第 1 章 太陽能電池和太陽光

1、School of Physics and Technology University of Jinan太陽能電池技術(shù)太陽能電池技術(shù)Solar Cell Technology Solar Cell Technology 鄧小龍鄧小龍（一）太陽能電池技術(shù)是光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的選修課程，通（一）太陽能電池技術(shù)是光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的選修課程，通過本課程的學(xué)習(xí)使得生能夠在掌握半導(dǎo)體材料的各項(xiàng)性質(zhì)的基礎(chǔ)過本課程的學(xué)習(xí)使得生能夠在掌握半導(dǎo)體材料的各項(xiàng)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)掌握太陽能電池基本工作原理和設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，上，重點(diǎn)掌握太陽能電池基本工作原理和設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，使得學(xué)生對(duì)太陽能電池有全面的認(rèn)識(shí)

2、，為學(xué)生畢業(yè)后從事光電子、使得學(xué)生對(duì)太陽能電池有全面的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生畢業(yè)后從事光電子、電子材料及其相關(guān)學(xué)科的工作和學(xué)習(xí)奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。本課電子材料及其相關(guān)學(xué)科的工作和學(xué)習(xí)奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。本課程系統(tǒng)地介紹了程系統(tǒng)地介紹了太陽能電池的基本工作原理和設(shè)計(jì)太陽能電池的基本工作原理和設(shè)計(jì)，主要包括以，主要包括以下內(nèi)容：一、概述了太陽光的性質(zhì)、半導(dǎo)體材料的性質(zhì)以及兩者下內(nèi)容：一、概述了太陽光的性質(zhì)、半導(dǎo)體材料的性質(zhì)以及兩者間的相互作用；二、詳細(xì)論述了太陽能電池設(shè)計(jì)中的重要因素、間的相互作用；二、詳細(xì)論述了太陽能電池設(shè)計(jì)中的重要因素、現(xiàn)行的電池制造工藝及未來可能的工藝；三、論述太陽能系統(tǒng)的現(xiàn)行的電池制

3、造工藝及未來可能的工藝；三、論述太陽能系統(tǒng)的應(yīng)用，包括小型系統(tǒng)和未來可能實(shí)現(xiàn)的住戶和中心電力系統(tǒng)。應(yīng)用，包括小型系統(tǒng)和未來可能實(shí)現(xiàn)的住戶和中心電力系統(tǒng)。（二）通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握光電子及太陽能電池的半導(dǎo)（二）通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握光電子及太陽能電池的半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體物理的基本知識(shí)；掌握太陽能電池的工作原理以體材料和半導(dǎo)體物理的基本知識(shí)；掌握太陽能電池的工作原理以及設(shè)計(jì)思想。及設(shè)計(jì)思想。 一、課程內(nèi)容簡介與教學(xué)目的一、課程內(nèi)容簡介與教學(xué)目的 二、二、課程要求及教學(xué)活動(dòng)項(xiàng)目課程要求及教學(xué)活動(dòng)項(xiàng)目（一）課程要求（一）課程要求：本課程要求學(xué)生不遲到、不早退、不曠課，請(qǐng)假需要有正本課程要求學(xué)

4、生不遲到、不早退、不曠課，請(qǐng)假需要有正規(guī)假條；能夠按照要求認(rèn)真完成作業(yè)，嚴(yán)謹(jǐn)抄襲。本課程規(guī)假條；能夠按照要求認(rèn)真完成作業(yè)，嚴(yán)謹(jǐn)抄襲。本課程偶爾會(huì)有一、兩次討論課偶爾會(huì)有一、兩次討論課( (包括學(xué)生課程陳述包括學(xué)生課程陳述) )。課堂教學(xué)。課堂教學(xué)中提倡學(xué)生積極參與，課前要認(rèn)真預(yù)習(xí)。中提倡學(xué)生積極參與，課前要認(rèn)真預(yù)習(xí)。（二）教學(xué)活動(dòng)項(xiàng)目及學(xué)時(shí)分配（二）教學(xué)活動(dòng)項(xiàng)目及學(xué)時(shí)分配：本課程以理論教學(xué)為主本課程以理論教學(xué)為主（4848學(xué)時(shí)學(xué)時(shí),11,11章內(nèi)容）章內(nèi)容），將用大量，將用大量的學(xué)時(shí)講授授課計(jì)劃中的相關(guān)知識(shí)。同時(shí)輔助有實(shí)踐教學(xué)的學(xué)時(shí)講授授課計(jì)劃中的相關(guān)知識(shí)。同時(shí)輔助有實(shí)踐教學(xué)部分以及習(xí)題課，輔

