光电及光化学转化原理与应用电化学全册配套课件

光电与光化学转换原理及应用电化学第〇章绪论教材及主要参考书/courses/太阳电池电化学方法—原理及应用Nozik的书Emiller的书课时安排周次日期内容111.05概论-光伏11.07光伏211.12电化学111.14电化学2311.19电化学311.21电化学4411.26电化学511.28电化学6512.03光电化学112.05光电化学2612.10光电化学312.12燃料电池1周次日期内容712.17燃料电池212.19锂电池812.24金属空气电池12.26超级电容器911.05光催化11.07光催化1011.12光催化11.14光催化1111.19实验111.21实验21211.26实验311.28复习考核办法平时成绩30%

其中考勤5%作业25%期末考试70%联系方式李明涛讲师Telmail:mingtao@ADD:北二楼15楼(81517隔壁）接收预约答疑为什么要讲这门课？讲些什么内容？Bitingdownwithafilledtoothonascrapofaluminumfoilwillcausepain.Thefoilactsasanactiveanode(E°aluminum=-1.66V),salivaastheelectrolyte,andthefillingasaninactivecathodeasO2isreducedtoH2O.Oxidationhalf-reaction2H2O(l)→4H+(aq)

+O2(g)+4e-Reductionhalf-reaction2H2O(l)+4e-→2H2(g)+2OH-(aq)Overall(cell)reaction2H2O(l)→H2(g)+O2(g)Theelectrolysisofwater.Lead-acidbattery.HydrogenFuelCellsAsmallalkalinedrycellAsolid-statelithium-iodidebattery第一章光伏什么是太阳能光电转换？

太阳能光电转换是直接将太阳能转换为电能，实现转换的主要部件是太阳电池。太阳电池也称光伏电池，它没有任何运动的机械部件，在能量转换中具有重要的地位，被认为是“最优雅的能量转换器”。世界太阳电池发展简史1839年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”。1883年CharlesFritts在锗半导体上覆上金层形成半导体异质结，成功制备第一块太阳电池，效率只有1%。1954年美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，效率6%，为光伏发电大规模应用奠定了基础；同年，首次发现了砷化镓有光伏效应，制成了第一块薄膜太阳电池。1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。1958年我国开始太阳电池研制，1971年首次发射用太阳电池作为电池的人造卫星。1959年第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。1978年美国建成100kWp太阳地面光伏电站。/courses/—了解详细发展历史光生伏特效应

光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。太阳光是由光子组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以产生电能。◆半导体的内部结构和导电性◆半导体禁带宽度和光学特性◆半导体的掺杂特性◆p-n结◆太阳能电池的工作原理半导体室温下电阻率处于10-3~109Ω·cm范围内的材料，其电子激发能隙处在0到大约3ev之间。或者说导电性介于金属和绝缘体之间的一种材料。元素半导体—Si、Ge、Te等化合物半导体—GaN、GaAs、InP、CdS、CdTe、PbS等合金半导体—Si1-xGex、AlxGa1-xAs等有机半导体—分子晶体、有机络合物、高分子材料金属电阻率：10-8Ω·m

绝缘体电阻率：1014~1020Ω·m半导体电阻率：10-4~107Ω·m温度升高——半导体导电能力增强，电阻率下降。室温附近纯硅(Si)，温度每增8℃，电阻率降低50%左右。微量杂质含量可显著改变半导体的导电能力。

纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷），硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214kΩcm降至0.2Ωcm以下。适当波长的光照可改变半导体的导电能力。

在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时暗电阻为几十MΩ，受光照后电阻值可以下降为几十KΩ.半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变。半导体一些重要特性1半导体的内部结构和导电性独特不同温度不同强度的光加入微量杂质导电能力相差很大半导体的导电能力介于导体和非导体之间，其依靠电子-空穴对导电，导电性能非常独特。这些独特的导电性是由其内部的微观物质结构所决定的。下面以半导体硅为例来进行介绍。1半导体的内部结构和导电性

硅原子有14个电子，其最外层有4个电子，称为价电子，在光生伏特效应中起重要作用。硅的原子结构示意图价电子原子核半导体的内部结构和导电性大量的硅原子通过价电子结合在一起，形成晶体。在晶体中，每个硅原子通常和邻近的4个硅原子以共价键的形式分别共享4个价电子。硅晶体结构示意图半导体的内部结构和导电性在一定温度或强光的照射下，由于热能或光能转化为电子的动能，如果动能足够大，电子就可以挣脱束缚而成为自由电子。共价电子挣脱束缚而成为自由电子以后，便留下一个空穴。通常把电子看成带负电的载流子，把空穴看成带正电的载流子。由光照产生的载流子叫做光生载流子。电子-空穴示意图半导体的内部结构和导电性自由电子在电场或热运动作用下，可能遇到已经产生的空穴，与空穴进行复合，从而使载流子消失。空穴载流子的不断产生和消失，相当于空穴（正电荷）的移动。由于电子和空穴的移动，就使半导体具有导电性。电子-空穴移动示意图2半导体禁带宽度和光学特性

禁带具有一定的能量，这种能量叫做禁带宽度。实际上，这个能量是导带的最低能级与满带的最高能级的能量差。半导体的能带示意图价带：原子中最外层电子或价电子所在的能带禁带：价带与导带之间的空隙带导带：具有能导电的电子的最高能带2半导体禁带宽度和光学特性内光电效应：当半导体表面受到光的照射时，光可能被反射、吸收或透射。有些光子的能量大到足以使电子挣脱原子的束缚，同时把电子由价带激发到导带，使半导体中产生大量的电子-空穴对。实现内光电效应的条件是：其中：为光子的能量，eV；为普朗克常数，4.136×10-15eV·s；

是光的频率，1/s；为禁带宽度，eV。半导体禁带宽度和光学特性

由于

有

波长大于截止波长的光不能实现光电转换。材料禁带宽度/eV截止波长/μm可供利用的太阳能比率硅1.121.100.76磷化铟1.250.970.69砷化镓1.350.900.65碲化镉1.450.840.61硒1.500.810.58锑化铝1.550.780.57硒化镉1.700.720.51磷化镉2.300.530.28硫化镉2.400.500.24几种半导体材料的禁带宽度表半导体禁带宽度和光学特性光子能量通量：单位时间通过单位截面的光子能量。

