第 1 章 太阳能电池和太阳光 [Compatibility Mode]

PN结内建电场方向：N→P 光生电场方向：P→N
太阳能电池的优缺点
优点： •取之不尽，用之不竭 •无污染 •免费取得，无运输费用 •安全 •适合太空等偏远地区 缺点： •面积大 •晚上无法发电，受云层等影响大 •转换为交流电将损失4%~12%的能量 •成本高
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1.2 太阳能电池发展概况
1839年，贝克勒尔首先发现光伏效应
1.5 地球表面的日照强度
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当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳定时，影响地球表 面辐射的主要因素是（穿过大气层衰减30%）:
（1）大气效应，包括吸收和散射； （2）当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染； （3）纬度位置不同，使得一年中季节不同； （4）一天里时间的不同。
大气效应
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能量的单位： 电子伏特（eV） 19
1eV 1 . 602 10
J
能量与波长 E ( eV ) 1240 / 其中λ的单位为 nm 的关系：
1.4 太阳常数---太阳光 太阳是一个充满气体的热球 内核：核聚变反应
辐射
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氢离子层：强烈吸收
热对流
光球层，温度6000K
辐射
low energy photons
太阳能电池技术
Solar Cell Technology
邓小龙
School of Physics and Technology University of Jinan
一、课程内容简介与教学目的
（一）太阳能电池技术是光信息科学与技术专业的选修课程，通 过本课程的学习使得生能够在掌握半导体材料的各项性质的基础 上，重点掌握太阳能电池基本工作原理和设计方面的基础知识， 使得学生对太阳能电池有全面的认识，为学生毕业后从事光电子、 电子材料及其相关学科的工作和学习奠定扎实的理论基础。本课 程系统地介绍了太阳能电池的基本工作原理和设计，主要包括以 下内容：一、概述了太阳光的性质、半导体材料的性质以及两者 间的相互作用；二、详细论述了太阳能电池设计中的重要因素、 现行的电池制造工艺及未来可能的工艺；三、论述太阳能系统的 应用，包括小型系统和未来可能实现的住户和中心电力系统。 （二）通过本课程的学习使学生掌握光电子及太阳能电池的半导 体材料和半导体物理的基本知识；掌握太阳能电池的工作原理以 及设计思想。
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太阳常数AM0
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太阳常数，也叫作大气光学质量零辐射（optical air mass-zero radiation），记作AM0（书图1.3）：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 率基本为一常数。 在光伏应用中，采用的太阳常数为：1.3661 kW/m2 地球以椭圆形轨道围绕太阳公转。由椭圆形轨道引起的改变 大概在3.4%左右，一月份时太阳光照度达到最大，最小时为 七月份。
1957年和1958年，苏联与 美国相继发射了第一颗人造 卫星。
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20世纪60年代，用在 人造卫星上的太阳能电 池都是采用类似的结构。 这样的结构沿用了10年 以上。
太阳能电池的发展
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1973 年，第一次石油危机后，太阳能应用转移到一般民用， 如手表、小型计算器。这些设备通常是利用太阳能给镍镉电 池充电。
硒制电池及氧化铜电池被应用在一些对光线敏感的仪器上， 如亮度计、照相机的曝光计等。但这些早期电池的太阳能转换 效率都在1%以下。
太阳能电池的发展
1941年Ohl展示了一种基于天然p-n结的光伏器件。 1946年Ohl研发出了硅制太阳能电池。
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硅铸锭中，杂质在熔 融时分离形成天然的 p-n结。切割硅锭便可 制备太阳能电池。
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1.1 引言
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太阳能
半导体材料
电能
太阳能电池
太阳能电池工作原理： 光伏效应 (Photovoltaic effect )
光伏效应