5、導(dǎo)答疑等。部分以及習(xí)題課，輔導(dǎo)答疑等。成績考核由以下部分組成：成績考核由以下部分組成：（一）平時(shí)成績：出勤及課堂表現(xiàn)（一）平時(shí)成績：出勤及課堂表現(xiàn)（10%10%）、作業(yè)（）、作業(yè)（10%10%）。）。（二）期末考試成績（二）期末考試成績: :閉卷（閉卷（80%80%），采用百分制。），采用百分制。（三）最終成績（三）最終成績= =平時(shí)成績（平時(shí)成績（20%20%）+ +期末考試成績（期末考試成績（80%80%）三、成績考核三、成績考核（一）教材（一）教材Martin A.GreenMartin A.Green，太陽能電池工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用，太陽能電池工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用，上海交通大學(xué)

6、出版社，上海交通大學(xué)出版社，20102010年。年。（二）參考資料（二）參考資料施鈺川施鈺川 主編，主編，太陽能原理與技術(shù)太陽能原理與技術(shù)，西安交通大學(xué)出版社，西安交通大學(xué)出版社，20092009年；年；熊紹珍熊紹珍 等主編，太陽電池基礎(chǔ)與應(yīng)用，科學(xué)出版社，等主編，太陽電池基礎(chǔ)與應(yīng)用，科學(xué)出版社，20092009年；年；錢伯章錢伯章 主編，太陽能技術(shù)與應(yīng)用主編，太陽能技術(shù)與應(yīng)用/ /新能源技術(shù)叢書，科學(xué)出版社，新能源技術(shù)叢書，科學(xué)出版社，20102010年；年；趙雨等趙雨等 主編，太陽能電池技術(shù)及應(yīng)用，中國鐵道出版社，主編，太陽能電池技術(shù)及應(yīng)用，中國鐵道出版社，20132013年。年。四、教材

7、及參考資料四、教材及參考資料鄧小龍鄧小龍電話：電話：1580660561515806605615郵箱：郵箱：sps_sps_; ; 輔導(dǎo)、答疑安排輔導(dǎo)、答疑安排: : 周二周二1919：00-2000-20：0000，7JB1067JB106。五、教師聯(lián)系方式及答疑要求五、教師聯(lián)系方式及答疑要求第一章第一章太陽能電池和太陽光太陽能電池和太陽光7 7 內(nèi)容內(nèi)容 (2(2學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)) )8 81.1 1.1 引言引言1.2 1.2 太陽能電池發(fā)展概況太陽能電池發(fā)展概況1.3 1.3 陽光的物理來源陽光的物理來源1.4 1.4 太陽常數(shù)太陽常數(shù)1.5 1.5 地球表面的日照強(qiáng)度地球表面的日照強(qiáng)度1.6

8、1.6太陽的視運(yùn)動(dòng)太陽的視運(yùn)動(dòng)1.1 1.1 引言引言太陽能太陽能電能電能太陽能電池工作原理：太陽能電池工作原理：光伏效應(yīng)光伏效應(yīng) ( (Photovoltaic effect ) )9 9半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料太陽能電池太陽能電池光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)1010光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)：光照使不均勻半導(dǎo)體不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象（PN結(jié)）。太陽能電池工作原理太陽能電池工作原理：光能量轉(zhuǎn)化為電能量。電池內(nèi)形成電壓，如果將電池與一個(gè)負(fù)載連接起來，就會(huì)形成電流的回路。PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)方向：NP光生電場(chǎng)方向：PN太陽能電池的優(yōu)缺點(diǎn)太陽能電池的優(yōu)缺點(diǎn)1111取之不盡，用之不竭無污染免費(fèi)取得，無運(yùn)輸費(fèi)用安全適合太空等偏

