第一章 太阳能电池和太阳光

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太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。 为了对不同地点测得的太阳能电池的性能比较，人们定义了地 球表面的光谱和功率强度的标准值。
地球表面的标准光谱称为AM1.5。 地球大气层外的标准光谱称为AM0，因为光没有穿过任何大 气。这个光谱通常被用来检测太空中太阳能电池的表现。
1.6 太阳视运动
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。
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大气效应
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大气光学质量
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大气光学质量（AM）定义为光穿过大气层路径的长度。当太 阳处在头顶正上方时，长度最短时，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。 大气光学质量量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃 吸收后的衰减程度。当太阳和头顶正上方成角度θ时，大气光 学质量为： 1 AM cos
“大气光学质量”描 绘了太阳光到达地面 前的路程与太阳处在 头顶处时的路程的比 值，也等于Y/X。
大气光学质量估算
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估算大气质量的一个最简单的方法就是，测量一个垂直立 着的标杆长度 h和它投影长度 s 。大气光学质量等于斜边的长 度除以标杆的高度h:
s AM 1 h
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地球表面的标准光谱
热物体发出电磁辐射，光谱或波 长由物体的温度有关。
光子的能量
光子的能量： E(J) hf hc /
h为普朗克常数，h 6.626 10 34 m 2 kg/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。
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能量的单位： 电子伏特（eV） 19
1eV 1.602 10
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。
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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
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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。 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。
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
2hc2 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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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，可以用蓄电池中储存起来，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。
太阳能电池的发展
1877年，Adams和Day研究了硒(Sekenium)的光伏效应。
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将铂作为电极被放置在透明硒的两端，只需光照就能使硒 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
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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% 。
温度 波长丰富 波峰移动 光照度增加
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)。
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：
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。 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
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太阳相对于地球上某一固定的观察者所作的运动称为视运动。 太阳视运动是由地球自转引起的，它改变着射入地球光线的 角度。从地面的一个固定位置来看，太阳横跨整个天空运动。
刻画地球上某固定地点的太阳高度角需要纬度、经度、一年中 的日期和一天中的时间。
太阳视运动对日照、太阳能电池收集的影响
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太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收集器件获得的能 量。 • 当太阳光垂直入射 (θ=0 °) 到吸收平面时，平面上的功率 强度等于入射光的功率强度Iin。 • 当平面与太阳光平行时(θ=90°) ，功率强度变为零。 • 对于0°和90°之间的角，它们相对的功率强度为Iincosθ， 其中θ为太阳光与器件平面法线之间的夹角。
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pn结
太阳能电池的发展
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:
大气效应，包括吸收和散射；
当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染； 纬度位置不同，使得一年中季节不同； 一天里时间的不同。
大气效应
大气效应在几个方面影响着地 球表面的太阳辐射。在光伏应用 领域其主要影响为： 由大气吸收、散射和反射引起 的太阳辐射能量的减少。 由于大气对某些波长的较为强 烈地吸收和散射而导致光谱含量 的变化。
I0
D
2
I sun
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 I sun 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
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太阳常数AM0
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地球大气层外的太阳辐射强度约为1.36 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。 在光伏应用中，太阳光强可看做是一个常数，成为太 阳常数。这个常数的值及其光谱已经被定为标准值，叫 作大气光学质量零辐射（optical air mass-zero radiation）， 记作AM0（书图1.3）。
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型太阳能电 池，转换效率超过20%。
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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1.2 太阳能电池发展概况
19世纪30年代 首先发现光伏效应
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20世纪50年代 第一个实用的光伏器件
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 . . .
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 照到覆有感光材料AgCl的电极上，会产生电流，这就是光伏 效应，当时他仅19岁。
第一章 太阳能电池和太阳光
南京理工大学 材料科学与工程学院
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内容
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
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1.1 引言
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太阳能
动物、植物 化石燃料 生物能 电能
风能
水能
太阳能电池工作原理：
光伏效应 (Photovoltaic effect )
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pn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 pn结。切割硅锭便可 制备太阳能电池。
物理常数
J
能量与波长 E(eV) 1.24 / 其中λ的单位为μm 的关系：
1.4 太阳常数---太阳光
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太阳是一个充满气体的热球
内核：核聚变反应
辐射
氢离子层：强烈吸收
热对流
光球层，温度6000K
辐射
地球
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：
2900 p μm T
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