第9章-太阳能电池
太阳能电池原理范文
太阳能电池原理范文太阳能电池是一种将太阳光能转化为电能的装置。
它是一种半导体器件，根据光伏效应原理工作。
在晴朗的阳光下，太阳光照射到太阳能电池表面，产生电子与空穴对。
通过合适的导线和电路布置，可以将产生的直流电能转化为有用的电能。
太阳能电池的基本结构通常是由两个半导体层构成，其中一个层被掺杂为p型，另一个层被掺杂为n型。
半导体的掺杂可以通过在原始材料中添加杂质元素来实现。
掺杂后的半导体中将产生多数载流子和少数载流子。
以p型层为例，它有许多绝缘层的正空穴，以及从n层移动过来的负电子。
当太阳能照射到太阳能电池的表面时，光子与半导体原子发生相互作用。
如果光子的能量大于半导体材料对能量吸收的门槛，光子将被吸收，将其能量传给被吸收的电子。
被激发的电子获得足够的能量以克服能带间隙并跃迁到导带。
这个过程使得原来的电子能带上留下空穴，从而产生一个电子-空穴对。
由于p型层具有许多正空穴，而n型层具有许多自由电子，新产生的电子和空穴将被电场力推到不同的区域，形成势差。
这个势差会引起电流的流动。
若将正极与p型层连接，负极与n型层连接，并将电路与电池连接，电流就会开始流动。
在太阳能电池中，不同的材料用于构成p型和n型层。
常用的材料包括硅、硒化铟、硫化镉等。
其中，硅是最广泛使用的材料，因为它具有稳定性好、物理性质可控且成本低廉等优点。
为了提高太阳能电池的效率，科学家和工程师们致力于改进太阳能电池的设计和制造工艺。
一种改善效率的方法是通过将多个太阳能电池组装在一起，形成太阳能电池组或太阳能电池阵列。
这种阵列可以在更广泛的光敏面积上接收太阳能，并提供更多的电能。
太阳能电池作为一种可再生能源的转换器，具有广泛的应用前景。
它可以用于为家庭和工业提供电力，也可以用于卫星和空间探测器等航天器的能源供应。
随着科学技术的不断发展，我们有望看到更高效、更持久、更美观的太阳能电池问世，进一步推动可再生能源的发展和利用。
太阳能电池的工作原理
太阳能电池的工作原理
太阳能电池是一种将太阳光直接转化为电能的装置。
它是由多个光电效应相互连接而成的半导体晶体。
典型的太阳能电池是由硅材料制成的，其中掺杂了两种不同类型的杂质。
太阳能电池的工作原理可以简述为以下几个步骤：
1. 光吸收：当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子与半导体晶体中原子相互作用，吸收光能，并将其传递给半导体晶格的电子。
2. 电子激发：被吸收的光子能量使得半导体晶体中的电子激发到较高的能级，从而形成光生电子-空穴对。
3. 分离电荷：经过激发的电子和产生的正空穴分别在半导体晶体的n区和p区积累，并且在两个区域之间形成电势差。
4. 电流流动：由于n区和p区之间的电势差，电子和正空穴开始从n区和p区流动，形成电流。
这个电流可以在外部电路中推动电子流动，并产生实际可用的电能。
需要注意的是，太阳能电池的效率取决于吸收太阳能光谱的范围。
目前，太阳能电池的效率仍然相对较低，因此科学家一直在研究和改进太阳能电池的设计和制造方法，以提高其效率并降低制造成本，以便更广泛地应用于能源产业中。
太阳能电池 工作原理
太阳能电池工作原理
太阳能电池，也称为光伏电池，是一种能够将太阳能直接转化为电能的装置。
它的工作原理基于光电效应。
光电效应是指光线照射到特定材料上时，会使某些电子从原子束缚中释放出来，并形成自由电子和正电子。
太阳能电池利用这一效应，在其内部的半导体材料中引发光电效应。
太阳能电池的关键部件是半导体。
常见的半导体材料有硅和薄膜（如铜铟镓硒），其内部的原子结构具有特殊的能带结构。
当太阳光照射到太阳能电池的半导体上时，光子的能量被传递给半导体中的电子。
这些光子的能量足够大时，会激发半导体中的原子中的电子跃迁到导带（离子束内）上，产生自由载流子。
太阳能电池内的电场会引导自由电子和正电子分别在电路中流动，从而产生电流。
通过在太阳能电池的两端接上负载（如电灯），电流就会流动起来，转化为可利用的电能。
值得注意的是，太阳能电池只能将光能转化为电能，而不能直接储存电能。
因此，在实际应用中，太阳能电池常常与电池组或其他能储装置结合使用，以便在太阳能供应不足时提供稳定的电能输出。
光和影子大班科学教育活动教案：了解太阳能电池板的原理和应用
光和影子大班科学教育活动教案：了解太阳能电池板的原理和应用第一章：太阳能电池板简介1.1 太阳能电池板的定义1.2 太阳能电池板的工作原理1.3 太阳能电池板的应用领域第二章：太阳能电池板的制作材料2.1 硅材料的特点和应用2.2 太阳能电池板其他制作材料的介绍2.3 太阳能电池板材料的未来发展第三章：太阳能电池板的使用和维护3.1 太阳能电池板的安装和使用注意事项3.2 太阳能电池板的日常维护方法3.3 太阳能电池板故障处理和维修技巧第四章：太阳能电池板在不同环境下的性能表现4.1 太阳能电池板在晴天下的性能表现4.2 太阳能电池板在阴天和多云天气下的性能表现4.3 太阳能电池板在寒冷和高温环境下的性能表现第五章：太阳能电池板的应用实例5.1 家庭太阳能电池板的应用实例5.2 商业太阳能电池板的应用实例5.3 公共设施太阳能电池板的应用实例第六章：太阳能电池板在其他领域的应用6.1 太阳能电池板在交通领域的应用6.2 太阳能电池板在农业领域的应用6.3 太阳能电池板在医疗领域的应用第七章：太阳能电池板的环保意义7.1 太阳能电池板对减少碳排放的作用7.2 太阳能电池板对环境保护的其他影响7.3 