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晶硅太阳电池效率提升方向及影响各电性能参数的因素.doc

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资源描述
提高丝网印刷太阳电池效率的路径 Roadmap to Enhance the Efficiency of a Screen Printed Solar Cell 生产程序概况如下: 1.初始表面处理与绒面成型(Etching, Cleaning and Texturing Surfaces) ↓ 2. 磷扩散制p/n结与参数测试(Phosphorus Diffusion and Test) ↓ 3. 等离子周边刻蚀与表面腐蚀清洗(Plasma Etching and PSG Chemical Etching) ↓ 4. 减反射膜淀积,钝化与正面电场(Si3N4 Anti-reflection - AR Coating) ↓ 5. 丝网印刷电极和烧结背场(Screen Printing, Sintering and Back Surface Field) ↓ 6.电池性能测试和分类(Measurement and Sorting) 从1970年代至2003年左右,规模化生产太阳能电池的效率最高14%。 低成本、高效率, 相互联系,高效率是关键,现在生产18%。 光-电能量转换效率η为: 在太阳能电池I-V 特性曲线上作出Rs 和 Rsh (ΔV/ΔI = Rs,ΔV/ΔI = Rsh)的图示。作出最大功率点Pm及表示FF的方框图,写出用I,V表示FF和Pm的公式。 I ΔV ΔI ΔI ΔV Rsh=ΔV/ΔI Rs=ΔV/ΔI V Isc Im Vm Voc Pm ; Pm = ImVm = IscVocFF 图 p-n结的品质与FF、Rs 和Rsh的关系 1. 与能量转换效率η相关的参数(The Components of Efficiency) (1)开路电压Voc(Open circuit voltage Voc) 式中, Io是无光照时电池的反向饱和电流;q是电子电荷;k是玻尔兹曼常数;T是绝对温度;n是二极管理想因子. (2)短路电流密度Jsc(Short circuit current density Jsc) 短路电流Isc:理想状态下,应等于光生电流IL,即 Isc=IL 。 (short circuit current, Isc, which ideally is equal to the light generated current IL) (3)填充因子FF (Fill factor FF) 填充因子FF:。 实际上是在有光照的I-V曲线内最大矩形面积的测量。 (Fill factor defined as the measure of squareness of the illuminated I-V curve or ) 结果,能量转换效率。 (The energy conversion efficiency Eff. ) 2.有那些参数影响开路电压Voc的呢?(What parameters affect Voc) 材料-光伏有源材料:电阻率ρ,少子寿命τ,其它杂质等(Material-active material, ρτ…)。 表面发射极掺杂层(Emitter); 背面电场(BSF)(Back surface field); 漏电流-反向饱和电流 Io (Leakage currents – reverse saturation current); 理想因子 n (Ideality factor n); 并联电阻 Rsh (Shunt resistance); 钝化技术-电池材料的表面和内部的钝化(Passivation – surface and inner)。 3.有那些参数影响短路电流Isc的呢?(What parameters affect the short circuit currents) 绒面结构(Surface Texture); 正面减反射膜(AR coating); 表面发射极掺杂层-高或低的磷浓度(Emitter – high or low surface phosphorus concentration); 减少遮光损失(Reduce shading loss); 串连电阻Rs(Series resistance); 背面反射(Back surface reflectance); 钝化技术-电池材料的表面和内部的钝化(Passivation – surface and inner)。 