太阳能原理和技术

1、关于太阳能原理与技术第1页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四课程内容太阳能技术基本原理晶体太阳能电池薄膜太阳能电池有机太阳能电池太阳能电池新技术第2页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四思考新能源的总类太阳能的原理太阳能的问题第3页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四 不同太阳能技术效率-时间曲线4(Courtesy of Sarah Kurtz, NREL)第4页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四第1章 太阳能电池和太阳光太阳能电池利用半导体材料的电子特性，把阳光直接转换为电能。光能一、太阳能分类第5页，共84页，2

2、022年，5月20日，0点20分，星期四太阳能电池分类第6页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四太阳电池分类按照基体材料分类： 晶硅太阳电池，包括：单晶硅和多晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池 薄膜太阳电池 化合物太阳电池，包括：砷化镓电池；硫化镉电池；碲化镉电池；硒铟铜电池等 有机半导体太阳电池 第7页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四1.硅太阳能电池单晶硅太阳电池：采用单晶硅片制造制造，性能稳定，转换效率高。目前转换效率已达到16%-18%。第8页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四多晶硅太阳电池：作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇

3、铸成正方形硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池。由于硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成，因而转换效率低。目前转换效率达到15%-17%。第9页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四多晶硅太阳电池生产流程第10页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四非晶硅太阳电池：一般采用高频辉光放电等方法使硅烷气体分解沉积而成。一般在P层与N层之间加入较厚的I层。非晶硅太阳电池的厚度不到1m，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，降低制造成本。目前转换效率为5%-8%，最高效率达14.6%，层叠的最高效率可达21.0%。第11页，共84页，2022年，5月20日，0点

4、20分，星期四微晶硅太阳电池：在接近室温的低温下制备，特别是使用大量氢气稀释的硅烷，可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2-3m，目前转换效率为10%以上。第12页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四2.化合物太阳能电池单晶化合物太阳电池：主要有砷化镓太阳电池（如图）。砷化镓的能隙为1.4eV，是单结电池中效率最高的电池，但价格昂贵，且砷有毒，所以极少使用。第13页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四多晶化合物太阳电池：主要有碲化镉太阳电池（如图） ，铜铟镓硒太阳电池等。碲化镉太阳电池是最早发展的太阳电池之一，工艺过程简单，制造成本低，转换效

5、率超过16%，不过镉元素可能造成环境污染。铜铟镓硒太阳电池在基地上成绩铜铟镓硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效率接近20%，成品组件达到13%，是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。第14页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四3.有机光电子材料低价、溶液工艺机械柔韧性强轻便/2008/02/080206154631-large.jpg/prfiles/2009/10/04/167139/FlexibleOrganicElectronicsdisplay.jpg第15页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四光伏技术有机光伏（OPV）衬

6、底及材料便宜易于量产，易安装柔韧性好效率低 : 10% 无机工艺设备昂贵安装成本高效率: 30% (c-Si), 10-20% (thin film)Image courtesy of Konarka, Inc.第16页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四小分子OPV的特点吸收强度高易于提纯颜色多样结构稳定性高无毒小分子OPV对小分子有源层，靠提纯可以明显增效第17页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四二、 太阳能电池的原理第18页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四主要半导体材料 IV族半导体材料 -硅Si，锗Ge III-V族化合物半导

7、体材料 -GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP II-VI族化合物半导体材料 -GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe背景补充1第19页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四一、本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体Si+14284Ge+3228184+4第20页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四 本征半导体的原子结构和共价键共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带EG外电场E自由电

8、子定向移动形成电子流束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流本征半导体第21页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四1. 本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴它们是成对出现的2. 在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动由此我们可以看出：本征半导体第22页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四价带导带禁带EG 能带结构自由电子价电子与空穴费米能级Ef本征半导体第23页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四二、杂质半导体

9、杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺入的三价元素如B、Al、In等，形成P型半导体，也称空穴型半导体掺入的五价元素如P、Se等，形成N型半导体，也称电子型半导体第24页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四1. N型半导体价带导带+施主能级自由电子是多子空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子在本征半导体中掺入的五价元素如P第25页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四N型半导体+N型半导体第26页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四

