第一章太阳能和光电转换教案

新余学院课程名称：太阳电池材料授课班级：10光伏发电2班授课时间：2011.8--2011.12授课教师：欧惠授课学时：68学时课程所属系部：新能源科学与工程学院课程所属教研室：光伏材料教研室第一章太阳能和光电转换课时：2教学目标：通过本章的学习，了解太阳能的基本概念，人类利用太阳能的多种方式，太阳能对人类的意义，以及太阳能光电的研究和应用历史。教学重点及难点：太阳能辐射和吸收。教学内容：随着人类社会的不断发展，人与自然的矛盾也愈来愈突出。目前全世界范围面临的最为突出的问题是环境与能源，即环境恶化和能源短缺。解决这一问题最为有效的方法：发展新材料及相应的技术。随着材料科学的不断进步，太阳能材料愈来愈显示了诱人的发展前景。这一新型功能材料的发展，既可解决人类面临的能源短缺，又不造成环境污染。尽管太阳能材料的成本还较高和性能还有待进一步提高。可以预见，在下个世纪，太阳能材料将扮演更为重要的角色。就象半导体等功能材料的发展带来电信和计算机产业的兴起和发展一样，太阳能材料及相关技术也将带来太阳能器件的产业化的发展，使人类在环境保护和能源利用两方面的和谐达到更加完善的境界。1.1太阳能太阳内部处于高温、高压状态，不断地进行着核聚变反应，释放的辐射能，其中约二十亿分之一到达地球大气层，是地球上光和热的源泉。根据爱因斯坦相对论，通过热核反应，质量可以转化为能量，E=mc2（m为物质的质量，c为真空中的光速3×108m/s），质量亏损→太阳能。太阳每秒钟要损失大约400万吨的质量，对于巨大的太阳质量来说简直太微不足道了。从太阳诞生到目前的50亿年中，太阳仅消耗了0.03%的质量，即使再过50亿年也仅消耗太阳质量的0.06%。取之不尽用之不竭。1.2太阳能辐射和吸收1)臭氧层对紫外线的吸收最为强烈；2)水蒸气对能量的吸收最大，约20%被大气层吸收的太阳能是由于水蒸气的作用；3)灰尘及悬浮物既能吸收也能反射太阳光。太阳辐射强度取决于太阳的高度角、日地距离和日照时间。1)高度角：太阳高度角愈大，太阳辐射强度愈大。太阳高度角因时、因地而异。一日之中，太阳高度角正午大于早晚；夏季大于冬季；低纬地区大于高纬度地区。2)日地距离：是指地球环绕太阳公转时，由于公转轨道呈椭圆形，日地之间的距离则不断改变。地球上获得的太阳辐射强度与日地距离的平方呈反比。地球位于近日点时，获得太阳辐射大于远日点。据研究，1月初地球通过近日点时，地表单位面积上获得的太阳辐射比7月初通过远日点时多7％。3)日照时间：太阳辐射强度与日照时间成正比。日照时间的长短，随纬度和季节而变化。4)海拔高度：海拔高，空气稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；反之，则弱。如青藏高原成为我国太阳辐射最强的地区。就全球而言，以非洲、澳大利亚、中东、中国西藏和美国西南部的太阳能资源最为丰富。就我国而言，太阳能资源十分丰富。其中青藏高原最好，（居世界第二，仅次于撒哈拉沙漠），因为其南面是海拔约7000-8850m的喜马拉雅山脉，阻挡着印度洋的水蒸气，海拔高又空气稀薄。四川盆地相对较差，因为云雨天气多。对一个具体地理位置而言，太阳对地球表面的辐射取决于地球绕太阳的公转与自转、大气层的吸收与反射以及气象条件（阴、晴、雨）等。距离太阳一个天文单位处，垂直辐射到单位面积上的辐照通量（未进入大气层前）为一常数，称之为太阳常数。其值为1.338kW·m～1.418kW·m，在太阳电池的计算中通常取1.353kW·m。由于太阳入射角不同，穿过大气层的厚度随之变化，通常用大气质量（airmass，AM）来表示。并规定，太阳光在大气层外垂直辐照时，大气质量为AM0，太阳入射光与地面的夹角为90°时大气质量为AM1。其他入射角的大气质量可以用入射光与地面的夹角θ的关系表达，即AM=1/cosθ当太阳的天顶角θ为48.19°时，为AM1.5。海平面上任意一点和太阳的连线与海平面的夹角叫天顶角。一般在地面应用的情况下，如无特殊说明，通常是指AM1.5的情况。1.3太阳能光电的研究和应用历史1.3.1太阳能利弊分析优点：(1)普遍；(2)无害；(3)巨大；(4)长久。缺点：(1)分散性；(2)不稳定性；(3)效率低和成本高。1.3.2太阳能的利用三大技术领域(1)光化学转化：太阳辐射下，物质发生化学、生物反应。例如植物的光合作用，水+CO2→有机物+O2。(2)光热转化：通过反射、吸收等方式收集太阳能辐射能，使之转化为热能。如太阳能热水器、太阳能灶、太阳能干燥器、太阳能温室等。(3)光电转化：利用光电转换器件如太阳电池板等将太阳能转化为电能。太阳电池应用广泛，人造卫星、铁路信号、电视信号、太阳能电站等等。1.3.3太阳能的应用历史人类利用太阳能已有3000多年的历史，但将其作为一种能源和动力加以利用，只有300多年历史。传说阿基米德曾经利用聚光镜反射阳光，烧毁了来犯的敌舰。清朝肖开泰，从这个故事得到启发，研制一面聚光镜，制作烤鸭，没有烟火味，这是我国最早的太阳灶。