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光伏效应：光照使不均匀半导体不同部位之间产生电位差的现 象（PN结）。 太阳能电池工作原理：光能量转化为电能量。电池内形成电 压，如果将电池与一个负载连接起来，就会形成电流的回路。
太阳能电池的发展
目前商用的太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率不足25%。 中国尚德的电池片早在2012年3月12日就宣布通过采用其专 利Pluto(冥王星)技术已将多晶硅光伏电池的转换效率提升至 20.3%。现在应该更高了。 2013年中电光伏单晶电池转换率达到20.26%，刷新纪录。 2013年6月14日，日本太阳能电池龙头厂夏普(Sharp)宣布已 采用聚光三结化合物研发出转换效率高达44.4%的太阳能电池。
1974年Haynos在硅结晶面蚀刻出许多类似金字塔的几何形 状，可以有效地降低太阳光反射，转换效率达到17%。 1976年出现第一块多晶硅太阳能电池。
太阳能电池的发展
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1985 年，在太阳能电池表面做出微沟槽的 PESC( 钝化发射区 Passivation emitter solar cells)型太阳能电池，转换效率超过20%。
这是基于铜-氧化亚铜结的早期光电池的简单结构图。一圈 圈的铅线作为电极连接在电池接收光的表面。后来改为在表 面溅射金属层，然后移走一部分，形成由金属线构成的网格。
太阳能电池的发展
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1931年Bergmann提高了硒电池的质量，证明这个电池比CuCu2O电池更好。 1939年，Nix发明砣-硫化物光电池。下图展示了由硒、砣-硫 化物和Cu-Cu2O共同组成的电池。
施钰川 主编，《太阳能原理与技术》，西安交通大学出版社，2009年； 熊绍珍 等主编，《太阳电池基础与应用》，科学出版社，2009年； 钱伯章 主编，《太阳能技术与应用/新能源技术丛书》，科学出版社，2010年； 赵雨等 主编，《太阳能电池技术及应用》，中国铁道出版社，2013年。
五、教师联系方式及答疑要求
太阳能电池的发展
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1877年，Adams和Day研究了玻璃硒(Sekenium)的光伏效应。
将铂作为电极被放置在透明硒的两端，只需光照就能使玻 璃状的硒产生电流。这是首次全部利用固体来演示光电效应 的试验。他们认为光照射使得硒条的表面结晶化了。
太阳能电池的发展
1883年美国科学加Charles Fritts制造了第一个太阳能电 池。他用两种不同材料的金属板来压制融化的硒，硒与 其中一块板（如黄铜）紧紧黏住，并形成薄片。然后再 将金箔压在硒薄片的另一面，于是，历史第一块光伏器 件就制成了。这个薄膜器件大概有30cm2大，但能量转换 效率仅为1%。
早期太阳能电池 结构示意图
太阳能电池的发展
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1954年贝尔实验室的三位科学家发现，在硅中掺杂一些杂 质后，硅对光更加敏感。他们共同研制出了第一块现代太阳 能电池，转换效率达到 6% 。这是太阳能电池发展史上一个 重要里程碑，为人造卫星提供了可贵的能源。
利用扩散方式制备的 单晶硅p-n结
太阳能电池的发展
1.3 阳光的物理来源
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光是一种电磁波， 具有波粒二象性 波包：绝对的平面波是不
存在的。 波包可以看成是许多 不同平面波长的平波的叠加， 强度只在有限区域中不为零。
热物体发出电磁辐 射，光谱或波长与 物体的温度有关。
光子的能量
光子的能量： E(J) hf hc /
h为普朗克常数，h 6.6261034 m2kg/s f为频率，c为光速，λ为真空中的波长。 光的能量与波长成反比。
太阳光强
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太阳的表面辐射功率强度Isun相当于6000K（5762 K± 50K） 黑体的辐射强度，其总的功率等于Isun乘于太阳表面积4πR2， R为太阳的半径。 越远离太阳表面，太阳 总的功率强度就被扩散到 越大的表面。 随着太空中物体与太阳 距离D的增加，照射到表 面的太阳光强减小。 太阳光照射在距离D处的球面面积为4πD2 ，入射到物体 的光强为： R2
地球
Glass prism High energy photons
黑体与光照度
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许多常见的光源如太阳和白炽灯都是相似的黑体模型。 黑体： 一个黑体能够吸收所有入射到它表面的电磁波，并基 于温度的不同辐射出不同的电磁波。 黑体发射的电磁辐射的辐射功率F（光照度）与波长 光照度： 的关系公式由普朗克辐射定律给出：
太阳能电池的发展
1990年以后，太阳能电池发电与民用发电相结合。
