UNSW光伏电子教程
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地球的温度是来自太阳的辐射跟从地球射向太空的辐 射达到平衡的结果。地球大气层的存在和物质的构成强烈 地影响着从地球排放出去的辐射。如果我们地球像月球一 样没有大气层，那么地球表面的平均温度将下降到大约零 下18°C。然而，自然形成的占大气质量百万分之270 （270ppm）的二氧化碳（CO2 ），吸收了飞向太空的辐 射，也因此保存了大气的能量，让地球保暖。大气层使地
2019/12/2
UNSW新南威尔士大学
18
&1.1.1光的基本原理
—光的特性
光的行为方式可能会违背常识。“常识”指的是我们自己的 观察，观察量子效应不能依靠常识，因为这些效应产生的条 件超出了人类的观察范围。如果需要了解更多关于光的知识， 请参考《费恩曼.1985》。
下面列出几个入射太阳光的重要特性，这些特性在决定入射 光与太阳能电池或其他器件如何作用时非常重要。这些重要 的特性是：
2019/12/2
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10
&0.3温室效应
球平均温度保持在15°C左右，比月球的高33°C。二氧化 碳强烈地吸收波长在13-19微米波段的辐射，而另外一种大 气气体——水蒸气，能强烈吸收波长在4-7微米波段的辐射。 大多数逃逸出地球的辐射的波长集中在7-13微米波段这个 “窗口”。
很显然，人类现在活动的规模已经达到了能够影响 地球环境和它对人类的吸引力的程度了。它的副作用 将是毁灭性的，在未来的几十年，那些对环境影响很 小以及不排放温室气体的技术将变得越来越重要。能 源领域因为其燃烧化石燃料而成为温室气体的最主要 生产者，像光伏发电这种能够代替化石燃料的技术必 须得到越来越多的应用。
2019/12/2
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7
&0.2光伏发电的介绍
• （如计算器和手表）开始被使用，并让偏远地区
的电力供应受益匪浅。
到了1980年代，对硅太阳能电池的研究获得了 回报，电池的发电效率开始提高。1985年硅电池 的效率达到了里程碑式的20%。在紧接着的十年， 光伏产业经历了每年15%到20%之间的稳定增长。 2019年增长率达到了38%。而今天，太阳能电池 不再被认为只是一种提供电力和提高那些电网还 没到达的偏远地区的人们生活质量的方法。
2019/12/2
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4
位于澳大利亚 东海岸的蒙塔 古小岛——— 一个国家公园 和野生动物保 护区，太阳能
点亮了这里房子。图上左边的小太阳能电池板为灯塔提供 电力，同时右边大块的电池板负责为图片里面露出一部分 的房屋供电。房屋里存放着给国家公园守护者和岛上的研 究者的设备。
2019/12/2
3
太阳能 &0.1
能转换成电能，同时也用在传统用途上。甚至水电也是
源之太阳能。水力发电依赖于太阳光蒸发的水蒸气，水 蒸气以雨水的形式回到地球并流向水坝。
光伏发电（通常简称为PV）是一种简易而优美的利 用太阳能的方式。光伏器件（太阳能电池）是独特的， 因为它能把入射光线直接转换成电而不会产生噪音、污 染且不需要移动零部件，这使得它们很牢固、可靠以及 寿命长久。需要指出的是，太阳能电池跟通讯及电脑革 命基于同样的原理和材料。而我们这个电子教程包括了 光伏器件和系统的运行和应用。
量元素或能量量子所构成。而爱因斯坦在研究光电效应
（当光照射在特定的金属或半导体上时会释放电子）时准
确地得出了这些能量量子的值。鉴于他们在这个领域的成
就，普朗克和爱因斯坦分别在1918年和1921年获得诺贝 尔物理学奖，同时，基于他们的工作，人们认为光可能是
由一系列的“包”或被叫做光子的能量粒子组成。
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第一章：光的特性
• &1.1光的基本原理 • &1.2黑体辐射 • &1.3太阳辐射 • &1.4地表太阳辐射 • &1.5太阳辐射数据
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&1.1.1光的基本原理
—光的特性
• 每秒钟地球接收到的太阳能是人类每年
E=hc/ λ
其中h是普朗克常数，c表示光速。它们以及其它常用的 常数的数值都显示在常数页.