太阳能电池板与传统能源的比较第八章：太阳能电池板的推广和普及8.1 政府政策对太阳能电池板推广的影响8.2 太阳能电池板普及面临的挑战和问题8.3 促进太阳能电池板普及的措施和建议第九章：太阳能电池板的发展趋势9.1 太阳能电池板技术的创新和发展9.2 太阳能电池板市场的发展趋势9.3 太阳能电池板产业的发展前景第十章：太阳能电池板的教育和培训10.1 太阳能电池板教育的目标和方法10.2 太阳能电池板培训的内容和形式10.3 太阳能电池板教育和培训的重要性第十一章：太阳能电池板的安全问题11.1 太阳能电池板的安全隐患11.2 太阳能电池板的安全使用指南11.3 太阳能电池板的安全标准和认证第十二章：太阳能电池板的成本效益分析12.1 太阳能电池板的初期投资成本12.2 太阳能电池板的长期经济效益12.3 太阳能电池板的成本效益比较第十三章：太阳能电池板与电网的互动13.1 太阳能电池板并网发电的原理13.2 太阳能电池板与电网的配合使用13.3 太阳能电池板电网互动的前景与发展第十四章：太阳能电池板的案例研究14.1 国内外太阳能电池板成功案例分析14.2 太阳能电池板在不同地区的应用案例14.3 太阳能电池板项目的挑战与解决方案第十五章：太阳能电池板的未来展望15.1 太阳能电池板技术进步的预测15.2 太阳能电池板在可持续发展中的角色15.3 太阳能电池板对人类生活方式的影响重点和难点解析本文主要介绍了太阳能电池板的原理、制作材料、使用和维护、在不同环境下的性能表现、应用实例、环保意义、推广和普及、发展趋势、教育和培训、安全问题、成本效益分析、与电网的互动、案例研究以及未来展望等十五个方面的内容。
太阳能电池原理PPT课件
2.1 半导体物理基础
本征半导体
T>0
导带 (部分填充)
EF EC EV
Valence band (Partially Empty)
在T = 0, 价带能级被电子填充 ，导带空, 导致电导率为零. 费密能级 EF 位于禁带 中间(<1 eV) 当 T > 0, 电子可以被热“激发”到导带，产生可测量的电导率.
禁带 禁带
能带
第29页/共105页
允带 允带
允带
2.1 半导体物理基础
费米－狄拉克分布
电子和空穴在允带能级上的分布遵守费米－狄拉克分布。 能量为E能级电子占据的几率为
1 f(E)
1exp(EEF)/KT
f(E)称为费米分布函数，EF为费米能级
第30页/共105页
2.1 半导体物理基础
费米－狄拉克分布
第15页/共105页
金属中的准 能带的准自 自由电子（价电子）模型 由电子物理模型
金属中的自由电子除去与离子实相互碰撞的瞬间外，无相互作用。电子 所受到的势能函数为常数。 电子波函数仍然为自由电子波函数 电子受到晶格的散射，当电子的波矢落到布里渊区 边界时，发生Bragg衍射
第16页/共105页
对于所有能级均被电子所占满的能带（满带），在外电场作用下，其电子并不 形成电流，对导电没有贡献。----- 满带电子不导电。 通常原子中的内层电子都是占满满带中的能级，因而内层电子对导电没有贡献。 对于被电子部分占满的能带（导带），在外电场作用下，电子可从外电场吸收 能量跃迁到未被电子占据的能级去，从而形成电流，起导电作用。 ----- 导带电子有导电能力。
k
Resulted from r+
2.1 半导体物理基础
太阳能电池的构造和工作原理
太阳能电池的构造和工作原理太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的设备。
它由多个层次的构造组成，其中每一层的功能是不同的。
本文将从构造和工作两个方面，介绍太阳能电池的基本原理。
构造太阳能电池的主要构造是由P型硅、N型硅和P-N结等多个层次组成。
其中，P型硅具有电子富余，N型硅则具有电子不足。
在两种硅之间形成的P-N结，称为势垒。
当光照线进入太阳能电池的瞬间，P-N结上的电场就会形成一个电荷分离区，发生光致电势差，使得向阳光聚焦的半导体太阳能电池产生电池电位，电子在电场作用下被势垒吸收，因此形成了电荷对。
太阳能电池的构造分为三层，从上到下分别为：透明导电层、P型硅层、N型硅层。
透明导电层是将太阳光透过石英晶片引导到下方的硅层，同时它本身具有导电功能。
P型硅和N型硅层中间的界面就是P-N结。
它们之间的电场可以将太阳光聚焦到一起，以提高太阳能的转化效率。
当太阳光进入太阳能电池的时候，首先经过透明导电层，然后进入P型硅，再穿过N型硅，形成P-N 结上的电场，最后输出一个电荷对。
工作原理当阳光照射在太阳能电池上时，P-N结内的电子被光能激发，从而形成势垒。
正因为势垒的存在，使得太阳能电池可以把阳光转化成电能。
具体来说，当光线射入P型硅中的时候，会激发硅中原本基态的电子，使之进入激发态。
这些电子会被电场和电荷的作用力吸引，然后集中在P-N结上方的P型硅中。
此时，N型硅内部也会对受到阳光照射的区域产生电流。
当这些电子进入P-N结之后，就开始向外流动。
在这个过程中，N型硅内部的电子会被P型硅中的电子吸引而且流入P型硅。
这样，电子就从P型硅穿过P-N结流到N型硅，因此形成了一个电流。
总之，太阳能电池就是通过将光能转化为电能的过程来发电，其检思维尤为简单。
当阳光进入太阳能电池时，一些电子因光能被激活而获得了能量，将会流动生成电荷，并且形成一个能够输出用电的电路。
我们常常可以把太阳能电池用在各类电子设备当中，以供其工作。
太阳能电池工作原理
太阳能电池工作原理太阳能电池，也被称为光电池或光伏电池，是一种能够将阳光直接转换为电能的设备。
