太阳能电池-工作原理、技术和系统应用的课件-太阳能电池课件-新南威尔士大学

太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光太阳能电池工作原理、技术及应用课件太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光一、课程内容简介与教学目的（一）内容简介太阳能电池概论是能源化学工程专业的选修课程，通过本课程的学习，使学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、设计和工艺方面的基础知识，对太阳能电池有全面的认识，为学生毕业后从事光电子及其相关学科的工作和学习奠定扎实的理论基础，主要包括以下内容：太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光（二）课程要求：本课程要求学生上课不迟到、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。课程教学中提倡学生积极参与。二、成绩考核成绩考核由以下部分组成：（一）平时成绩：出勤及课堂表现（20%）、作业（10%）。（二）期末考试成绩：考试（70%），采用百分制。（三）最终成绩=平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%）。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光（一）教材MartinA.Green，《太阳能电池工作原理、技术和系统应用》，上海交通大学出版社，2010年。（二）参考资料施钰川主编，《太阳能原理与技术》，西安交通大学出版社，2009年；熊绍珍等主编，《太阳电池基础与应用》，科学出版社，2009年；钱伯章主编，《太阳能技术与应用/新能源技术丛书》，科学出版社，2010年；赵雨等主编，《太阳能电池技术及应用》，中国铁道出版社，2013年。三、教材及参考资料太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光第一章太阳能电池和太阳光太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光主要内容1.1引言1.2太阳能电池工作原理及发展概况1.3阳光的物理来源1.4太阳常数1.5地球表面的日照强度1.6太阳的视运动太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光1.1引言太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光预计2040年太阳能电池占25%太阳能电池风力生物质能水力20012010202020302040太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光基本工作原理：光伏效应（Photovoltaiceffect）太阳能电能半导体材料太阳能电池1.2太阳能电池工作原理及发展概况1.2.1太阳能电池工作原理太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光光伏效应：光照使不均匀半导体不同部位之间产生电位差的现象（P-N结）。光吸收：光照射到物体上，有一部分会被物体吸收，如果入射光的能量为I0，则在距离物体表面x处的光的能量为：I=I0e-ax半导体对光的吸收？太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光带隙太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光每个原子的价电子分别与相邻的四个原子的价电子组成共价键，在空间形成排列有序的单晶体结构纯净的单晶半导体称为本征半导体。本征半导体不均匀半导体（P-N结）？？太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光价电子（热激发）自由电子-空穴对复合平衡本征半导体中本征半导体太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光在外电场作用下，电子的定向移动形成电流++++++++--------太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流++++++++--------太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光(1)在半导体中有两种载流子a.电阻率大(2)本征半导体的特点b.导电性能随温度变化大带正电的空穴带负电的自由电子本征半导体太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光本征半导体缺点1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！不适宜制造半导体器件，通常要掺入一些杂质来提高导电能力。此外，产生电子-空穴对后，由于导电性差和缺乏将电子-空穴继续分开的能量，电子-空穴会很快复合，不实用。本征半导体一般不能在半导体器件中直接使用太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光杂质半导体n型半导体SiSiSiSiSiSiSiP图中掺入的五价P原子在晶体中替代Si的位置，构成与Si相同的四电子结构，多出的一个电子在杂质离子的电场范围内运动。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光杂质半导体磷原子硅原子SiPSiSi多余电子太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光（1）N型半导体形成：本征半导体中掺入五价杂质原子，如磷（P）。载流子：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。简化图杂质半导体太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光杂质半导体(2)P型半导体四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量三价的杂质元素(如B、Ga、In等)形成空穴型半导体，也称p型半导体。SiSiSiSiSiSiSi+B图中在硅晶体中掺入少量的硼，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光P型半导体形成：本征半导体中掺入三价杂质原子，如硼（B）等。载流子：空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。简化图（a）结构示意图图1-5P型半导体的结构杂质半导体太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光P-N结的形成在半导体内，由于掺杂的不同，使部分区域是n型，另一部分区域是p型，它们交界处的结构称为P-N结(P-Njunction)。在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。PN太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光在交界面，由于扩散运动，经过复合,出现空间电荷区。空间电荷区耗尽层PNP-N结的形成过程太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光P-N结当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成P-N结。P-N结的形成过程不均匀半导体形成NP太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光由于Ｎ区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在p型半导体和n型半导体的交界面附近产生了一个由np的电场，称为内建场。当P型半导体和N型半导体结合在一起，形成P-N结时，由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从N型半导体指向P型半导体的内建电场，导致多数载流子反向漂移。达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光光生伏特效应当光照在P-N结上，而且光能大于P-N结的禁带宽度（带隙），则在P-N结附近将产生电子-空穴对。由于内建电场的存在，产生的非平衡载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势（电压），破坏了原来的平衡。这时如果将P-N结与外电路相连，则电路中出现电流，称为光生伏特现象或光生伏特效应。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光太阳能电池工作原理：由光照射，基于光生伏特效应，使p-n结产生电动势，使之形成电压。将电池与一个负载连接起来，就会形成电流回路。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光1.2.2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（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）1839年，贝克勒尔首先发现光伏效应太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光法国物理学家EdmondBecquerel（贝克勒尔）于1839首先观察到，把光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。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光1877年，Adams和Day研究了玻璃硒的光伏效应。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。他们认为光照使得硒条的表明结晶化了。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光1883年美国科学家CharlesFritts（弗里茨）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）仅仅黏住，形成薄片。然后再将金箔压在硒薄片的另一面，于是，历史上第一块光伏器件就制成了。这个薄膜器件有30cm2大，当时转换效率仅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。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光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亚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。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光1939年，Nix发明铊-硫化物光电池。下图展示了由硒、铊-硫化物和Cu-Cu2O共同组成的电池。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。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光1941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概论第一章太阳能电池和太阳光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411957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。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光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。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光1985年，在太阳能电池表面做出微沟槽的PESC(钝化发射区Passivationemittersolarcells)型太阳能电池，转换效率超过20%。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光德国弗赖堡1990年以后，太阳能电池发电与民用发电相结合。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光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。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光2013年6月14日，日本太阳能电池龙头厂夏普(Sharp)宣布已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。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2012年3月12日就宣布通过采用其专利Pluto(冥王星)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。2013年中电光伏单晶电池转换率达到20.26%，刷新纪录。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光1.3阳光的物理来源光是一种电磁波，具有波粒二象性热物体发出的电磁辐射，光谱或波长与物体的温度有关。太阳能电池概论第一章太阳能电池和太阳光光子的能量/)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/