第一章 太阳能电池和太阳光

第一章太阳能电池和太阳光南京理工大学材料科学与工程学院1内容1.2太阳能电池发展概况1.4太阳常数1.6太阳的视运动1.3阳光的物理来源1.5地球表面的日照强度1.1引言21.1引言太阳能动物、植物化石燃料生物能风能水能电能太阳能电池工作原理：光伏效应(Photovoltaiceffect)3光伏效应4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。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。太阳能电池的优缺点5•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：缺点：1.2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619世纪30年代首先发现光伏效应太阳能电池发展概况7法国物理学家EdmondBecquerel于1839首先观察到，把光线照到覆有感光材料AgCl的电极上，会产生电流，这就是光伏效应，当时他仅19岁。太阳能电池的发展81877年，Adams和Day研究了硒(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91883年美国科学加CharlesFritts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，可以用蓄电池中储存起来，或者传送到另外一个地方。太阳能电池的发展101927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111939年，Nix发明砣-硫化物光电池。下图展示了由硒、砣-硫化物和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121941年Ohl展示了一种基于天然pn结的光伏器件。硅铸锭中，杂质在熔融时分离形成天然的pn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131954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pn结太阳能电池的发展141957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151973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161985年，在太阳能电池表面做出微沟槽的PESC型太阳能电池，转换效率超过20%。太阳能电池的发展17德国弗赖堡1990年以后，太阳能电池发电与民用发电相结合。澳大利亚东海岸蒙塔古小岛18太阳能电池的发展19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月，欧盟对中国发起光伏反倾销。1.3阳光的物理来源光是一种电磁波，具有波粒二象性波包20热物体发出电磁辐射，光谱或波长由物体的温度有关。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，λ为真空中的波长。光的能量与波长成反比。能量的单位：电子伏特（eV）J10602.1eV119kg/sm10626.6234h能量与波长的关系：/24.1)eV(E其中λ的单位为μm211.4太阳常数---太阳光22内核：核聚变反应氢离子层：强烈吸收辐射光球层，温度6000K热对流地球太阳是一个充满气体的热球辐射黑体与光照度23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：1exp2)(52TkhchcF式中，λ是光的波长，T分别为黑体的温度，k为玻尔兹曼常数。F的单位为W/(m2μm)，W/m2指的是波长为λ（μm）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：不同温度下，黑体的光照度与波长的关系24温度波长丰富波峰移动光照度增加总的功率强度2540dTFI黑体发出的总的功率强度（单位W/m2）为：式中σ为Stefan-Boltzmann常数，T为黑体温度(K)。峰值波长λp26峰值波长λp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λ进行求导，导数为零处的波长就是峰值波长λp。这就是Wien定律，对应方程为：T2900μmp太阳光强27太阳的表面辐射功率强度Isun相当于6000K（5762K±50K）黑体的辐射强度，其总的功率等于Isun乘于太阳表面积4πR2，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4πD2，入射到物体的光强为：太阳光强2820sun2RIID太阳光照射在距离D处的球面面积为4πD2，入射到物体的光强为：不同行星的太阳光强29行星距离（x109m）太阳光（W/m2）水星578908.0金星1082481.3地球1501286.3火星227561.7木球77847.8土星142614.2天王星28683.5海王星44971.4太阳常数AM030地球大气层外的太阳辐射强度约为1.36kW/m2。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。在光伏应用中，太阳光强可看做是一个常数，成为太阳常数。这个常数的值及其光谱已经被定为标准值，叫作大气光学质量零辐射（opticalairmass-zeroradiation），记作AM0（书图1.3）。1.5地球表面的日照强度31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:大气效应，包括吸收和散射；当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染；纬度位置不同，使得一年中季节不同；一天里时间的不同。大气效应32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：由大气吸收、散射和反射引起的太阳辐射能量的减少。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33大气光学质量34大气光学质量（AM）定义为光穿过大气层路径的长度。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。cos1AM“大气光学质量”描绘了太阳光到达地面前的路程与太阳处在头顶处时的路程的比值，也等于Y/X。大气光学质量量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。当太阳和头顶正上方成角度θ时，大气光学质量为：大气光学质量估算35估算大气质量的一个最简单的方法就是，测量一个垂直立着的标杆长度h和它投影长度s。大气光学质量等于斜边的长度除以标杆的高度h:21AMhs地球表面的标准光谱36太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了对不同地点测得的太阳能电池的性能比较，人们定义了地球表面的光谱和功率强度的标准值。地球表面的标准光谱称为AM1.5。地球大气层外的标准光谱称为AM0，因为光没有穿过任何大气。这个光谱通常被用来检测太空中太阳能电池的表现。1.6太阳视运动37太阳视运动是由地球自转引起的，它改变着射入地球光线的角度。从地面的一个固定位置来看，太阳横跨整个天空运动。太阳相对于地球上某一固定的观察者所作的运动称为视运动。刻画地球上某固定地点的太阳高度角需要纬度、经度、一年中的日期和一天中的时间。太阳视运动对日照、太阳能电池收集的影响38太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收集器件获得的能量。•对于0°和90°之间的角，它们相对的功率强度为Iincosθ，其中θ为太阳光与器件平面法线之间的夹角。•当平面与太阳光平行时(θ=90°)，功率强度变为零。•当太阳光垂直入射(θ=0°)到吸收平面时，平面上的功率强度等于入射光的功率强度Iin。物理常数