其中：为在深度x处的光的强度，W/m2；

为射入正交表面的光强，W/m2；

为吸收系数，1/m。

说明：太阳能电池对半导体材料的薄膜厚度有一定的要求。

例：若要吸收90%以上的光子能量，半导体Si的薄膜厚度需超过100μm，而半导体GaAs的薄膜厚度只需1μm。3半导体的掺杂特性本征半导体

完全无杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。

半导体的本征导电能力很小，Si在300K的本征电导率为2.3×105

Ω•cm。

具有断键的硅晶体3半导体的掺杂特性杂质半导体

在半导体中加入少量可能改变其导电机制的杂质。

3半导体的掺杂特性杂质半导体

在半导体中加入少量可能改变其导电机制的杂质。

Si半导体中掺入3价元素的半导体（如硼、镓、铝等），在晶体中会出现一个空穴，形成p型半导体。多数载流子：空穴Si半导体中掺入5价元素的半导体（如磷、砷、锑等），在共价键之外会出现一个多余的电子，形成n型半导体。多数载流子：电子4p-n结n型半导体中含有较多的电子，而p型半导体中含有较多的空穴，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形成p-n结。

电子扩散方向空穴扩散方向扩散运动空穴：p区n区电子：n区p区内电场4p-n结

5太阳能电池的工作原理★材料吸收光子后，产生电子-空穴对★电性相反的光生载流子被半导体中p-n结所产生的静电场分开★光生载流子被太阳能电池的两极所收集，并在电路中产生电流，因而获得电能

太阳能电池的工作原理太阳能电池等效电路光照情况下的太阳能电池可以等效为一个理想的电流源、一个理想二极管、旁路电阻和串联电阻的组合。太阳能电池的等效电路图太阳能电池等效电路

在没有光辐射的情况下，太阳能电池就是一个普通的半导体二极管。恒定的入射辐射使太阳能电池内部形成稳定的从n型区到p型区的反向光生电流，二极管中的电流是由于空穴、电子扩散而形成的正向电流。

为p型区和n型区半导体材料的体电阻、p-n结扩散层的薄层电阻、电池电极的欧姆接触电阻等。

为考虑电流损失而增加的电阻。

当流过负载的电流为，负载的端电压为时，有

负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电池的伏安特性方程。

图中的曲线是负载从零变到

无穷大时，太阳能电池的负载特

性曲线。工作点（，）界

定的矩形面积是电池在该工作点

的输出功率。使达到最大值的

工作点（，）称为最佳工

作点。

从上图可见，负载特性曲线不会超过开路电压和短路电流界定的矩形范围。这就意味着太阳能电池的输出特性曲线越充满该矩形越好。常用填充因子的大小来评价太阳能电池输出特性的优劣。伏安特性和转换效率太阳能电池的伏安特性填充因子

定义：电池最大输出功率与开路电压与短路电流乘积的比值。光电转换效率

定义：太阳能电池的最大输出电功率与输入光功率之比。

其中：是太阳能电池单位表面积上的入射太阳总辐射；

为太阳能电池的上表面积。伏安特性和转换效率光电转换效率

由开路电压、短路电流和太阳能电池表面的入射太阳辐射的关系，得

综上可得太阳能电池的效率为伏安特性和转换效率开路电压、短路电流和入射辐射强度的关系

影响太阳能电池转换效率的因素主要有三类：太阳能电池半导体材料的性质

包括基体材料性质和掺杂特性。材料性质影响到对光辐射的吸收和反射，禁带宽度，载流子的产生、扩散与复合等光电转换中的基本微观物理过程。太阳能电池的制造工艺

制造工艺是否精良直接关系到电池的等效串联电阻和等效并联电阻。太阳能电池的工作条件

如工作温度。影响太阳能电池转换效率的因素光损耗复合损失电压因子损失串联电阻上的损失本小节主要介绍的影响因素光损耗

光损耗来自三个方面： ①入射光在太阳能电池表面受到反射；

②能量小于的光子的能量变为热能损耗掉； ③光谱中长波一侧的一小部分辐射能量穿透电池片损失掉。

光谱因子：受入射光子激发而产生的光生载流子获得的能量与入射总光强度的比。影响太阳能电池转换效率的因素不同材料的表面对光的反射系数不同，可在表面镀减反射膜两者统称为量子损失，它依赖于材料的禁带宽度。为截止波长为入射光强度复合损失

半导体电池在接受光照工作时，其内部可能同时存在三种机制的载流子复合：直接复合、中心复合和表面复合。载流子的复合导致被吸收能量的损失。直接复合

在光生电池和热运动的作用下，有一部分电子少子和空穴少子分别向p型方向和n型方向作扩散运动，当一个少子在扩散运动中遇到一个多子时，就发生直接复合，电子从导带回归满带，实现了电子-空穴对的湮灭，同时释放出从辐射光获得的等于禁带宽度的能量，造成光电转换的能量损失。影响太阳能电池转换效率的因素复合损失中心复合

在内建电场力的作用下，从p型区和n型区运动到与p-n结边界的距离在扩散长度以内的多子被吸入势垒区；在这个区域范围内产生的少子被扫入势垒区；在势垒区里有电子-空穴对生成。此处电子与空穴的复合属于复合中心的复合，复合使电子释放出能量。表面复合

由于电池的表面结构异常复杂，形成了大量的表面复合中心。光的辐照首先在电池表面层激发产生电子-空穴对，其中一部分少子还来不及向晶体内部扩散就被表面复合中心复合了，导致能量损失。影响太阳能电池转换效率的因素电压因子损失

理论上，开路电压应等于p-n结的势垒：

实际上，由于电池的p-n结等处存在电流泄漏，使开路电压降低，从而造成效率损失。

常用电压损失因子来表示这种损失：影响太阳能电池转换效率的因素串联电阻上的损失

太阳能电池串联电阻的存在直接影响填充因子的大小。在运行条件下，太阳能电池的填充因子永远不可能达到1。对于理想电池，填充因子为0.8，由于串联电阻的存在，填充因子为0.7～0.75。故太阳能电池的效率远小于图中的值。