4.有那些参数影响填充因子FF的呢?(What parameters affect the FF) 表面发射极掺杂层-高或低的磷浓度(Emitter – high or low surface phosphorus concentration); 去除周边pn结和去磷硅玻璃(Remove edge junction and phosphorus silicon glass); 串连电阻Rs(电极接触、金属指条宽度和纵横比大小)( Series resistance (contact, finger etc)); 正面减反射膜(AR coating); 金属电极接触的烧结(Firing); 并联电阻 Rsh (Shunt resistance)。 5.有那些参数影响填充因子FF的呢?(What parameters affect the FF) 等效电路(Equivalent Circuit) (在光照下的太阳电池)(Illuminated Solar Cell) 电池结构(损失的成分)Cell Structure (Loss Components) 6.为了提高丝网印刷(SP)填充因子FF,必须解决下列问题: (To improve SP fill factors, the following must be determined): (1)金属电极接触的烧结对总串连电阻Rs(特别是对rc)的影响; (effect of contact firing on the overall Rseries (especially on rc)) (2)金属电极接触的烧结对pn结质量(并联电阻 Rsh和J02)的影响; (impact of contact firing on junction quality (Rshunt and Jo2)) *减少遮光损失,提升了短路电流Jsc,从而提高了能量转换效率η *Reduce shading loss, improve Jsc and increase η Final finger width 最后的金属指条宽度 (μm) Shading 遮光所占的面积 (%) Jsc 短路电流Jsc (mA/cm2) Efficiency 能量转换效率η (%) Efficiency Solarfun Std 能量转换效率η(林洋的标准) (%) 150 6.3 34.4 16.7 17.3 120 5.0 34.8 16.9 17.5 100 4.2 35.3 17.2 17.8 附录1:太阳能电池能量转换效率η 太阳能电池能量转换效率η, 是最大输出电功率与相应的输入光功率之比, 公式表示为: 式中Pin是太阳电池整个面积的总输入光功率. 对于陆地上的应用, 标准测试条件是: 一个太阳, AM1.5G, 1000W/m2(或100mW/cm2), 25 oC. 因此, 太阳电池的三个参数Voc, Isc 和 FF就能确定太阳电池的效率. 为了获得高的效率, 这三个参数应该尽可能高. (a) 为了获得高的开路电压 Voc, 电池必须有低的正向暗电流Io, 高的并联电阻Rsh. (b) 为了获得高的光电流(短路电流Isc), 电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的, 宽的和平坦的光谱响应, 内量子效率接近于1. (c) 为了获得高的填充因子FF, 电池必须有低的正向暗电流Io, 理想因子”n” 接近于1, 串联电阻必须低(< 1 ),并联电阻Rsh必须大(> 102 ·cm2). 附录2:太阳能电池的能量转换效率与有源材料的带隙宽度Eg和反向饱和电流Io的直接关系 有电流I通过外电路负载并跨过负载的电压为V时, 光电流IL和Isc = IL, 那么, 这时,电池的功率输出P为: 式中, Io是无光照时电池的反向饱和电流;q是电子电荷;k是玻尔兹曼常数;T是绝对温度;n是二极管理想因子. 令 = 0, 即太阳电池最大的功率输出Pmax 为: 式中, Vmp 是相应于最大功率输出点的电压. 