上面的反比例关系表示，由光子组成的光的能量越高
（比如蓝光），波长就越短。能量越低（如红光），波 长越长。
当描述光子、电子等粒子时，共同使用的能量单位是
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&1.1.2光的基本原理 --光子的能量
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&0.3温室效应
量的变化，其结果可能导致大陆内部变得干旱以及地球海 平面上升。排放的人造气体增长的越多，当然造成的影响 就越严重。
大气中，二氧化碳 含量的上升（蓝线） 与平均温度（红线） 的上升相聚在一起。
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&0.3温室效应
1
•&0.1太阳能 •&0.2光伏发电 •&0.3温室效应
序言：太阳能发电的介绍
2
太阳能 &0.1
太阳能，从某种形式上说，是地球上几乎所有能源 的源头。而人类，像所有其它的动物和植物一样，因 为温暖和食物而依赖于太阳。然而，人类同时还以许 多不同的方式利用太阳的能量。比如，化石燃料，一 种来自以前地质时代的植物材料，就被用在交通运输 和发电上。本质上它就是储存了无数年以前的太阳能。 类似的，生物把太阳能转换成可以用来加热、运输和 发电的燃料。风能，几百年来被人们用来提供机械能 以及用于运输的能源，利用的是被太阳光加热的空气 和地球转动产生的空气流动。如今，风力涡轮机把风
光伏： 器件、系统及应用
by Christiana Honsberg & Stuart Bowden
一直以来，对专业教育的普遍缺乏被认为 是光伏电池得到恰当应用的一个主要障碍。 光伏电子课程面向的是学生和拥有基本专业 知识的个人，例如，比较熟悉电子电路知识， 但现在还没有掌握光伏器件和太阳能系统领 域的知识。
2019/12/2
UNSW新南威尔士大学8源自&0.2光伏发电的介绍
而是还作为一种能显著地减少由先进工业国家照成的环境 破坏的影响的方法。
不断增长的市场和光伏发电的鲜明个性意味着比以往
任何时候都多的应用正在以光伏的形式被推动着。这些应
用的领域从几兆瓦的发电站到无处不在的太阳能计算器。
此电子教程旨在提供陆地太阳能发电的概况以向非专业人
能量需求的好几倍。我们每天能看到的
光只是从太阳发射然后进入地球的能量
的一小部分而已。太阳光是电磁波的其
中一种形式，而我们看到的可见光也只
是我们右边显示的电磁波普的一个小子
集。
可见光
• 在电磁波普里，光被描述成有特定波
长的波。光是一种波的说法首先在18世
纪早期被人们接受，当时由杨、阿拉戈
和菲涅耳所做的实验显示出了光的干涉
人类活动正在不断地向大气排放“人造气体”，这些气 体能吸收波长在7-13微米范围内的辐射，特别是二氧化碳、 甲烷、臭氧、氮氧化物以及含氯氟烃（CFC’S）。这些气体 阻碍了热能的正常逃逸并有可能使地表温度升高。现有的 证据显示，到2030年，起效果的CO2水平将是现在的两倍。 致使全球温度升高1到4度。这将引起风的流动模式和降雨
“电子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。一个电子 伏特的能量相当于把一个电子的电势提高一伏所需要的 功，所以 1 e V 1 .6 0 1 1 2 0 J 9 要实现电子伏特与焦耳的转换，只需用电荷量q乘于1电 子伏特的能量。公式如下:
E(J)= q × E(eV)
在表达关于eV和μm方面的光子能量方程的时候，我们找 到了表示能量与波长之间的关系
• 入射光的光谱容量 • 太阳辐射的功率强度 • 太阳光入射到太阳能电池的角度 • 一年或一天，太阳光照射到特定表面的总能量
学完这章之后，你应该对以上的四个概念有所掌握。
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&1.1.2光的基本原理
--光子的能量
一般用波长（符号为λ ）或相对应的能量（符号为E）来 描述一个光子的特性。 子的能量与波长之间存在反比例 关系，方程如下：
士提供基本的信息。我们希望，在使用了光伏电子教程后
您能明白光伏器件和系统运作的基本原理，能够识别相应
的应用，有能力承担光伏系统的设计。随着熟悉光伏概念
和应用的人越来越多，我们希望能提高太阳能发电在适当
