能电池材料》杨德仁主编,化学工程出版社,2006 年10 月第一版开课学院:材料科学与工程学院 一.课程的性质与任务本课程是光电材料与器件专业的一门主要专业方向课程。本课程力求在介绍太阳能光电转化基本原理和太阳能电池基本结构和工艺的基础上,重点介绍太阳能电池材料的制备,材料的结构和性能。 二. 课程的基本内容及要求 第一章太阳能和光电转换 1.教学内容 (1)太阳能 (2)太阳能辐射和吸收 (3)太阳能光电的研究和应用历史 (4)太阳电池的研究与开发 2.基本要求 (1)了解太阳能电池的发展历史 (2)了解太阳能的基本参数 第二章太阳能光电材料及物理基础 1.教学内容 (1)半导体材料和太阳能光电材料 (2)载流子和能带 (3)杂质和缺陷能级 (4)热平衡下的载流子以及非平衡载流子 (5)pn 结和金属-半导体接触 (6)太阳能转换原理-光生伏特效应 2. 基本要求 (1)理解半导体材料以及太阳能光电材料的定义,分类 (2)理解载流子的分类,定义以及半导体能带理论 (3)熟练掌握杂质半导体的分类,能级理论

(4)理解非平衡载流子的产生,复合,寿命,扩散,在电场下的漂移 (5)掌握pn 结的制备,原理,电流电压特性,金属-半导体接触,欧姆接触的原理 (6)掌握半导体材料的光吸收,光生伏特效应的原理第三章单晶硅材料 1.教学内容 (1)硅的基本性质 (2)太阳能电池用硅材料 (3)高纯多晶硅的制备 (4)太阳能级多晶硅的制备 (5)区熔单晶硅 (6)直拉单晶硅 (7)硅晶片加工 2.基本要求 (1)了解硅的基本物理,化学性质 (2)理解太阳能电池用硅材料在纯度,物理,化学等方面的要求 (3)了解西门子法,硅烷法,四氯化硅氢还原法的原理 (4)掌握了解太阳能级多晶硅的制备步骤 (5)了解区熔单晶硅的制备步骤 (6)熟悉直拉单晶硅的生长原理,生长技术,掺杂技术和工艺 (7)了解硅晶片制备步骤中的切断,滚圆,切片,化学腐蚀第四章铸造多晶硅 1.教学内容 (1)概述 (2)铸造多晶硅的制备工艺 (3)铸造多晶硅的晶体生长 2.基本要求 (1)了解铸造多晶硅的定义。 (2)熟悉铸造多晶硅的制备工艺步骤。 (3)理解铸造多晶硅的晶体生长中所需的原材料,坩埚,晶体生长工艺,晶体生长的因素,晶体掺杂。 第五章太阳电池的结构和制备 1.教学内容 (1)太阳电池的结构和光电转换效率 (2)晶体硅太阳电池的基本工艺 ⑶薄膜太阳电池 2.基本要求

薄膜晶体硅太阳能电池分析比较

薄膜晶体硅太阳能电池分析比较 《中国组件行业投资前景及策略咨询报告》分析:目前在工业上,硅的成本大约占硅太阳能电池生产成本的一半。为减少硅的消耗量,光伏(PV)产业正期待着一些处于研究开发中的选择方案。其中最显然的一种就是转向更薄的硅衬底。现在,用于太阳能电池生产的硅衬底厚度略大于200mm,而衬底厚度略小于100mm的技术正在开发中。为使硅有源层薄至5-20 mm,可以在成本较低的硅衬底上淀积硅有源层,这样制得的电池被称为薄膜。为使其具有工业可行性,主要的挑战是在适于大规模生产的工艺中,怎样找到提高效率和降低成本之间的理想平衡。已经存在几种制造硅有源层的技术1,本文将讨论其中的三种。 薄膜PV基础 第一种技术是制作外延(epitaxial)(图1),从高掺杂的晶体硅片(例如优级冶金硅或废料)开始,然后利用化学气相淀积(CVD)方法来淀积外延层。除成本和可用性等优势以外,这种方法还可以使硅太阳能电池从基于硅片的技术逐渐过渡到薄膜技术。由于具有与传统体硅工艺类似的工艺过程,与其它的薄膜技术相比,这种技术更容易在现有工艺线上实现。 第二种是基于层转移(layer transfer)的技术,它在多孔硅薄膜上外延淀积单晶硅层,从而可以在工艺中的某一点将单晶硅层从衬底上分离下来。这种技术的思路是多次重复利用母衬底,从而使每个太阳能电池的最终硅片成本很低。正在研究中的一种有趣的选择方案是在外延之前就分离出多孔硅薄膜,并尝试无支撑薄膜工艺的可能性。 最后一种是薄膜多晶硅太阳能电池,即将一层厚度只有几微米的晶体硅淀积在便宜的异质衬底上,比如陶瓷(图2)或高温玻璃等。晶粒尺寸在1-100mm之间的多晶硅薄膜是一种很好的选择。我们已经证实,利用非晶硅的铝诱导晶化可以获得高质量的多晶硅太阳能电池。这种工艺可以获得平均晶粒尺寸约为5 mm 的很薄的多晶硅层。接着利用生长速率超过1 mm/min的高温CVD技术,将种子层外延生长成几微米厚的吸收层,衬底为陶瓷氧化铝或玻璃陶瓷。选择热CVD是因为它的生长速率高,而且可以获得高质量的晶体。然而这样的选择却限定了只能使用陶瓷等耐热衬底材料。这项技术还不像其它薄膜技术那样成熟,但已经表现出使成本降低的巨大潜力。