由这个方程可以得到Isc, 并代入前面一式, 相应于最大功率输出点的电流Imp可得到为: 式中, 可以从前面一式得到, 代入再上一式, 再从上面的效率公式, 则: 而 Io 与材料带隙Eg相关,由经验公式给出: 式中, C is是个常数. 把它代入上面公式,可以看出效率,直接与反向饱和电流Io相关,也就是直接与材料带隙Eg相关. 我们可以得出下面几点结论: (i)材料带隙Eg越宽,吸收的光子数越少,导致电池的光电流IL越低,短路电流Isc越低,则效率越低; 但是, 带隙Eg越宽, 导致电池的反向饱和电流Io越小,因而开路电压Voc越大, 则效率越高; (ii) 材料带隙Eg越窄, 电池的反向饱和电流Io越大, 因而开路电压Voc越小, 则效率越低; 吸收了高能光子激发电子-空穴对后, 能量的一部份转化为晶格振动的热能,浪费了光的能量; 但是, 材料带隙Eg越窄, 可被吸收的光子数越多, 因而光电流IL越大,短路电流 Isc越大, 则效率越高; (iii)最高的效率是处在材料带隙Eg» 1.4 eV. 能量转换效率与材料带隙Eg的关系已经有图像曲线表证. 附录3:太阳能电池的反向饱和电流Io可表示为: 式中,A为太阳能电池的横断面积;在括号内,第一项是对p形材料的,第二项是对n形材料的;q 是电子电荷量, ni 是本征浓度,在任何确定的半导体材料,平衡态下= np,n是负电荷载流子浓度,p是正电荷载流子浓度;在 p形材料中, p » NA 和n »NA « p, 式中NA 是受主杂质浓度;而在n形材料中, n » ND 和 p »ND « n, 式中ND 是施主杂质浓度;离化了的受主带有净负电荷,» NA ,和离化了的施主带有净正电荷,» ND. Fp 是p形材料一边的背面复合因子和Fn是n形材料一边的正面复合因子。 从这个公式可知,要降低太阳能电池的饱和电流Io (也就是提高开路电压Voc), 就需要提高掺杂的杂质浓度NA 和ND。但这样做也有反作用,杂质浓度不能太高。当掺杂的杂质浓度NA 和ND增加时,少数载流子寿命τ,少数载流子扩散长度L和载流子迁移率μ都会减少。高掺杂的杂质浓度NA 和ND趋于降低饱和电流Io而提高开路电压Voc。硅片越薄,越会降低体内复合,降低饱和电流Io提高Voc。但是光吸收减少了,导致短路电流下降了,这就需要引进光陷技术来补偿。 附录4:影响电池性能Voc,Isc,FF的因素: Voc: 硅(Si)基片性质(晶向,p型/n型,电阻率,少子寿命等),p/n结掺杂浓度,电池结构形式,并联电阻等; Isc: 硅基片性质(少子寿命等),表面反射,光陷作用, 硅片对光不全吸收,p/n结对载流子不全收集和收集面积等; FF: 硅(Si)基片性质(电阻率,少子寿命等),电池结构, 电极接触, 串联电阻,并联电阻等. 目的: 提高Voc , Isc,和FF,要有高效率,同时也要降低成本(采用便宜的材料与工艺方法). 措施: 衬底材料质量,绒面, 前场, 浅结, 细密栅和高纵横比, 减反射膜, 前面钝化, 背场, 背面钝化, 体内吸杂, 丝网印刷电极. (n型硅Si衬底片)等制作高效廉价的太阳能电池.(较高熔点的银浆可得较高的纵横比)。 丝网印刷电极太阳能电池与实验室高效率太阳能电池相比,高效电池有高的纵横尺寸比(电极的高/宽), 细的电极线宽, 高电导率,与底下Si的接触电阻小. 通常印刷20mm高, 烧结后只有10mm高, 对于150mm条宽, 电极条的高/宽比只有0.06,很低,很差; (p54我可以做到 9mm/20mm=0.45,是0.06的7.5倍). 电极条宽150mm间距3mm遮光10-12%,而高效电池只有遮光3%. 附录5:太阳能电池的理想因子n: 实际状态下 的太阳能电池(二极管)理想因子n: 二极管理想因子n是一个处于1至2之间的数值。n是衡量pn结好坏的最重要标志,它由半导体材料和制造技术决定。 (1)理想情况下,如果p区和n区的扩散电流起支配作用,那么,理想因子n=1; (2)非理想情况下,pn结空间电荷耗尽区的复合电流起支配作用,那么,因子n=2。 对于太阳能电池, (i)辐射复合限制条件下,理想因子n≡1,与电流的低注入或高注入无关; (ii)俄歇复合限制条件下,低电流注入时理想因子n=1;高电流注入时n由小于1( < 1)减少至2/3; (iii)材料内部缺陷复合限制条件下,低电流注入时理想因子n=1;高电流注入时n由大于1( > 1)增加至2;总之,理想因子n随着电流的减少而增加。 