第1章太阳能和光电转换PPT课件

光电技术研究历史：
早在1876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， 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20世纪中期转化效率仅有1%左右。1954年，美 国贝尔实验室的Chapin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6%左右，很快达到 10%，从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，CuS/CdS异质结太 阳电池也被开发，成为薄膜太阳电池研究的基础。
1973年由于中东战争引起的“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 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。
20世纪70年代以来世界各国政府都加大了对太阳能Байду номын сангаас电 研究和开发的投入，重点扶持本国的太阳能光伏工业。
由于地球绕太阳公转的轨道呈椭圆形，离太阳的最远距离 和最近距离分别为1.52×108km 和1.47×108km，平均距离 为1.49×108km。由于距离的变化，夏天6月份（距离太阳最 远）地面接收的平均能量为12月份（距离太阳最近）的94%， 差别不是很大，可以认为太阳在大气层外的辐射强度是不变的。
第一章 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。
太阳能的辐射和吸收
能量的来源： 太阳的辐射
太阳生成的巨大能量不断向宇宙辐射： 辐射能的总量：3.6×1820MW/s， 其中约22亿分之一辐射到地球上， 经过大气层的反射、散射和吸收，约70%（每年 1.8×1018kW.h）到达地面，能量巨大，等于1.3×106亿吨标 准煤，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600亿年， 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 洁能源。
但是除了由于地球围绕太阳公转的原因之外，地球的自转， 气候条件（如云层厚度）和大气层成分等都能对辐射到地球表 面的太阳能能量产生影响，因此，在具体某个地区的地面接收 到的太阳能在不同的季节和不同的气候条件下是不同的。
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70%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。
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和 悬浮物的散射等。
在太阳光入射角与地面成夹角θ时，大气质量为
AM = 1/cosθ
当θ=48.2度时，大气质量为AM1.5，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1kW/m2，常用于 太阳电池和组件效率测试时的标准。
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。从广义上讲，风能，水能和 矿物燃料等也都来源于太阳能。 光化学转换：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 光合作用。 太阳能光热转换：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 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：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 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 网发电等领域。
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： 一 没有使用矿物燃料时产生的有害废渣和气体，不污染环 境； 二 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； 三 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要 方向之一。
反射
入射
散射
透射
吸收
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1353W/m2。
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 mass）。大气质量为零的状态（AM0），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 用场合；
大气质量为1的状态（AM1），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925W/m2，相当于晴朗夏 日在海平面上所承受的太阳光。
20世纪90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 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 阳电池的价格已经接近1.5元/（KW·h）。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（如水力， 火力和核能）的发电成本，至少是后者的2倍以上。
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1000倍 以上，仅用于对成本不敏感的太空卫星和航天器上。
1958年美国发射的卫星首次使用了太阳电池；1958年5 月前苏联在人造卫星上安装了太阳电池；1971年我国发射 的第二颗人造卫星也使用了太阳电池。
20世纪50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。
太阳光的波长不是单一的，其范围是10pm-10km， 但97%以上的太阳辐射能的波长位于0.29～3.0范围内， 相对波长较短，属于短波长辐射。书上图1.2所示为太阳 光辐射的波长分布图。由图中可知，由于大气中不同成分 气体的作用，在AM1.5时，相当一部分波长的太阳光已被 散射和吸收。其中，臭氧层对紫外线的吸收最为强烈；水 蒸气对能量的吸收量大，约20%被大气层吸收的太阳能是 由于水蒸气的作用；而灰尘既能吸收也能反射太阳光。