太阳能电池材料的研究现状及未来发展

太阳能电池材料的研究现状及未来发展 太阳能是人类取之不尽,用之不竭的可再生能源,它不产生任何环境污染,是清洁能源.太阳光辐射能转化电能是近些年来发展最快,最具活力的研究,人们研制和开发了不同类型的太阳能电池.太阳能电池其独特优势,超过风能、水能、地热能、核能等资源,有望成为未来电力供应主要支柱.制造太阳能电池材料的禁带宽E:应在1.1eV-13W之间,以1.5eV左右为佳,最好采用直接迁移型半导体,较高的光电转换效率(以下简称“效率”),材料性能稳定,对环境不产生污染,易大面积制造和工业化生产. 1954年美国贝尔实验室研制了世界上第一块实用半导体太阳能电池,不久后用于人造卫星.经近半个世纪努力,人们为太阳电池的研究、发展与产业化做出巨大努力.硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用.在随后10多年里,空间应用不断扩大,工艺不断改进.20世纪70年代初,硅太阳电池开始在地面应用,到70年代末地面用太阳电池产量己经超过空间电池产量,并促使成本不断降低.80年代初,硅太阳电池进入快速发展,开发的电池效率大幅度提高,商业化生产成本进一步降低,应用不断扩大.20世纪80年代中至今,薄膜太阳能电池研究迅速发展,薄膜电池被认为大幅度降低成本的根本出路,成为 今后太阳能电池研究的热点和主流,并逐步向商业化生产过渡. 1.不同材料太阳电池分类及特性简介 太阳能电池按材料可分为品体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜太阳电池和光电化学太阳电池等儿大类.开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高效率和降低成本. 1晶体硅太阳电池 晶体硅太阳电池是PV(Photovoltaic)市场上的主导产品,优点是技术、工艺最成熟,电池转换效率高,性能稳定,是过去20多年太阳电池研究、开发和生产主体材料.缺点是生产成本高.在硅电池研究中人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能,进一步提高效率.如发射极钝化、背面局部扩散、激光刻槽埋栅和双层减反射膜等,高效电池在这些实验和理论基础上发展起来的. 2硅基薄膜太阳电池 多晶硅(ploy-Si)薄膜和非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池可以大幅度降低太阳电池价格.多晶硅薄膜电池优点是可在廉价的衬底材料上制备,其成本远低于晶体硅电池,效率相对较高,不久将会在PV市场上占据主导地位.非晶硅是硅和氢(约10%)的一种合金,具有以下优点:它对 厚,材料的需求量大大减少,沉积温度低(约200'C),阳光的吸收系数高,活性层只有1m 可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上,生产成本低,单片电池面积大,便于工业化大规模生产.缺点是由于非晶硅材料光学禁带宽度为1.7eV,对太阳辐射光谱的长

