太陽能原理和技術(shù)

1、關(guān)于太陽能原理與技術(shù)第1頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四課程內(nèi)容太陽能技術(shù)基本原理晶體太陽能電池薄膜太陽能電池有機(jī)太陽能電池太陽能電池新技術(shù)第2頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四思考新能源的總類太陽能的原理太陽能的問題第3頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四 不同太陽能技術(shù)效率-時間曲線4(Courtesy of Sarah Kurtz, NREL)第4頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第1章 太陽能電池和太陽光太陽能電池利用半導(dǎo)體材料的電子特性，把陽光直接轉(zhuǎn)換為電能。光能一、太陽能分類第5頁，共84頁，2

2、022年，5月20日，0點20分，星期四太陽能電池分類第6頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四太陽電池分類按照基體材料分類： 晶硅太陽電池，包括：單晶硅和多晶硅太陽電池 非晶硅太陽電池 薄膜太陽電池 化合物太陽電池，包括：砷化鎵電池；硫化鎘電池；碲化鎘電池；硒銦銅電池等 有機(jī)半導(dǎo)體太陽電池 第7頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四1.硅太陽能電池單晶硅太陽電池：采用單晶硅片制造制造，性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高。目前轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到16%-18%。第8頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四多晶硅太陽電池：作為原料的高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆

3、鑄成正方形硅錠，然后使用切割機(jī)切成薄片，再加工成電池。由于硅片是由多個不同大小、不同取向的晶粒構(gòu)成，因而轉(zhuǎn)換效率低。目前轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15%-17%。第9頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四多晶硅太陽電池生產(chǎn)流程第10頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四非晶硅太陽電池：一般采用高頻輝光放電等方法使硅烷氣體分解沉積而成。一般在P層與N層之間加入較厚的I層。非晶硅太陽電池的厚度不到1m，不足晶體硅太陽電池厚度的1/100，降低制造成本。目前轉(zhuǎn)換效率為5%-8%，最高效率達(dá)14.6%，層疊的最高效率可達(dá)21.0%。第11頁，共84頁，2022年，5月20日，0點

4、20分，星期四微晶硅太陽電池：在接近室溫的低溫下制備，特別是使用大量氫氣稀釋的硅烷，可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2-3m，目前轉(zhuǎn)換效率為10%以上。第12頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四2.化合物太陽能電池單晶化合物太陽電池：主要有砷化鎵太陽電池（如圖）。砷化鎵的能隙為1.4eV，是單結(jié)電池中效率最高的電池，但價格昂貴，且砷有毒，所以極少使用。第13頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四多晶化合物太陽電池：主要有碲化鎘太陽電池（如圖） ，銅銦鎵硒太陽電池等。碲化鎘太陽電池是最早發(fā)展的太陽電池之一，工藝過程簡單，制造成本低，轉(zhuǎn)換效

5、率超過16%，不過鎘元素可能造成環(huán)境污染。銅銦鎵硒太陽電池在基地上成績銅銦鎵硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不銹鋼作為柔性襯底。實驗室最高效率接近20%，成品組件達(dá)到13%，是目前薄膜電池中效率最高的電池之一。第14頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四3.有機(jī)光電子材料低價、溶液工藝機(jī)械柔韌性強(qiáng)輕便/2008/02/080206154631-large.jpg/prfiles/2009/10/04/167139/FlexibleOrganicElectronicsdisplay.jpg第15頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四光伏技術(shù)有機(jī)光伏（OPV）襯

6、底及材料便宜易于量產(chǎn)，易安裝柔韌性好效率低 : 10% 無機(jī)工藝設(shè)備昂貴安裝成本高效率: 30% (c-Si), 10-20% (thin film)Image courtesy of Konarka, Inc.第16頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四小分子OPV的特點吸收強(qiáng)度高易于提純顏色多樣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高無毒小分子OPV對小分子有源層，靠提純可以明顯增效第17頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四二、 太陽能電池的原理第18頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四主要半導(dǎo)體材料 IV族半導(dǎo)體材料 -硅Si，鍺Ge III-V族化合物半導(dǎo)

