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第一章 太阳能和光电转换太阳能和光电转换主要内容：•首先讨论太阳和太阳能的基本性质，阐述太阳光的反射、散射和吸收，太阳能的辐射、吸收及大气质量等概念•讨论太阳能应用的分类、历史和进展•介绍太阳能光电池和材料的研究及开发太阳能和光电转换太阳能的辐射和吸收太阳生成的巨大能量不断向宇宙辐射：太阳生成的巨大能量不断向宇宙辐射：辐射能的总量：辐射能的总量：3.63.6×18×182020MW/sMW/s，，其中约其中约2222亿分之一辐射到地球上，亿分之一辐射到地球上，经过大气层的反射、散射和吸收，约经过大气层的反射、散射和吸收，约70%70%（每年（每年1.8×101.8×101818kW.hkW.h）到达地面，能量巨大，等于）到达地面，能量巨大，等于1.31.3×10×106 6亿吨标准亿吨标准煤，是地球年耗能量的几万倍煤，是地球年耗能量的几万倍按照目前太阳质量损耗的速率，太阳热核反应可进行按照目前太阳质量损耗的速率，太阳热核反应可进行600600亿亿年，年，所以对人类短暂的历史而言，太阳能是取之不尽用之不竭的清所以对人类短暂的历史而言，太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源能量的来源：太阳的辐射太阳能和光电转换 由由于于地地球球绕绕太太阳阳公公转转的的轨轨道道呈呈椭椭圆圆形形，，离离太太阳阳的的最最远远距距离离和和最最近近距距离离分分别别为为1 1. .5 52 2××1 10 08 8k km m 和和1 1. .4 47 7××1 10 08 8k km m，，平平均均距距离离为为1 1. .4 49 9××1 10 08 8k km m。

由由于于距距离离的的变变化化，，夏夏天天6 6月月份份（（距距离离太太阳阳最最远远））地地面面接接收收的的平平均均能能量量为为1 12 2月月份份（（距距离离太太阳阳最最近近））的的9 94 4% %，，差差别别不不是是很很大大，，可可以以认认为为太太阳阳在在大大气气层层外外的的辐辐射射强强度度是是不不变变的的 但但是是除除了了由由于于地地球球围围绕绕太太阳阳公公转转的的原原因因之之外外，，地地球球的的自自转转，，气气候候条条件件（（如如云云层层厚厚度度））和和大大气气层层成成分分等等都都能能对对辐辐射射到到地地球球表表面面的的太太阳阳能能能能量量产产生生影影响响，，因因此此，，在在具具体体某某个个地地区区的的地地面面接接收收到到的的太太阳阳能能在在不不同同的的季季节节和和不不同同的的气气候候条条件件下下是是不不同同的的太阳能和光电转换 当太阳光照射到地球时，一部分光线被反射或散射，一当太阳光照射到地球时，一部分光线被反射或散射，一部分光线被吸收，只有约部分光线被吸收，只有约70%70%的光线能透过大气层，以直射的光线能透过大气层，以直射光或散射光到达地球表面。

到达地球表面的太阳光一部分被光或散射光到达地球表面到达地球表面的太阳光一部分被表面物体所吸收，另外一部分又被反射回大气层下图所示表面物体所吸收，另外一部分又被反射回大气层下图所示为太阳光入射地面时的情况为太阳光入射地面时的情况散射反射入射透射吸收太阳能和光电转换 太阳光在其到达地球的平均距离处的自由空间中的辐射强太阳光在其到达地球的平均距离处的自由空间中的辐射强度被定义为太阳能常数，取值为度被定义为太阳能常数，取值为1353W/m1353W/m2 2 大气对地球表面接收太阳光的影响程度被定义为大气质量大气对地球表面接收太阳光的影响程度被定义为大气质量（（air massair mass）大气质量为零的状态（）大气质量为零的状态（AM0AM0），是指在地球外），是指在地球外空间接收太阳光的情况，适用于人造卫星和宇宙飞船等应用空间接收太阳光的情况，适用于人造卫星和宇宙飞船等应用场合；场合； 大气质量为大气质量为1 1的状态（的状态（AM1AM1），是指太阳光直接垂直照射到），是指太阳光直接垂直照射到地球表面的情况，其入射光功率为地球表面的情况，其入射光功率为925W/m925W/m2 2，相当于晴朗夏日，相当于晴朗夏日在海平面上所承受的太阳光。

