[工学]专题二、太阳能电池机理

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1、能源光电子器件设计,主讲： 光电学院 钟 建,专题一、太阳能电池概述,. 课程安排,一、课堂教学（4-6学时）,二、专题讨论（2-4学时）,四、总结报告（2-4学时）,三、器件制备（6-8学时）,. 参考书目,1、太阳能光伏系统概论，车孝轩，武汉大学出版社，2007.11； 2、太阳能光伏发电系统的设计与施工， 刘树民，宏伟译，科学出版社，2006.04； 3、太阳能光伏电池及其应用， 张红梅，崔晓华译，科学出版社，2008.09.,. 提纲,一、太阳能电池的应用,二、太阳能电池的工作原理,四、太阳能电池的主要缺点,三、太阳能电池的主要优点,五、太阳辐射,六、太阳能储存方式,一、太阳能电池的应

2、用,（10KW光伏发电组）,太阳能服饰,太阳能在沙漠地区的运用,二、太阳能电池的工作原理,太阳能电池的工作原理是内光电效应。,光伏发电的本质是“光-电转换”。,简单讲，主要是以半导体材料为基础，利用光照产生电子-空穴对，在PN结上可以产生光电流和光电压的现象（光伏效应），从而实现太阳能光电转换的目的。,二、太阳能电池的工作原理,光电效应概述 光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象统称为光电效应（Photoelectric effect）。,光电效应分为：外光电效应和内光电效应。,二、太阳能电池的工作原理,1. 外光电效应 在光的作用下，物体内的

3、电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。,2.内光电效应 内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。,二、太阳能电池的工作原理,半导体的内光电效应 当半导体的表面受到太阳光照射时，如果其中有些光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度，就能使电子挣脱原子核的束缚，在半导体中产生大量的电子一空穴对，这种现象称为半导体内光电效应 。,二、太阳能电池的工作原理,半导体的内光电效应 太阳能电池就是依靠内光电效应把光能转化为电能的，因此实现内光电效应的条件是所吸收的光子能量要大于半导体材料的禁带宽度，即,式中 h光子能量； h普朗克

4、常数； 光波频率： Eg半导体材料的禁带宽度。,二、太阳能电池的工作原理,半导体的内光电效应 由于C=，其中C为光速，是光波波长， 式可改写为 ，即,这表示光子的波长只有满足上式的要求，才能产生电子一空穴对。通常将该波长称为截止波长，用g表示，波长大于g的光子就不能产生载流子。,二、太阳能电池的工作原理,不同的半导体材料由于禁带宽度不同，要求用来激发电子一空穴对的光子能量也不一样。,同一块半导体材料中，超过禁带宽度的光子被吸收以后转化为电能，而能量小于禁带宽度的光子被半导体吸收以后则转化为热能，不能产生电子一空穴对，只能使半导体的温度升高。,结论：对于太阳电池而言，禁带宽度有着举足轻重的影响，

5、禁带宽度越大，可供利用的太阳能就越少，它使每种太阳电池对所吸收光的波长都有一定的限制。,三、 太阳能电池的主要优点,(1)太阳能取之不尽，用之不竭，地球表面接受的太阳辐射能，足够满足目前全球能源需求的数万倍。 只要在全球4%的沙漠上安装太阳能光伏系统，所发电力就可以满足全球的需要。太阳能电池安全可靠。,(2)太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失。,(3)太阳能不用燃料，运行成本很低。,三、太阳能电池的主要优点,(4)太阳能电池没有运动部件，不易损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用。,(5)太阳能电池不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影

6、响，是理想的清洁能源。,(6)太阳能电池系统建设周期短，方便灵活，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池方阵容量，避免浪费。,四、太阳能电池的主要缺点,(1)地面应用时有间歇性和随机性。 到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。,(2)能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/m2。 正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有15左右。,(3)目前价格仍较贵，为常规发电的515倍，初始投资高。,

