太阳能电池原理

性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的
小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。 硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。
单晶硅：
原子在整个晶体中排列有序
多晶硅：
原子在微米数量级排列有序
非晶硅：
原子在原子尺度上排列有序
短程序包含：
1、近邻原子的种类和数目； 2、近邻原子之间的距离（键长）； 3、近邻原子的几何方位（键角）；
c a3
k
j
i
b a2 a a1
原胞基矢： a1 ai , a2 aj , a3 ak a1 a2 a3
晶胞与原胞体积相等，包含一个格点。
晶胞基矢： a ai , b aj , c ak a b c
有时偏南，有时
偏北，形成季节 变化。
视运动：假定地球是静止的，太阳在围绕地球转动。
春 分 夏至 6.21
秋 分
3.21 冬至 12.22
9.23
1.8 日照数据
设计光伏系统时，理想的情况是掌握有该系统安装地日照情况的详细记录。
按接受太阳能辐射量的大小，全国大致可分为五类地区：
1）一类地区：
全年日照时数为3200～3300h，辐射量在（670 ～837）×104KJ/(cm2 × a)。相当于225 ～285Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、
5）五类地区：
全年日照时数为1000～1400h，辐射量在3350～4200MJ/m2 。相当于 115 ～140Kg标准煤燃烧所发出的热量。日辐射量为2.5 ～3.2KW· 2。主 h/m
要包括四川贵州两省。
实验
太阳高度角变化对楼距影响
原理：太阳至设点在南北回归线间有规律移动，引起正午太阳高度角 的季节变化；每天太阳东升西落，太阳的高度角也不尽相同。 要求：1.不同时刻太阳高度角的大小 太阳光线和地面的夹角 2.同一时刻不同日期太阳高度角的大小 3.楼距安排是否合理 测量方法及步骤： 1.测树的高度（如：立一根长1米的竿，测出影子1.3米，同时测作为参 照物的树影子长10.2米，运用等比三角形知识，求出树高7.9米）。 2.测量树在一天内不同时刻的影长变化（9：10、1：20、4：45）。
内容
1 2 3 4 太阳能电池和太阳光 半导体的特性 物理学基本方程 PN结二极管 5 6 7 8 效率测量 硅太阳电池工艺 硅电池工艺改进 硅电池的设计
第1章 太阳能电池和太阳光
1.1 引言
光能
太阳能电池利用半导体材料的电子特性，把阳光直接转换为电能。
太阳能电池分类
1.硅太阳能电池
单晶硅太阳电池：采用单晶硅 片制造制造，性能稳定，转换 效率高。目前转换效率已达到 16%--18%。
甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。
2）二类地区： 全年日照时数为3000～3200h，辐射量在（586 ～670）×104KJ/(cm2 × a)。相当于200～250Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西部、 山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新 疆南部等地。
3）三类地区： 全年日照时数为2200～3000h，辐射量在5850～6680MJ/m2 。日辐射量为 4.5 ～5.1KW· 2，相当于170 ～200Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包 h/m 括山东、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、 甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。 4）四类地区： 全年日照时数为1400～3300h，辐射量在（419～502）×104KJ/(cm2 × a)。相当于140 ～170Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括湖南、湖北、 广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、山西南部、江苏北部、安徽南部 以及黑龙江、台湾东北部等地。