电池的极限转换效率/理想

转换效率可以表示为：影响太阳能电池转换效率的因素不同太阳能电池的理论效率半导体的能带结构金刚石结构CBVB导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无导带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴绝缘体半导体导体EcEvEgE9导带禁带价带半导体的导电机构导带EC价带EV电子跃迁带隙Eg

=1.1eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁本征半导体的能带图多余电子图1.6-2掺杂（n型）施主能级导带电离能价带掺入第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主能级电子浓度分布空穴浓度分布施主杂质电离使导带电子浓度增加

被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEA<Eg

就可以产生自由空穴B受主杂质非本征半导体材料：p型半导体的光吸收为了解释光电效应，1905年，爱因斯坦在德国物理学家普朗克研究电磁辐射的基础上提出了光子说。他指出：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。每个光子所具有的能量E跟光的频率ν成正比。E=hν其中h是一个常量，叫普朗克常量。h=6.63×10-34焦.秒直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。pn结的特性与光电压的产生由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压V，使势垒降低为，产生正向电流IF.在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p-n结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数α具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区两个条件太阳电池的特性IV特性开路电压短路电流最大工作点填充因子转换效率量子效率影响效率的因素光谱响应特性能量效率光电池的电流电压特性光电池工作时共有三股电流：光生电流IL，在光生电压V作用下的pn结正向电流IF，流经外电路的电流I。IL和IF都流经pn结内部，但方向相反。pn负载光电流IL结正向电流IFI

根据p-n结整流方程，在正向偏压下，通过结的正向电流为：IF=Is[exp(qV/kT)-1]其中：V是光生电压，Is是反向饱和电流。

如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应该是：I=IF-IL=Is[exp(qV/kT)-1]-IL

这就是负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电池的伏安特性方程。1和2分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线。不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性一般都是用如下图所示的电流－电压曲线来表示。由光电池的伏安特性曲线，可以得到描述太阳能电池的四个输出参数。描述太阳能电池的参数１、开路电压Voc在p-n结开路情况下（R=），此时pn结两端的电压即为开路电压Voc。这时，I=0，即：IL=IF。将I=0代入光电池的电流电压方程，得开路电压为：Voc＝kTqln(ILIs+1)2、短路电流Isc

如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流，即：Isc=IL对于在整个器件中均匀吸收的情形，短路光电流可以用下式表示式中GL为光照电子−空穴对的产生率A为P-N结面积A（Ln+Lp）为半导体产生光生载流子的体积。由上式可知短路光电流取决于光照强度和P-N结的性质。３、填充因子FF在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop。填充因子定义为：FF=VopIopVocIsc=PmaxVocIsc它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在0.70-0.85范围之内。4.太阳电池的转化效率

其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积，当S是整个太阳能电池面积时，称为实际转换效率，当S是指电池中的有效发电面积时，叫本征转换效率。表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。=（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100%=（VopxIop/PinxS）X100%=Voc•Isc•FFPin•

S影响效率的因素带隙典型的太阳能电池I-V特性曲线光照强度温度的影响光生电流的光学损失反射损失栅指电极遮光损失透射损失表面绒面化太阳电池的能量损失光生少子的收集几率在太阳能电池内，由于存在少子的复合，所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之百地被收集起来。定义光激发少子中对太阳能电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率。决定开路电压Voc大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，Voc也就越低。体复合和表面复合都是重要的。体相复合包括复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合欧姆损失与漏电损失pn结太阳能电池存在着Rs和Rsh的影响。其中，Rs是由材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻所构成的总串联电阻。Rsh是在pn结形成的不完全的部分所导致的漏电流，称为旁路电阻或漏电电阻。考虑串联电阻PHOTORESPONSIVITYEXTERNALQUANTUMEFFICIENCYThephotoresponsivityisdefinedasthephotocurrentextractedfromthesolarcelldividedbytheincidentpowerofthelightatacertainwavelength.TheexternalquantumefficiencyisdefinedasthenumberofchargesNe

extractedattheelectrodesdividedbythenumberofphotonsNph

ofacertainwavelengthincidentonthesolarcell太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应按结构分类同质结太阳电池异质结太阳电池肖特基太阳电池按材料分类硅太阳电池敏化纳米晶太阳电池有机化合物太阳电池塑料太阳电池无机化合物半导体太阳电池太阳电池的分类太阳电池体电池太阳电池的分类与发展薄膜电池锗硅单晶硅多晶硅带硅硅微晶硅非晶硅化合物薄膜CISCIGSGaAs染料敏化、量子点…CdTe几种太阳电池效率比较多结电池薄膜电池块硅电池有机太阳电池晶体硅太阳电池的结构晶体硅太阳电池的制造工艺（1）切片：采用多线切割（2）清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去30－50um。（3）制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。（4）磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成PN＋结，结深一般为0.3－0.5um。（5）周边刻蚀：去除周边扩散层。（7）制作上下电极：用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺，先制作下电极，然后制作上电极。（8）制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2

、SiO2

、Al2O3

、Si3N4

、TiO2

、Ta2O5等。（9）烧结：将电池芯片烧结于镍或铜底板上。（10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。晶体硅电池的现代发展太阳电池的新发展叠层太阳电池中间带太阳电池热载流子太阳电池染料敏化太阳电池量子点太阳电池……多结（叠层）太阳电池Cell1Cella2Cella3Eg1Eg2<Eg1Eg3<Eg2Eg=1.9eVEg=1.42eVEg=0.7eV染料敏化太阳电池基本原理DyeMoleculesonTiO2GlassSubstrateElectrolyteI-/I-3Catalyst(Platinum,graphite)GlassSubstrateTransparentConductingOxide(ITOorSnO2:F)

TransparentConductingOxide(ITOorSnO2:F)

nanocristallineTiO2

柔性太阳电池封闭系统航标灯光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统并网发电系统光电转化技术并网技术电能存储技术电能传输技术3-5KW家庭屋顶并网发电系统光伏电站10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。集成方式整体屋顶跟踪方式框架固定太阳能电池的利用情况日本、欧洲、美国一直是发展和利用太阳能电池的主要国家和地区。世界太阳能电池历年产量峰值（单位：MW）太阳能电池的利用情况新千年开始，世界其他国家和地区的太阳能电池产业发展速度明显加快了。年份区域200220032004200520062007中国1010502004001088欧洲135193.43144706571062日本251363.9602833928920美国120103.2140154202266.1其他5583.81393387131751.9总计561744.311951795250040002002-2007年世界太阳能电池产量峰值（单位：MW）第四章太阳能光电转换第1节