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而抽水的机器。在1615年～1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段，下面分别予以介绍。第一阶段（1900-1920）起步：重点是太阳能动力装置，如抽水装置、发动机、水泵等第二阶段（1920-1945）低潮：矿物燃料的开发利用及二战爆发第三阶段（1945-1965）发展：加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了太阳能选择性涂层和硅太阳能电池的重大突破。第四阶段（1965-1973）停滞不前：不成熟，投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争。第五阶段（1973-1980）大发展：石油危机第六阶段（1980-1992）再次停滞：石油价格回落第七阶段（1992-至今）走出低谷：矿物能源导致环境污染和生态破坏。自20世纪70年代以来，太阳电池的全球平均年增长率为30%以上，生产成本以平均速度7.5%下降。1.4太阳电池的研究和开发太阳能电池分类1）按结晶状态：结晶系薄膜式（分为单结晶形和多结晶形）和非结晶系薄膜式2）按材料：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中占主导地位。1.4.1硅系太阳能电池1）单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。在实验室中，转换效率已达到24.7%，规模生产15%，期望在不久的将来能接近17-20%。但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。2）多晶硅薄膜太阳能电池其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%，因此，它不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。3）非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有着极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。1.4.2多元化合物薄膜太阳能电池为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其中主要包括：1）硫化镉（CdS）、碲化镉(CdTe)效率较非晶硅薄膜太阳能电池高，成本较单晶硅电池低，易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重污染，因此并不是晶体硅太阳电池最理想的替代产品。2）砷化镓III-V族化合物转换效率可达28%，GaAs材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池，但是GaAs材料价格不菲，因而在很大程度上限制了其利用。3）铜铟硒CuInSe2薄膜电池（CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。1.4.3聚合物多层修饰电极型太阳能电池以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制爸的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。1.4.4纳米晶化学太阳能电池纳米晶TiO2太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10.寿命能达到2O年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。1.4.5有机太阳能电池有机太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，剩下的不到5%也是由其他无机材料制成的。从以上几个方面的讨论可知，作为太阳能电池的材料，III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。而另两类电池纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电地存在的问题，它们的研究刚刚起步，技术不是很成熟，转换效率还比较低，这两类电池还处于探索阶段，短时间内不可能替代应系太阳能电池。因此，从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。单元小结：本章主要介绍了太阳能的基本性质，太阳能对人类的重要意义，人类对太阳能的多种利用方式，以及太阳能光电的研究和应用历史。