第一章 太陽能電池緒論

太陽能電池徐征北京交通大學理學院太陽能研究所發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點實驗室一太陽能利用的

意義及背景1.1太陽能是化石能源的主要替代能源之一1.2太陽能是人類可利用的最直接的清潔能源之一1.3資源豐富的太陽能輻射1.4太陽能開發(fā)潛力

世界能源現(xiàn)狀及展望1、世界能源形式緊迫，是世界10大焦點問題（能源、水、食物、環(huán)境、貧窮、恐怖主義和戰(zhàn)爭、疾病、教育、民主和人口）之首。

1.1太陽能是化石能源的主要替代能源之一世界能源現(xiàn)狀及展望1、世界能源形式緊迫，是世界10大焦點問題（能源、水、食物、環(huán)境、貧窮、恐怖主義和戰(zhàn)爭、疾病、教育、民主和人口）之首。

不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭每年排放的二氧化碳達210萬噸化石能源開采高峰2020~2030年煤其他世界的能源結(jié)構(gòu)石油天然氣其他煤傳統(tǒng)化石能源

二十一世紀，人類將面臨經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，能源和環(huán)境問題將成為人類面臨的兩大主要問題。目前全球能源的主體是化石燃料，它占全球能源供應(yīng)量的80%以上，并且其消耗量正在無情的迅速增加。今天全世界越來越認識到這種狀況是不可持續(xù)的。首先，化石能源是地質(zhì)年代的產(chǎn)物，資源會越用越少，總有一天會枯竭。其次，化石能源釋放出大量的二氧化碳，會帶來越來越嚴重的溫室效應(yīng)和大氣污染。由此可以看出，今后的發(fā)展方向必須是發(fā)展替代化石能源的新能源。世界能源現(xiàn)狀及展望2、全球人口2006年是65億，能源需求折合成裝機是14.5TW，每日能耗220×106BOE；到2050年全世界人口大概要達到100億，按照每人每年GDP增長1.6%,GDP單位能耗按照每年減少1％，則能源需求裝機將是大約30-60TW，屆時主要要靠可再生能源來解決。

注：1TW＝1012W，世界能源現(xiàn)狀及展望3、世界上潛在水能資源4.6TW，經(jīng)濟可開采資源只有0.9TW；風能實際可開發(fā)資源2-4TW；生物質(zhì)能3TW（加起來總共8TW）。只有太陽能是唯一能夠保證人類未來需求的能量來源，其潛在資源120000TW，實際可開采資源高達600TW。因此，就能源替代戰(zhàn)略而言，太陽能（包括光伏和太陽能集熱器）將會是第一替代能源。

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注：tcemeanstonofstandardcoalequivalent

1.2太陽能是人類可利用的最直接的清潔能源之一

石油帶給人類文明的同時制造了污染！太陽能可以直接利用，基本上沒有污染物排放，清潔干凈。(g碳／(kW．h))這些數(shù)據(jù)是以各種發(fā)電方式所用的原料和燃燒的開采和運輸、發(fā)電設(shè)備的制造、電源網(wǎng)架的建設(shè)、電源的運行發(fā)電以及維護保養(yǎng)和廢棄物排放與處理所有循環(huán)中消費的能源，按照各種發(fā)電方式在壽命期間的發(fā)電量計算得出的。

1.3資源豐富的太陽能輻射地球所接受到的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十億分之一，但卻是地球大氣運動的主要能量源泉。我國太陽能資源分布我國是太陽能資源豐富的國家之一全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000小時。我國將上圖中日照輻射強度超過9250MJ/m2

的西藏西部地區(qū)以外的地區(qū)分為五類：一類地區(qū)：全年日照時數(shù)為3200～3300小時，年輻射量在7550～9250MJ/m2(2097～

2569kWh/m2)相當于225～285kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地。我國太陽能資源分布二類地區(qū)：全年日照時數(shù)為3000～3200小時，輻射量在5850～7550MJ/m2(1625～

2097kWh/m2)相當于200～225kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。此區(qū)為我國太陽能資源較豐富區(qū)。三類地區(qū)：全年日照時數(shù)為2200～3000小時，輻射量在5000～5850MJ/m2(1389～

1625kWh/m2)相當于170～200kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇中北部和安徽北部等地。四類地區(qū)：全年日照時數(shù)為1400～2200小時輻射量在4150～5000MJ/m2(1153～

1389kWh/m2)相當于140～170kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要是長江中下游、福建、浙江和廣東的一部分地區(qū)，春夏多陰雨，秋冬季太陽能資源還可以。五類地區(qū)：全年日照時數(shù)約1000～1400小時，輻射量在3350～4150MJ/m2(930～