7、五、太阳辐射,太阳的能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应，每秒产生3. 90l023kW能量。这些能量以电磁波的形式，以3.0105 km/s的速度穿越太空射向四面八方。 地球只接受到太阳总辐射的二十二亿分之一，即有1.71014 kW达到地球大气层上边缘(“上界”)，由于穿越大气层时的衰减，最后约8.51013 kW达地球表面，这个数量相当于全世界发电量的数万倍。,五、太阳辐射（参数）,1太阳常数 在地球大气层之外，平均日地距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上所获得太阳辐射能基本上是一个常数，这个辐照度称为太阳常数，或称大气质量0(AM0)的辐射。 1981年10月在墨西哥召开的世界气象组织仪

8、器和观测方法委员会第八届会议通过的太阳常数的大小是：ISC=13677W/m2。,实际上，一年中的日地距离是变化的，因此ISC的值也稍有变化。,五、太阳辐射（参数）,2大气质量m 太阳与天顶轴重合时，太阳光线穿过一个地球大气层的厚度，路程最短。 太阳光线的实际路程与此最短路程之比称为大气质量。并假定在1个标准大气压和0时，海平面上太阳光线垂直入射时m=1。 因此，大气层上界的大气质量m=0。太阳在其他位置时，大气质量都大于1，如m=1.5时，通常写成AM1.5。大气质量的示意图如图所示。,大气质量的示意图,五、太阳辐射（参数）,2大气质量m,大气质量的示意图,大气质量越大，说明光线经过大气的路

9、程越长，受到衰减越多，到达地面的能量就越少。 地面上的大气质量计算公式为： m=secZ=1/sins 式中 Z-太阳天顶角；s-太阳高度角。,五、太阳辐射（参数）,2大气质量m,（1）天顶角z 天顶角就是太阳光线OP与地平面法线QP之间的夹角。,（2）高度角s 高度角就是太阳光线OP与其在地平面上投影线Pg之间的夹角，它表示太阳高出水平面的角度。,高度角与天顶角的关系为：,五、太阳辐射（参数）,当z=0o时，大气光学质量等于1或称AM1； 当z=60o时，则是大气光学质量是2或AM2的情况。 AM1.5（相当于太阳光和垂线方向成48.2o角）为光伏业界的标准。 任何地点的大气光学质量可以由下

10、列公式估算：,AM=1+(s/h)21/2 如图所示，s是高度为h的竖直杆的投影长度。,利用已知高度的物体的投影估算大气光学质量,五、太阳辐射（参数）,3、太阳光谱 (1)太阳光谱的定义 太阳看上去是白色的，但是如果使一束太阳光通过一个玻璃三棱镜，那么就在白色幕布上，出现条红，橙、黄、绿、青、蓝、紫等彩色光带。 物理学上把这样的彩色光带（各色光按频率或波长大小的次序排列成的光带图）叫做太阳光谱，这样的可见光谱（约400-760nm），只占太阳光谱中的微小部分。,五、太阳辐射（参数）,(1)太阳光谱的定义 整个太阳光谱的波长是非常宽广的，从几个埃到几十米。 比可见光波长长的有红外，微波、无线电波

11、等； 比可见光波长短的有紫外线、X射线等。,五、太阳辐射（参数）,(2)光谱的分类 光谱按产生的方法可以分为发射光谱和吸收光谱两大类。 由发光体所发出的光直接生成的光谱叫发射光谱。 发射光谱又分为连续光谱和明线光谱。,五、太阳辐射（参数）,(2)光谱的分类 发射光谱又分为连续光谱和明线光谱。 连续光谱是固体或液体在高温下所发出的光生成的，包含由红到紫各式各样的色光在内的连续彩色光带。 明线光谱是气体或蒸气在高温下所发出的光生成的，在黑暗的背景上只有一些不连续的明线。,太阳光谱是一种吸收光谱，它是在连续光谱的背景上分布许多暗线。 原因是太阳发出的白光，要穿过温度比太阳低得多的太阳大气层，在这种太