在海平面上所承受的太阳光 这两者的区别在于大气对太阳光的衰减，主要包括臭氧这两者的区别在于大气对太阳光的衰减，主要包括臭氧层对紫外线的吸收，水蒸气对红外线的吸收以及大气中尘埃层对紫外线的吸收，水蒸气对红外线的吸收以及大气中尘埃和悬浮物的散射等和悬浮物的散射等 在太阳光入射角与地面成夹角在太阳光入射角与地面成夹角θθ时，大气质量为时，大气质量为 AM = 1/cosθ 当当θ=48.2θ=48.2度时，大气质量为度时，大气质量为AM1.5AM1.5，是指典型晴天时太阳，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射总量为光照射到一般地面的情况，其辐射总量为1kW/m1kW/m2 2，常用于太阳，常用于太阳电池和组件效率测试时的标准电池和组件效率测试时的标准太阳能和光电转换 太太阳阳光光的的波波长长不不是是单单一一的的，，其其范范围围是是1 10 0p pm m- -1 10 0k km m，，但但9 97 7% %以以上上的的太太阳阳辐辐射射能能的的波波长长位位于于0 0. .2 29 9～～3 3. .0 0范范围围内内，，相相对对波波长长较较短短，，属属于于短短波波长长辐辐射射。

书书上上图图1 1. .2 2所所示示为为太太阳阳光光辐辐射射的的波波长长分分布布图图由由图图中中可可知知，，由由于于大大气气中中不不同同成成分分气气体体的的作作用用，，在在A AM M1 1. .5 5时时，，相相当当一一部部分分波波长长的的太太阳阳光光已已被被散散射射和和吸吸收收其其中中，，臭臭氧氧层层对对紫紫外外线线的的吸吸收收最最为为强强烈烈；；水水蒸蒸气气对对能能量量的的吸吸收收量量大大，，约约2 20 0% %被被大大气气层层吸吸收收的的太太阳阳能能是是由由于于水水 蒸蒸 气气 的的 作作 用用 ；； 而而 灰灰 尘尘 既既 能能 吸吸 收收 也也 能能 反反 射射 太太 阳阳 光光 太阳能和光电转换1.3 太阳能光电的研究和应用历史太阳能与传统能源煤、石油及核能相比具有独特的优势：太阳能与传统能源煤、石油及核能相比具有独特的优势：一一 没有使用矿物燃料时产生的有害废渣和气体，不污染环没有使用矿物燃料时产生的有害废渣和气体，不污染环境；境；二二 没有地域和资源的限制，有阳光的地方到处可以利用，没有地域和资源的限制，有阳光的地方到处可以利用，使用方便且安全；使用方便且安全；三三 能源没有限制，取之不尽，用之不竭，属于可再生能源。

能源没有限制，取之不尽，用之不竭，属于可再生能源 因此，太阳能的研究和应用是今后人类能源发展的主因此，太阳能的研究和应用是今后人类能源发展的主要方向之一要方向之一 太阳能和光电转换 太阳能能量的转换方式主要分为光化学转化，太阳能光热转太阳能能量的转换方式主要分为光化学转化，太阳能光热转化和太阳能光电转换三种方式化和太阳能光电转换三种方式从广义上讲，风能，水能和从广义上讲，风能，水能和矿物燃料等也都来源于太阳能矿物燃料等也都来源于太阳能光化学转换光化学转换：在太阳光的照射下，物质发生化学，生物反应，：在太阳光的照射下，物质发生化学，生物反应，从而将太阳能转化成电能等形式的能量最常见的是植物的从而将太阳能转化成电能等形式的能量最常见的是植物的光合作用光合作用太阳能光热转换太阳能光热转换：通过反射，吸收等方式收集太阳辐射能，：通过反射，吸收等方式收集太阳辐射能，使之转化成热能，如在生活中广泛应用的太阳能热水器，太使之转化成热能，如在生活中广泛应用的太阳能热水器，太阳能供暖房，太阳能灶，太阳能水泵和太阳能热机等阳能供暖房，太阳能灶，太阳能水泵和太阳能热机等太阳能光电转换太阳能光电转换：利用光电转换器件将太阳能转化成电能。