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德国弗赖堡
澳大利亚东海岸 蒙塔古小岛
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太阳能电池的发展
中国是太阳能电池生产大国。2009年3月，中国宣布了太阳 能补贴计划。继美国之后，2012年9月，欧盟对中国发起光 伏反倾销。
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德国是世界上太阳能电池最普及的国家，其次是日本和美国。
Байду номын сангаас
I0
D
2
Isun
太阳光强
太阳光照射在距离D处的球面面积为4πD2 ，入射到物体 的光强为：
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R2 I 0 2 Isun D
不同行星的太阳光强
行星 水星 金星 地球 火星 木球 土星 天王星 海王星 距离（x109m）太阳光（W/m2） 57 8908.0 108 2481.3 150 1286.3 227 561.7 778 47.8 1426 14.2 2868 3.5 4497 1.4
2hc 2 F ( ) hc 5 exp 1 kT
式中，λ是光的波长，T分别为黑体的温度，k为玻尔兹曼常数。 F的单位为W/ (m2μm) ，W/m2指的是波长为λ（μm）光的光强 （功率密度）。
不同温度下，黑体的光照度与波长的关系
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温度 波长丰富 波峰移动 光照度增加
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他也是第一个认识到光伏器件有巨大潜力的人。他知道 光伏器件制作成本较低，并且如果不是马上使用产生的电 流，可以用蓄电池储存起来，或者传送到另外一个地方。
太阳能电池的发展
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1927年，人们研究在铜Cu表面生长氧化亚铜Cu2O层的光伏 效应时，发现了铜-氧化亚铜交界处的整流效应。提出了利用 金属铜及半导体氧化铜接合所形成的太阳能电池，促进了大 面积光电池的发展。
三、成绩考核
成绩考核由以下部分组成： （一）平时成绩：出勤及课堂表现（10%）、作业（10%）。 （二）期末考试成绩:闭卷（80%），采用百分制。 （三）最终成绩=平时成绩（20%）+期末考试成绩（80%）
四、教材及参考资料
（一）教材 Martin A.Green，《太阳能电池工作原理、技术和系统应用》， 上海交通大学出版社，2010年。 （二）参考资料
总的功率强度
黑体发出的总的功率强度（单位W/ m2）为：
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I F d T 4
0

式中σ为Stefan-Boltzmann常数，T为黑体温度(K)。 σ =5.67×10-8 W·m-2·K-4
峰值波长λp
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峰值波长λp是光照度最高时对应的波长。该波长的光辐射出 的能量最高。将光照度方程对λ进行求导，导数为零处的波长 就是峰值波长λp 。这就是Wien定律，对应方程为： 2900 p μm T
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20世纪50年代 第一个实用的光伏器件（硅电池） 60年代 应用于空间技术 70年代 石油危机推动光伏产业发展 80年代 发电效率不断提高（新工艺） . . .
太阳能电池发展概况
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法国物理学家Edmond Becquerel于1839首先观察到，把光线 照到浸在电解液中且覆有感光材料AgCl的电极上产生光致电 压，进而检测到电流，这就是光伏效应，当时他仅19岁。
邓小龙 电话：15806605615 邮箱：sps_dengxl@ujn.edu.cn; dengxiaolong84@aliyun.com 辅导、答疑安排: 周二19：00-20：00，7JB106。
第一章 太阳能电池和太阳光
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内容 (2学时)
1.1 引言 1.2 太阳能电池发展概况 1.3 阳光的物理来源 1.4 太阳常数 1.5 地球表面的日照强度 1.6太阳的视运动
二、课程要求及教学活动项目
（一）课程要求： 本课程要求学生不迟到、不早退、不旷课，请假需要有正 规假条；能够按照要求认真完成作业，严谨抄袭。本课程 偶尔会有一、两次讨论课(包括学生课程陈述)。课堂教学 中提倡学生积极参与，课前要认真预习。 （二）教学活动项目及学时分配： 本课程以理论教学为主（48学时,11章内容），将用大量 的学时讲授授课计划中的相关知识。同时辅助有实践教学 部分以及习题课，辅导答疑等。