第十一节 进一步提高效率的思路 在光伏企业中,流传着这样一种说法:硅晶片太阳能电池的制造每提高一个百分点(1%)的效率,就等于节省了10%的成本。虽然数据未必很准确,但宏观原理是毫无疑问的。 8.11.1 进一步提高效率的要点 企业要想进一步提高太阳能电池的能量转换效率,必须考虑: 1.理论上的可能性 光伏有源材料的选取,电池结构的设计,工艺路线的现实性等等。 2.可得到的光伏有源材料的质量 例如:目前由于硅(Si)片材料的紧缺,质量不合格的硅(Si)片也充当好硅(Si)片,造成技术上很大的混乱,电池性能不好找不出正确的原因。 3.技术管理层和技术人员及技术工人的水平 4.加工设备、加工环境、管理水平等等。 8.11.2 进一步提高效率的措施 1. Si 晶片太阳能电池,要提高效率η↑,同时减少每瓦产电的晶片重量的消耗Wg/Wp↓,增大每片的产能S/片↑。 2006年 2007年 Wg↓/ Wp 10g/ Wp 7g/ Wp Wp↑/片 > 3.5W/片,多晶 > 4.0W/片,多晶 国际产能 2.5 GW 13 GW 国内产能 0.45 GW 4.6 GW 2.Si 晶片太阳能电池绒面 棱型金字塔应该小而均匀,大小一致。大小约1至2μ。 3.PECVD平板式好或是管式好? SiNx减反射膜PECVD装置:多晶硅片太阳能电池用管式PECVD更好一些,因为PECVD管式更有力地把氢(H)原子打进体内和晶内,使H原子不容易挥发出去,起更好的钝化作用。 4.Si 单晶片太阳能电池在线(In-line)或后测试分析 PVGS可做出18%±3%的高效率单晶Si片太阳能电池。成品率97%。每天投产4万片156×156 mm。栅线(finger)丝网印刷条宽90μm、25—30μm高。18%高效率的电池是用平板式PECVD制减反射薄膜的。 (1)如何确定理想情况下的FF。:Rs=0,Rsh=∞,算出Voc。 (2)LBIC激光诱导电流(短波用激光波长633nm);(长波用激光波长972nm); 原材料片拉单晶时存在技术问题,材料质量有问题,这种测试后出现各种颜色圆圈;边缘也因电池加工过程不好而出现不正常斑点。 (3)量子效率(内量子效率IQE)、外量子效率EQE、光反射率测定 (4)光谱响应测定 (5)电极与Si片接触电阻分布的均匀性测定 电极Aspect Ratio (纵横比);Texture高低差。 (6)铝背场 Si片留下180μm;背面铝膜厚37μm。 Si片减薄:(a)不能减得太薄,减薄了效率降低; (b)减薄后容易损伤、碎片、裂片。 200μm的片子约减薄10μm最合适。 (7)绒面 改善后的绒面棱型金字塔小而均匀。 (8)扩散 扩散炉口、中间、炉尾的分布;每个片子各个位置的分布。 (9)反射率比较的研究 (10)光谱响应及量子效率测量研究 不但要考虑能量转换效率,特别强调要有公司本身的特色。 在薄膜技术中,化合物薄膜技术将来会占有更多的市场份额。 8.11.3 进一步提高丝网印刷太阳电池效率的路径 从1970年代至2003年左右,规模化生产太阳能电池的效率最高14%。 低成本、高效率, 相互联系,高效率是关键,现在生产18%。 光-电能量转换效率η为: 在太阳能电池I-V 特性曲线上作出Rs 和 Rsh (ΔV/ΔI = Rs,ΔV/ΔI = Rsh)的图示。作出最大功率点Pm及表示FF的方框图,写出用I,V表示FF和Pm的公式。 ; Pm = ImVm = IscVocFF 2与能量转换效率η相关的参数: (1)开路电压Voc (2)短路电流密度Jsc 短路电流Isc:理想状态下,应等于光生电流IL,即 Isc=IL 。 (3)填充因子FF 填充因子FF:。 实际上是在有光照的I-V曲线内最大矩形面积的测量。 2.有那些参数影响开路电压Voc的呢? 材料-光伏有源材料:电阻率ρ,少子寿命τ,其它杂质等。 表面发射极掺杂层; 背面电场(BSF); 漏电流-反向饱和电流 Io ; 理想因子 n; 并联电阻 Rsh ; 钝化技术-电池材料的表面和内部的钝化。 3.有那些参数影响短路电流Isc的呢? 绒面结构 正面减反射膜; 表面发射极掺杂层-高或低的磷浓度; 减少遮光损失; 串连电阻Rs; 背面反射; 钝化技术-电池材料的表面和内部的钝化。 4.有那些参数影响填充因子FF的呢? 表面发射极掺杂层-高或低的磷浓度; 去除周边pn结和去磷硅玻璃; 串连电阻Rs(电极接触、金属指条宽度和纵横比大小); 正面减反射膜; 金属电极接触的烘烤、烧结; 并联电阻 Rsh 。 