太阳能光电转换西安交通大学
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可再生能源转化与利用
任课教师：李明涛，赵亮
1
可编辑版
2015.11.20
第四章 太阳能光电转换
第1节
第2节
第3节
第4节
第5节
2
可编辑版
概论 光电转换的理论基础 太阳能电池的基本特性 几种典型的太阳能电池 太阳能光伏系统
什么是太阳能光电转换？
太阳能光电转换是直接将太阳能转换为电能，实现转 换的主要部件是太阳能电池。
绝缘体电阻率： 1014 ~ 1020Ω·m 半导体电阻率： 10-4~107Ω·m
➢元素半导体—Si、Ge、Te等 ➢化合物半导体—GaN、GaAs、InP 、CdS、CdTe、 PbS等 ➢合金半导体—Si1-xGex、AlxGa1-xAs等 10 ➢有可机编辑半版导体—分子晶体、有机络合物、高分子材料
➢ 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力.
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十 MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ.
➢ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
11
可编辑版
半导体的内部结构和导电性
半导体的导电能力介于导体和非导体之间，其依靠电子空穴对导电，导电性能非常独特。
年份 区域 2002 中国 10 欧洲 135 日本 251 美国 120 其他 55 7 总计可编辑版 561
2003
10 193.4 363.9 103.2 83.8 744.3
2004
50 314 602 140 139 1195
2005
200 470 833 154 338 1795
2006 2007
独特
不同温度 不同强度的光 加入微量杂质
导电能力相差很大
这些独特的导电性是由其内部的微观物质结构所决定的。 下面以半导体硅为例来进行介绍。
12
可编辑版
半导体的内部结构和导电性
硅原子有14个电子，其最外层有4个电子，称为价电子， 在光生伏特效应中起重要作用。
价电子
原子核
13
可编辑版
硅的原子结构示意图
4
可编辑版
太阳能电池的发展历程
➢ 1980年 单晶硅太阳电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅
电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。
➢ 1990年 德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装
3~5kWp光伏电池。
➢ 1997年 日本“新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光伏电池。
太阳能电池也称光伏电池，它没有任何运动的机械部
件，在能量转换中具有重要的地位，被认为是“最优雅的
能量转换器”。
3
可编来自百度文库版
太阳能电池的发展历程
➢ 1839年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应” 。 ➢ 1883年 Charles Fritts 在锗半导体上覆上金层形成半导体异质结，成
功制备第一块太阳能电池，效率只有1% ➢ 1954年 美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳能电池，效率6%，为光
9
可编辑版
本节内容： ◆半导体的内部结构和导电性 ◆半导体禁带宽度和光学特性 ◆半导体的掺杂特性 ◆ p-n结 ◆太阳能电池的工作原理
半导体
室温下电阻率处于10-3~109Ω·cm范围内的材料，其电 子激发能隙处在0到大约3ev之间。或者说导电性介于 金属和绝缘体之间的一种材料。
金属电阻率： 10-8Ω·m
伏发电大规模应用奠定了基础；同年，首次发现了砷化镓有光伏效应 ，制成了第一块薄膜太阳电池。 ➢ 1958年 太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。 ➢ 1958年 我国开始了太阳能电池的研制工作，1971年首次发射了用太 阳能电池作为电池的人造卫星。 ➢ 1959年 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。 ➢ 1978年 美国建成100 kWp太阳地面光伏电站。
400 657 928 202 713 2500
1088 1062 920 266.1 1751.9 4000
第四章 太阳能光电转换
第1节 第2节 第3节 第4节 第5节
概论 光电转换的理论基础 太阳能电池的基本特性 几种典型的太阳能电池 太阳能光伏系统
8
可编辑版
光生伏特效应
光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。太阳光是由光 子组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳 能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就 可以产生电能。
达到与其他发电方式相当的水平。
5
可编辑版
太阳能电池的利用情况
日本、欧洲、 美国一直是 发展和利用 太阳能电池 的主要国家 和地区。
6
可编辑版
世界太阳能电池历年产量峰值（单位：MW）
太阳能电池的利用情况
新千年开始，世界其他国家和地区的太阳能电池产业发展
速度明显加快了。 2002-2007年世界太阳能电池产量峰值（单位：MW）
半导体一些重要特性，主要包括：
➢ 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降.
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%左右.
➢ 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力.
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm 降至0.2Ωcm以下.
子。共价电子挣脱束缚而成为
自由电子以后，便留下一个空
穴。通常把电子看成带负电的
载流子，把空穴看成带正电的
载流子。
由光照产生的载流子叫做光
生载流子。
15
可编辑版
电子-空穴示意图
半导体的内部结构和导电性
自由电子在电场或热运动作用下，可能遇到已经产生的空穴， 与空穴进行复合，从而使载流子消失。空穴载流子的不断产生 和消失，相当于空穴（正电荷）的移动。由于电子和空穴的移 动，就使半导体具有导电性。
半导体的内部结构和导电性
大量的硅原子通过价电子结合在一起，形成晶体。在晶体 中，每个硅原子通常和邻近的4个硅原子以共价键的形式分别共 享4个价电子。
14
可编辑版
硅晶体结构示意图
半导体的内部结构和导电性
在一定温度或强光的照射下，
由于热能或光能转化为电子的
动能，如果动能足够大，电子
就可以挣脱束缚而成为自由电
100万户，每户安装3~5kWp。
➢ 1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太
阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。
➢ 2010年，商业化单晶硅太阳能电池效率为18.3%，多晶硅15.8%
➢ 2010年，晶体硅电池的价格下降到2＄/Wp，电价达到11￠kW h；
预计2020年晶体硅电池价格下降到1＄/Wp，电价达到5.3￠kW h，
任课教师：李明涛，赵亮
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2015.11.20
第四章 太阳能光电转换
第1节
第2节
第3节
第4节
第5节
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概论 光电转换的理论基础 太阳能电池的基本特性 几种典型的太阳能电池 太阳能光伏系统
什么是太阳能光电转换？
太阳能光电转换是直接将太阳能转换为电能，实现转 换的主要部件是太阳能电池。
绝缘体电阻率： 1014 ~ 1020Ω·m 半导体电阻率： 10-4~107Ω·m
➢元素半导体—Si、Ge、Te等 ➢化合物半导体—GaN、GaAs、InP 、CdS、CdTe、 PbS等 ➢合金半导体—Si1-xGex、AlxGa1-xAs等 10 ➢有可机编辑半版导体—分子晶体、有机络合物、高分子材料
➢ 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力.
