第 1 章 太阳能电池和太阳光

1、School of Physics and Technology University of Jinan太阳能电池技术太阳能电池技术Solar Cell Technology Solar Cell Technology 邓小龙邓小龙（一）太阳能电池技术是光信息科学与技术专业的选修课程，通（一）太阳能电池技术是光信息科学与技术专业的选修课程，通过本课程的学习使得生能够在掌握半导体材料的各项性质的基础过本课程的学习使得生能够在掌握半导体材料的各项性质的基础上，重点掌握太阳能电池基本工作原理和设计方面的基础知识，上，重点掌握太阳能电池基本工作原理和设计方面的基础知识，使得学生对太阳能电池有全面的认识

2、，为学生毕业后从事光电子、使得学生对太阳能电池有全面的认识，为学生毕业后从事光电子、电子材料及其相关学科的工作和学习奠定扎实的理论基础。本课电子材料及其相关学科的工作和学习奠定扎实的理论基础。本课程系统地介绍了程系统地介绍了太阳能电池的基本工作原理和设计太阳能电池的基本工作原理和设计，主要包括以，主要包括以下内容：一、概述了太阳光的性质、半导体材料的性质以及两者下内容：一、概述了太阳光的性质、半导体材料的性质以及两者间的相互作用；二、详细论述了太阳能电池设计中的重要因素、间的相互作用；二、详细论述了太阳能电池设计中的重要因素、现行的电池制造工艺及未来可能的工艺；三、论述太阳能系统的现行的电池制

3、造工艺及未来可能的工艺；三、论述太阳能系统的应用，包括小型系统和未来可能实现的住户和中心电力系统。应用，包括小型系统和未来可能实现的住户和中心电力系统。（二）通过本课程的学习使学生掌握光电子及太阳能电池的半导（二）通过本课程的学习使学生掌握光电子及太阳能电池的半导体材料和半导体物理的基本知识；掌握太阳能电池的工作原理以体材料和半导体物理的基本知识；掌握太阳能电池的工作原理以及设计思想。及设计思想。 一、课程内容简介与教学目的一、课程内容简介与教学目的 二、二、课程要求及教学活动项目课程要求及教学活动项目（一）课程要求（一）课程要求：本课程要求学生不迟到、不早退、不旷课，请假需要有正本课程要求学

4、生不迟到、不早退、不旷课，请假需要有正规假条；能够按照要求认真完成作业，严谨抄袭。本课程规假条；能够按照要求认真完成作业，严谨抄袭。本课程偶尔会有一、两次讨论课偶尔会有一、两次讨论课( (包括学生课程陈述包括学生课程陈述) )。课堂教学。课堂教学中提倡学生积极参与，课前要认真预习。中提倡学生积极参与，课前要认真预习。（二）教学活动项目及学时分配（二）教学活动项目及学时分配：本课程以理论教学为主本课程以理论教学为主（4848学时学时,11,11章内容）章内容），将用大量，将用大量的学时讲授授课计划中的相关知识。同时辅助有实践教学的学时讲授授课计划中的相关知识。同时辅助有实践教学部分以及习题课，辅

5、导答疑等。部分以及习题课，辅导答疑等。成绩考核由以下部分组成：成绩考核由以下部分组成：（一）平时成绩：出勤及课堂表现（一）平时成绩：出勤及课堂表现（10%10%）、作业（）、作业（10%10%）。）。（二）期末考试成绩（二）期末考试成绩: :闭卷（闭卷（80%80%），采用百分制。），采用百分制。（三）最终成绩（三）最终成绩= =平时成绩（平时成绩（20%20%）+ +期末考试成绩（期末考试成绩（80%80%）三、成绩考核三、成绩考核（一）教材（一）教材Martin A.GreenMartin A.Green，太阳能电池工作原理、技术和系统应用，太阳能电池工作原理、技术和系统应用，上海交通大学