5.有那些参数影响填充因子FF的呢? 等效电路(在光照下的太阳电池) 电池结构(损失的成分) 6.为了提高丝网印刷(SP)填充因子FF,必须解决下列问题: (1)金属电极接触的烧结对总串连电阻Rs(特别是对rc)的影响; (2)金属电极接触的烧结对pn结质量(并联电阻 Rsh和J02)的影响; 减少遮光损失,提升了短路电流Jsc,从而提高了能量转换效率η 最后的金属指条宽度 (μm) 遮光所占的面积 (%) 短路电流Jsc (mA/cm2) 能量转换效率η (%) 能量转换效率η(林洋的标准) (%) 150 6.3 34.4 16.7 17.3 120 5.0 34.8 16.9 17.5 100 4.2 35.3 17.2 17.8 附录1:太阳能电池能量转换效率η 太阳能电池能量转换效率η, 是最大输出电功率与相应的输入光功率之比, 公式表示为: 式中Pin是太阳电池整个面积的总输入光功率. 对于陆地上的应用, 标准测试条件是: 一个太阳, AM1.5G, 1000W/m2(或100mW/cm2), 25 oC. 因此, 太阳电池的三个参数Voc, Isc 和 FF就能确定太阳电池的效率. 为了获得高的效率, 这三个参数应该尽可能高. (a) 为了获得高的开路电压 Voc, 电池必须有低的正向暗电流Io, 高的并联电阻Rsh. (b) 为了获得高的光电流(短路电流Isc), 电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的, 宽的和平坦的光谱响应, 内量子效率接近于1. (c) 为了获得高的填充因子FF, 电池必须有低的正向暗电流Io, 理想因子”n” 接近于1, 串联电阻必须低(< 1 ),并联电阻Rsh必须大(> 102 ·cm2). 附录2:太阳能电池的能量转换效率与有源材料的带隙宽度Eg和反向饱和电流Io的直接关系 有电流I通过外电路负载并跨过负载的电压为V时, 光电流IL和Isc = IL, 那么, 这时,电池的功率输出P为: 式中, Io是无光照时电池的反向饱和电流;q是电子电荷;k是玻尔兹曼常数;T是绝对温度;n是二极管理想因子. 令 = 0, 即太阳电池最大的功率输出Pmax 为: 式中, Vmp 是相应于最大功率输出点的电压. 由这个方程可以得到Isc, 并代入前面一式, 相应于最大功率输出点的电流Imp可得到为: 式中, 可以从前面一式得到, 代入再上一式, 再从上面的效率公式, 则: 而 Io 与材料带隙Eg相关,由经验公式给出: 式中, C is是个常数. 把它代入上面公式,可以看出效率,直接与反向饱和电流Io相关,也就是直接与材料带隙Eg相关. 我们可以得出下面几点结论: (i)材料带隙Eg越宽,吸收的光子数越少,导致电池的光电流IL越低,短路电流Isc越低,则效率越低; 但是, 带隙Eg越宽, 导致电池的反向饱和电流Io越小,因而开路电压Voc越大, 则效率越高; (ii) 材料带隙Eg越窄, 电池的反向饱和电流Io越大, 因而开路电压Voc越小, 则效率越低; 吸收了高能光子激发电子-空穴对后, 能量的一部份转化为晶格振动的热能,浪费了光的能量; 但是, 材料带隙Eg越窄, 可被吸收的光子数越多, 因而光电流IL越大,短路电流 Isc越大, 则效率越高; (iii)最高的效率是处在材料带隙Eg» 1.4 eV. 能量转换效率与材料带隙Eg的关系已经有图像曲线表证. 附录3:太阳能电池的反向饱和电流Io可表示为: 式中,A为太阳能电池的横断面积;在括号内,第一项是对p形材料的,第二项是对n形材料的;q 是电子电荷量, ni 是本征浓度,在任何确定的半导体材料,平衡态下= np,n是负电荷载流子浓度,p是正电荷载流子浓度;在 p形材料中, p » NA 和n »NA « p, 式中NA 是受主杂质浓度;而在n形材料中, n » ND 和 p »ND « n, 式中ND 是施主杂质浓度;离化了的受主带有净负电荷,» NA ,和离化了的施主带有净正电荷,» ND. Fp 是p形材料一边的背面复合因子和Fn是n形材料一边的正面复合因子。 从这个公式可知,要降低太阳能电池的饱和电流Io (也就是提高开路电压Voc), 就需要提高掺杂的杂质浓度NA 和ND。但这样做也有反作用,杂质浓度不能太高。