1153kWh/m2)相當于115～140kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括四川、貴州兩省。此區(qū)是我國太陽能資源最少的地區(qū)。一、二、三類地區(qū)，年日照時數(shù)不小于2200h，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國總面積的2／3以上，具有利用太陽能的良好條件。四、五類地區(qū)雖然太陽能資源條件較差，但仍有一定的利用價值。我國太陽能資源分布中國西部9省太陽輻射資源統(tǒng)計中國西部9省太陽能資源統(tǒng)計省全省年最高總輻射量（MJ/m2)全省年最低總輻射量（MJ/m2)省會水平面年總輻射量（MJ/m2)省會水平面年利用小時數(shù)（小時）方陣傾角（度）省會傾斜面年總輻射量（MJ/m2)省會傾斜面年利用小時數(shù)

（小時）新疆6342.315304.845304.841473.57456100.561694.601西藏7910.656088.597885.992190.55308832.312453.418內(nèi)蒙古6195.185658.476041.351678.15456947.561929.877青海6951.766142.936142.931706.37407064.371962.324甘肅6458.525442.785442.781511.88406259.191738.665寧夏5944.85944.85944.81651.33426658.171849.492山西5868.35513.845513.841531.62406340.911761.365陜西4730.514730.514730.511314.03405440.081511.134云南6156.724848.385182.781439.66285597.41554.835平均6284.315519.465798.871610.806582.281828.41

中國東南沿海17省市太陽輻射資源統(tǒng)計省全省年最高總輻射量（MJ/m2)

全省年最低總輻射量（MJ/m2)

省會水平面年總輻射量（MJ/m2)

省會水平面年利用小時數(shù)（小時）方陣傾角（度）省會傾斜面年總輻射量（MJ/m2)

省會傾斜面年利用小時數(shù)（小時）黑龍江

4683.69

4442.92

4683.69

1301.03

50

5386.24

1496.179

河北

5008.89

5008.89

5008.89

1391.36

42

5609.96

1558.323

廣西

4595.91

4294.11

4595.91

1276.64

25

4963.58

1378.773

吉林

5034.39

4640.64

5034.39

1398.44

45

5789.55

1608.209

廣東

5161.46

4478.03

4478.03

1243.90

25

4836.28

1343.41

湖北

4312.92

4047.91

4312.92

1198.03

35

4959.86

1377.74

山東

5123.01

4761.44

5123.01

1423.06

40

5891.46

1636.516

河南

5095

4764.36

4764.36

1323.43

40

5479.02

1521.95

遼寧

5068.67

4903.14

5067.41

1407.61

45

5827.53

1618.757

江西

5045.26

4630.6

4832.08

1342.24

30

5218.65

1449.624

江蘇

4855.49

4855.49

4855.49

1348.75

35

5341.04

1483.621

福建

4410.74

4410.74

4410.74

1225.21

30

4763.59

1323.221

浙江

4751.82

4314.6

4314.6

1198.50

35

4746.06

1318.349

海南

5125.1

5125.1

5125.1

1423.64

25

5381.35

1494.82

北京

5620.01

5620.01

5620.01

1561.11

42

6294.41

1748.448

天津

5260.11

5260.11

5260.11

1461.14

42

5891.33

1636.479

上海

4729.25

4729.25

4729.25

1313.68

35

5202.18

1445.049

平均

4985.16

4872.12

4912.75

1364.65

5407.35

1502.04

省全省年最高總輻射量（MJ/m2)

全省年最低總輻射量（MJ/m2)

省會水平面年總輻射量（MJ/m2)

省會水平面年利用小時數(shù)（小時）方陣傾角（度）

省會傾斜面年總輻射量（MJ/m2)

省會傾斜面年利用小時數(shù)（小時）湖南

4212.60

4212.60

4212.60

1170.17

30

4633.86

1287.19

安徽

3792.51

3792.51

3792.51

1053.48

35

4361.39

1211.50

四川

4229.74

3486.96

3792.51

1053.48

35

4247.62

1179.89

貴州

4672.40

3471.07

3797.95

1054.99

30

4101.78

1139.38

平均

4226.81

3740.79

3898.89

1083.03

4336.16

1204.49

中國最差4省太陽輻射資源統(tǒng)計全國平均不同發(fā)電系統(tǒng)的年利用小時數(shù)不同地區(qū)水平面年太陽輻射（kWh/m2)

傾斜面年太陽輻射（kWh/m2)