概论第2节

光电转换的理论基础第3节

太阳能电池的基本特性第4节

几种典型的太阳能电池第5节

太阳能光伏系统第四章太阳能光电转换第1节

概论第2节

光电转换的理论基础第3节

太阳能电池的基本特性第4节

几种典型的太阳能电池第5节

太阳能光伏系统按结构分类同质结太阳电池异质结太阳电池肖特基太阳电池按材料分类硅太阳电池敏化纳米晶太阳电池有机化合物太阳电池塑料太阳电池无机化合物半导体太阳电池太阳电池的分类太阳电池体电池太阳电池的分类与发展薄膜电池锗硅单晶硅多晶硅带硅硅微晶硅非晶硅化合物薄膜CISCIGSGaAs染料敏化、量子点…CdTe几种太阳电池效率比较多结电池薄膜电池块硅电池有机太阳电池晶体硅太阳能电池

晶体硅太阳能电池是典型的p-n结型太阳电池，它的研究最早、应用最广。

分类：单晶硅电池和多晶硅电池。单晶硅太阳电池

原料:高纯的单晶硅棒，

纯度要求99.999％。

单晶硅太阳能电池的实验

室最高效率为25%（澳大利亚新

南威尔士大学，马丁•格林教授组）

单晶硅棒的制备：

坩埚拉直法和悬浮区熔法硅的基本性质金属硅石英砂（SiO2）多晶硅单晶硅晶体硅太阳能电池多晶硅太阳电池

目前太阳电池使用的多晶硅

材料，多半是含有大量单晶颗粒

的集合体，或用废弃单晶硅料和

冶金级硅材料熔化浇铸而成。

多晶硅太阳电池的制作工艺

与单晶硅太阳电池差不多，其光

电转换效率稍低于单晶硅太阳电

池，但是材料制造简便，节约电

耗，总的生产成本较低，因此得

到大量发展。晶体硅太阳能电池非晶硅与单晶硅、多晶硅

非晶硅的禁带宽度为1.6eV，非常接近最优值1.5eV。其吸收系数比单晶硅高1～2个数量级。

非晶硅的晶体结构不规则，通过渗入氢，可以弥补大部分的晶体缺陷，同时氢又相当于硅中的杂质。

由于制造工艺简单，非晶硅受到了科学家和制造商的关注。晶体硅太阳能电池硅太阳电池的生产流程

生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程b、拉棒过程c、切片过程d、制电池过程e、封装过程。晶体硅太阳能电池制造工艺6.2冶金级硅提纯为半导体级硅6.4单晶硅片制成太阳能电池6.3半导体级多晶硅转变为单晶硅片6.1由砂还原为冶金级硅6.5太阳能电池封装成太阳能电池组件6.6能量收支结算太阳能电池材料禁带宽度1.1eV~1.7eV，以直接带隙半导体为佳；组成的材料不具有毒性；材料易取得，成本低；有良好的光电转换效率；有长期的稳定性；硅太阳能电池的种类单晶硅多晶硅非晶硅6.1由砂还原为冶金级硅提炼硅的原始材料是SiO2，是砂的主要成分。在电弧炉中加入碳，利用氧化还原反应提取硅：所得到的硅为冶金级硅（MG-Si），纯度为98%~99%。将液态硅倒入铸模内进行凝固，用压碎机压成小块。生产冶金级多晶硅原料的电弧炉电能加热石墨电极产生电弧焦炭、煤炭和木屑为还原剂电弧炉外观液态硅倒入铸模铝和铁为主要杂质冶金级硅中杂质的浓度可在液化硅中加入氧化气体，与比硅活性强的元素（Al，Ca，Mg等）发生反应，形成炉渣，从而移除杂质。只有很少的一部分用于半导体行业，用于制作太阳能电池的更少。生产的冶金级硅中，大部分被用于钢铁与铝工业上。6.2冶金级硅提纯为半导体级硅将冶金级硅转变为挥发性的化合物，采用分馏的方法将它冷凝、提纯，然后提取超纯硅。

1.利用HCl将冶金级硅原料转换为液态的三氯硅烷SiHCl3。

2.SiHCl3为无色易燃液体，沸点为31.9℃，通过多重的分馏法可将它与其他卤化物分离，提高纯度。

3.采用西门子化学沉积法，将SiHCl3及H2通入1100℃反应炉内，进行200~300小时：Si被还原，以细晶粒的多晶硅形式沉积到电加热的硅棒上。这一过程中，Fe、Al、B等杂质也形成了各自的卤化物。在600℃三氯硅烷的制造与纯化130600℃时，低温保存，避免日照，防止SiHCl3发生急速气化而爆炸。Siemens方法生产多晶硅1100℃反应炉：将晶种固定在电极上，加热电极H2还充当了SiHCl3的运输气体被还原的Si将沉积在晶种上多晶硅原料多晶棒块状多晶原料硅多晶棒经过敲打成为块状，通过酸洗、干燥、包装等程序后，成为CZ硅单晶生长或铸造多晶硅使用的块状原料。半导体级硅原料制备流程图1336.3半导体级多晶硅转变为单晶硅片