9、遠(yuǎn)地區(qū)面積大晚上無法發(fā)電，受云層等影響大轉(zhuǎn)換為交流電將損失4%12%的能量優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：成本高1.2 1.2 太陽能電池發(fā)展概況太陽能電池發(fā)展概況.20世紀(jì)50年代 第一個(gè)實(shí)用的光伏器件（硅電池）60年代 應(yīng)用于空間技術(shù)70年代 石油危機(jī)推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展 80年代 發(fā)電效率不斷提高（新工藝）12121839年，貝克勒爾首先發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)太陽能電池發(fā)展概況太陽能電池發(fā)展概況1313 法國物理學(xué)家Edmond Becquerel于1839首先觀察到，把光線照到浸在電解液中且覆有感光材料AgCl的電極上產(chǎn)生光致電壓，進(jìn)而檢測(cè)到電流，這就是光伏效應(yīng)，當(dāng)時(shí)他僅19歲。太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的

10、發(fā)展1414 1877年，Adams和Day研究了玻璃硒(Sekenium)的光伏效應(yīng)。 將鉑作為電極被放置在透明硒的兩端，只需光照就能使玻璃狀的硒產(chǎn)生電流。這是首次全部利用固體來演示光電效應(yīng)的試驗(yàn)。他們認(rèn)為光照射使得硒條的表面結(jié)晶化了。太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展1515 1883年美國科學(xué)加Charles Fritts制造了第一個(gè)太陽能電池。他用兩種不同材料的金屬板來壓制融化的硒，硒與其中一塊板（如黃銅）緊緊黏住，并形成薄片。然后再將金箔壓在硒薄片的另一面，于是，歷史第一塊光伏器件就制成了。這個(gè)薄膜器件大概有30cm2大，但能量轉(zhuǎn)換效率僅為1%。 他也是第一個(gè)認(rèn)識(shí)到光伏器件有巨大潛力的

11、人。他知道光伏器件制作成本較低，并且如果不是馬上使用產(chǎn)生的電流，可以用蓄電池儲(chǔ)存起來，或者傳送到另外一個(gè)地方。太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展1616 1927年，人們研究在銅Cu表面生長氧化亞銅Cu2O層的光伏效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了銅-氧化亞銅交界處的整流效應(yīng)。提出了利用金屬銅及半導(dǎo)體氧化銅接合所形成的太陽能電池，促進(jìn)了大面積光電池的發(fā)展。 這是基于銅-氧化亞銅結(jié)的早期光電池的簡單結(jié)構(gòu)圖。一圈圈的鉛線作為電極連接在電池接收光的表面。后來改為在表面濺射金屬層，然后移走一部分，形成由金屬線構(gòu)成的網(wǎng)格。太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展1717 1939年，Nix發(fā)明砣-硫化物光電池。下圖展示了由硒、砣-硫

12、化物和Cu-Cu2O共同組成的電池。 1931年Bergmann提高了硒電池的質(zhì)量，證明這個(gè)電池比Cu-Cu2O電池更好。 硒制電池及氧化銅電池被應(yīng)用在一些對(duì)光線敏感的儀器上，如亮度計(jì)、照相機(jī)的曝光計(jì)等。但這些早期電池的太陽能轉(zhuǎn)換效率都在1%以下。太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展18181941年Ohl展示了一種基于天然p-n結(jié)的光伏器件。硅鑄錠中，雜質(zhì)在熔融時(shí)分離形成天然的p-n結(jié)。切割硅錠便可制備太陽能電池。1946年Ohl研發(fā)出了硅制太陽能電池。早期太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展1919 1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在硅中摻雜一些雜質(zhì)后，硅對(duì)光更加敏感。他