利用光电转换器件将太阳能转化成电能最常见的是太阳电池，又称太阳能电池，应用于如灯塔，铁最常见的是太阳电池，又称太阳能电池，应用于如灯塔，铁路信号，海岛，山区，草原，雪山和沙漠等边远地区的生活路信号，海岛，山区，草原，雪山和沙漠等边远地区的生活用电，太阳能汽车和卫星等设备的电源，以及太阳能电站并用电，太阳能汽车和卫星等设备的电源，以及太阳能电站并网发电等领域网发电等领域太阳能和光电转换光电技术研究历史： 早在早在18761876年英国科学家亚当斯等在研究半导体材料时发年英国科学家亚当斯等在研究半导体材料时发现：当用太阳光照射硒半导体材料时，如同伏特电池一样，现：当用太阳光照射硒半导体材料时，如同伏特电池一样，会产生电流，称为光生伏特电但是，硒产生的光电效应会产生电流，称为光生伏特电但是，硒产生的光电效应很弱，到很弱，到2020世纪中期转化效率仅有世纪中期转化效率仅有1%1%左右19541954年，美国年，美国贝尔实验室的贝尔实验室的ChapinChapin等研制出世界上第一块真正意义上的等研制出世界上第一块真正意义上的硅太阳电池，光电转化效率达到硅太阳电池，光电转化效率达到6%6%左右，很快达到左右，很快达到10%10%，从，从此拉开了现代太阳能光电（又称太阳能光伏）的研究，开此拉开了现代太阳能光电（又称太阳能光伏）的研究，开发和应用的序幕。

几乎同时，发和应用的序幕几乎同时，CuS/CdSCuS/CdS异质结太阳电池也被异质结太阳电池也被开发，成为薄膜太阳电池研究的基础开发，成为薄膜太阳电池研究的基础 太阳能和光电转换太阳电池应用历史： 最初，硅太阳电池的成本很高，较常规电力高最初，硅太阳电池的成本很高，较常规电力高10001000倍以倍以上，仅用于对成本不敏感的太空卫星和航天器上上，仅用于对成本不敏感的太空卫星和航天器上 1958 1958年美国发射的卫星首次使用了太阳电池；年美国发射的卫星首次使用了太阳电池；19581958年年5 5月前苏联在人造卫星上安装了太阳电池；月前苏联在人造卫星上安装了太阳电池；19711971年我国发射的年我国发射的第二颗人造卫星也使用了太阳电池第二颗人造卫星也使用了太阳电池 20 20世纪世纪5050年代以后，几乎所有的人造卫星，航天飞机，年代以后，几乎所有的人造卫星，航天飞机，空间站等太空飞行器，都是利用太阳电池作为主要的能源空间站等太空飞行器，都是利用太阳电池作为主要的能源 1973 1973年由于中东战争引起的年由于中东战争引起的““石油禁运石油禁运””，全世界发生，全世界发生了以石油为代表的了以石油为代表的““能源危机能源危机””，人们认识到常规能源的局，人们认识到常规能源的局限性，有限性和不可再生性，认识到新能源对国家安全的重限性，有限性和不可再生性，认识到新能源对国家安全的重要性，加之环境保护意识的大幅度提高，使得各国政府开始要性，加之环境保护意识的大幅度提高，使得各国政府开始大力开展太阳能光电技术的研究和开发。

大力开展太阳能光电技术的研究和开发太阳能和光电转换 2020世纪世纪7070年代以来世界各国政府都加大了对太阳能光电年代以来世界各国政府都加大了对太阳能光电研究和开发的投入，重点扶持本国的太阳能光伏工业研究和开发的投入，重点扶持本国的太阳能光伏工业 20 20世纪世纪9090年代后联合国多次召开各种政府首脑会议，议年代后联合国多次召开各种政府首脑会议，议论和制定世界太阳能发展规划和国际太阳能公约，设立国际论和制定世界太阳能发展规划和国际太阳能公约，设立国际太阳能基金，推动全球太阳能技术的开发和利用太阳能基金，推动全球太阳能技术的开发和利用 太阳能光电技术在过去的几十年中已经有了长足发展，太阳能光电技术在过去的几十年中已经有了长足发展，太阳电池的价格已经接近太阳电池的价格已经接近1.51.5元元/ /（（KW·hKW·h）到目前为止，）到目前为止，商业化的太阳电池的发电成本依然远远高于常规能源（如水商业化的太阳电池的发电成本依然远远高于常规能源（如水力，火力和核能）的发电成本，至少是后者的力，火力和核能）的发电成本，至少是后者的2 2倍以上 如果仅从发电成本出发如果仅从发电成本出发, ,在最近的在最近的1010年间，太阳电池尚年间，太阳电池尚不具备与常规能源竞争的能力。