它的工作原理基于光伏效应，通过光子的能量激发半导体材料中的电子，形成电流。
在光伏电池内部，精密的材料和工艺相互配合，从而实现了高效的能量转换。
1. 太阳光的捕获太阳能电池的第一步是捕获太阳光。
电池表面通常涂有一层光吸收材料，如硅(Si)或钒化铟(CdTe)。
这些材料能够有效地吸收来自太阳的光子。
2. 光伏效应当太阳光照射到太阳能电池的表面时，光子的能量会激发半导体中的原子。
这些激发的原子会释放出电子，形成一个电子-空穴对。
半导体材料中的电子是负电荷，空穴是正电荷。
3. 电荷分离在太阳能电池内部，存在一个p-n结，即“正”和“负”半导体之间的结界。
当电子和空穴形成后，它们会被分开推动到p-n结的两侧。
电子会朝向“负”半导体移动，而空穴会朝向“正”半导体移动。
这个过程会形成一个电场，产生电势差。
4. 电流产生由于电子和空穴被分开，并且每个p-n结产生了电势差，这使得电子能够流动。
通过连接电池的电路，电子可以流回“负”一侧，而电流则在电路中形成。
5. 输出电力电流的输出取决于太阳能电池的大小和质量，以及所接入的负载。
在实际应用中，多个太阳能电池通常被连接在一起，组成太阳能电池板或太阳能电池阵列。
这样可以增加输出电力，满足更高的能源需求。
总结：太阳能电池的工作原理是利用光伏效应将太阳光转化为电能。
通过捕获太阳光并激发半导体材料中的电子和空穴，形成电流并输出电力。
太阳能电池作为一种清洁、可再生能源技术，具有广泛的应用前景，可用于发电、供电以及无线传输等领域，对环境产生的影响也较小。
随着技术的不断进步和成本的降低，太阳能电池的利用将会更加广泛，为可持续发展做出贡献。
太阳能电池原理及结构
太阳能电池原理及结构Solar energy is harnessed through the use of solar panels, which are made up of photovoltaic cells. These cells are responsible for converting sunlight into electricity.太阳能是通过太阳能电池板来利用的，这些电池板由光伏电池组成。
这些电池负责将阳光转化为电力。
The fundamental principle behind solar energy is the photovoltaic effect, which was first discovered in 1839 by French physicist Edmond Becquerel. This effect occurs when certain materials, like silicon, are exposed to sunlight and generate an electric current as a result of the sunlight's energy.太阳能的基本原理是光伏效应，这一效应在1839年由法国物理学家埃德蒙·贝克勒尔首次发现。
当某些材料，如硅，暴露在阳光下时，由于太阳光的能量而产生电流。
The structure of a solar cell consists of several layers. The top layer is made of a transparent material that allows sunlight to pass through. Below this is the semiconductor layer, usually made of silicon, which absorbs the sunlight. At the bottom is another layer that collects and transfers the generated electricity.太阳能电池的结构包括几层。
《太阳能电池》ppt课件
电极
受体
有 机
给体
层
ITO
Donor: CuPc
glass
h
Acceptor: C60
①
LUMO ④
电子
正极
②③
负极
空穴
HOMO
① 激子的产生 ② 激子分散 ③ 激子拆分 ④ 载流子搜集
研讨进展
Charge Recombination in Organic Photovoltaic Devices with High OpenCircuit Voltages Q. L. Song JACS 132(2021) 4554-4555 IF: 9.019 Environment-friendly energy from all-carbon solar cells based on fullerene-C60 Q. L. Song SEMSC 93 (2021) 4–7 IF: 4.593
ITO
glass
双层构造
有机层
本体异质结构造
有机层
单层器件激子拆分
电子
Active layer:C60
空穴
电极
有机层
ITO
glass
LUMO
h
①
④
正极
② ③负极
HOMO
① 激子的产生 ② 激子分散 ③ 激子拆分 ④ 载流子搜集
NPB MoO3/NPB
PCE从 0.15 % 提高到0.414 % Environment-friendly energy from
有机太有机阳太能阳电能池电池应的运优而缺生陷
价钱廉价〔合成工艺简单，因此 本钱低廉，有竞争力〕
轻薄、柔软 易携带
足球烯 C60
太阳电池工作原理 简单易懂
太阳电池工作原理简单易懂太阳能电池是一种利用光能转换为电能的装置，它是当今最为环保的新能源装置之一。