10、价带导带-受主能级自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。2. P型半导体在本征半导体中掺入的三价元素如B第27页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四P型半导体-P型半导体第28页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四电子空穴导带导带价带导带价带价带施主受主本征半导体P型半导体N型半导体半导体的能带结构EfEfEf第29页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四直接带隙与间接带隙半导体kE直接带隙材料，效率高kE间接带隙材料，效率低能带-波矢图跃迁选择定则:

11、跃迁的始末态应具有相同的波矢第30页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四主要半导体材料 IV族半导体材料 -硅Si，锗Ge III-V族化合物半导体材料 -GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP II-VI族化合物半导体材料 -GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe-用于集成电路、光电检测-用于集成电路、发光器件、光电检测-用于可见光和远红外光电子器件间接带隙直接带隙第31页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四 P区 N区内建电场 耗尽区P区 空间电荷区 N区 当入射辐射作用在PN结区时，本征吸收产生光生电子与空穴在内建电场的作用下做

12、漂移运动，电子被内建电场拉到N区，空穴被拉到P区。结果P区带正电，N区带负电，形成伏特电压。第32页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四I光 P N 将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。第33页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四光电效应背景补充2第34页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四量子：不连续，不确定 “横看成岭侧成峰,远近高低各不同.不识庐山真面目，只缘身在此山中” 苏东坡 究竟是“岭”还是“峰”? 都是,又都不是! 因为1,你只能“识”岭和峰,不能识

13、“山”.(互补) 2,身在山中，你所“识”到的只能是“身”与“山”的共同体而不是山的“本身”（真面目）或者说你所“识”到的只能是受“身”干扰的“山”(测不准关系)。 第35页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四物理世界晴空万里中的两朵小乌云威廉汤姆逊 （开尔文勋爵）1824-1907生于1824年爱尔兰十岁便入读格拉斯哥大学，汤姆逊16岁到了剑桥大学升学，以全级第二名的成绩毕业。因为他在科学上的成就和对大西洋电缆工程的贡献，获英女皇授予开尔文勋爵衔，所以后世才改称他为开尔文。汤姆逊的研究范围相当广泛，他在数学物理、热力学、电磁学、弹性力学、以太理论和地球科学等方面都有重大的贡

14、献。1900年初，当时在英国物理学界最权威的汤姆逊在皇家学会的新年致辞中，发表了题为笼罩在热和光的动力理论上的十九世纪之云的著名演讲。他认为物理世界晴空万里，动力理论可以解释一切物理问题；唯有两朵小乌云：以太理论和黑体辐射的理论解释。相对论量子力学第36页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四原著：儒勒凡尔纳 第37页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四1.黑体辐射第38页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四黑体辐射黑色物体容易吸收热辐射，白色不容易吸收，几乎全部反射热辐射思考：黑色和白色物体，哪个容易放出热辐射？收支平衡的道理第39页，共8

15、4页，2022年，5月20日，0点20分，星期四黑体：能吸收一切外来辐射，而无反射的物体。黑体是最理想的发射体401231700K1100K1300K1500K黑体辐射（吸收）能力的指标第40页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四普朗克曲线维恩曲线：基于热力学定律推导，紫外符合很好，红外不好瑞利-琼斯：基于电磁理论推导，红外符合很好，但“紫外灾难”普朗克曲线与红色实验曲线完美匹配。普朗克：为什么理论没法解决这个问题？理论基础不对，认为的创造一个理论，只要能让创造的理论得到曲线与实验完全重合就证明新理论是正确的第41页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四185

16、8.4.23.1947.10.3.姓名：马克斯普朗克 。职务：教授 德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖的获得者。 普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。为什么这么假设？没有任何理论依据，完全是一种假设，假设这样，结果推出热辐射曲线与实验完全重合第42页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四量子论（h） 普朗克常数h：在总结黑体辐射的公式中得出能量的发出是一份一份的，分立的,不连续的. 最小单位 1900.12.24（法） 能量的发射是量子化的 h=6.6268*10-34J.s第4