但是，考虑到环境保护，能不具备与常规能源竞争的能力但是，考虑到环境保护，能源的可持续发展和应用等因素，太阳能光电技术和产业已经源的可持续发展和应用等因素，太阳能光电技术和产业已经具有很强的竞争力具有很强的竞争力 到到20202020年，太阳能发电在所有能源中的比例预计能够达年，太阳能发电在所有能源中的比例预计能够达到到3%3%–5%5%太阳能和光电转换太阳电池的发展历史： 自自2020世纪世纪5050年代发明硅太阳电池以来，太阳能光电技术中年代发明硅太阳电池以来，太阳能光电技术中新工艺，新材料和新结构层出不穷，研制成功的太阳电池已新工艺，新材料和新结构层出不穷，研制成功的太阳电池已达达10001000多种 从从电池的结构电池的结构上看，有上看，有p p‑ ‑n n同质结，同质结， p p‑ ‑n n异质结，金属异质结，金属‑ ‑半导体的肖特基半导体的肖特基(Schottky)(Schottky)结构和金属结构和金属‑ ‑绝缘体绝缘体‑ ‑半导体半导体（（MISMIS）结构等；）结构等； 从从电池材料电池材料方面来看，涉及几乎所有半导体材料，包括方面来看，涉及几乎所有半导体材料，包括单晶硅，非晶硅，微晶硅，化合物半导体和有机半导体等。

单晶硅，非晶硅，微晶硅，化合物半导体和有机半导体等5050年代的硅电池，年代的硅电池，6060年代的年代的GaAsGaAs电池，电池，7070年代的非晶硅电池，年代的非晶硅电池，8080年代的铸造多晶硅电池和年代的铸造多晶硅电池和9090年代年代ⅡⅡ‑ ‑ⅣⅣ化合物电池的开发和化合物电池的开发和应用，构成了太阳能光电材料和器件发展的历史脚印应用，构成了太阳能光电材料和器件发展的历史脚印 太阳能和光电转换 到目前为止，太阳能光电工业基本是建立在硅材料的基础到目前为止，太阳能光电工业基本是建立在硅材料的基础之上单晶硅太阳电池是最早被研究和应用的，至今它仍是之上单晶硅太阳电池是最早被研究和应用的，至今它仍是太阳电池的主要材料之一，主要制备太阳电池的主要材料之一，主要制备p p‑ ‑n n同质结太阳电池同质结太阳电池 最近，在实验室中最近，在实验室中单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池的转换效率已达到的转换效率已达到25%25%在实际生产线中，高效太阳电池（主要应用于空间）的转换在实际生产线中，高效太阳电池（主要应用于空间）的转换效率已超过效率已超过20%20%；对于常规的地面用商业直拉硅太阳电池，；对于常规的地面用商业直拉硅太阳电池，其转换效率一般可达到其转换效率一般可达到18%18%。

但是由于单晶硅是间接禁带半导体，其太阳电池旧必须但是由于单晶硅是间接禁带半导体，其太阳电池旧必须有一定的材料厚度，以便吸收足够的太阳光，加之单晶硅材有一定的材料厚度，以便吸收足够的太阳光，加之单晶硅材料提纯和加工的成本较高，使得硅太阳电池的成本相对较高料提纯和加工的成本较高，使得硅太阳电池的成本相对较高虽然经过研究界和产业界的共同努力和产业规模的不断扩大，虽然经过研究界和产业界的共同努力和产业规模的不断扩大，硅太阳电池成本持续降低，但是，就目前而言，其成本依然硅太阳电池成本持续降低，但是，就目前而言，其成本依然是常规能源的是常规能源的2 2倍以上，仍然在阻碍太阳能光电技术的更广倍以上，仍然在阻碍太阳能光电技术的更广泛应用 太阳能和光电转换 为了降低单晶硅电池的成本，为了降低单晶硅电池的成本，2020世纪世纪7070年代发明和应用了年代发明和应用了铸造多晶硅铸造多晶硅，，8080年代末期它仅占太阳电池材料的年代末期它仅占太阳电池材料的10%10%左右，在左右，在9090年代得到迅速发展，年代得到迅速发展，19961996年底已占整个太阳电池材料的年底已占整个太阳电池材料的36%36%左右，左右，20012001年更始接近年更始接近50%50%。

