上理第二讲太阳能电池的基本原理资料.pdf

太阳能电池工艺太阳能电池工艺 第二节：太阳能电池的基本原理第二节：太阳能电池的基本原理 寇志起寇志起 2012- 10- 09 (一一) 太阳能的来源太阳能的来源 (二二) 半导体与半导体与PN结结 主要内容主要内容 (二二) 半导体与半导体与PN结结 (三三) 光伏发电原理和影响因素光伏发电原理和影响因素 (一一) 太阳能的来源太阳能的来源 (二二) 半导体与半导体与PN结结 主要内容主要内容 (二二) 半导体与半导体与PN结结 (三三) 光伏发电原理和影响因素光伏发电原理和影响因素 太阳是一个炽热的大气球 核心区的气体被极度压缩至水密 度的158倍在这里发生着核聚 变，每秒钟有七亿吨的氢被转化每秒钟有七亿吨的氢被转化 成氦在这过程中，约有五百万 吨的净能量被释放（大概相当于大概相当于 1、太阳辐射、太阳辐射 - - 太空中的太阳辐射太空中的太阳辐射 里三层：核反应区、辐射区、对流区 外三层：光球层、色球层、日冕层 吨的净能量被释放（大概相当于大概相当于 38300亿亿兆焦耳，亿亿兆焦耳，3.83后面后面26 个个0）聚变产生的能量通过对 流和辐射过程向外传送核心产 生的能量需要通过几百万年才能 到达表面。

而地球上仅接收到这些而地球上仅接收到这些 能量的能量的22亿分之一亿分之一 总辐射功率：总辐射功率：3.83××10^26 焦耳焦耳/秒秒 o Ho（单位W/m2），为： sun 2 2 0 H D R H×= 式中式中H Hsunsun（单位（单位W/mW/m2 2）为太阳表面的功率强度，由斯特番）为太阳表面的功率强度，由斯特番—— 波耳兹曼波耳兹曼(Stefan(Stefan Boltzmann) Boltzmann) 的黑体方程确定的黑体方程确定R R和和D D分别为太阳的分别为太阳的波耳兹曼波耳兹曼(Stefan(Stefan- -Boltzmann) Boltzmann) 的黑体方程确定的黑体方程确定R R和和D D分别为太阳的分别为太阳的 半径和与太阳的距离，单位都为半径和与太阳的距离，单位都为mm，如下图所示：，如下图所示： 太阳常数(solar constant): o定义定义：在日地平均距离(一天文单位）处，与太阳光束方向垂直的与太阳光束方向垂直的 单单位位面面积积上上，单位时间内所接受到的太阳总辐射能所使用的单 位为W/m2，或卡/平方厘米/分钟（cal/cm2/min)。

这个常数的 值及其光谱已经被定为标准值，叫作大大气质气质量量为零为零的辐射（air mass- zero (AM0) radiation） 太阳太阳常数常数 f = 1.97cal/(cm2·min) = 8.24J/(cm2·min) = 1.366KW/m2 （1卡=4.185851820846焦耳) （1瓦=1焦耳/秒） 表征表征的的是是到到达达大大气顶气顶(大大气层气层上上界界)的总太阳能量的总太阳能量(即包含整即包含整个太阳光个太阳光谱谱)值值 不考虑地球大气的作用，不考虑地球大气的作用，1小时到 达地球表面的太阳辐射能量有多少焦耳？ 小时到 达地球表面的太阳辐射能量有多少焦耳？ 相当于多少度电相当于多少度电? 探究探究与与计算计算：： 相当于多少度电相当于多少度电 不考虑地球大气的作用，不考虑地球大气的作用，1小时到 达地球表面的太阳辐射能量有多少焦耳？ 相当于多少度电？ 小时到 达地球表面的太阳辐射能量有多少焦耳？ 相当于多少度电？ 探究探究与与计算计算：： 8.24 x 3.14 x (6.371x108)2 x 60 约＝约＝6.37x1020 （（焦焦）） 约＝约＝1.75××1014（度）（度） 探究探究与与计算计算：： 太阳辐射一太阳辐射一小时小时到到达达地地表表的能量相当于的能量相当于我国我国2006 年年发电总量的发电总量的63倍；倍；相当于相当于同时燃烧同时燃烧1.86××1014升汽油升汽油 释放释放的能量。