单晶硅片通常都拥有比较好的材料性能，但因为需要精确和缓慢的制造过程，但成本较高，是最为昂贵的硅材料。单晶硅原子的价带结构。每个硅原子的最外层都有四个电子，与相邻原子共享电子对。单晶硅通常被制成大的圆筒形硅锭，然后切割成圆形或半方的太阳能电池。还需将边缘切掉，便于装入模块。单晶硅片的制备生长单晶硅的方法：CZ法（Czochralski）FZ法（FloatZone浮融法）CZ拉晶法：Czochralski于1917年发明。在石英坩埚中加入半导体级多晶硅，熔融。加入微量掺杂剂。控制温度，籽晶能够从熔融硅中拉出圆柱形单晶硅。电池理论转换效率24.7%。CZ拉晶设备137石英坩埚（SiO2）是最为重要的热场组件。石英坩埚内装有熔融态的硅熔液，两者会发生化学反应，产生SiO,将影响长出晶棒的质量。降低成本：设计热场，提高长晶的良率（生产不含任何位错的硅单晶棒的能力）重复加料，增加出产率CZ拉晶炉设备的外观拉晶炉内部石英坩埚石英坩埚溶解反应：SiO易挥发，通入Ar2将其带走CZ拉晶流程a.加料b.熔化c.稳定化在石英坩埚中加入多晶硅原料和掺杂物。P型掺杂B，N型掺杂P。长晶炉关闭并抽成真空，使其保持一定的压力值。打开石墨加热器电源，将原料加热至熔融。将硅溶液的温度调节到适合拉晶的稳定状态。CZ拉晶流程f.晶冠和晶肩生长e.晶颈生长d.晶种浸入一般使用<100>方向的硅晶片，将该方向的晶种浸入硅熔液。降低拉速与温度，使得晶体直径渐渐增大到所需大小。将晶种快速向上提升，使长出的晶体直径缩小到一定的大小（3~6mm）。CZ拉晶流程g.晶身生长h.晶尾生长i.单晶棒直径固定的部分为晶身。硅晶片取自晶身。将晶棒直径慢慢缩小，直到成一个尖点再与液面分开。长完后的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出。修边与切片在整个太阳能电池级单晶硅片的制造中，成本构成为：多晶硅原料：40%；CZ拉晶：30%；晶圆加工成型：30%，切片最为重要。修边圆形的单晶硅片浪费了许多面积使用方形的硅晶片可以有效的吸收太阳能修边切片在切割中，对钢线施加适当的张力，使钢线来回拉动。使用线切割机进行切片钢线带动浆料（油及SiC），使其对晶棒进行切割。浆料不仅是研磨剂，还带走研磨中的热量。占整个切片成本的25%~35%。太阳能电池厚度为200~280μm。钢线直径180μm，碳化硅为5~30μm。蚀刻清洗在切割中，硅片表面会有一层因机械应力所造成的结构损失层，影响了太阳能电池效率，所以需去掉。通常用化学蚀刻的方法，加入HF和HNO3调配的混酸，去除10μm~20μm厚的表层。单晶硅太阳电池的制造与结构

制备多晶硅的技术相对要简单一些，成本也因此比单晶硅更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能不如单晶硅材料。多晶硅的制备1.在石英坩埚中放入纯硅；2.加热坩埚，直至硅熔融；3.打开底部散热开关，硅从坩埚底部往上缓慢固化，从而得到多晶硅锭。铸造多晶硅一般采用定向凝固的方式。可以长出宽度约数毫米到数厘米的柱状排列晶粒。热交换法布里基曼法Si3N4防止多晶硅与坩埚粘结在一起。凝固速度1cm/h，完成一次铸造需要2～3天。将坩埚缓慢移出加热器，硅从坩埚底部往上缓慢固化，从而得到多晶硅锭。晶界降低了电池的性能多晶硅的晶界1.晶界将额外的能级缺陷引入到了禁带中，导致了局部高复合，减少了少数载流子寿命。2.晶界还阻碍了载流子的流动，为穿过pn结的电流提供分流路径，这也降低太阳能电池的性能。方形切片切片151多晶硅太阳电池的制造方法与结构6.4单晶硅片制成太阳能电池（2）金属电极的制作（1）

N型杂质的掺入(1)N型杂质的掺入154

在标准太阳能电池工艺中，通常将硼（B）加入到熔料中，生产出p型硅片。

为制造pn结，需在P型硅片表面制备一层薄的、重掺杂的n型区。将硅片置入石英炉管磷扩散制作工艺—石英炉管1.P型半导体为基板，三氯氧磷（POCl3）通过载气进入被加热的炉管；2.在高温扩散作用下（800~900℃），硅片表面形成含磷的氧化层，磷原子进入硅晶格内，；3.硅片表面区域，磷杂质浓度超过硼杂质；4.硅片表面区域，会产生一层SiO2，需用氢氟酸HF来去除。边缘绝缘处理NPN需把边缘的N型掺杂区移除，不然将出现正面与背面电极的导通。采用低温干蚀刻方法：将晶片堆栈在一起；放入反应炉；用CF4和O2的等离子进行干蚀刻；（2）金属电极的制作金属电极位于太阳能电池结构的表面，通过它，可以取出带电的光生载流子，进而在半导体与外电路之间产生流通。太阳能电池正面与背面，会有两条平行的金属电极(BusBar)，提供了与外界线路的接焊。宽度在500μm左右。

正面的金属电极向侧面伸展出一系列的细金属线，称为格子线。用于收集载流子。为了防止遮光，宽度在50μm以下。金属电极材料通常以铝或者银合金为主。正面电极的网印太阳能电池对正面金属电极的要求：与硅接触时电阻低金属线宽小：与硅之间的黏着力强可焊性高；可以大量生产、制造成本低等。网印技术是目前最为普遍的正面电极制造技术。正面电极的网印涂覆了感光胶的丝印网板正面电极的网印金属膏：有机溶剂，使金属膏呈现流体状态，有利于印刷的进行；有机结合剂，用于固定金属粉末；导电金属材料，一般是银的粉末，颗粒大小约为数十微米，质量约占整个金属膏的60～80%；玻璃粉，由低熔点、高活性氧化物粉末组成。可对硅表面进行蚀刻反应，帮助硅表面与银粉接合。正面电极的网印将金属膏添加到印刷板上面，用滚轮对金属膏施压，从一端滑倒另一端，金属膏就会依据印刷板上的图案印制到晶片上。将晶片置于100～200℃的环境下，进行干燥处理，去除有机挥发物。背面电极的网印背面金属电极也采用网印技术制造。与正面制造情况不同点在于，金属膏成分同时含有Ag粉和Al粉。这是由于：银粉本身无法与P型硅形成欧姆接触；铝粉可形成欧姆接触，但焊接性差。由于一整层连续背面电极银和晶片具有不同的热膨胀系数，使得晶片在高温处理时将发生挠曲变形，所以背面电极结构也为网状。欧姆接触：相对于半导体器件总电阻而言，可以忽略的金属-半导体接触电阻。火烤将晶片置于高温炉内进行火烤，烧掉金属膏里的有机化合物，并将金属颗粒烧结在一起。需控制好温度，令电极与N区接触。165太阳能电池的丝网印刷流程6.5太阳能电池封装成太阳能电池组件1666.5.2电池的工作温度6.5.3组件的耐久性6.5.1组件结构6.5.4组件电路设计6.5.1组件结构太阳能电池可用20年以上，其模块结构设计需考虑的因素：可承受机械负载；避免环境污染；电绝缘；紫外稳定性（过滤紫外光）；在高低极限温度及热冲击下，不因应力而破裂；自净能力；维持电池低温以将功率损失最小化的能力；成本低廉，等。组件结构强化玻璃：有足够的机械强度和透光性（阻止紫外）。EVA高分子塑料（乙烯乙烯醋酸酯共聚物），作为保护层。（紫外光加速EVA老化，变黄，龟裂）背面层：复合塑料，防水汽和腐蚀。组件结构当晶片焊上互联条，再与EVA及铁质强化玻璃堆栈好后，放入层压机做真空封装。互联条