太阳能电池的基本结构是由单个或多个太阳能电池组合成的，它能够将太阳辐射光能转换为电能。
这些装置可以用于发电，也可以用于储蓄电能，是太阳能系统中的核心部件。
太阳能电池工作原理的核心是光电效应。
光电效应是指光照射到半导体材料上时，能量足够大的光子击中半导体的原子，使其电子获得足够的能量，从而跃迁到导带中。
具体来说，太阳能电池通常采用硅、砷化镓、硒化镉等半导体材料制成，这些材料都具有较好的光电转换性能。
在太阳能电池中，一般采用PN结构，也就是P型半导体和N型半导体通过PN结构组成的。
当太阳辐射光照射到PN结上时，能量大于带隙能量的光子击中PN结的P型半导体区，将该区的电子激发到导带中，同时也会在N型半导体区形成正空穴。
P型区导带中的电子和N型区价带中的空穴在PN结中形成电子-空穴对，并由电场驱使电子在N型区集中，空穴在P型区集中，从而在外接电路中形成电流。
太阳能电池还包括透明导电氧化物镀膜、背面金属等组成的透明电极层和重量轻、抗冲击、防腐蚀的外封装层。
这些层的作用是保护太阳能电池不受外部环境影响，同时也能起到传输电能和导电的作用。
通过上述介绍，我们可以了解太阳能电池工作原理的基本过程，即利用光电效应将太阳辐射光转换为电能。
正是由于这一原理的实现，太阳能电池才能成为高效、环保的能源装置，在太阳能利用领域有着广泛的应用前景。
由此可见，太阳能电池是一种非常重要的新能源利用技术，通过对太阳能电池工作原理的深入了解，我们可以更好地认识利用太阳能的实质，促进太阳能技术的推广和应用。
希望太阳能电池在未来的发展中能够发挥更大的作用，为人类的可持续发展做出更多的贡献。
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第一章
课程大纲第一部分：基础知识第章引言第一章：引言第二章：半导体基础第三章：P-N结第四章：太阳能电池基础第二部分：传统太阳能电池第章能第五章：晶体硅太阳能电池第六章：高效III-V族化合物太阳能电池第七章：硅基薄膜太阳能电池第八章：高效薄膜太阳能电池（CIGS, CdTe）第三部分：新型太阳能电池第九章：有机太阳能电池第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等）第十二章：多结太阳能电池主讲教师：（1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@张兴旺14章学时）xwzhang@semi ac cn尹志岗（5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@游经碧（8-12章：22学时）；82304566，jyou@课程性质：专业选修课课程性质专业选修课课时：54课时考试类型：开卷成绩计算方式：期末考试（70%）+小组文献汇报（30%）成绩计算方式期末考试参考书目：1熊绍珍朱美芳：《太阳能电池基础与应用》科学出版社1. 熊绍珍，朱美芳：《太阳能电池基础与应用》，科学出版社，2009年2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：《半导体物理学》，电子工业出版社，2011年3. 白一鸣等编，《太阳电池物理基础》，机械工业出版社，2014年第一章引言太阳能的利用方式1.2太阳能资源及其分布31.114太阳电池工作原理31.3太阳电池发展历程1.4太阳电池应用与趋势31.51.6中国光伏发电的现状1973年，由于中东战争而引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的能源危机，人类认识到常规能源的局限性、以石油为代表的“能源危机”，人类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经济发展、社会稳定及安全的重要性。
与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战着人类的忍受极限……1.1 太阳能资源：未来能源的主要形式太阳能核能地热能生物质能风能水势能清洁能源－－光伏发电太阳------物理参数太阳------地球生命之源！表度太阳------巨大的火球！表面温度：5760-6000K中心温度：1.5×107K日冕层温度：5×106K198930质量：1.989×10kg太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于132每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量(世界能源消耗)3.0 ×1020joule/y=万分之一！3.0 ×1024joule/y万分之巨大潜力(照射到地面的太阳能)457亿年>50亿年我国的太阳能资源45.7亿年，>50亿年，取之不尽、用之不竭地表每年吸收太阳能17000亿吨标煤2007年一次能源26.5亿吨标煤解决能源危机特点能源取之不尽、无污染地球表面角度0.1%的太阳能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍资源丰富太阳环改善环境、保护气候无污染物废气噪音的污染特点能的境角无污染物、废气、噪音的污染1 MW并网光伏电站的年发电能力约为113万优点度并能kWh，可减排二氧化碳约191余吨相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约节能减排8.54吨。