的能量 每每台南台南方方125摩托摩托每每百公里油耗约为百公里油耗约为3升升，，计算计算一一每每台南台南方方125摩托摩托每每百公里油耗约为百公里油耗约为3升升，，计算计算一一 小时小时到到达达地地表表的太阳辐射能量能的太阳辐射能量能同时供多少台南同时供多少台南方方125 摩托跑摩托跑100公里？公里？ 1.86××1014/3 ＝＝6.2××1013台台 1000亿度亿度/年年 2、地面太阳辐射、地面太阳辐射—影响地球影响地球表表面的太阳辐射因素面的太阳辐射因素 当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳定时，影响地面辐射的主要因素是: o大气效应，包括吸收和散射 o当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染 o纬度位置不同o纬度位置不同 o一年中季节的不同和一天里时间的不同 上述的效应在几个方面影响了地球表面对太阳辐射的吸收包括总的 吸收能量和光谱含量的变化，以及光射到地球表面的角度的变化 另外，还有关键的一点就是，在不同的地方其太阳辐射的易变性也 会有很大差别易变性即受云层和季节变化等地方因素影响，又受其它 例如不同纬度白天的长短不同等因素影响沙漠地区由于当地云层等大 气现象比较稳定而拥有较低的易变性。

2.1、地面太阳辐射、地面太阳辐射- - 大大气气影响影响 典典 型型 晴晴 空空 时时 ，， 大大 气气 对对 入入 射射 太太 阳阳 光光 的的 吸吸 收收 和和 散散 射射 特殊的气体包括臭氧（特殊的气体包括臭氧（O3O3）、二氧化碳（）、二氧化碳（CO2CO2）和水蒸气（）和水蒸气（H2OH2O）都能强烈地吸收能）都能强烈地吸收能 量与其分子键能相近的光子从而改变太阳的光谱含量，使得辐射光谱曲线深深地往下量与其分子键能相近的光子从而改变太阳的光谱含量，使得辐射光谱曲线深深地往下 凹然而空气分子和尘埃，却是通过对光的吸收和散射成为辐射能量减少的主要因素然而空气分子和尘埃，却是通过对光的吸收和散射成为辐射能量减少的主要因素 晴天时，决定总入射功率的最重要的参数是晴天时，决定总入射功率的最重要的参数是光光线通过线通过大大气层气层的的路程路程 2.2、地面太阳辐射、地面太阳辐射- - 大大气质气质量影响量影响 太阳在头顶正上方时路程最短我们把太阳在头顶正上方时路程最短我们把实际路程实际路程与与此最短路程此最短路程的的比比 称之为称之为大大气气光光学质学质量量optical air mass,简称简称AM) （太阳在头顶上方时，（太阳在头顶上方时，AM=1，称为大气光学质量，称为大气光学质量1的辐射）的辐射） o当太阳和头顶成一个角度当太阳和头顶成一个角度θ，大气光学质量由下式得出：，大气光学质量由下式得出： o AM1.5是是光伏光伏行业行业的的标准标准辐辐照照度度（（相当于太阳光的相当于太阳光的角度角度 θCOS AM 1 = o AM1.5是是光伏光伏行业行业的的标准标准辐辐照照度度（（相当于太阳光的相当于太阳光的角度角度 48.2o）） o 在实际在实际估估算算大大气质气质量的量的最简最简单方单方法法是是：：测测量量出出高高度为度为H的的 竖竖直直物物体体投投射的射的阴阴影影长长度度S。