应用方面的使用。
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9
&0.3温室效应
尽管因为其十足的实用性和经济性，太阳能电池在今天被 所人们使用着，但是使用太阳能发电的潜在好处就是，光 伏发电是所有发电方式中对环境最友好的一种。发电对环 境的影响，特别是温室效应，是又一个促使人们研究太阳 能发电的因素。接下来将给出对温室效应的简短概述。
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&1.1.1光的基本原理
—光的特性
右边动画描述的是不同波长 的光的波包。
对光的特性的完整物理学描 述需要用量子力学分析，因 为光是量子力学粒子
中的一种，所以被叫做光子。对光伏应用来说，较少要求这 么详细的知识，因此，在这里，在光的量子特性方面只给出 了少量的文字描述。尽管如此，在某些情况下（幸运的是， 仅仅涉及到光伏系统方面），根据这里的简单解释，
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&1.1.1光的基本原理
—光的特性
效应，表明光是由波构成的。到了1860年代，光被认为 是电磁波普中的一部分。然而，到了18世纪后期，当人们
发现实验中测量的由热体所发出的电磁波的波普不能被波
动方程所解释时，光是波的观点所引发的问题便开始显现
出来。这个矛盾被普朗克在1900年和爱因斯坦在1905年 的工作化解了。普朗克认为，光的总能量是由不可分的能
E（eV）=1.24/λ （μ m）
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&1.1.2光的基本原理 --光子的能量
通过上面的公 式，可求出特定波 长的光子的能量大 小。
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&1.1.3光的基本原理 --光子通量
光子通量被定义为单位时间内通过单位面积的光子数量：
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5
&0.2光伏发电的介绍
光伏发电是指使用太阳能电池把阳光直接转化成电的过 程。今天，它正在快速地成长并成为常规化石燃料发电的 越来越重要的替代品。但是，相比其它的发电技术，光伏 发电还是个后起之秀，直到1950年代第一个实用的光伏 器件才被展示出来。1960年代，太空工业里卫星应用对 有别于电网的电力供应的需求巨大地推动了光伏产业的研 究和发展。当时的太阳能电池要比现在的贵上好几千倍， 而且对那种有别于传统的发电方式的需求还是十年以后才 出现的。但是在几个潜在的专业市场上，相对于快速发展 的晶体管，太阳能电池成为了一个令人感兴趣的科学变化。
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&0.2光伏发电的介绍
• 1970年代发生的石油危机把全世界的眼光都聚焦在
了对能为陆地上的人们所用的可替代能源的需求上， 而这也反过来推动了光伏作为一种能为陆地上的人 们所用的发电方式的研究。尽管石油危机被证明是 短暂的以及对太阳能电池发展的经济支持的减少， 但此时太阳能电池俨然已经进入了发电技术的竞争 者行列。它在偏远的电力供应地区的应用和优势迅 速地被人们认识到，并推动了陆地光伏产业的发展。 小尺寸的可携带的应用
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&1.1.1光的基本原理
—光的特性
今天 ，量子力学即解释了光的波动性又解释了光的粒子
性。在量子力学中，像所有其它量子力学粒子（如电子、 质子等）一样，对光子最准确的描述就是“波包”。波包 被定义为一群平面波的叠合，这些平面波有可能以干涉在 一个局限的空间的形式（就像一个方波是由无数的正弦波 所组成一样）出现，也有可能只是简单地像一个波一样交 替出现。当波包以局限在一个小空间的形式出现时，它就 被看做粒子。因此，视情况的不同，一个光子有可能以波 的形式或粒子的形式出现，这个概念就就叫“波粒二象 性”。
#（光子数量） s m2