太阳能电池课件
太阳能电池课件太阳能，是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。
在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。
太阳能电池课件知识与技能1.初步认识太阳的结构，知道太阳是巨大的核能火炉。
2.初步了解太阳是人类资源的宝库。
.知道太阳能的利用方式。
过程与方法1、通过观察学习了解太阳能的特点，理解太阳能属于可再生一次能源。
分析化石能源来自太阳能。
提高学生分析归纳能力。
2、通过太阳能的利用方式学习，提高学生综合分析问题的能力。
情感、态度、价值观养成学生开发和利用太阳能的意识，通过光伏产品推广提高创新节能意识。
了解太阳能，结合生产生活实际知道利用太阳能的方式太阳能利用中的能量转化课件多媒体主要教学过程教学内容教师活动学生活动一.情境导入你看，在太阳能汽车上装有密密麻麻像蜂窝一样的装置，平常我们看到的航天器上的类似铁翅膀的装置。
想知道它们的作用吗思考激疑(设计意图：据新科技和航天技术提出问题让学生讨论，引导学生共同参与，调动学生主动学习的热情和积极性。
）二、合作探究，探究新知：太阳是巨大的核能火炉课件展示1.太阳的结构2.太阳内部时刻发生核聚变太阳能是人类的能源宝库1.化石能源来源于太阳能2.生物质能、风能、水能来源于太阳能太阳能的利用1、光热转化2、光电转化.太阳能的优点及不足请同学们阅读课本并回答以下问题：1.太阳的结构是怎样的2．太阳为什么是一个巨大的“核能火炉”，是哪一种形式的核能.太阳能是以怎样的方式向外传递的4.太阳的“核能火炉”，永无止境的“燃烧”下去吗1.太阳距地球1.5亿千米，直径大约是地球的110倍，体积是地球的130万倍，质量是地球的33万倍，核心温度高达1500万摄氏度。
太阳表面温度约6000℃，太阳至今已经稳定地“燃烧”了近50亿年，而且还能继续“燃烧”50亿年。
2.在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能。
太阳核心每时每刻都在发生氢弹爆炸，太阳就像一个巨大的“核能火炉”太阳内部时刻发生核聚变1.下列利用核聚变供能量的是A.核电站B.核潜艇C.原子弹D.太阳2、太阳内部发生的是，太阳能电池是把能转化为能、大部分太阳能以和的形式向四周辐射开去。
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第一章
年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5
吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约
8.54吨。
1.1 太阳能资源
世界化石燃料的不断消耗
发展可再生替代能源
2100年64％
太阳能在未来能源结构中占主导地位！
1.1 太阳能资源
世界太阳能资源分布
地球上太阳能资源的分 布与各地的纬度、海拔 高度、地理状况、气候 条件等密切相关。
多晶硅 47.7% 单晶硅 38.3% 非晶硅 5.1% 带硅 1.5% CdTe 6.4% CIGS等 1.0%
中国光伏发展报告
Where is PV？
1.5 太阳电池应用与趋势
太阳电池在太空的应用----飞船的翅膀
哈勃望远镜
两个长11.8米，宽2.3米，能提供2.4千瓦 功率的太阳电池帆板，两个与地面通讯用 的抛物面天线。镜筒的前部是光学部分， 后部是一个环形舱，在这个舱里面，望远 镜主镜的焦平面上安放着一组科学仪器； 太阳电池帆板和天线从筒的中间部分伸出。
1.5 太阳电池应用与趋势
光伏建筑一体化是国际发展主流方向
尚德光伏研发中心
1.5 太阳电池应用与趋势
德国，遮阳挡雨，14.2 kW
德国，光伏走廊10 kW
1.5 太阳电池应用与趋势
荷兰，装饰性光伏屋顶
意大利，外墙装饰，21 kW
1.5 太阳电池应用与趋势
（1）光电转换效率逐步提高、新概念太阳电池不断涌现
主讲教师：
张兴旺 （1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@ 尹志岗 （5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@ 游经碧 （8-12章：22学时）；82304566，jyou@
课程性质：专业选修课 课时：54课时 考试类型：开卷 成绩计算方式：期末考试 （70%）+小组文献汇报 （30%）
太阳能电池概论范文
太阳能电池概论范文
太阳能电池（Solar Battery）是一种利用光能转化成电能的装置，是目前世界上最为广泛应用的可再生能源之一、太阳能电池通过光电效应将光能转化成直流电能，用于供电或储存。
它具有环保、可再生、经济等优点，被广泛应用于家庭、商业和工业领域。
太阳能电池是由多个光电池单元组成的，每个光电池单元由两个不同材质的半导体材料构成，称为PN结。
这些材料通常是硅、硒化镉等。
当光线照射到光电池上时，光子会击中PN结，激发电子，从而产生电流。
这个过程被称为光电效应。
光电池中的光电效应是将光能转化成电能的基础。
太阳能电池的工作原理类似于一块半导体材料，其导电性取决于材料中电子的能量状态。
光照下，光子的能量可以提供足够的能量，使电子从低能级跃迁到高能级。
这个跃迁的能量足以克服PN结的势垒，从而形成电流。
这种电流可以被转化成直流电，然后供电给电器设备使用，或者储存起来以备不时之需。