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十 MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ.
➢ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
11
可编辑版
半导体的内部结构和导电性
半导体的导电能力介于导体和非导体之间，其依靠电子空穴对导电，导电性能非常独特。
年份 区域 2002 中国 10 欧洲 135 日本 251 美国 120 其他 55 7 总计可编辑版 561
2003
10 193.4 363.9 103.2 83.8 744.3
2004
50 314 602 140 139 1195
2005
200 470 833 154 338 1795
2006 2007
独特
不同温度 不同强度的光 加入微量杂质
导电能力相差很大
这些独特的导电性是由其内部的微观物质结构所决定的。 下面以半导体硅为例来进行介绍。
12
可编辑版
半导体的内部结构和导电性
硅原子有14个电子，其最外层有4个电子，称为价电子， 在光生伏特效应中起重要作用。
价电子
原子核
13
可编辑版
硅的原子结构示意图
4
可编辑版
太阳能电池的发展历程
➢ 1980年 单晶硅太阳电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅
电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。
➢ 1990年 德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装
3~5kWp光伏电池。
➢ 1997年 日本“新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光伏电池。
太阳能电池也称光伏电池，它没有任何运动的机械部
件，在能量转换中具有重要的地位，被认为是“最优雅的
能量转换器”。
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可编来自百度文库版
太阳能电池的发展历程
➢ 1839年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应” 。 ➢ 1883年 Charles Fritts 在锗半导体上覆上金层形成半导体异质结，成
功制备第一块太阳能电池，效率只有1% ➢ 1954年 美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳能电池，效率6%，为光
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可编辑版
本节内容： ◆半导体的内部结构和导电性 ◆半导体禁带宽度和光学特性 ◆半导体的掺杂特性 ◆ p-n结 ◆太阳能电池的工作原理
半导体
室温下电阻率处于10-3~109Ω·cm范围内的材料，其电 子激发能隙处在0到大约3ev之间。或者说导电性介于 金属和绝缘体之间的一种材料。
金属电阻率： 10-8Ω·m
伏发电大规模应用奠定了基础；同年，首次发现了砷化镓有光伏效应 ，制成了第一块薄膜太阳电池。 ➢ 1958年 太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。 ➢ 1958年 我国开始了太阳能电池的研制工作，1971年首次发射了用太 阳能电池作为电池的人造卫星。 ➢ 1959年 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。 ➢ 1978年 美国建成100 kWp太阳地面光伏电站。
400 657 928 202 713 2500
1088 1062 920 266.1 1751.9 4000
第四章 太阳能光电转换
第1节 第2节 第3节 第4节 第5节
概论 光电转换的理论基础 太阳能电池的基本特性 几种典型的太阳能电池 太阳能光伏系统
8
可编辑版
光生伏特效应
光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。太阳光是由光 子组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳 能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就 可以产生电能。
达到与其他发电方式相当的水平。
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可编辑版
太阳能电池的利用情况
日本、欧洲、 美国一直是 发展和利用 太阳能电池 的主要国家 和地区。
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可编辑版
世界太阳能电池历年产量峰值（单位：MW）
太阳能电池的利用情况
新千年开始，世界其他国家和地区的太阳能电池产业发展
速度明显加快了。 2002-2007年世界太阳能电池产量峰值（单位：MW）
半导体一些重要特性，主要包括：
➢ 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降.
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%左右.
➢ 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力.
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm 降至0.2Ωcm以下.
子。共价电子挣脱束缚而成为
自由电子以后，便留下一个空
穴。通常把电子看成带负电的
载流子，把空穴看成带正电的
载流子。
由光照产生的载流子叫做光
生载流子。
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可编辑版
电子-空穴示意图
半导体的内部结构和导电性
自由电子在电场或热运动作用下，可能遇到已经产生的空穴， 与空穴进行复合，从而使载流子消失。空穴载流子的不断产生 和消失，相当于空穴（正电荷）的移动。由于电子和空穴的移 动，就使半导体具有导电性。
半导体的内部结构和导电性
大量的硅原子通过价电子结合在一起，形成晶体。在晶体 中，每个硅原子通常和邻近的4个硅原子以共价键的形式分别共 享4个价电子。
14
可编辑版
硅晶体结构示意图
半导体的内部结构和导电性
在一定温度或强光的照射下，
由于热能或光能转化为电子的
动能，如果动能足够大，电子
就可以挣脱束缚而成为自由电
100万户，每户安装3~5kWp。
➢ 1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太
阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。
➢ 2010年，商业化单晶硅太阳能电池效率为18.3%，多晶硅15.8%
➢ 2010年，晶体硅电池的价格下降到2＄/Wp，电价达到11￠kW h；
预计2020年晶体硅电池价格下降到1＄/Wp，电价达到5.3￠kW h，