17、3页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四普朗克于1918年度诺贝尔物理学奖。第44页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四量子理论三个阶段:1.旧量子论19001926 (量子化)普朗克, 爱因斯坦, 康普顿, 玻尔*2.量子力学1926-1948:德布罗意, 海森伯, 玻恩, 薛定谔3。量子场论1946- (粒子与场的统一)狄拉克方程,反物质,量子真空，夸克模型(波 粒 二 象)原子内的微观世界： 黑体辐射， 光电效应， 光电子散射， 氢原子结构物质波， 测不准关系， 波函数， 波动方程第45页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四2.光电效

18、应第46页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四光电效应第47页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四2光电效应 红限瞬时效应 电子吸收光能量只能是一份一份的不连续的光量子 能量吸收是量子化的 .h光子第48页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四第49页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四第50页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四思考：电极材料结构如何选用？2 太阳能电池的结构第51页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四1.3 阳光的物理来源太阳实质上是一个由其中心发生的核聚变反应所加热的

19、气体球。热物体发出电磁辐射，其波长或光谱分布由该物体的温度所决定。例如：铁块燃烧时，温度升高过程：从看不出发光到暗红到橙色到黄白色。第52页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四太阳的核心温度高达2107K光球层的温度为6000K。在此温度下与黑体辐射光谱很接近。第53页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四1.4 太阳常数 在地球大气层之外，地球-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射功率基本上为一常数，这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气光学质量为零（AM0）的辐射。 太阳常数 1.353kW/m2第54页，共84页，2022年，5月20日

20、，0点20分，星期四第55页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四波长 (m)光谱辐照度(Wm-2m-1)AM0辐射AM1.5辐射6000K黑体AM0的辐射光谱分布不同于理想黑体的光谱分布。思考：太阳辐射波段是否能全部被太阳能电池利用？为什么？第56页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四1.5 地球表面的日照强度阳光穿过地球大气层时至少衰减了30%。第57页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四造成衰减的原因：1.瑞利散射或大气中的分子引起的散射。2.悬浮微粒和灰尘引起的散射。3.大气及其组成气体，特别是氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。第5

21、8页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四 决定总入射功率最重要的参数是光线通过大气层的路程。太阳在头顶正上方时，路程最短。实际路程和此最短路程之比称为大气光学质量（AM）。1.太阳在头顶正上方时，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。2.当太阳和头顶正上方成一个角度时，大气光学质量为： AM=1/cos 例：当=60时，AM=1/cos60=2第59页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四EarthAM0AM1AM1.5大气层45o第60页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四视运动：假定地球是静止的，太阳在围绕地球转

22、动。冬至12.226.21夏至春分秋分3.219.231.6 太阳的视运动第61页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四第62页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四1.7 日照数据设计光伏系统时，理想的情况是掌握有该系统安装地日照情况的详细记录。第63页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四按接受太阳能辐射量的大小，全国大致可分为五类地区：1）一类地区： 全年日照时数为32003300h，辐射量在（670 837）104KJ/(cm2 a)。相当于225 285Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。2）

23、二类地区： 全年日照时数为30003200h，辐射量在（586 670）104KJ/(cm2 a)。相当于200250Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。第64页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四3）三类地区：全年日照时数为22003000h，辐射量在58506680MJ/m2。日辐射量为4.5 5.1KWh/m2，相当于170 200Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南

24、部等地。4）四类地区： 全年日照时数为14003300h，辐射量在（419502）104KJ/(cm2 a)。相当于140 170Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、山西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。第65页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四5）五类地区： 全年日照时数为10001400h，辐射量在33504200MJ/m2。相当于115 140Kg标准煤燃烧所发出的热量。日辐射量为2.5 3.2KWh/m2。主要包括四川贵州两省。第66页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四第67页，

25、共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四第68页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四现在的太阳能集热器通常用于热水器。但要更高的能量，比如实现烹饪就困难的多了。比如通过将太阳光聚焦后来进行烹饪，必须随着太阳的方向调制聚光板方向，使用非常麻烦。请使用思考并设计能用于太阳能烹饪的简便装置。第69页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四想象一下将它用于太阳能烹饪装置还需要哪些必备的设备或考虑第70页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四第71页，共84页，2022年，5月20日，0点20分，星期四光机电算一体化实例1：太阳转动保持最高效率跟随系统在太阳能利用中，由于太阳照射方向变化带来的能量无效利用