太阳能电池板参数

太阳能电池板的一组参数 最大标称功率Wp max (W), 峰值电压Vmp(V):峰值电压是在强光时的最高电压 峰值电流Imp(A) 开路电压V oc(V):开路电压是电池板空载电压 工作电压:是电池板带上负荷时测得的电压 短路电流Isc(A) 尺寸Size(mm) 重量Weight(KGS) (峰值电压最高、开路电压次之、工作电压最低) 直流接线盒: 采用密封防水、高可靠性多功能ABS 塑料接线盒,耐老化防水防潮性能好;连接端采用易操作的专用公母插头,使用安全、方便、可靠。 工作温度:-40℃~+90℃ 使用寿命可达20 年以上,衰减小于20%。 问题集锦: 1、什么是太阳能电池? 答:太阳能电池是基于半导体的光伏效应将太阳辐射直接转换为电能的半导体器件。 现在商品化的太阳能电池主要有以下几种类型:单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池,目前还有碲华镉电池、铜铟硒电池、纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜太阳能电池及有机太阳能电池等。 晶体硅(单晶、多晶)太阳能电池需要高纯度的硅原料,一般要求纯度至少是99. 99998%,也就是一千万个硅原子中最多允许2 个杂质原子存在。硅材料是用二氧化硅(SiO2,也就是我们所熟悉的沙子)作为原料,将其熔化并除去杂质就可制取粗级硅。从二氧化硅到太阳能电池片,涉及多个生产工艺和过程,一般大致分为:二氧化硅—> 冶金级硅—>高纯三氯氢硅—>高纯度多晶硅—>单晶硅棒或多晶硅锭—>硅片—>太阳能电池片。 2、什么是单晶硅太阳能电池板? 答:单晶硅太阳能电池片主要是使用单晶硅来制造,与其他种类的太阳能电池片相比,单晶硅电池片的转换效率最高。在初期,单晶硅太阳能电池片占领绝大部份市场份额,在1998 年后才退居多晶硅之后,市场份额占据第二。由于近几年多晶硅原料紧缺,在2004 年之后,单晶硅的市场份额又略有上升,现在市面上看到的电池有单晶硅居多。单晶硅太阳能电池片的硅结晶体非常完美,其光学、电性能及力学性能都非常的均匀一致,电池的颜色多为黑色或深色,特别适合切割成小片制作成小型的消费产品。单晶硅电池片在实验室实现的转换效率为24.7%.普通商品化的转换效率为10%-1 8%。单晶硅太阳能电池片因为制作工艺问题,一般其半成硅锭为圆柱进,然后经过切片->清洗->扩散制结->去除背极->制作电极->腐蚀周边->蒸镀减反射膜等工蕊制成成品。一般单晶硅太阳能电池四个角为圆角。单晶硅太阳能电池片的厚度一般为200uM- 350uM 厚,现在的生产趋势是向超薄及高效方向发展,德国太阳能电池片厂家已经证实40uM 厚的单晶硅可达到20%的转换效率。 3、什么是多晶硅太阳能电池板? 答:在制作多晶硅太阳能电池时,作为原料的高纯硅不是再提纯成单晶,而是熔化浇铸成正方形的硅锭,然后再加工单晶硅一样切成薄片和进行类似的加工。多晶硅从其表面很容易进行辨认,硅片是由大量不同大小的结晶区域组成(表面有晶体结晶状),其发电机制与单晶相同,但由于硅片由多个不同大小、不同取向的晶粒组在,其晶粒界面处光电转换易受到干扰,因而多晶硅的转换效率相对较低,同时,多晶硅的光