当然，太阳能电池也存在一些挑战。
首先，太阳能电池的能源转化效率相对较低，虽然近年来取得了一些进展，但仍需要进一步提高。
其次，太阳能电池的成本相对较高，安装和维护费用也相对较高。
此外，太阳能电池的使用受到天气条件的限制，阴雨天气或夜间阳光不足时，太阳能电池的发电效率会受到影响。
总之，太阳能电池是一种具有广泛应用前景的可再生能源技术。
随着对环境保护的重视和能源需求的增长，太阳能电池的应用将逐渐扩大，为人类提供可持续、清洁的能源供应，推动经济发展和社会进步。
虽然太阳
能电池还面临一些挑战，但相信随着技术的进步和成本的降低，太阳能电池将会更加普及和成熟。
太阳能电池课件
太阳能电池课件太阳能电池课件太阳能（solar energy），是指太阳的热辐射能（参见热能传播的三种方式:辐射），主要表现就是常说的太阳光线。
在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。
太阳能电池课件【教学目标】知识与技能1.初步认识太阳的结构，知道太阳是巨大的核能火炉。
2.初步了解太阳是人类资源的宝库。
3. 知道太阳能的利用方式。
过程与方法1、通过观察学习了解太阳能的特点，理解太阳能属于可再生一次能源。
分析化石能源来自太阳能。
提高学生分析归纳能力。
2、通过太阳能的利用方式学习，提高学生综合分析问题的能力。
情感、态度、价值观养成学生开发和利用太阳能的意识，通过光伏产品推广提高创新节能意识。
【教学重点】了解太阳能，结合生产生活实际知道利用太阳能的方式【教学难点】太阳能利用中的能量转化【教学准备】课件多媒体【教学过程】主要教学过程教学内容教师活动学生活动一.情境导入【图片展示】你看，在太阳能汽车上装有密密麻麻像蜂窝一样的装置，平常我们看到的航天器上的类似铁翅膀的装置。
【提出问题】想知道它们的作用吗？思考激疑(设计意图：据新科技和航天技术提出问题让学生讨论，引导学生共同参与，调动学生主动学习的热情和积极性。
）二、合作探究，探究新知：（一）太阳是巨大的核能火炉课件展示1.太阳的结构2.太阳内部时刻发生核聚变（二）太阳能是人类的能源宝库1.化石能源来源于太阳能2.生物质能、风能、水能来源于太阳能（三）太阳能的利用1、光热转化2、光电转化3. 太阳能的优点及不足【自主学习】请同学们阅读课本并回答以下问题：1. 太阳的结构是怎样的？2．太阳为什么是一个巨大的“核能火炉”，是哪一种形式的核能？3.太阳能是以怎样的方式向外传递的？4.太阳的“核能火炉”，永无止境的“燃烧”下去吗？【知识归纳】1.太阳距地球1.5亿千米，直径大约是地球的110倍，体积是地球的130万倍，质量是地球的33万倍，核心温度高达1 500万摄氏度。
太阳能电池书籍
太阳能电池书籍太阳能电池：未来能源的希望第一章：太阳能电池的基本原理太阳能电池是一种将太阳能直接转化为电能的装置。
它通过半导体材料的光电效应将太阳光转化为电流。
太阳能电池的基本结构由P 型半导体、N型半导体和PN结组成。
当太阳光照射到PN结上时，电子和空穴被激发，形成电流。
这种直接转换太阳能的技术具有环保、可再生的优势，被广泛认为是未来能源的希望。
第二章：太阳能电池的种类及应用领域太阳能电池已经发展出多种类型，包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。
单晶硅太阳能电池具有高转换效率和长寿命的特点，被广泛应用于航天、卫星和宇航器等领域。
多晶硅太阳能电池成本较低，适用于大规模的商业和工业应用。
薄膜太阳能电池柔性、轻薄，可以应用于建筑物的外墙、玻璃幕墙等。
第三章：太阳能电池的优势和挑战太阳能电池具有许多优势，首先是可再生性和环保性。
太阳能是一种无限的能源，不会产生二氧化碳等有害气体，对环境没有污染。
其次，太阳能电池可以在各种环境下使用，如户外、室内、城市、乡村等。
然而，太阳能电池也面临一些挑战，例如高成本、低转换效率、能量储存问题等。
为了克服这些挑战，科学家们正在不断研究和改进太阳能电池的技术。
第四章：太阳能电池的发展前景随着对可再生能源需求的增加和对环境污染的担忧，太阳能电池的应用前景非常广阔。
许多国家都制定了政策来鼓励太阳能发电，并加大对太阳能电池技术研发的投入。
未来，太阳能电池有望实现更高的转换效率、更低的成本，并应用于更多领域，如电动汽车、智能家居、无线充电等。
太阳能电池将成为人类能源转型的关键技术。
第五章：太阳能电池的个人应用和社会意义太阳能电池不仅可以用于大规模的能源发电，也可以应用于个人生活中。
例如，家庭可以安装太阳能电池板来自给自足，减少对传统能源的依赖。
此外，太阳能电池的应用还可以带来经济效益和社会效益。
通过太阳能电池发电，可以减少能源开支，并降低对化石燃料的需求，从而减少空气污染和气候变化的影响。
太阳能电池工作原理
太阳能电池工作原理
太阳能电池，又称光伏电池，是一种能够将太阳能转化为电能的装置。
它是利用光电效应将太阳光直接转化为电能的一种设备。
太阳能电池的工作原理主要是通过光电效应和半导体材料的特性来实现的。
首先，让我们来了解一下光电效应。
光电效应是指当光线照射到金属或半导体表面时，由于光子的能量足够大，可以使金属中的自由电子获得足够的能量而逸出金属表面，形成电流。
这就是光电效应的基本原理。
太阳能电池利用光电效应将太阳光能转化为电能。
太阳能电池的主要组成部分是半导体材料。
当太阳光照射到太阳能电池上时，光子的能量被半导体材料吸收，使得半导体中的电子获得足够的能量跃迁到导带中，形成电子-空穴对。