通常，电池之间的连接线是成圆形的，以尽量减小周期应力（收缩与膨胀）。互联条一般为双层以防止被这种应力破坏。温度上升时，电池与电池的间隙将扩大。所以用互联条来调节电池之间的膨胀。6.5.2电池的工作温度电池性能因温度升高而变差。171安装在露天框架上的组件，在充足的阳光照射下（100mW/cm2）,大多数的电池温度大约高于环境温度30℃。T电池(℃)=T环境(℃)+0.3×阳光强度(mW/cm2)对于典型工作条件下，每种组件将有一个特定的温度，即电池额定工作温度（NOCT）。在非标准工作条件下，电池温度的近似表达式可写为：6.5.3组件的耐久性造成组件损失的类型：（1）电池由于热波动，或更直接地由于冰雹引起的过度机械应力所造成的损失；（2）金属化区域（电极）受腐蚀；（3）封装中层与层之间的剥离；（4）密封材料变色；（5）灰尘堆积在组件的上表面；（6）由于应力未能充分释放，引起互联条的损坏。新组件设计的加速老化试验173（1）热循环；（2）高湿度；（3）长时间紫外线照射；（4）周期性的压力负载。组件损坏鉴定试验（1）冲击试验；（2）耐磨损试验；（3）自净特性；（4）柔韧性；（5）电绝缘性能。6.5.4组件电路设计串联电池组的开路电压VOC是每个电池开路电压的和太阳电池并联并联电池组的短路电流ISC是每个电池短路电流的和。串联、并联N个电池串联、M个电池并联的电路I-V曲线。一块硅光伏电池板是通常是由多块太阳能电池互相串联而成。

光伏组件的输出电压通常被设计成12V。在25℃和AM1.5条件下，单个硅太阳能电池的输出电压只有0.6V。

考虑到一些电压损失，大多数光伏组件由36块电池片组成。

单晶硅电池的面积通常为100cm2，总的输出电流大约为3.5A。组件电路设计失配损失失配是互联的电池没有相同的性能或者在不同的条件下工作(如树荫遮挡)造成的。失配是一个相当严重的问题，因为整个光伏组件的输出是决定于表现最差的电池的输出。这会导致局部电能的严重损失，而由此产生的局部加热也可能引起组件无法挽回的损失。主要失配方式串联电池开路电压Voc失配串联电池短路电流Isc失配并联电池短路电流Isc失配并联电池开路电压Voc失配1.串联电池的开路电压失配

对于串联电池，开路电压Voc失配是一种不太严重的失配类型。

由于:Vmp2<Vmp1，Imp2=Imp1

且有:

Pmp-Total=Pmp2+Pmp1。

所以Vmp2×

Imp2<Vmp1×Imp1。2.串联电路的短路电流失配

对于串联电池，短路电流失配Isc对光伏组件有重大影响。

当电路电流I大于Isc2时，电池2的电压为负，将消耗电池1产生的功率。

所以：好电池1输出的电流决定于差电池2的输出电流大小，好电池1输出的额外电流被电池2以热能形式消耗。短路电流失配短路电流估算将两个电池短路，则总电压为：V1+V2=0发现此时电池2工作在反向偏置情况。反向偏置是由电池1导致的，那么电池2消耗了电池1产生的功率，表现为电池2温度上升。满足V1+V2=0Isc≠Isc2遮蔽对Isc、Voc的影响遮蔽对Isc、Voc的影响遮蔽对Isc、Voc的影响热斑现象

好电池产生的额外电流将变成好电池的前置偏压。如果串联电池被短路，则所有好电池的前置偏压都将变成问题电池的反向电压。当数量很多的串联电池一起把前置偏压变成问题电池的反向电压时，在问题电池处将会有大的能量耗散，这就是热斑加热现象。解决失配的方法1.串并联法在组件中串联旁路二极管。当串联模块处在反方向偏置时，旁路二极管则成为正向偏置，这就限制了此模块中的功率消耗，并为组件或分支电路的电流提供低阻通道。2.应用旁路二极管通过增加每个组件或分路的串联模块及并联电池串的数目，可提高组件对电池失配、电池破裂以及部分阴影的容忍度。串联旁路二极管（by-passdiodes）无失配失配电流可以从旁路二极管流过。旁路二极管作用旁路二极管降低了坏电池消耗的功率。加了旁路二极管后，坏电池输出的I-V曲线太阳电池组件的旁路二极管通常15个电池共用一个旁路二极管，对于由36块电池片组成的太阳电池组件需要两个旁路二极管。2.并联电池的短路电流失配

对于并联电池，短路电流Isc失配是一种不太严重的失配类型。并联电路的开路电压失配将两个电池开路，则总电流为：I1+I2=0，可以得到开路电压串联电池Isc失配和并联电池Voc失配需外加旁路二极管和阻塞二极管。6.6能量收支结算冶金级硅24kWh(e)/kg半导体级硅621kWh(e)/kg单晶硅片1700kWh(e)/m2

（0.4m2/kg）加工与封装250kWh(e)/m2总消耗2170kWh(e)/m2（成品率90%）偿还：由于电池生产工艺的提高，偿还时间降为1年。制备能耗：日照5小时，效率12%，每年生产能量总计219kWh(e)/m2，需10年偿还。总结太阳能电池级单晶硅的制备：CZ法多晶硅的制备：定向凝固（热交换法等）太阳能电池制备：N型杂质的扩散掺杂，网印技术太阳能电池的封装太阳能电池组件电路设计：串联电路短路电流的失配并联电路开路电压的失配并联旁路二极管串联阻塞二极管薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池的厚度一般只有1～10μm，制备在玻璃等相对廉价的衬底支撑材料上，可以实现低成本、大面积的工业化生产。