楼高（米）
太阳最小高 理论最小楼 度角（度） 距（米）
第2章 半导体的特性
2.1 引言
自然界物质存在的状态分为液态、气态、固态。固态物质根据它们的 质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。 具有确定熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没 有确定的熔点，加热时在某以温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶 体，如玻璃、松香等。 晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同以规则作周期
1 太阳能电池的原理
耗尽区 P区 N区 P区 空间电荷区 N区
内建电场 当入射辐射作用在PN结区时，本征吸收产生光生电子与空穴在
内建电场的作用下做漂移运动，电子被内建电场拉到N区，空穴被拉
到P区。结果P区带正电，N区带负电，形成伏特电压。
光
I P N
将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P 区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。
的能隙为1.4eV，是单结电池中效 率最高的电池，但价格昂贵，且
砷有பைடு நூலகம்，所以极少使用。
多晶化合物太阳电池：主要有碲化镉太阳电池（如图） ，铜铟镓硒太阳电池等。 碲化镉太阳电池是最早发展的太阳电池之一，工艺过程简单，制造成本低，转换 效率超过16%，不过镉元素可能造成环境污染。铜铟镓硒太阳电池在基地上成绩 铜铟镓硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效 率接近20%，成品组件达到13%，是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。
黑体所发出的辐射的光谱分布由普朗克辐射定律决定。
M (T ) /(109 W m-2 Hz1 )
瑞利 - 金斯公式 6
4
2
0
**普朗克公式的理论曲线 * * * * * * * * 实验值 * T = 2 000 K * ** * * 14
1 2 3
/ 10 Hz
M0 W m3
2 太阳能电池的结构
P型电极 硼扩散层 P-N结 N型硅片 电极
1.2 太阳能电池发展概况
1.3 阳光的物理来源
太阳实质上是一个由其中心发生的核聚变反应所加热的气体球。 热物体发出电磁辐射，其波长或光谱分布由该物体的温度所决定。 例如：铁块燃烧时，温度升高过程：从看不出发光到暗红到橙色到 黄白色。
为5%--8%，最高效率达14.6%，
层叠的最高效率可达21.0%。
微晶硅太阳电池：在接近室温 的低温下制备，特别是使用大 量氢气稀释的硅烷，可以生成 晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜， 薄膜厚度一般在2---3μm，目前 转换效率为10%以上。
2.化合物太阳能电池
单晶化合物太阳电池：主要有砷
化镓太阳电池（如图）。砷化镓
聚光式光伏系统只能在一
定角度内接收太阳光。为了利 用太阳光的直接辐射分量，系
统必须随时跟踪太阳。
1.7 太阳的视运动
地球每天绕虚设的地轴自转一周。地球的自转平面相对于地球绕太阳公转的 轨道平面有固定的夹角，这个夹角称作黄赤夹角（23°27′）。
地球公转时 自转轴始终指向
地球的北极，这
就使得太阳光线 直射赤道的位置
太阳高度角增大，散射辐射增强。 大气透明系数增加，直接辐射减弱。 海拔高度升高，散射辐射增强。 纬度高，直接辐射增强。 天空一半有云，一半无云，散射辐射达到最大值。
当日照特别少的天气，大部分辐射是漫射辐射。 漫射阳光的光谱成分通常不同于直射阳光的光谱成分。一般而言，漫射阳光 中含有丰富的较短波长的光或“蓝”波长的光，这使太阳能电池系统接收到光的 光谱成分产生了变化。


nm
每条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。
太阳的核心温度高 达2×107K 光球层的温度为 6000K。在此温度 下与黑体辐射光谱 很接近。