6、出版社，上海交通大学出版社，20102010年。年。（二）参考资料（二）参考资料施钰川施钰川 主编，主编，太阳能原理与技术太阳能原理与技术，西安交通大学出版社，西安交通大学出版社，20092009年；年；熊绍珍熊绍珍 等主编，太阳电池基础与应用，科学出版社，等主编，太阳电池基础与应用，科学出版社，20092009年；年；钱伯章钱伯章 主编，太阳能技术与应用主编，太阳能技术与应用/ /新能源技术丛书，科学出版社，新能源技术丛书，科学出版社，20102010年；年；赵雨等赵雨等 主编，太阳能电池技术及应用，中国铁道出版社，主编，太阳能电池技术及应用，中国铁道出版社，20132013年。年。四、教材

7、及参考资料四、教材及参考资料邓小龙邓小龙电话：电话：1580660561515806605615邮箱：邮箱：sps_sps_; ; 辅导、答疑安排辅导、答疑安排: : 周二周二1919：00-2000-20：0000，7JB1067JB106。五、教师联系方式及答疑要求五、教师联系方式及答疑要求第一章第一章太阳能电池和太阳光太阳能电池和太阳光7 7 内容内容 (2(2学时学时) )8 81.1 1.1 引言引言1.2 1.2 太阳能电池发展概况太阳能电池发展概况1.3 1.3 阳光的物理来源阳光的物理来源1.4 1.4 太阳常数太阳常数1.5 1.5 地球表面的日照强度地球表面的日照强度1.6

8、1.6太阳的视运动太阳的视运动1.1 1.1 引言引言太阳能太阳能电能电能太阳能电池工作原理：太阳能电池工作原理：光伏效应光伏效应 ( (Photovoltaic effect ) )9 9半导体材料半导体材料太阳能电池太阳能电池光伏效应光伏效应1010光伏效应光伏效应：光照使不均匀半导体不同部位之间产生电位差的现象（PN结）。太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理：光能量转化为电能量。电池内形成电压，如果将电池与一个负载连接起来，就会形成电流的回路。PN结内建电场方向：NP光生电场方向：PN太阳能电池的优缺点太阳能电池的优缺点1111取之不尽，用之不竭无污染免费取得，无运输费用安全适合太空等偏

9、远地区面积大晚上无法发电，受云层等影响大转换为交流电将损失4%12%的能量优点：优点：缺点：缺点：成本高1.2 1.2 太阳能电池发展概况太阳能电池发展概况.20世纪50年代 第一个实用的光伏器件（硅电池）60年代 应用于空间技术70年代 石油危机推动光伏产业发展 80年代 发电效率不断提高（新工艺）12121839年，贝克勒尔首先发现光伏效应太阳能电池发展概况太阳能电池发展概况1313 法国物理学家Edmond Becquerel于1839首先观察到，把光线照到浸在电解液中且覆有感光材料AgCl的电极上产生光致电压，进而检测到电流，这就是光伏效应，当时他仅19岁。太阳能电池的发展太阳能电池的

10、发展1414 1877年，Adams和Day研究了玻璃硒(Sekenium)的光伏效应。 将铂作为电极被放置在透明硒的两端，只需光照就能使玻璃状的硒产生电流。这是首次全部利用固体来演示光电效应的试验。他们认为光照射使得硒条的表面结晶化了。太阳能电池的发展太阳能电池的发展1515 1883年美国科学加Charles Fritts制造了第一个太阳能电池。他用两种不同材料的金属板来压制融化的硒，硒与其中一块板（如黄铜）紧紧黏住，并形成薄片。然后再将金箔压在硒薄片的另一面，于是，历史第一块光伏器件就制成了。这个薄膜器件大概有30cm2大，但能量转换效率仅为1%。 他也是第一个认识到光伏器件有巨大潜力的

11、人。他知道光伏器件制作成本较低，并且如果不是马上使用产生的电流，可以用蓄电池储存起来，或者传送到另外一个地方。太阳能电池的发展太阳能电池的发展1616 1927年，人们研究在铜Cu表面生长氧化亚铜Cu2O层的光伏效应时，发现了铜-氧化亚铜交界处的整流效应。提出了利用金属铜及半导体氧化铜接合所形成的太阳能电池，促进了大面积光电池的发展。 这是基于铜-氧化亚铜结的早期光电池的简单结构图。一圈圈的铅线作为电极连接在电池接收光的表面。后来改为在表面溅射金属层，然后移走一部分，形成由金属线构成的网格。太阳能电池的发展太阳能电池的发展1717 1939年，Nix发明砣-硫化物光电池。下图展示了由硒、砣-硫