光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的 重要因素。然而，单单光子通量并不足以确定太阳能电池 产生的电流大小或说明光源的特性。光子通量没有包含关 于入射光子的能量或波长的信息。因此，除非额外提供了 光子能量方面的信息，否则功率强度（或吸收效率）就不 能被确定。对于一群能量相同（单色光）且光子能量已经 知道的光子来说，总的辐射功率强度（以W/m2
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&1.1.1光的基本原理
—光的特性
光的行为方式可能会违背常识。“常识”指的是我们自己的 观察，观察量子效应不能依靠常识，因为这些效应产生的条 件超出了人类的观察范围。如果需要了解更多关于光的知识， 请参考《费恩曼.1985》。
下面列出几个入射太阳光的重要特性，这些特性在决定入射 光与太阳能电池或其他器件如何作用时非常重要。这些重要 的特性是：
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&0.3温室效应
球平均温度保持在15°C左右，比月球的高33°C。二氧化 碳强烈地吸收波长在13-19微米波段的辐射，而另外一种大 气气体——水蒸气，能强烈吸收波长在4-7微米波段的辐射。 大多数逃逸出地球的辐射的波长集中在7-13微米波段这个 “窗口”。
很显然，人类现在活动的规模已经达到了能够影响 地球环境和它对人类的吸引力的程度了。它的副作用 将是毁灭性的，在未来的几十年，那些对环境影响很 小以及不排放温室气体的技术将变得越来越重要。能 源领域因为其燃烧化石燃料而成为温室气体的最主要 生产者，像光伏发电这种能够代替化石燃料的技术必 须得到越来越多的应用。
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&0.2光伏发电的介绍
• （如计算器和手表）开始被使用，并让偏远地区
的电力供应受益匪浅。
到了1980年代，对硅太阳能电池的研究获得了 回报，电池的发电效率开始提高。1985年硅电池 的效率达到了里程碑式的20%。在紧接着的十年， 光伏产业经历了每年15%到20%之间的稳定增长。 2019年增长率达到了38%。而今天，太阳能电池 不再被认为只是一种提供电力和提高那些电网还 没到达的偏远地区的人们生活质量的方法。
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4
位于澳大利亚 东海岸的蒙塔 古小岛——— 一个国家公园 和野生动物保 护区，太阳能
点亮了这里房子。图上左边的小太阳能电池板为灯塔提供 电力，同时右边大块的电池板负责为图片里面露出一部分 的房屋供电。房屋里存放着给国家公园守护者和岛上的研 究者的设备。
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太阳能 &0.1
能转换成电能，同时也用在传统用途上。甚至水电也是
源之太阳能。水力发电依赖于太阳光蒸发的水蒸气，水 蒸气以雨水的形式回到地球并流向水坝。
光伏发电（通常简称为PV）是一种简易而优美的利 用太阳能的方式。光伏器件（太阳能电池）是独特的， 因为它能把入射光线直接转换成电而不会产生噪音、污 染且不需要移动零部件，这使得它们很牢固、可靠以及 寿命长久。需要指出的是，太阳能电池跟通讯及电脑革 命基于同样的原理和材料。而我们这个电子教程包括了 光伏器件和系统的运行和应用。
量元素或能量量子所构成。而爱因斯坦在研究光电效应
（当光照射在特定的金属或半导体上时会释放电子）时准
确地得出了这些能量量子的值。鉴于他们在这个领域的成
就，普朗克和爱因斯坦分别在1918年和1921年获得诺贝 尔物理学奖，同时，基于他们的工作，人们认为光可能是
由一系列的“包”或被叫做光子的能量粒子组成。
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第一章：光的特性
• &1.1光的基本原理 • &1.2黑体辐射 • &1.3太阳辐射 • &1.4地表太阳辐射 • &1.5太阳辐射数据
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&1.1.1光的基本原理
—光的特性
• 每秒钟地球接收到的太阳能是人类每年
E=hc/ λ
其中h是普朗克常数，c表示光速。它们以及其它常用的 常数的数值都显示在常数页.