砷化镓薄膜太阳电池非晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜太阳电池铜铟硒薄膜太阳电池碲化镉薄膜太阳电池根据薄膜材料的不同薄膜太阳能电池砷化镓薄膜太阳能电池

GaAs，禁带宽度是1.43eV，是理想的太阳能电池材料。GaAs的优势：（1）高的能量转换效率：处于最佳的能隙为1.4～1.5eV之间；（2）吸收系数大：吸收95%的太阳光厚度仅为5～10um；（3）耐高温性；200度下效率仍有10%；（4）抗辐射性能好：直接带隙，少数载流子寿命短，抗辐射性能好，更适合空间能源领域；（5）开路电压大，短路电流小，不易受串联电阻影响。GaAs的缺点：资源稀缺，Ga价格昂贵，约Si材料的10倍；污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染；机械强度较弱，易碎；密度大（5.318g/cm3），质量大。薄膜太阳能电池砷化镓薄膜太阳能电池的应用

薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，硅材料消耗很少，电耗更低，非常吸引人。

电池结构:p-i-n结构，它是在衬底上先沉积一层掺磷的n型非晶硅，再沉积一层未掺杂的i层，然后再沉积一层掺硼的p型非晶硅。

该电池的有效禁带宽度大约是1.1eV。单个电池的最大效率约为8%，串联电池组的最大效率大约为3%～6%。特殊的的太阳能电池聚光的太阳能电池

问题1：对于典型的硅太阳能电池，在正常太阳辐射条件下，对应的功率损失大约为4%。如果辐射增强100倍，功率损失将达到90%。

措施1：聚光的太阳能电池必须经过特殊的掺杂，采用特殊的金属电极，以减少由于表面电阻造成的损失。

问题2：太阳能电池的效率随温度升高而下降。

措施2：利用循环水来冷却收集器。温度升高，短路电流增加，开路电压减小，总转换效率变小。第四章太阳能光电转换第1节

概论第2节

光电转换的理论基础第3节

太阳能电池的基本特性第4节

几种典型的太阳能电池第5节

太阳能光伏系统太阳能光伏发电系统

太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳辐射能直接转换为电能的一种发电系统。太阳能光伏发电系统简图本节内容：◆太阳能电池的连接◆太阳能光伏系统的构成◆太阳能电池系统的应用太阳能电池的连接太阳能电池是太阳能光伏系统的基本单位，单个太阳能电池的功率一般只有1～2W，通常是无法满足需求的。故可把太阳能电池连接起来形成太阳能电池组件，再进一步把组件连接起来形成电池阵列。

太阳能电池、组件和阵列图太阳能电池的连接

太阳能电池阵列的连接方式：先串后并、先并后串。

太阳能电池阵列的连接方式（a）先串后并（b）先并后串串联并联串、并联电池组合的伏安特性曲线太阳能光伏系统的构成太阳能光伏系统图工作原理：

白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。当需要供电时，蓄电池组

为逆变器提供输入电，通过逆变

器的作用，将直流电转换成交流

电，输送到配电柜，由配电柜的

切换作用进行供电。太阳能光伏系统的构成①太阳能电池板

太阳能电池板是太阳能光伏系统中的核心部分，太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。②蓄电池

蓄电池作为光伏系统的储能设备，在整个发电系统中起着非常重要的作用。首先，由于太阳光是不稳定的，在光照过剩的情况下，存储负载供电多余的电能，在光照欠佳时，蓄电池可以作为负载的供电电源;其次，蓄电池具有滤波作用，能使发电系统更加平稳的输出电能给负载。①②太阳能光伏系统的构成③控制器

控制光伏阵列对蓄电池组进行充电，并控制蓄电池组对负载的放电，实现蓄电池组的过充和过放保护，对蓄电池进行温度补偿，并监控蓄电池组的电压和启动相关辅助控制。④逆变器

逆变器是光伏系统的电能变换设备，是将直流电变换为交流电的设备。其工作原理是利用半导体功率开关器件的开通与关断，实现直流电变换为交流电的一种电力电子设备。③④太阳能电池系统的应用农村电气化

太阳能电池在农村电气化方面的主要用途有：①户用电源系统；②村用电源系统；③光伏水泵；④通信光伏电源。户用光伏电源系统图村用光伏电源系统图太阳能电池系统的应用农村电气化

农村用的光伏水泵农村用的光伏通信基站太阳能电池系统的应用农村电气化

我国争取在2010年以前，全部解决西部50户以上的无电村和15%的散居无电户的用电问题；2006-2010年间，争取解决10000个无电村和100万无电户的用电问题。2006-2010年用于农村离网光伏发电的发展规划项目20032004200520062007200820092010年装机峰值/MW2515305070100安装成本峰值/(万元/kW)76.56.15.65.2新增投资峰值/亿元10.519.530.539.252累计装机峰值/MW2830355080130200300年发电量/(GW·h)30.83338.55588143220330太阳能电池系统的应用离网供电

太阳能光伏系统用于离网供电的主要驱动力是解决无电网用户的供电问题。对某些特殊的用户，专门架设电网的相对成本很高，因而可以用光伏系统来进行供电。太阳能路灯太阳能广告牌太阳能电池系统的应用离网供电太阳能照明太阳能交通信号灯太阳能电池系统的应用太阳能离网供电的其他应用

光伏航标灯太阳能计算器太阳能手表太阳能电池系统的应用太阳能离网供电的其他应用太阳能汽车太阳能光伏的空间应用太阳能飞机太阳能电池系统的应用并网供电

并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。

在靠近电网的地区，建设大型的太阳能光伏电站，为电网输送电力的主要驱动力有三个：①可以满足高峰电负荷需求；②环境保护；③很多国家政府出台了各种优惠政策，鼓励太阳能发电的发展。太阳能并网系统太阳能电池系统的应用并网供电