12、化物和Cu-Cu2O共同组成的电池。 1931年Bergmann提高了硒电池的质量，证明这个电池比Cu-Cu2O电池更好。 硒制电池及氧化铜电池被应用在一些对光线敏感的仪器上，如亮度计、照相机的曝光计等。但这些早期电池的太阳能转换效率都在1%以下。太阳能电池的发展太阳能电池的发展18181941年Ohl展示了一种基于天然p-n结的光伏器件。硅铸锭中，杂质在熔融时分离形成天然的p-n结。切割硅锭便可制备太阳能电池。1946年Ohl研发出了硅制太阳能电池。早期太阳能电池结构示意图太阳能电池的发展太阳能电池的发展1919 1954年贝尔实验室的三位科学家发现，在硅中掺杂一些杂质后，硅对光更加敏感。他

13、们共同研制出了第一块现代太阳能电池，转换效率达到6%。这是太阳能电池发展史上一个重要里程碑，为人造卫星提供了可贵的能源。利用扩散方式制备的单晶硅p-n结太阳能电池的发展太阳能电池的发展2020 1957年和1958年，苏联与美国相继发射了第一颗人造卫星。 20世纪60年代，用在人造卫星上的太阳能电池都是采用类似的结构。这样的结构沿用了10年以上。太阳能电池的发展太阳能电池的发展2121 1973年，第一次石油危机后，太阳能应用转移到一般民用，如手表、小型计算器。这些设备通常是利用太阳能给镍镉电池充电。 1974年Haynos在硅结晶面蚀刻出许多类似金字塔的几何形状，可以有效地降低太阳光反射，转

14、换效率达到17%。 1976年出现第一块多晶硅太阳能电池。太阳能电池的发展太阳能电池的发展22221985年，在太阳能电池表面做出微沟槽的PESC(钝化发射区Passivation emitter solar cells)型太阳能电池，转换效率超过20%。太阳能电池的发展太阳能电池的发展2323德国弗赖堡1990年以后，太阳能电池发电与民用发电相结合。澳大利亚东海岸澳大利亚东海岸 蒙塔古小岛蒙塔古小岛2424太阳能电池的发展太阳能电池的发展2525 德国是世界上太阳能电池最普及的国家，其次是日本和美国。中国是太阳能电池生产大国。2009年3月，中国宣布了太阳能补贴计划。继美国之后，2012年9

15、月，欧盟对中国发起光伏反倾销。2013年年6月月14日，日本太阳能电池龙头厂夏普日，日本太阳能电池龙头厂夏普(Sharp)宣布已宣布已采用聚光三结化合物研发出转换效率高达采用聚光三结化合物研发出转换效率高达44.4%的太阳能电池。的太阳能电池。目前商用的太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率不足目前商用的太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率不足25%。中国尚德的电池片早在中国尚德的电池片早在2012年年3月月12日就宣布通过采用其专日就宣布通过采用其专利利Pluto(冥王星冥王星)技术已将多晶硅光伏电池的转换效率提升至技术已将多晶硅光伏电池的转换效率提升至20.3%。现在应该更高了。现在应该更高

16、了。2013年中电光伏单晶电池转换率达到年中电光伏单晶电池转换率达到20.26%，刷新纪录。，刷新纪录。太阳能电池的发展太阳能电池的发展1.3 1.3 阳光的物理来源阳光的物理来源光是一种电磁波，具有波粒二象性波包：绝对的平面波是不存在的。 波包可以看成是许多不同平面波长的平波的叠加，强度只在有限区域中不为零。2727热物体发出电磁辐射，光谱或波长与物体的温度有关。光子的能量光子的能量/) J (hchfE光子的能量：h为普朗克常数，f为频率，c为光速，为真空中的波长。光的能量与波长成反比光的能量与波长成反比。能量的单位：电子伏特（电子伏特（eV）J10602.1eV119kg/sm10626