上面的反比例关系表示，由光子组成的光的能量越高
（比如蓝光），波长就越短。能量越低（如红光），波 长越长。
当描述光子、电子等粒子时，共同使用的能量单位是
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&1.1.2光的基本原理 --光子的能量
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&0.3温室效应
量的变化，其结果可能导致大陆内部变得干旱以及地球海 平面上升。排放的人造气体增长的越多，当然造成的影响 就越严重。
大气中，二氧化碳 含量的上升（蓝线） 与平均温度（红线） 的上升相聚在一起。
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&0.3温室效应
1
•&0.1太阳能 •&0.2光伏发电 •&0.3温室效应
序言：太阳能发电的介绍
2
太阳能 &0.1
太阳能，从某种形式上说，是地球上几乎所有能源 的源头。而人类，像所有其它的动物和植物一样，因 为温暖和食物而依赖于太阳。然而，人类同时还以许 多不同的方式利用太阳的能量。比如，化石燃料，一 种来自以前地质时代的植物材料，就被用在交通运输 和发电上。本质上它就是储存了无数年以前的太阳能。 类似的，生物把太阳能转换成可以用来加热、运输和 发电的燃料。风能，几百年来被人们用来提供机械能 以及用于运输的能源，利用的是被太阳光加热的空气 和地球转动产生的空气流动。如今，风力涡轮机把风
光伏： 器件、系统及应用
by Christiana Honsberg & Stuart Bowden
一直以来，对专业教育的普遍缺乏被认为 是光伏电池得到恰当应用的一个主要障碍。 光伏电子课程面向的是学生和拥有基本专业 知识的个人，例如，比较熟悉电子电路知识， 但现在还没有掌握光伏器件和太阳能系统领 域的知识。
2019/12/2
UNSW新南威尔士大学8源自&0.2光伏发电的介绍
而是还作为一种能显著地减少由先进工业国家照成的环境 破坏的影响的方法。
不断增长的市场和光伏发电的鲜明个性意味着比以往
任何时候都多的应用正在以光伏的形式被推动着。这些应
用的领域从几兆瓦的发电站到无处不在的太阳能计算器。
此电子教程旨在提供陆地太阳能发电的概况以向非专业人
能量需求的好几倍。我们每天能看到的
光只是从太阳发射然后进入地球的能量
的一小部分而已。太阳光是电磁波的其
中一种形式，而我们看到的可见光也只
是我们右边显示的电磁波普的一个小子
集。
可见光
• 在电磁波普里，光被描述成有特定波
长的波。光是一种波的说法首先在18世
纪早期被人们接受，当时由杨、阿拉戈
和菲涅耳所做的实验显示出了光的干涉
人类活动正在不断地向大气排放“人造气体”，这些气 体能吸收波长在7-13微米范围内的辐射，特别是二氧化碳、 甲烷、臭氧、氮氧化物以及含氯氟烃（CFC’S）。这些气体 阻碍了热能的正常逃逸并有可能使地表温度升高。现有的 证据显示，到2030年，起效果的CO2水平将是现在的两倍。 致使全球温度升高1到4度。这将引起风的流动模式和降雨
“电子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。一个电子 伏特的能量相当于把一个电子的电势提高一伏所需要的 功，所以 1 e V 1 .6 0 1 1 2 0 J 9 要实现电子伏特与焦耳的转换，只需用电荷量q乘于1电 子伏特的能量。公式如下:
E(J)= q × E(eV)
在表达关于eV和μm方面的光子能量方程的时候，我们找 到了表示能量与波长之间的关系
• 入射光的光谱容量 • 太阳辐射的功率强度 • 太阳光入射到太阳能电池的角度 • 一年或一天，太阳光照射到特定表面的总能量
学完这章之后，你应该对以上的四个概念有所掌握。
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&1.1.2光的基本原理
--光子的能量
一般用波长（符号为λ ）或相对应的能量（符号为E）来 描述一个光子的特性。 子的能量与波长之间存在反比例 关系，方程如下：
士提供基本的信息。我们希望，在使用了光伏电子教程后
您能明白光伏器件和系统运作的基本原理，能够识别相应
的应用，有能力承担光伏系统的设计。随着熟悉光伏概念
和应用的人越来越多，我们希望能提高太阳能发电在适当
应用方面的使用。
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&0.3温室效应