我国规划在2010年以前建立2～3座10～20MW规模的开阔地先导太阳能光伏示范电站，总装机容量达到30MW；2010-2020年正式启动中国开阔地光伏电站计划，争取2010-2020年新增光伏电站装机容量11970MW，到2020年年底累计装机容量达到12GW。2005-2010年中国开阔地光伏发电的发展情况项目200520062007200820092010年装机容量峰值/MW2445510安装成本峰值/(万元/kW)54.74.34.03.7新增投资/亿元20.01.882.152.03.7累计装机容量峰值/MW2610152030年发电量/(GW·h)2.67.813.019.526.039.0第二章电极过程导论及综述第三章电势和电池热力学第四章电极反应动力学第五章迁移和扩散引起的物质传递第六章基本的电势阶跃法第七章电势扫描法第八章光电化学第九章燃料电池第十章锂电池第十一章金属空气电池第十二章超级电容器第十三章光催化任课教师：李明涛、沈少华2015.03.04光电及光化学转化原理与应用电化学西安交通大学-新能源科学与工程第〇章绪论教材及主要参考书沈辉等主编，太阳能光伏发电技术，化学工业出版社，2005.08，ISBN7-5025-7535-9；波利斯科夫著，张天高译，光电化学太阳能转换，科学出版社，1994.04；阿伦.J.巴德，拉里.R.福克纳著，电化学方法原理和应用，化学工业出版社，2005.05，ISBN7-5025-6704-6；相关科技文献。课时安排周次日期内容103.04概论，光伏103.06光伏2203.11光伏303.13光电化学1303.18光电化学203.20光电化学3403.25光电化学403.27光电化学5504.01电化学方法104.03电化学方法2604.08电化学方法304.10电化学方法4周次日期内容704.15染料敏化电池等04.17燃料电池等804.22光催化104.24光催化2904.29光催化305.01光催化41005.06光催化505.08光催化61105.13实验105.15实验21205.20实验3考核办法平时成绩20%

其中考勤5%作业15%，

作业与考勤合格是考试的前提条件。期末考试80%李明涛电话邮：mingtao@办公室：北二楼15楼81517旁联系方式接受预约答疑任课教师：李明涛、沈少华2015.03.04光电及光化学转化原理与应用电化学西安交通大学-新能源科学与工程第〇章绪论为什么要讲这门课？讲些什么内容？热能转化利用机械能转化利用光能转化利用生物质能、化学能转化利用光是一种电磁波电子能级跃迁原子核能级跃迁我国液体燃料短缺，燃煤造成了严重的环境污染。太阳能清洁无污染可再生，我国大部分地区太阳能较为丰富。太阳能电池原理、影响因素、工艺、系统优缺点、现状水电解与光电化学分解水制氢原理、关键问题、提高效率的途径光电化学与新型太阳能电池染料敏化太阳电池量子点太阳电池电化学方法原理与应用光电化学与悬浮颗粒体系光催化分解水制氢光催化污染物降解教材及主要参考书沈辉等主编，太阳能光伏发电技术，化学工业出版社，2005.08，ISBN7-5025-7535-9；波利斯科夫著，张天高译，光电化学太阳能转换，科学出版社，1994.04；阿伦.J.巴德，拉里.R.福克纳著，电化学方法原理和应用，化学工业出版社，2005.05，ISBN7-5025-6704-6；相关科技文献。课时安排周次日期内容103.04概论，光伏103.06光伏2203.11光伏303.13光电化学1303.18光电化学203.20光电化学3403.25光电化学403.27光电化学5504.01电化学方法104.03电化学方法2604.08电化学方法304.10电化学方法4周次日期内容704.15染料敏化电池等04.17燃料电池等804.22光催化104.24光催化2904.29光催化305.01光催化41005.06光催化505.08光催化61105.13实验105.15实验21205.20实验3考核办法平时成绩20%

其中考勤5%作业15%，

作业与考勤合格是考试的前提条件。期末考试80%李明涛电话邮：mingtao@办公室：北二楼15楼81517旁联系方式接受预约答疑第一章光伏太阳能电池的利用情况日本、欧洲、美国一直是发展和利用太阳能电池的主要国家和地区。世界太阳能电池历年产量峰值（单位：MW）太阳能电池的利用情况新千年开始，世界其他国家和地区的太阳能电池产业发展速度明显加快了。年份区域200220032004200520062007中国1010502004001088欧洲135193.43144706571062日本251363.9602833928920美国120103.2140154202266.1其他5583.81393387131751.9总计561744.311951795250040002002-2007年世界太阳能电池产量峰值（单位：MW）什么是太阳能光电转换？

太阳能光电转换是直接将太阳能转换为电能，实现转换的主要部件是太阳电池。太阳电池也称光伏电池，它没有任何运动的机械部件，在能量转换中具有重要的地位，被认为是“最优雅的能量转换器”。世界太阳电池发展简史1839年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”。1883年CharlesFritts在锗半导体上覆上金层形成半导体异质结，成功制备第一块太阳电池，效率只有1%。1954年美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，效率6%，为光伏发电大规模应用奠定了基础；同年，首次发现了砷化镓有光伏效应，制成了第一块薄膜太阳电池。1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。1958年我国开始太阳电池研制，1971年首次发射用太阳电池作为电池的人造卫星。1959年第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。1978年美国建成100kWp太阳地面光伏电站。光生伏特效应

光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。太阳光是由光子组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以产生电能。◆半导体的内部结构和导电性◆半导体禁带宽度和光学特性◆半导体的掺杂特性◆p-n结◆太阳能电池的工作原理光电效应爱因斯坦的光电效应（金属的光电效应）在光的照射下，从物体发射出电子的现象对于不同物体，存在不同的极限频率，当光子的频率大于这个极限频率时才会产生光电效应。光强越强，产生的电子越多光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光的频率的增大而增大应用：光电倍增管光电效应方程

W逸出功，对应极限频率初动能hv光电子数的最大初动能随入射光的频率增大而线性增大，而与入射光强度无关单位时间从金属表面逸出的光电子数目与入射光强IS成正比。当光照射到某一给定的金属时，无论光的强度如何，小于极限频率的入射光都不能产生光电效应。光子能量光电效应的应用光电倍增管固体的光吸收的基本过程固体中的光吸收过程以半导体为代表，吸收区主要可以划分为六个区。基