它以相对低成本高效率的优势不它以相对低成本高效率的优势不断挤占单晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池材料现断挤占单晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池材料现在，实验室中太阳电池的光电转换效率达到在，实验室中太阳电池的光电转换效率达到19.8%19.8%；在商业生；在商业生产中，其太阳能转换效率一般为产中，其太阳能转换效率一般为13%13%‑ ‑16%16% 无论是单晶硅还是铸造多晶硅，在硅片加工过程中，仅无论是单晶硅还是铸造多晶硅，在硅片加工过程中，仅仅由于硅片的切割，硅材料的损耗就达到仅由于硅片的切割，硅材料的损耗就达到50%50%，大大增加了，大大增加了太阳电池的成本因此，为了进一步降低晶体硅太阳电池的太阳电池的成本因此，为了进一步降低晶体硅太阳电池的成本，多种成本，多种带状硅带状硅的太阳电池技术已经被发展这些带状晶的太阳电池技术已经被发展这些带状晶体硅厚度在体硅厚度在200-500mm200-500mm之间，只要把它们切成合适的大小就之间，只要把它们切成合适的大小就能应用于太阳电池，大大节省了原材料成本但是，由于带能应用于太阳电池，大大节省了原材料成本但是，由于带状硅制备过程中造成晶体缺陷和杂质过多，所以转化效率较状硅制备过程中造成晶体缺陷和杂质过多，所以转化效率较低。

低太阳能和光电转换 为了进一步节约原材料成本，为了进一步节约原材料成本，2020世纪世纪7070年代发展了年代发展了非晶非晶硅太阳电池硅太阳电池，它通常是在玻璃衬底上沉积一层很薄的非晶硅，，它通常是在玻璃衬底上沉积一层很薄的非晶硅，制备工艺简单，成本低，而且可以大面积连续生产但是转制备工艺简单，成本低，而且可以大面积连续生产但是转化效率较低，实验室中化效率较低，实验室中13%13%左右，实际生产中也不超过左右，实际生产中也不超过10%10%，，而且，非晶硅电池在太阳的长时间照射下其转化效率有严重而且，非晶硅电池在太阳的长时间照射下其转化效率有严重的衰减，到目前也没有解决的衰减，到目前也没有解决 多晶硅薄膜电池多晶硅薄膜电池没有转化效率衰减的问题，它同样具没有转化效率衰减的问题，它同样具有低成本的优点，但是由于晶粒过于细小等原因，转化效率有低成本的优点，但是由于晶粒过于细小等原因，转化效率只有只有10%10%左右，而且现在正处于实验研究阶段，还未达到实左右，而且现在正处于实验研究阶段，还未达到实际大规模产业化的水平际大规模产业化的水平太阳能和光电转换 在硅材料太阳电池发展的同时，一系列化合物半导体太在硅材料太阳电池发展的同时，一系列化合物半导体太阳能电池也发展迅速，如阳能电池也发展迅速，如GaAsGaAs、、CdTeCdTe、、CuInSCuInS2 2、、CuInGaSeCuInGaSe2 2等。

等实验室的转化效率分别为：实验室的转化效率分别为：GaAs---25.7% CuInSGaAs---25.7% CuInS2 2---13%---13%CdTe---CdTe---超过超过10% CuInGaSe10% CuInGaSe2 2---20%---20% 化合物半导体太阳能电池一个共同的特点是：原材料成本化合物半导体太阳能电池一个共同的特点是：原材料成本低，制备成本高而且还有一些具有毒性，现还没有大规模低，制备成本高而且还有一些具有毒性，现还没有大规模的实际生产的实际生产 总之，现今实际应用的大部分电池还是硅材料电池，太总之，现今实际应用的大部分电池还是硅材料电池，太阳电池行业的主要问题还是成本过高，今后的研究方向：阳电池行业的主要问题还是成本过高，今后的研究方向：1 1 发展新的成本低的材料（发展新的成本低的材料（CuInSCuInS2 2，， CuZnSnS CuZnSnS4 4, CuAlS, CuAlS2 2) )2 2 改进现有材料的制备方法，降低制备成本改进现有材料的制备方法，降低制备成本。