1.4 太阳常数
在地球大气层之外，地球—-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向 的单位面积上的辐射功率基本上为一常数，这个辐射强度称为太阳常 数，或称此辐射为大气光学质量为零（AM0）的辐射。
45o
大气层 Earth
在无法知道θ值的情况下，如何估算大气光学质量AM？
s 2 AM 1 ） （ h
h
h：物体的高度 s：竖直物体投影的阴影长度
S
1.6 直接辐射和漫射辐射
到达地面的太阳光，除了直接由太阳辐射来的分量之外，还包括大气层散 射引起的相当可观的间接辐射或漫射辐射分量。
1.直接辐射
c
a a1 2
b
原胞基矢
a3
a
体心立方
a a1 (i j k ) 2 a a2 (i j k ) 2 a a3 (i j k ) 2 a1 a2 a3
在体心立方格子的晶胞中，以一个顶点作为原点，向近邻3个体心格 点作出3个基矢，由此3个基矢构成的平行六面体就是体心立方的原胞。
太阳常数 1.353kW/m2
6000K黑体
光谱辐照度(Wm-2m-1)
AM0辐射
AM0的辐射光谱分布 不同于理想黑体的光
谱分布。
AM1.5辐射 波长 (m)
1.5 地球表面的日照强度
阳光穿过地球大气层时至少衰减了30%。
造成衰减的原因： 1.瑞利散射或大气中的分子引起的散射。 2.悬浮微粒和灰尘引起的散射。 3.大气及其组成气体，特别是氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。
头顶正上方时，路程最短。实际路程和此最短路程之比称为大气光学 质量（AM）。 1.太阳在头顶正上方时，大气光学质量为1，这时的辐射称为大气光 学质量1（AM1）的辐射。 2.当太阳和头顶正上方成一个角度θ时，大气光学质量为：
AM=1/cos θ
例：当θ=60°时，AM=1/cos60=2
AM0 AM1.5 AM1
晶胞基矢： a ai , b aj , c ak a b c
c
a1
b
a2
原胞基矢
a3
面心立方
a
a a1 ( j k ) 2 a a2 (i k ) 2 a a3 (i j ) 2 a1 a2 a3
输入100% 臭氧
2% 20—40km
3%散射到太空
0.5% 1% 1.0% 4% 0.5% 1% 1.0%
高层尘埃
1% 15—25km
18%吸收
8%
大气分子
0—30km
水蒸汽
6% 0—3km
低层尘埃
1% 0—3km
1%
70%直达地表
7%散射到地表
决定总入射功率最重要的参数是光线通过大气层的路程。太阳在
单晶、多晶和非晶体原子排列
2.2 晶体结构和取向
构成晶体的最小重复单元为原胞，原胞包含有重现晶体中原子位置所需 的全部参数，但它们常具有比较特殊的形状。因此，讨论的时候采用较大的 单位晶胞，晶胞也包含以上参数，但形状简单。
晶胞基矢： a ai , b aj , c ak a b c
多晶硅太阳电池：作为原料的 高纯硅不是拉成单晶，而是熔
化后浇铸成正方形硅锭，然后
使用切割机切成薄片，再加工 成电池。由于硅片是由多个不 同大小、不同取向的晶粒构成， 因而转换效率低。目前转换效 率达到15%--17%。
多晶硅太阳电池生产流程
直拉法拉制单晶示意图及单晶炉
非晶硅太阳电池：一般采用高 频辉光放电等方法使硅烷气体 分解沉积而成。一般在P层与N 层之间加入较厚的I层。非晶硅 太阳电池的厚度不到1μm，不 足晶体硅太阳电池厚度的1/100， 降低制造成本。目前转换效率
太阳高度角增大，直接辐射增强。
大气透明系数增加，直接辐射增强。 海拔高度升高，直接辐射增强。
纬度高，直接辐射增强。
大气层
2.散射辐射
太阳辐射在大气中 遇到空气分子或微小的质点时，当这些质点的直径
小于组成太阳辐射的电磁波长时，太阳辐射中的一部分能量就以电磁波的
形式从该质点向四面八方传播出去。通过散射形式传播的能量称为散射辐 射。散射只改变辐射的传播方向，不吸收太阳辐射。波长越短，散射越强。 可见光中，紫光和蓝光波长最短，散射最强。
3.每天1：20测树的影长，记录数据。
一天内太阳高度角的变化
时间 影长（米） 高度角（度）
9：10
1：20 4：45
4月太阳高度角变化
日期 影长（米） 高度角（度）
10 11
12 13
4.对楼距的影响： 最佳楼距，当太阳高度角最小的时候，最底层也能够有阳光射入。
楼距测量
楼距（米）
一号楼～ 二号楼 二号楼～ 三号楼