这些电子-空穴对在半导体中移动，形成电流，从而产生了太阳能电池的输出电能。
在太阳能电池中，半导体材料的选择非常重要。
常见的太阳能电池材料有硅、镓化铟、硒化铜等。
这些材料具有不同的能隙宽度和光电转换效率，从而影响着太阳能电池的性能和成本。
除了半导体材料，太阳能电池的结构也对其工作原理产生影响。
太阳能电池通常由n型半导体和p型半导体组成，它们通过p-n结形成电场，使得电子-空穴对在光照下被分离并形成电流。
此外，太阳能电池还包括透明导电膜、金属电极等辅助材料，用于提高光电转换效率和电流输出。
总的来说，太阳能电池的工作原理是利用光电效应和半导体材料的特性，将太阳光能转化为电能。
通过合理选择半导体材料和优化太阳能电池的结构，可以提高太阳能电池的光电转换效率和电能输出。
随着科技的不断进步，太阳能电池的性能和成本将不断得到改善，为可再生能源的发展做出更大的贡献。
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(9.16)
Δn和Δp为光生电子和空穴的浓度，(enΔn＋epΔp)/ 为光 电导在总电导中所占的比例。异质结半导体电池结构的 Voc包括三部分：1，第一项为pn结内建静电场的贡献。 2，第二项为材料组分变化即有效力场的贡献。 3，第三项为扩散电势差或丹倍(Dember)电势的贡献。
25
能量转换效率的热动力学限
光电转换效率η：在标准光强下电池的最大输出功率与输入光 功率P0之比值： V J F oc sc F (9-5) P 填充因子FF：电池的最大输出功率VmJm与开路电压和短路电 流密度乘积之比: J V
0
kT J sc Voc ln e Js
(9-4)
FF
23
带隙限定的太阳电池极限效率
AM0和AM1.5光谱下
电池极限效率存在一个极大值。存在一个最佳带隙宽度，使电 池极限效率达到最大。在AM0和AM1.5光谱下，由电池材料 带隙限制的极限效率分别为43.7％ 和49.1%。
24
异质半导体电池的Eg、电子亲合势χ、有效态密度NC和NV 、 电导率等都是位置x的函数。光照下异质结内的静电场E0 发生变化，开路条件下将电场差E－E0 对整个结构积分， 得出开路电压：
14
无光照和有光照时的能带图
pn结中，没有光照时在接触势垒的作用下pn结界面附近形 成了一个势垒区。接触势垒的高度 b 等于pn结形成之 前n区和p区的费米能级之差： b = eVbi = EFn − EFp (9-1) 式中e 为电子电荷，Vbi为pn结的内建电势。 电池的能量等于电子和空穴的准费米能级之差： eVoc = EFe − EFh (9-2)
2000-2100全球各种能源的发展趋势
其它 太阳能发热 太阳能发电 天然气 核能 水力 石油 煤炭 风力
生物
5
太阳光辐射
太阳是距地球最近的一颗恒星，其直径约139万公里。
太阳辐射的能量来源于太阳核心的热核聚变。 4个氢原子 聚变成 1个氦原子。对于“质子－质子”循环核聚变，反 应过程的质量亏损 Δm＝4mH－mHe，按照爱因斯坦质能 关系ΔE=ΔmC2 (C为光速) 计算，相当于25MeV的能量。 太阳核心每秒大约有700亿吨氢聚变成氦，每秒释放的能 量大约相当于3.9×1026焦耳。太阳表面温度约为5758K。 太阳光向四周外空间辐射穿越大约1.5亿公里 (太阳与地球 的平均距离) 后到达地球表面，在地表外层空间太阳光的 强度约为1366 W/m2。
In 1941, Charpin，Fuller and Pearson produced a Si cell at Bell Labs.
2
半导体pn结的光伏效应
半导体 pn结的光伏效应是指在光照下半导体pn结两端产生电 位差的现象。大多数太阳电池都是基于pn结的光伏效应。
3
太阳能电池:光伏电池
4
太阳从诞生至今大约已经过了 46亿年，估计太阳寿命至 少还有50亿年。
6
Solar PV map
Areas suitable for silicon and thin film PV
Areas suitable for concentrator PV
7
我国的太阳能资源分布
颜色 红 桔红 黄 浅蓝 深蓝
13
太阳能电池工作原理
半导体pn结光伏效应
半导体pn结的光伏效应是指在光照下半导体 pn结两 端产生电位差的现象。 当光能量大于Eg的光照射到半导体pn结上时，电子 跃迁产生电子-空穴对。如果这些光生的电子和空 穴扩散到pn结的势垒区，则在内建电场的作用下， 电子被扫向 n 区，空穴被扫向 p 区，从而在 n 区形 成电子的积累，在 p 区形成空穴的积累，在 pn 结 两端产生光电压，p端为正极，n端为负极。 在开路的情况下，pn结太阳电池两端的光电压为开 路电压Voc。在短路的情况下，电池的光电流为短 路电流 Isc 。当有负载时，太阳能电池就会有电功 率输出。
m m
J scVoc
(9-6)
16
有无光照时太阳能电池的J-V特性曲线
图中标明了Jsc、Voc和最大功率点VmJm
17
太阳光谱
AM0：1366.1W/m2，地球大气层外太阳光譜。 AM1.5D：1000W/m2，穿过1.5倍大气质量的太阳光譜。 大气层出现了H2O、O2、CO2等气体的吸收峰。 AM1.5G：768.3W/m2，到达地面的太阳光谱。 通常AM1.5指AM1.5G光谱，温度为25C 18
ThBiblioteka Carnot 1 Q1
Tc 300 1 95 % 5900 Th
W
W.H. Press, Nature 264, 735(1976).