12、阳大气层里存在着从太阳里蒸发出来的许多元素的气体； 太阳光穿过它们的时候，跟这些元素标识谱线相同的光，都被这些气体吸收掉了，所以太阳光到达地球后就形成了吸收光谱。,五、太阳辐射（参数）,(2)光谱的分类,地球大气上界的太阳辐射光谱的99%以上在波长0.154.0m。 大约50%的太阳辐射能量在可见光谱区(波长0.40.76m)，7%在紫外光谱区(波长0.76m）。,五、太阳辐射（参数）,(2)光谱的分类,太阳能不能直接储存，必须转换成其他形式能量才能储存。太阳能储存有以下方法。 （1） 电能储存 在太阳能光伏发电系统中，主要是用蓄电池将太阳能电池发出来的电能储存。铅酸蓄电池是光伏发电系统配套的

13、主要储能装置。,六、太阳能储存方式,太阳能不能直接储存，必须转换成其他形式能量才能储存。太阳能储存有以下方法。 （2） 热能储存 利用材料的显热储能是最简单的储能方法。在实际应用中，水、砂、石子、土壤等可作为储能材料，其中水的比热容最大，即温度即使升高不多也能够吸收大量的能量。,六、太阳能储存方式,(3) 潜热储存 利用材料在相变时（从一种相转变为另一种相时）吸入的潜热储能，其储能量大。且在温度不变情况下放热。 如纯铁在无限缓慢的冷却过程中，由一种相转变成另一种相的过程中温度是不变的，这就说明物质在发生相变时，放出的潜藏热量抵消了一部分因冷却散失的热量，所以温度不变。,六、太阳能储存方式,六、

14、太阳能储存方式,(4)化学储热 利用化学反应储热储热量大，体积小，重量轻，储存时间长。 (5)太阳池储熟 太阳池是一种具有一定盐浓度梯度的盐水池，可用于采集和储存太阳能。,(6)氢能储存 氢可以大量、长时间储存。它能以气相、液相、固相（氢化物）或化合物（如氨、甲醇等）形式储存。此外氢和氧输入到燃料电池中也可以发电。 (7)机械能储存 太阳能转换为电能，带动电动水泵将低位水抽至高位，便以位能的形式储存太阳能；太阳能转换为热能，推动热机压缩空气，也能储存太阳能。,六、太阳能储存方式,专题二、太阳能电池机理,主讲： 光电学院 钟 建,太阳能电池的工作原理,太阳能电池的工作原理是光电效应。,光伏发电是

15、指“光-电转换”。,主要是以半导体材料为基础，利用光照产生电子-空穴对，在PN结上可以产生光电流和光电压的现象（光伏效应），从而实现太阳能光电转换的目的。,. 提纲,一、半导体材料及特点,二、 PN结原理,三、太阳能电池的工作原理,一、 半导体材料及其特点,半导体的特性,本征半导体,杂质半导体,半导体特性,物体分类,导体,电导率为大于105s.cm-1，量级;,绝缘体,电导率为10-22-10-14 s.cm-1量级;, 导电能力介于导体和绝缘体之间。,半导体,电导率为105s.cm-1 量级，如： 银、铜、金、铝。,电导率10-22-10-14 s.cm-1 量级，如：橡胶、云母、 塑料等。

16、,电导率为10-9-102 s.cm-1 量级，如：硅、锗、 砷化镓（集成电路）等。,电阻率：银Ag 1.60（10-6m） 金Au 2.40（10-6m）,电阻率与电导率,(1)电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。,某种材料制成的长1m、横截面积是1mm2的在常温下(20时）导线的电阻，称为这种材料的电阻率。国际单位制中，电阻率的单位是欧姆米( )。,电阻率与电导率,电阻率的计算公式为：,式中 电阻率， ； S横截面积， ； R电阻值， ； L导线的长度，m。,电阻率与电导率,电阻率和电阻是两个不同概念。电阻率是反映物质对电流阻碍作用的属性，电阻是反映物体对电流阻碍作用。,工程应用中常用于衡量电阻的量，一个是电阻率，另一个是方块电阻。,何为方块电阻？,电阻率与电导率,实验室常用的阳极材料为ITO玻璃，其方块电阻为10-15/ 。,