13、們共同研制出了第一塊現(xiàn)代太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6%。這是太陽能電池發(fā)展史上一個(gè)重要里程碑，為人造衛(wèi)星提供了可貴的能源。利用擴(kuò)散方式制備的單晶硅p-n結(jié)太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展2020 1957年和1958年，蘇聯(lián)與美國相繼發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星。 20世紀(jì)60年代，用在人造衛(wèi)星上的太陽能電池都是采用類似的結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)沿用了10年以上。太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展2121 1973年，第一次石油危機(jī)后，太陽能應(yīng)用轉(zhuǎn)移到一般民用，如手表、小型計(jì)算器。這些設(shè)備通常是利用太陽能給鎳鎘電池充電。 1974年Haynos在硅結(jié)晶面蝕刻出許多類似金字塔的幾何形狀，可以有效地降低太陽光反射，轉(zhuǎn)

14、換效率達(dá)到17%。 1976年出現(xiàn)第一塊多晶硅太陽能電池。太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展22221985年，在太陽能電池表面做出微溝槽的PESC(鈍化發(fā)射區(qū)Passivation emitter solar cells)型太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率超過20%。太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展2323德國弗賴堡1990年以后，太陽能電池發(fā)電與民用發(fā)電相結(jié)合。澳大利亞東海岸澳大利亞東海岸 蒙塔古小島蒙塔古小島2424太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展2525 德國是世界上太陽能電池最普及的國家，其次是日本和美國。中國是太陽能電池生產(chǎn)大國。2009年3月，中國宣布了太陽能補(bǔ)貼計(jì)劃。繼美國之后，2012年9

15、月，歐盟對(duì)中國發(fā)起光伏反傾銷。2013年年6月月14日，日本太陽能電池龍頭廠夏普日，日本太陽能電池龍頭廠夏普(Sharp)宣布已宣布已采用聚光三結(jié)化合物研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高達(dá)采用聚光三結(jié)化合物研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高達(dá)44.4%的太陽能電池。的太陽能電池。目前商用的太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率不足目前商用的太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率不足25%。中國尚德的電池片早在中國尚德的電池片早在2012年年3月月12日就宣布通過采用其專日就宣布通過采用其專利利Pluto(冥王星冥王星)技術(shù)已將多晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率提升至技術(shù)已將多晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率提升至20.3%?，F(xiàn)在應(yīng)該更高了?，F(xiàn)在應(yīng)該更高

16、了。2013年中電光伏單晶電池轉(zhuǎn)換率達(dá)到年中電光伏單晶電池轉(zhuǎn)換率達(dá)到20.26%，刷新紀(jì)錄。，刷新紀(jì)錄。太陽能電池的發(fā)展太陽能電池的發(fā)展1.3 1.3 陽光的物理來源陽光的物理來源光是一種電磁波，具有波粒二象性波包：絕對(duì)的平面波是不存在的。 波包可以看成是許多不同平面波長的平波的疊加，強(qiáng)度只在有限區(qū)域中不為零。2727熱物體發(fā)出電磁輻射，光譜或波長與物體的溫度有關(guān)。光子的能量光子的能量/) J (hchfE光子的能量：h為普朗克常數(shù)，f為頻率，c為光速，為真空中的波長。光的能量與波長成反比光的能量與波長成反比。能量的單位：電子伏特（電子伏特（eV）J10602.1eV119kg/sm10626

17、. 6234h能量與波長的關(guān)系：/1240)eV(E其中的單位為 nm28281.4 1.4 太陽常數(shù)太陽常數(shù)-太陽光太陽光2929內(nèi)核：核聚變反應(yīng)核聚變反應(yīng)氫離子層：強(qiáng)烈吸收輻射光球?qū)?，溫?000K熱對(duì)流太陽是一個(gè)充滿氣體的熱球地球輻射Glass prismlow energy photonsHigh energy photons黑體與光照度黑體與光照度3030許多常見的光源如太陽和白熾燈都是相似的黑體模型。一個(gè)黑體能夠吸收所有入射到它表面的電磁波，并基于溫度的不同輻射出不同的電磁波。黑體黑體：1exp2)(52TkhchcF式中，是光的波長，T分別為黑體的溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)。F的單位