当掺杂的杂质浓度NA 和ND增加时,少数载流子寿命τ,少数载流子扩散长度L和载流子迁移率μ都会减少。高掺杂的杂质浓度NA 和ND趋于降低饱和电流Io而提高开路电压Voc。硅片越薄,越会降低体内复合,降低饱和电流Io提高Voc。但是光吸收减少了,导致短路电流下降了,这就需要引进光陷技术来补偿。 附录4:影响电池性能Voc,Isc,FF的因素: Voc: 硅(Si)基片性质(晶向,p型/n型,电阻率,少子寿命等),p/n结掺杂浓度,电池结构形式,并联电阻等; Isc: 硅基片性质(少子寿命等),表面反射,光陷作用, 硅片对光不全吸收,p/n结对载流子不全收集和收集面积等; FF: 硅(Si)基片性质(电阻率,少子寿命等),电池结构, 电极接触, 串联电阻,并联电阻等. 目的: 提高Voc , Isc,和FF,要有高效率,同时也要降低成本(采用便宜的材料与工艺方法). 措施: 衬底材料质量,绒面, 前场, 浅结, 细密栅和高纵横比, 减反射膜, 前面钝化, 背场, 背面钝化, 体内吸杂, 丝网印刷电极. (n型硅Si衬底片)等制作高效廉价的太阳能电池.(较高熔点的银浆可得较高的纵横比)。 丝网印刷电极太阳能电池与实验室高效率太阳能电池相比,高效电池有高的纵横尺寸比(电极的高/宽), 细的电极线宽, 高电导率,与底下Si的接触电阻小. 通常印刷20mm高, 烧结后只有10mm高, 对于150mm条宽, 电极条的高/宽比只有0.06,很低,很差; (p54我可以做到 9mm/20mm=0.45,是0.06的7.5倍). 电极条宽150mm间距3mm遮光10-12%,而高效电池只有遮光3%. 附录5:太阳能电池的理想因子n: 实际状态下 的太阳能电池(二极管)理想因子n: 二极管理想因子n是一个处于1至2之间的数值。n是衡量pn结好坏的最重要标志,它由半导体材料和制造技术决定。 (1)理想情况下,如果p区和n区的扩散电流起支配作用,那么,理想因子n=1; (2)非理想情况下,pn结空间电荷耗尽区的复合电流起支配作用,那么,因子n=2。 对于太阳能电池, (i)辐射复合限制条件下,理想因子n≡1,与电流的低注入或高注入无关; (ii)俄歇复合限制条件下,低电流注入时理想因子n=1;高电流注入时n由小于1( < 1)减少至2/3; (iii)材料内部缺陷复合限制条件下,低电流注入时理想因子n=1;高电流注入时n由大于1( > 1)增加至2;总之,理想因子n随着电流的减少而增加。 真空单位换算 压力单位表:   bar mbar Pa atm Torr mTorr 1bar 1 103 105 0.987 0.75×103 0.75×106 1mbar 10-3 1 102 0.987×10-3 0.75 0.75×103 1Pa(N/m2) 10-5 10-2 1 0.987×10-5 0.75×10-2 7.5 1atm=760Torr 1.01 1.01×103 1.01×105 1 0.76×103 0.76×106 1Torr(mmHg)   1.33 1.33×102 1.32×10-3 1 103 1mTorr 1.33×10-6 1.33×10-3 1.33×10-1 1.32×10-6 10-3 1     流速与漏率:   Pa·l/s mbar·l/s Torr·l/s atm·cm3/s sccm 1Pa·l/s 1 10 7.5 9.87 0.592 1 mbar·l/s .0.1 1 0.75 0.987 0.0592 1 Torr·l/s 0.133 1.33 1 1.32 78.9 1 atm·cm3/s 0.101 1.01 0.76 1 60 1 sccm 1.69 1.69×10-2 1.27×10-2 1.67×10-2 1     温  度:   K ℃ ℉ K 1 K-273.15 9/5×K-459.67 ℃ ℃+273.15 1 9/5×℃+32 ℉ 5/9×(℉+459.67) 5/9×(℉-32) 1   ℃ -50 0 50 100 150 200 250 ℉ -58 32 122 212 302 392 482     扭 矩:   Nm Kp m Kgf cm Nm 1 0.102 10.2 Kp m 9.81 1 100 Kgf cm 0.098 0.01 1  
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