comsol毫秒激光对硅太阳能电池的损伤效应研究(3)
图 2.2 实验中采用的单晶硅太阳能电池
2.2 激光对硅太阳能电池的损伤机理
硅电池的主要工作材料是硅，当其被激光辐射时就会产生温度场的变化，同时其热应力分布发生变化，当激光强度到损伤阚值就对硅材料造成不可逆的破坏 。用激光辐射电池表面时，激光的能量就会被硅反射、折射和吸收。而被吸收的能量就会成为材料自身的热能，对其工作状态造成影响。材料吸收的热量通过热传导不断扩散，材料的内部就产生了温度场。电池的工作状态改变时，微观上的表现为：电子和空穴产生激发或跃迁现象，分子解离以及原子电离等；宏观上表现为温度的升高、材料表面热膨胀，熔融甚至汽化，直到电池被彻底破坏 。当毫秒激光照射到材料表面的时候，入射光子中的能量就会被被材料中的自由载流子吸收掉，吸收掉的能量又会变为热能。硅电池的温度在激光的辐射下不断升高，即便电池还没有造成肉眼可见的损坏，其工作性能也可能已经下降，输出电流和电压发生了变化 。对硅太阳能电池的热稳定性产生影响的具体因素有以下几方面：热膨胀系数、比热、抗张强度、杨氏弹性系数和热导率等，而热膨胀系数对其热稳定性的影响最大。热膨胀系数越大，硅电池在受激光辐射的时候的热稳定性就越差。用毫秒冲激光辐射硅电池时，材料吸收热量就会形变，同时能量的沉积又是一种不均衡的状态，一般是熔化和汽化同时就行 。激光功率比较小辐射电池的时候，硅电池的损伤主要是由热损伤产生的。硅电池吸收的光能量转化为热能，使材料的温度升高。当硅电池表面的温度逐渐超过组成硅电池材料的熔点时，硅电池表面就会发生熔化现象。在激光辐射硅电池的过程中，激光热效应产生的主要现象，可以分成热能的产生，聚集，传导三个步骤 。
激光辐射硅电池时，电池表面因为吸收激光的光子能量而产生温度场，温度场的分布是同时又不均匀的。所电池的表面材料并是不连续分布的，不能单独发生自由膨胀并且相互制约，而温度场变化的过程中会就产生力，这种力就是热应力。当电池表面的温度超过材料的熔点，就会熔融，当停止激光辐射后，电池表面的材料迅速冷却。当硅电池表面重新凝固后其密度一般低于辐射前材料的密度，而且表现为不均匀的分布，并且产生热应力。当激光辐射硅电池时，因为温度的不均匀分布和激光辐射时间的关系，硅电池产生的热应变分布就会均表现的不均匀。硅电池具有材料的屈极限，硅电池内部的热应力大于其极限的时候，硅电池表面就会产生裂痕。假如热应力没有达到材料的极限，随着激光辐射时能量的增加，材料吸收的光子能量增加，温度也变高，可以到达熔点而熔融。当激光辐射后，硅电池表面温度马上变低．就有可能在力的方向上形成裂痕，或产生褶皱。继续增加辐射硅电池的激光能量，会使硅电池形成等离子，冲击硅电池表面，造成更加严重的破坏 。在毫秒激光辐射硅电池的损伤试验中，硅材料表面温度变化形成的热应力作用下，硅电池材料表面出现熔融现象熔融，热应力更可能足以使硅电池材料表面出现炸裂。