太阳能电池与功能材料和结构材料

1.硅太阳能电池工作原理与结构 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质,如硼、磷等,当掺入硼时,硅晶体中就会存在着一个空穴图中,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子,因为硼原子周围只有3个电子,所以就会产生入图所示的蓝色的空穴,这个空穴因为没有电子而变得很不稳定,容易吸收电子而中和,形成P(positive)型半导体。同样,掺入磷原子以后,因为磷原子有五个电子,所以就会有一个电子变得非常活跃,形成N(negative)型半导体。黄色的为磷原子核,红色的为多余的电子。N 型半导体中含有较多的空穴,而P型半导体中含有较多的电子,这样,当P型和N型半导体结合在一起时,就会在接触面形成电势差,这就是PN结。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。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。) 结构材料和功能材料的区分在于人们对于材料主要要求的性能不同。对于结构材料,材料的强度、韧性是主要要求的性能,这种性能对材料的组织、原子排列方式很敏感;而功能材料主要要求材料的声、电、热、光、磁等物理性能和化学性能,它们往往对组织不那么敏感,而对材料中的电子分布与运动敏感。所以本章分成结构材料和功能材料二部分来介绍。 结构材料在工业文明中发挥了巨大作用。大到海洋平台,小到一枚螺丝钉,它们所用材料都要考虑承载能力,都是用结构材料。面向21世纪,进一步发展空间技术、核能、海洋开发、石油、化工、建筑建材及交通运输等等仍然要依赖于结构材料。其中金属材料以前是,现代仍然是占主导地位;在一些关键部位或特殊环境下如高温、腐蚀条件下要用到结构陶瓷;高分子材料重量轻、耐腐蚀的优点使人们在一些承载低的工况下用它做结构材料;复合材料由于可利用各种材料之长,正成为大家关注的热点,其作为结构材料使用的场合不断增加。总之,这几类材料都可以作结构材料,但各有优缺点,通过学习大家要掌握这几类结构材料的特点和一些典型材料微观结构对性能的影响规律。 功能材料是当代新技术,如信息技术、生物工程技术、航空航天技术、能源技术、先进制造技术、先进防御技术……的物质基础,是新技术革命的先导,它的用量不大,但作用不小。金属材料、无机非金属材料、高分子材料中都有一些是功能材料,不同功能材料的复合更有可能开发出多功能的功能材料。由于这几类材料的声、光、电、热、磁各物理性质在本质上有共同的地方,所以功能材料部分我们按电、光、磁的顺序来介绍。这三种物理性质用的较多。对于电、光、磁本质的了解可以使我们容易理解形形色色的功能材料。 2.功能材料与结构材料区别 功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能,特殊的物理、化学、生物学效应,能完成功能相互转化,主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 结构材料是以力学性能为基础,以制造受力构件所用材料,当然,结构材料对物理或化学性能也有一定要求,如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。

太阳能电池板选择

太阳能电池的最大功率Pmax=开路电压×短路电流,这是它们的理想功率,而平时大家衡量太阳能电池的是额定功率Pm。实际中额定功率是小于最大功率的,主要是由于太阳能电池的输出效率u只有70%左右。在使用中由于受光强度 如果太阳能电池要直接带动负载,并且要使负载长期稳定的工作,则负载的额定功率为Pr=。如果按照负载的功率选择太阳能电池的功率则电池的功率为:Pm=。

例如:有一块单晶硅电池的组件,最大的输出功率Pm(额定功率)为25W,峰值电压(额定电压)Ump为,峰值电流(额定电流)为,开路电压为21V,短路电流为Isc为,某地区有效光照时间为12小时,求太阳能电池一天的发电量和所需的蓄电池的容量。 已知:Pm=25w,h=12h,U=,太阳能电池的发电效率为:u=,蓄电池的补偿值为 n= 太阳能电池的发电量:M=Pm×h×u=25×12×=210W 按上诉公式:C=Ph/U=25×12/= 那么实际的蓄电池的有效容量要在C==以上 所以在实际中我们可以选择14Ah左右容量的蓄电池。 在我国南方和北方的地区由于地理纬度上的差异,夏季和冬季的太阳日照时间可以根据下面的公式计算:H=12±ɡ,H表示日照时间、12为日照平均时间、表示地理上的经度纬度的差异、ɡ表示所在地的地理纬度、±夏季取+,冬季取-。光照效率一般在夏季取左右,春秋季取,冬季取~,这样有效光照时间就为:h=H ×光照效率。 蓄电池和太阳能电池的配接 目前生产太阳能电池产品种类和规格很多,对于蓄电池来讲一般有6V、12V、24V的。那么如何将太阳能电池和蓄电池配接起来?通常来说太阳能电池的额定输出电压要比蓄电池高~倍,这是因为蓄电池的充电效率决定的,因为太阳能电池的充电,不象使用市电给蓄电池充电一样有较大的选择余地,况且它在给蓄电池充电的时候功率波动比较大,这要先考虑太阳能电池的成本问题。假如蓄电池的充电时率选择在C10,充电的补偿值定位倍,那么一个额定12V电压的蓄电池应当选配的太阳能电池的电压应该在12V×=左右的太阳能电池,这个电压值已经接近蓄电池的极限充电电压。用太阳能电池给手机电池充电也是一样的,充电的电压越高则充电的功率就会越大,那么其他的充电时间和充电补偿值就要另外计算。