Q2
Tc
Carnot 1
Tc 300 1 93% Th 3 4 4425
Heat engine
Shockley-Queisser limit for single junction cell,1961
缺点
成本高（每千瓦4万元，带蓄电池4－6万元）； 能量密度低（峰值辐射1KW/m2，满发电100瓦）； 发电时数低（每年满功率1500小时）； 不连续，受天气影响，存在储能问题。
9
太阳电池及组件分类
按材料分类
晶体硅光伏电池及组件 非晶硅薄膜光伏电池及组件 微晶硅薄膜光伏电池及组件 纳晶硅薄膜光伏电池及组件 硒光电池 化合物太阳电池:硫化镉、硒铟铜、 碲化镉、砷化镓光伏电池及组件 染料电池…….
Ta 1 Ts
(9-13)
4 Ta 1 Ta 1 3 Ts 3 Ts
(9-14)
利用 Ts 和Ta 同样的数据，得到 η ＝93.3％，即所谓 Andsberg 效率或技术极限效率。
22
太阳能电池的极限效率
太阳能电池由材料带隙宽度Eg决定的极限效率。开 路电压Voc必须小于pn结的内建电势，它们还要小 于带隙宽度Eg，即eVoc≤eVbi≤Eg，而由(9-6)式决定 Jsc/e。 如果光生电子-空穴对的几率小于1，则光生电子-空 穴对的数目小于能量大于Eg 的所有光子数Nph(Eg)。 带隙为Eg的材料的电池极限效率为： E g N ph ( E g ) (9-15) max I0 在AM0光谱下此极限效率对应的材料带隙宽度为 1.07eV。对于AM1.5光谱而言，此极限效率在1.01.4eV范围存在两个峰值，1.13eV和1.33eV，而且 前者相应的峰值略大。
21
太阳电池的极限效率
受热力学第二定律限制，太阳电池极限效率η应为：
其中Ts和Ta分别为太阳表面光球温度和电池表面温度。令Ts ＝ 6000K ， Ta ＝ 300K ，得到 η ＝ 95.0 ％，即所谓 Carnot (卡诺)效率。 考虑到太阳电池表面存在热辐射，得到太阳电池的极限效率 为: 4
10
太阳电池及组件分类
按结构分类
同质结光伏电池及组件 异质结光伏电池及组件 肖特基结光伏电池及组件 复合结光伏电池及组件 液结光伏电池及组件
按用途分类
空间光伏电池及组件 地面光伏电池及组件 光伏传感器
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太阳电池及组件分类
按使用分类
平板光伏电池及组件 聚光光伏电池及组件 分光光伏电池及组件
按封装分类
辐射等级 最好 好 一般 较差 很差
年辐射量（MJ/ m2） ≥ 6680 5850－6680 5000－5850 4200－5000 < 4200
日辐射量（KWh/m2） ≥ 5.1 4.5 – 5.1 3.8 – 4.5 3.2 – 3.8 < 3.2
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太阳能光伏发电的优缺点
优点
不受地域限制；安全可靠； 无噪声、无污染；不用水，不消耗燃料； 不需要架设远距离输电线路； 安装简单、方便，建设周期短； 分散建设，就地发电；便于分步实施。
(9-10) h c 1.24 g e Eg Eg 可见短路电流Jsc与少子扩散长度、少子寿命等都密切相关。
20
光伏参数与材料性质的关系
电池的开路电压Voc密切依赖于Jsc/Js的比值，反向饱和电流 密度 pn结两侧少子扩散长度范围内少子的复合率 0 0 Js主要由 p ( n p /e 和 n /h )决定： 0 n0 p p (9-11) J s e Le e n Lh e h 0 0 p 其中 n p 和 n 分别为p区的电子浓度和n区的空穴浓度, e和h 为p区的电子寿命和n区的空穴寿命。通常，太阳电池采用 n+p 或 p+n 结构，例如在 p 型硅 ( 掺杂浓度 NA) 衬底上扩散磷 形成n+p结，此时反向饱和电流密度近似表示为： Eg eLe (9-12) Js exp( ) 20 kT e N A x10 由此可见，Js和Voc在很大程度上取决于Eg，同时与少子寿命 密切相关。少子寿命依赖于太阳能电池中的各种复合机制， 如辐射复合、俄歇复合、通过复合中心的复合(ShockleyRead-Hall复合)等；同时，陷阱效应对少子寿命也起着重 要的作用。
刚性封装光伏电池及组件 半刚性封装光伏电池及组件 柔性衬底封装光伏电池及组件
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太阳能光伏发电的优缺点
优点
不受地域限制；安全可靠； 无噪声、无污染；不用水，不消耗燃料； 不需要架设远距离输电线路； 安装简单、方便，建设周期短； 分散建设，就地发电；便于分步实施。
缺点
成本高（每千瓦4万元，带蓄电池4－6万元）； 能量密度低（峰值辐射1KW/m2，满发电100瓦）； 发电时数低（每年满功率1500小时）； 不连续，受天气影响，存在储能问题。
Henry limit for multijunction cells,1980
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太阳能电池中的主要损耗机理
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Solar radiation