7、體材料 -GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP II-VI族化合物半導(dǎo)體材料 -GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe背景補充1第19頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。純度：99.9999999%，“九個9”它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導(dǎo)體Si+14284Ge+3228184+4第20頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四 本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵共價鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子價帶導(dǎo)帶掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子價帶中留下的空位稱為空穴禁帶EG外電場E自由電

8、子定向移動形成電子流束縛電子填補空穴的定向移動形成空穴流本征半導(dǎo)體第21頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四1. 本征半導(dǎo)體中有兩種載流子 自由電子和空穴它們是成對出現(xiàn)的2. 在外電場的作用下，產(chǎn)生電流 電子流和空穴流電子流自由電子作定向運動形成的與外電場方向相反自由電子始終在導(dǎo)帶內(nèi)運動空穴流價電子遞補空穴形成的與外電場方向相同始終在價帶內(nèi)運動由此我們可以看出：本征半導(dǎo)體第22頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四價帶導(dǎo)帶禁帶EG 能帶結(jié)構(gòu)自由電子價電子與空穴費米能級Ef本征半導(dǎo)體第23頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

9、雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高摻入的三價元素如B、Al、In等，形成P型半導(dǎo)體，也稱空穴型半導(dǎo)體摻入的五價元素如P、Se等，形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體第24頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四1. N型半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶+施主能級自由電子是多子空穴是少子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成由于五價元素很容易貢獻(xiàn)電子，因此將其稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)因提供自由電子而帶正電荷成為正離子在本征半導(dǎo)體中摻入的五價元素如P第25頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四N型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體第26頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四

10、價帶導(dǎo)帶-受主能級自由電子是少子空穴是多子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。2. P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入的三價元素如B第27頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四P型半導(dǎo)體-P型半導(dǎo)體第28頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四電子空穴導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶價帶施主受主本征半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)EfEfEf第29頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四直接帶隙與間接帶隙半導(dǎo)體kE直接帶隙材料，效率高kE間接帶隙材料，效率低能帶-波矢圖躍遷選擇定則:

11、躍遷的始末態(tài)應(yīng)具有相同的波矢第30頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四主要半導(dǎo)體材料 IV族半導(dǎo)體材料 -硅Si，鍺Ge III-V族化合物半導(dǎo)體材料 -GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP II-VI族化合物半導(dǎo)體材料 -GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe-用于集成電路、光電檢測-用于集成電路、發(fā)光器件、光電檢測-用于可見光和遠(yuǎn)紅外光電子器件間接帶隙直接帶隙第31頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四 P區(qū) N區(qū)內(nèi)建電場 耗盡區(qū)P區(qū) 空間電荷區(qū) N區(qū) 當(dāng)入射輻射作用在PN結(jié)區(qū)時，本征吸收產(chǎn)生光生電子與空穴在內(nèi)建電場的作用下做

12、漂移運動，電子被內(nèi)建電場拉到N區(qū)，空穴被拉到P區(qū)。結(jié)果P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成伏特電壓。第32頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四I光 P N 將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。第33頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四光電效應(yīng)背景補充2第34頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四量子：不連續(xù)，不確定 “橫看成嶺側(cè)成峰,遠(yuǎn)近高低各不同.不識廬山真面目，只緣身在此山中” 蘇東坡 究竟是“嶺”還是“峰”? 都是,又都不是! 因為1,你只能“識”嶺和峰,不能識

13、“山”.(互補) 2,身在山中，你所“識”到的只能是“身”與“山”的共同體而不是山的“本身”（真面目）或者說你所“識”到的只能是受“身”干擾的“山”(測不準(zhǔn)關(guān)系)。 第35頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四物理世界晴空萬里中的兩朵小烏云威廉湯姆遜 （開爾文勛爵）1824-1907生于1824年愛爾蘭十歲便入讀格拉斯哥大學(xué)，湯姆遜16歲到了劍橋大學(xué)升學(xué)，以全級第二名的成績畢業(yè)。因為他在科學(xué)上的成就和對大西洋電纜工程的貢獻(xiàn)，獲英女皇授予開爾文勛爵銜，所以后世才改稱他為開爾文。湯姆遜的研究范圍相當(dāng)廣泛，他在數(shù)學(xué)物理、熱力學(xué)、電磁學(xué)、彈性力學(xué)、以太理論和地球科學(xué)等方面都有重大的貢