太阳能电池串并联输出功率比较

太阳能电池串并联输出功率比较 一,实验目的 (1)比较太阳能电池不同接法下的输出功率 (2)找出哪种接法适合电阻大的用电器哪种接法适合电阻小的用电器 二,实验器材 太阳能电池特性测试试验仪(THQTN-1) 三,实验原理 1.太阳电池的结构 以晶体硅太阳电池为例,其结构示意图如图1 所示.晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作.一般采用n+/p 同质结的结构,即在约10 cm×10 cm 面积的p 型硅片(厚度约500 μm)上用扩散法制作出一层很薄(厚度~0.3 μm)的经过重掺杂的n 型层.然后在n 型层上面制作金属栅线,作为正面接触电极.在整个背面也制作金属膜,作为背面欧姆接触电极.这样就形成了晶体硅太阳电池.为了减少光的反射损失,一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜.

2.光伏效应 当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时,只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg,则在p 区、n 区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对.那些在结附近n 区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散.只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度,总有一定几率扩散到结界面处.在p 区与n 区交界面的两侧即结区,存在一空间电荷区,也称为耗尽区.在耗尽区中,正负电荷间形成一电场,电场方向由n区指向p 区,这个电场称为内建电场.这些扩散到结界面处的少数载流子(空穴)在内建电场的作用下被拉向p 区.同样,如果在结附近p 区中产生的少数载流子(电子)扩散到结界面处,也会被内建电场迅速被拉向n 区.结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n 区和p 区.如果外电路处于开路状态,那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近,使p 区获得附加正电荷,n 区获得附加负电荷,这样在pn结上产生一个光生电动势.这一现象称

太阳能电池调研报告

太阳能电池调研报告 一、太阳能概述 随着人类社会的发展,人们对能源的需求也越来越大。目前全世界每年的能源消耗已经达到了4.1 × 1020焦耳,等价于13TW。预计到2050年,世界能源需求将超过现在的两倍,达到30TW;而到本世纪末,需求将达到46TW[1]。相比之下,常规能源的储备已经日益减少,现有常规能源已经完全不能满足人们对能源的需求,如石油只够再用五十年,而煤也只有两百年,新能源的开发已经迫在眉睫。与此同时,化石燃料的使用使得全球环境污染和气候变化问题越来越严重。作为世界上最大的煤炭消耗国,我国的环境污染问题和生态恶化现象都非常严重,所以更需要开发出清洁的可再生能源以缓解这一矛盾。新型能源包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能等一次能源以及氢能、用于核能发电的核燃料等二次能源[2]。由于新能源的能量密度较小、或品位较低、或有间歇性,按已有的技术条件转换利用的经济性尚差,还处于研究、发展阶段,只能因地制宜地开发和利用;但新能源大多数是再生能源。资源丰富,分布广阔,是未来的主要能源之一。目前世界各国都在加紧新能源的开发和利用。 和其他新能源相比,太阳能具有总量大、分布广泛、使用时间长、无污染、取之不尽的优点。首先,太阳能的总量十分巨大,仅辐射到地球表面上的就有120,000TW,远远超过人类目前的能源需求(13TW)。据估算,只要地球上0.16%的陆地都铺上效率为10%的太阳能转换系统,就能提供约20TW的能源[1];其次,太阳能分布极其广泛,处处都有太阳能,可以就地利用,仅我国而言,2/3的地区年辐射总量大于5020MJ/m2、年日照时数在2200小时以上,其中青藏高原多年辐射总量更是高达6670~8374 MJ/m2;从太阳的“寿命”看,再过50亿年太阳才演变为红巨星,可以说太阳能是取之不尽,用之不竭的;此外,太阳能电池可以一次投资而长期使用。最后,相比火力发电、核能发电,太阳能的利用不会产生污染。 当然,太阳能也有它自身的缺点。太阳能虽然总量大,能流密度却比较小,1m2面积所能接收到的能量平均只有1kW左右,这就需要比较大的面积来收集太阳能;太阳能的地域分布不均匀,不同海拔、不同纬度的地区接收到的太阳辐射是不一样的;此外,由于昼夜的更替、季节的循环,以及各种天气的变化,太阳能的供应是不稳定的[2]。 太阳能的利用方式主要有三种:光电、光热和光化学。光电直接转换方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,其基本装置就是太阳能电池——光电二极管。当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流;光热转换方式是利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程,与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高;而光化学主要指太阳燃料,即利用生物技术和工程,设计出高效的能量转换的植物和生物质,以及合成具有光合作用的 分子体系用来制造H 2、CH 4 等化学燃料[1]。

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