17、. 6234h能量与波长的关系：/1240)eV(E其中的单位为 nm28281.4 1.4 太阳常数太阳常数-太阳光太阳光2929内核：核聚变反应核聚变反应氢离子层：强烈吸收辐射光球层，温度6000K热对流太阳是一个充满气体的热球地球辐射Glass prismlow energy photonsHigh energy photons黑体与光照度黑体与光照度3030许多常见的光源如太阳和白炽灯都是相似的黑体模型。一个黑体能够吸收所有入射到它表面的电磁波，并基于温度的不同辐射出不同的电磁波。黑体黑体：1exp2)(52TkhchcF式中，是光的波长，T分别为黑体的温度，k为玻尔兹曼常数。F的单位

18、为W/ (m2m) ，W/m2指的是波长为（m）光的光强（功率密度）。黑体发射的电磁辐射的辐射功率F（光照度）与波长的关系公式由普朗克辐射定律给出：光照度光照度：不同温度下，黑体的光照度与波长的关系不同温度下，黑体的光照度与波长的关系3131温度波长丰富波峰移动光照度增加总的功率强度总的功率强度3232 40dTFI 黑体发出的总的功率强度总的功率强度（单位W/ m2）为：式中为Stefan-Boltzmann常数，T为黑体温度(K)。 =5.6710-8 Wm-2K-4峰值波长峰值波长P3333峰值波长峰值波长p是光照度最高时对应的波长。该波长的光辐射出的能量最高。将光照度方程对进行求导，导

19、数为零处的波长就是峰值波长p 。这就是Wien定律，对应方程为：T2900mp太阳光强太阳光强3434 太阳的表面辐射功率强度Isun相当于6000K（5762 K 50K）黑体的辐射强度，其总的功率等于Isun乘于太阳表面积4R2，R为太阳的半径。20sun2RIID 越远离太阳表面，太阳总的功率强度就被扩散到越大的表面。 随着太空中物体与太阳距离D的增加，照射到表面的太阳光强减小。 太阳光照射在距离D处的球面面积为4D2 ，入射到物体的光强为：太阳光强太阳光强353520sun2RIID 太阳光照射在距离D处的球面面积为4D2 ，入射到物体的光强为：不同行星的太阳光强不同行星的太阳光强36

20、36行星行星 距离（距离（x109m）太阳光（太阳光（W/m2）水星水星578908.0金星金星1082481.3地球地球1501286.3火星火星227561.7木球木球77847.8土星土星142614.2天王星天王星28683.5海王星海王星44971.4太阳常数太阳常数AM0AM03737 地球以椭圆形轨道围绕太阳公转。由椭圆形轨道引起的改变大概在3.4%左右，一月份时太阳光照度达到最大，最小时为七月份。太阳常数，也叫作大气光学质量零辐射（optical air mass-zero radiation），记作AM0（书图1.3）：地球大气层之外，地球-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的

21、单位面积上的辐射功率基本为一常数。在光伏应用中，采用的太阳常数为：1.3661 kW/m21.5 1.5 地球表面的日照强度地球表面的日照强度3838 当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳定时，影响地球表面辐射的主要因素是（穿过大气层衰减30%）:（1）大气效应，包括吸收和散射；（2）当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染；（3）纬度位置不同，使得一年中季节不同；（4）一天里时间的不同。大气效应大气效应3939 大气效应在几个方面影响着地球表面的太阳辐射。在光伏应用领域其主要影响为：（1）由大气吸收、散射和反射引起的太阳辐射能量的减少。（2）由于大气对某些波长的较为强烈地吸收和散射而导致光谱含量的变化。大气效应大气效应4040大气光学质量大气光学质量4141 大气光学质量（AM）定义为光穿过大气层路径的长度与最短路程之比。当太阳处在头顶正上方时，长度最短时，大气光学质量为1，这时的辐射称为大气光学质量1（AM1）的辐射。co