o 2 )(1 H S AM+= 例题例题:太阳在相对水平面成太阳在相对水平面成30°的高度，其相 应的大气光学质量是多少 °的高度，其相 应的大气光学质量是多少? 11 2 60cos 1 cos 1 2 = ° == θ AM o到达地面的阳光，除了到达地面的阳光，除了直接直接由由太阳辐射太阳辐射来的分量处， 还包括由大气层散射引起的 来的分量处， 还包括由大气层散射引起的间间接辐射和接辐射和漫漫射辐射 晴朗无云的天气：漫射辐射占总辐射量的10%- 20% 介于晴天与阴天的天气：总辐射只有晴天的一半，其中漫射占50% 坏天气：直接辐射接收很少，绝大多数是漫射辐射 注意：漫射阳光的成分不同于直射阳光的光谱主要是较短波长或 “蓝”波长的光这样会使太阳能电池系统接收的光的光谱成分产生变化， 为了便于计算，通常假设漫射辐射是各向同性的 2.3、地面太阳辐射、地面太阳辐射- - 仰仰角角与方与方位角位角 仰仰角角指的是天空中太阳相对于地平面的高度角日出的时候高 度角为0°,太阳处在头顶时高度角为90°(比如在赤道地区，春分日 和秋分日的时候就会出现这种情况)计算天顶角天顶角=90°- 高度角。

太阳高度角在一天中不断变化太阳高度角在一天中不断变化 其大小还决定于观测位置的纬其大小还决定于观测位置的纬 度和所在一年中的天数度和所在一年中的天数 方方位角位角就是罗盘方向与阳光入射方向的夹角在正午时分，北半球地区的 太阳总是从南方射入，南半球地区则从北方射入如下图所示，一天中方位角 是不断变化的总的来说方位角还是随着纬度和一年中日期的改变而改变的 2.4、地面太阳辐射、地面太阳辐射- - 太阳的太阳的偏偏向向角角 偏向角，用符号δ表示，它就是指赤道平面与地球中心点它就是指赤道平面与地球中心点- -- - 太阳中心太阳中心 点的连线的夹角由于点的连线的夹角由于地球相对于公转平面是倾斜了23.45°的，偏向角 的大小就在±23.45°之间变化只有在春分日和秋分日的时候偏向角才 会等于0°下面描述了地球绕太阳公转以及偏向角的改变： 黄赤交黄赤交角（角（23°°27′）） 太阳偏向角的季节性变化如下所示；太阳偏向角的季节性变化如下所示； ()      +°=d284 365 360 sin45.23δ 365 式中d为观测偏向角时所在的一年中的天数 在二分日（3月22日春分日和9月22日秋分日）时偏向角为0°， 在北半球夏天时角度为正，北半球冬天时为负。

在夏至日6月22日 偏向角达到最大值23.45°而在12月22日达到最小值- 23.45° 重重要的太阳辐射要的太阳辐射数数据据来源来源是是从卫星图像从卫星图像上上测测得得的太阳辐射的太阳辐射 这些图像提供了特定地区的云层覆盖水平的信息云层覆盖水 平的相关信息可以用来估算当地日照度下面基于云层覆盖数 据的等辐照图是Solarex公司提供的地图上的数据单位为 2.5太阳辐射太阳辐射数数据据- - 云云层层覆盖覆盖数数据据 据的等辐照图是Solarex公司提供的地图上的数据单位为 KWh/m2/day，表示在最优倾斜角时的最小值 - -- - 日照小时数据日照小时数据日照小时数据日照小时数据 - -- - 等辐照线等辐照线等辐照线等辐照线 全球太阳能资源分布全球太阳能资源分布全球太阳能资源分布全球太阳能资源分布 我国太阳能资源分布我国太阳能资源分布 太阳能太阳能是是人类未人类未来能源的来能源的必然选择必然选择 o资资源源丰富丰富：：40分钟照射地球辐射的能量＝全球人类一年的能量需求 o洁净洁净能源：能源：与石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”，也不 会造成环境污染 o使使用用方方便便：：同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。

(一一) 太阳能的来源太阳能的来源 (二二) 半导体与半导体与PN结结 主要内容主要内容 (二二) 半导体与半导体与PN结结 (三三) 光伏发电原理和影响因素光伏发电原理和影响因素 1、半导体、半导体材料材料 导导导 带导 带带带 E Eg g 单一原子中，电子都 有分明的能级，当形 成晶体时，由于原子 的影响，单一的能级 就变成了具有一定幅 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 禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差 价价价 带价 带带带 就变成了具有一定幅 度的能带 o 禁带宽度(Band gap):是指一个能带宽度(单位是 电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续 取值的，而是一些不连续的能带 o 要导电就要有自由电子存在自由电子存在的能要导电就要有自由。