14、獻(xiàn)。1900年初，當(dāng)時在英國物理學(xué)界最權(quán)威的湯姆遜在皇家學(xué)會的新年致辭中，發(fā)表了題為籠罩在熱和光的動力理論上的十九世紀(jì)之云的著名演講。他認(rèn)為物理世界晴空萬里，動力理論可以解釋一切物理問題；唯有兩朵小烏云：以太理論和黑體輻射的理論解釋。相對論量子力學(xué)第36頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四原著：儒勒凡爾納 第37頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四1.黑體輻射第38頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四黑體輻射黑色物體容易吸收熱輻射，白色不容易吸收，幾乎全部反射熱輻射思考：黑色和白色物體，哪個容易放出熱輻射？收支平衡的道理第39頁，共8

15、4頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四黑體：能吸收一切外來輻射，而無反射的物體。黑體是最理想的發(fā)射體401231700K1100K1300K1500K黑體輻射（吸收）能力的指標(biāo)第40頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四普朗克曲線維恩曲線：基于熱力學(xué)定律推導(dǎo)，紫外符合很好，紅外不好瑞利-瓊斯：基于電磁理論推導(dǎo)，紅外符合很好，但“紫外災(zāi)難”普朗克曲線與紅色實驗曲線完美匹配。普朗克：為什么理論沒法解決這個問題？理論基礎(chǔ)不對，認(rèn)為的創(chuàng)造一個理論，只要能讓創(chuàng)造的理論得到曲線與實驗完全重合就證明新理論是正確的第41頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四185

16、8.4.23.1947.10.3.姓名：馬克斯普朗克 。職務(wù)：教授 德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，1918年諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者。 普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。為什么這么假設(shè)？沒有任何理論依據(jù)，完全是一種假設(shè)，假設(shè)這樣，結(jié)果推出熱輻射曲線與實驗完全重合第42頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四量子論（h） 普朗克常數(shù)h：在總結(jié)黑體輻射的公式中得出能量的發(fā)出是一份一份的，分立的,不連續(xù)的. 最小單位 1900.12.24（法） 能量的發(fā)射是量子化的 h=6.6268*10-34J.s第4

17、3頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四普朗克于1918年度諾貝爾物理學(xué)獎。第44頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四量子理論三個階段:1.舊量子論19001926 (量子化)普朗克, 愛因斯坦, 康普頓, 玻爾*2.量子力學(xué)1926-1948:德布羅意, 海森伯, 玻恩, 薛定諤3。量子場論1946- (粒子與場的統(tǒng)一)狄拉克方程,反物質(zhì),量子真空，夸克模型(波 粒 二 象)原子內(nèi)的微觀世界： 黑體輻射， 光電效應(yīng)， 光電子散射， 氫原子結(jié)構(gòu)物質(zhì)波， 測不準(zhǔn)關(guān)系， 波函數(shù)， 波動方程第45頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四2.光電效

18、應(yīng)第46頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四光電效應(yīng)第47頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四2光電效應(yīng) 紅限瞬時效應(yīng) 電子吸收光能量只能是一份一份的不連續(xù)的光量子 能量吸收是量子化的 .h光子第48頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第49頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第50頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四思考：電極材料結(jié)構(gòu)如何選用？2 太陽能電池的結(jié)構(gòu)第51頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四1.3 陽光的物理來源太陽實質(zhì)上是一個由其中心發(fā)生的核聚變反應(yīng)所加熱的