18、為W/ (m2m) ，W/m2指的是波長為（m）光的光強(qiáng)（功率密度）。黑體發(fā)射的電磁輻射的輻射功率F（光照度）與波長的關(guān)系公式由普朗克輻射定律給出：光照度光照度：不同溫度下，黑體的光照度與波長的關(guān)系不同溫度下，黑體的光照度與波長的關(guān)系3131溫度波長豐富波峰移動(dòng)光照度增加總的功率強(qiáng)度總的功率強(qiáng)度3232 40dTFI 黑體發(fā)出的總的功率強(qiáng)度總的功率強(qiáng)度（單位W/ m2）為：式中為Stefan-Boltzmann常數(shù)，T為黑體溫度(K)。 =5.6710-8 Wm-2K-4峰值波長峰值波長P3333峰值波長峰值波長p是光照度最高時(shí)對(duì)應(yīng)的波長。該波長的光輻射出的能量最高。將光照度方程對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)，導(dǎo)

19、數(shù)為零處的波長就是峰值波長p 。這就是Wien定律，對(duì)應(yīng)方程為：T2900mp太陽光強(qiáng)太陽光強(qiáng)3434 太陽的表面輻射功率強(qiáng)度Isun相當(dāng)于6000K（5762 K 50K）黑體的輻射強(qiáng)度，其總的功率等于Isun乘于太陽表面積4R2，R為太陽的半徑。20sun2RIID 越遠(yuǎn)離太陽表面，太陽總的功率強(qiáng)度就被擴(kuò)散到越大的表面。 隨著太空中物體與太陽距離D的增加，照射到表面的太陽光強(qiáng)減小。 太陽光照射在距離D處的球面面積為4D2 ，入射到物體的光強(qiáng)為：太陽光強(qiáng)太陽光強(qiáng)353520sun2RIID 太陽光照射在距離D處的球面面積為4D2 ，入射到物體的光強(qiáng)為：不同行星的太陽光強(qiáng)不同行星的太陽光強(qiáng)36

20、36行星行星 距離（距離（x109m）太陽光（太陽光（W/m2）水星水星578908.0金星金星1082481.3地球地球1501286.3火星火星227561.7木球木球77847.8土星土星142614.2天王星天王星28683.5海王星海王星44971.4太陽常數(shù)太陽常數(shù)AM0AM03737 地球以橢圓形軌道圍繞太陽公轉(zhuǎn)。由橢圓形軌道引起的改變大概在3.4%左右，一月份時(shí)太陽光照度達(dá)到最大，最小時(shí)為七月份。太陽常數(shù)，也叫作大氣光學(xué)質(zhì)量零輻射（optical air mass-zero radiation），記作AM0（書圖1.3）：地球大氣層之外，地球-太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的

21、單位面積上的輻射功率基本為一常數(shù)。在光伏應(yīng)用中，采用的太陽常數(shù)為：1.3661 kW/m21.5 1.5 地球表面的日照強(qiáng)度地球表面的日照強(qiáng)度3838 當(dāng)入射到地球大氣層的太陽輻射相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，影響地球表面輻射的主要因素是（穿過大氣層衰減30%）:（1）大氣效應(yīng)，包括吸收和散射；（2）當(dāng)?shù)卮髿赓|(zhì)量的不同，如水蒸氣、云層和污染；（3）緯度位置不同，使得一年中季節(jié)不同；（4）一天里時(shí)間的不同。大氣效應(yīng)大氣效應(yīng)3939 大氣效應(yīng)在幾個(gè)方面影響著地球表面的太陽輻射。在光伏應(yīng)用領(lǐng)域其主要影響為：（1）由大氣吸收、散射和反射引起的太陽輻射能量的減少。（2）由于大氣對(duì)某些波長的較為強(qiáng)烈地吸收和散射而導(dǎo)致光譜含量的變化。大氣效應(yīng)大氣效應(yīng)4040大氣光學(xué)質(zhì)量大氣光學(xué)質(zhì)量4141 大氣光學(xué)質(zhì)量（AM）定義為光穿過大氣層路徑的長度與最短路程之比。當(dāng)太陽處在頭頂正上方時(shí)，長度最短時(shí)，大氣光學(xué)質(zhì)量為1，這時(shí)的輻射稱為大氣光學(xué)質(zhì)量1（AM1）的輻射。co