尽管因为其十足的实用性和经济性，太阳能电池在今天被 所人们使用着，但是使用太阳能发电的潜在好处就是，光 伏发电是所有发电方式中对环境最友好的一种。发电对环 境的影响，特别是温室效应，是又一个促使人们研究太阳 能发电的因素。接下来将给出对温室效应的简短概述。
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—光的特性
右边动画描述的是不同波长 的光的波包。
对光的特性的完整物理学描 述需要用量子力学分析，因 为光是量子力学粒子
中的一种，所以被叫做光子。对光伏应用来说，较少要求这 么详细的知识，因此，在这里，在光的量子特性方面只给出 了少量的文字描述。尽管如此，在某些情况下（幸运的是， 仅仅涉及到光伏系统方面），根据这里的简单解释，
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&1.1.1光的基本原理
—光的特性
效应，表明光是由波构成的。到了1860年代，光被认为 是电磁波普中的一部分。然而，到了18世纪后期，当人们
发现实验中测量的由热体所发出的电磁波的波普不能被波
动方程所解释时，光是波的观点所引发的问题便开始显现
出来。这个矛盾被普朗克在1900年和爱因斯坦在1905年 的工作化解了。普朗克认为，光的总能量是由不可分的能
E（eV）=1.24/λ （μ m）
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&1.1.2光的基本原理 --光子的能量
通过上面的公 式，可求出特定波 长的光子的能量大 小。
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&1.1.3光的基本原理 --光子通量
光子通量被定义为单位时间内通过单位面积的光子数量：
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&0.2光伏发电的介绍
光伏发电是指使用太阳能电池把阳光直接转化成电的过 程。今天，它正在快速地成长并成为常规化石燃料发电的 越来越重要的替代品。但是，相比其它的发电技术，光伏 发电还是个后起之秀，直到1950年代第一个实用的光伏 器件才被展示出来。1960年代，太空工业里卫星应用对 有别于电网的电力供应的需求巨大地推动了光伏产业的研 究和发展。当时的太阳能电池要比现在的贵上好几千倍， 而且对那种有别于传统的发电方式的需求还是十年以后才 出现的。但是在几个潜在的专业市场上，相对于快速发展 的晶体管，太阳能电池成为了一个令人感兴趣的科学变化。
2019/12/2
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6
&0.2光伏发电的介绍
• 1970年代发生的石油危机把全世界的眼光都聚焦在
了对能为陆地上的人们所用的可替代能源的需求上， 而这也反过来推动了光伏作为一种能为陆地上的人 们所用的发电方式的研究。尽管石油危机被证明是 短暂的以及对太阳能电池发展的经济支持的减少， 但此时太阳能电池俨然已经进入了发电技术的竞争 者行列。它在偏远的电力供应地区的应用和优势迅 速地被人们认识到，并推动了陆地光伏产业的发展。 小尺寸的可携带的应用
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&1.1.1光的基本原理
—光的特性
今天 ，量子力学即解释了光的波动性又解释了光的粒子
性。在量子力学中，像所有其它量子力学粒子（如电子、 质子等）一样，对光子最准确的描述就是“波包”。波包 被定义为一群平面波的叠合，这些平面波有可能以干涉在 一个局限的空间的形式（就像一个方波是由无数的正弦波 所组成一样）出现，也有可能只是简单地像一个波一样交 替出现。当波包以局限在一个小空间的形式出现时，它就 被看做粒子。因此，视情况的不同，一个光子有可能以波 的形式或粒子的形式出现，这个概念就就叫“波粒二象 性”。
#（光子数量） s m2
光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的 重要因素。然而，单单光子通量并不足以确定太阳能电池 产生的电流大小或说明光源的特性。光子通量没有包含关 于入射光子的能量或波长的信息。因此，除非额外提供了 光子能量方面的信息，否则功率强度（或吸收效率）就不 能被确定。对于一群能量相同（单色光）且光子能量已经 知道的光子来说，总的辐射功率强度（以W/m2