19、氣體球。熱物體發(fā)出電磁輻射，其波長或光譜分布由該物體的溫度所決定。例如：鐵塊燃燒時，溫度升高過程：從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色。第52頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四太陽的核心溫度高達(dá)2107K光球?qū)拥臏囟葹?000K。在此溫度下與黑體輻射光譜很接近。第53頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四1.4 太陽常數(shù) 在地球大氣層之外，地球-太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射功率基本上為一常數(shù)，這個輻射強(qiáng)度稱為太陽常數(shù)，或稱此輻射為大氣光學(xué)質(zhì)量為零（AM0）的輻射。 太陽常數(shù) 1.353kW/m2第54頁，共84頁，2022年，5月20日

20、，0點20分，星期四第55頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四波長 (m)光譜輻照度(Wm-2m-1)AM0輻射AM1.5輻射6000K黑體AM0的輻射光譜分布不同于理想黑體的光譜分布。思考：太陽輻射波段是否能全部被太陽能電池利用？為什么？第56頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四1.5 地球表面的日照強(qiáng)度陽光穿過地球大氣層時至少衰減了30%。第57頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四造成衰減的原因：1.瑞利散射或大氣中的分子引起的散射。2.懸浮微粒和灰塵引起的散射。3.大氣及其組成氣體，特別是氧氣、臭氧、水蒸氣和二氧化碳的吸收。第5

21、8頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四 決定總?cè)肷涔β首钪匾膮?shù)是光線通過大氣層的路程。太陽在頭頂正上方時，路程最短。實際路程和此最短路程之比稱為大氣光學(xué)質(zhì)量（AM）。1.太陽在頭頂正上方時，大氣光學(xué)質(zhì)量為1，這時的輻射稱為大氣光學(xué)質(zhì)量1（AM1）的輻射。2.當(dāng)太陽和頭頂正上方成一個角度時，大氣光學(xué)質(zhì)量為： AM=1/cos 例：當(dāng)=60時，AM=1/cos60=2第59頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四EarthAM0AM1AM1.5大氣層45o第60頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四視運動：假定地球是靜止的，太陽在圍繞地球轉(zhuǎn)

22、動。冬至12.226.21夏至春分秋分3.219.231.6 太陽的視運動第61頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第62頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四1.7 日照數(shù)據(jù)設(shè)計光伏系統(tǒng)時，理想的情況是掌握有該系統(tǒng)安裝地日照情況的詳細(xì)記錄。第63頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四按接受太陽能輻射量的大小，全國大致可分為五類地區(qū)：1）一類地區(qū)： 全年日照時數(shù)為32003300h，輻射量在（670 837）104KJ/(cm2 a)。相當(dāng)于225 285Kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地。2）

23、二類地區(qū)： 全年日照時數(shù)為30003200h，輻射量在（586 670）104KJ/(cm2 a)。相當(dāng)于200250Kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括河北西部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。第64頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四3）三類地區(qū)：全年日照時數(shù)為22003000h，輻射量在58506680MJ/m2。日輻射量為4.5 5.1KWh/m2，相當(dāng)于170 200Kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括山東、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺灣西南

24、部等地。4）四類地區(qū)： 全年日照時數(shù)為14003300h，輻射量在（419502）104KJ/(cm2 a)。相當(dāng)于140 170Kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、山西南部、江蘇北部、安徽南部以及黑龍江、臺灣東北部等地。第65頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5）五類地區(qū)： 全年日照時數(shù)為10001400h，輻射量在33504200MJ/m2。相當(dāng)于115 140Kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。日輻射量為2.5 3.2KWh/m2。主要包括四川貴州兩省。第66頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第67頁，

25、共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第68頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四現(xiàn)在的太陽能集熱器通常用于熱水器。但要更高的能量，比如實現(xiàn)烹飪就困難的多了。比如通過將太陽光聚焦后來進(jìn)行烹飪，必須隨著太陽的方向調(diào)制聚光板方向，使用非常麻煩。請使用思考并設(shè)計能用于太陽能烹飪的簡便裝置。第69頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四想象一下將它用于太陽能烹飪裝置還需要哪些必備的設(shè)備或考慮第70頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第71頁，共84頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四光機(jī)電算一體化實例1：太陽轉(zhuǎn)動保持最高效率跟隨系統(tǒng)在太陽能利用中，由于太陽照射方向變化帶來的能量無效利用