獨立光伏電站有效利用時數(shù)建筑并網(wǎng)系統(tǒng)有效利用時數(shù)開闊地并網(wǎng)系統(tǒng)有效利用時數(shù)西北地區(qū)

1610.80

1828.41

1250

1450

1540

東南沿海

1364.65

1502.04

1000

1200

1250

全國平均

1487.73

1665.23

1100

1250

1350

獨立光伏電站效率：60-65%；建筑并網(wǎng)光伏發(fā)電效率：70-75%；大型并網(wǎng)光伏電站效率：75-80%。

1.4太陽能開發(fā)潛力利用太陽能的方法主要有：使用太陽能電池，通過光伏轉(zhuǎn)換把太陽光中包含的能量轉(zhuǎn)化為電能使用太陽能熱水器，利用太陽光的熱量把水加熱利用太陽光的熱量加熱水，并利用熱水發(fā)電通過機械及硬件設(shè)備來收集及傳送太陽能的熱量，以供應(yīng)暖氣設(shè)備。可分為主動式太陽能加熱系統(tǒng)及被動式太陽能加熱系統(tǒng)[1]

利用太陽能的熱量來驅(qū)動斯特林發(fā)動機

利用太陽能加熱鹽類，再用鹽類儲存的熱量發(fā)電（在夜間仍會繼續(xù)發(fā)電）集中太陽能于定點制造龍卷風，利用龍卷風來做高效能的風力發(fā)電

利用太陽能進行海水淡化

太空太陽能轉(zhuǎn)換電能儲存，輸送到地面電能接收站，訊號接收站根據(jù)環(huán)境與環(huán)境太陽日照的長短強弱，可移動式和固定式太陽能利用網(wǎng)太陽能運輸（汽車、船、飛機...等）、太陽能公共設(shè)施（路燈、紅綠燈、招牌...等）、建筑整合太陽能（房屋、廠房、電廠、水廠...等）太陽能裝置，例如：太陽能熱水器、太陽能計算機、太陽能背包、太陽能臺燈、太陽能手電筒...等各式太陽能應(yīng)用與裝置日本光伏屋頂大唐武威太陽能電站騰格里沙漠邊緣的武威市全國第一個荒漠化太陽能并網(wǎng)發(fā)電項目內(nèi)蒙古”烏海2WM電站”的設(shè)計與安裝運行將成為國內(nèi)首個即能發(fā)電，又能有效改善荒漠環(huán)境，恢復(fù)荒漠植被的項目，為今后荒漠地區(qū)治理提供了新經(jīng)驗。太空太陽能電站太空太陽能電站

太陽概況

太陽是距離地球最近的恒星，是太陽系的中心天體。太陽系質(zhì)量的99.87%都集中在太陽。太陽系中的八大行星、小行星、流星、彗星、外海王星天體以及星際塵埃等，都圍繞著太陽運行（公轉(zhuǎn)）。補充內(nèi)容：直徑：1392000公里（地球直徑的109倍）體積：1.412×10^27立方米（地球的130萬倍）質(zhì)量：1.989×10^30千克（地球的332946倍）溫度：約6000K(表面)，1560萬K(核心)，5百萬K（日冕）平均密度：1.409克/立方厘米太陽年齡：約4.57×10^9年總輻射功率：3.86×10^26瓦特（焦耳/秒）太陽表面重力加速度＝2.74×10^2米／秒^2(為地球表面重力加速度的27.9倍)太陽表面脫離速度＝618公里／秒地球附近太陽風的速度：

450公里／秒太陽運動速度＝19.7公里／秒日地距離

日地平均距離

(1天文單位)=1.49597870×10^11米（1億5千萬公里）日地最遠距離＝1.5210×10^11米日地最近距離＝1.4710×10^11米結(jié)構(gòu)

太陽只是一顆非常普通的恒星，在繁星世界里，太陽的亮度、大小和物質(zhì)密度都處于中等水平。只是因為它離地球較近，所以看上去是天空中最大最亮的天體。其它恒星離我們都非常遙遠，即使是最近的恒星，也比太陽遠27萬倍，看上去只是一個閃爍的光點。

組成太陽的物質(zhì)大多是些普通的氣體，其中氫約占71.3％、氦約占27％，其它元素占2％。太陽從中心向外可分為核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)和對流區(qū)、太陽大氣。太陽的大氣層，像地球的大氣層一樣，可按不同的高度和不同的性質(zhì)分成各個圈層，即從內(nèi)向外分為光球、色球和日冕三層。我們平常看到的太陽表面，是太陽大氣的最底層，溫度約是6000℃。構(gòu)造太陽的內(nèi)部主要可以分為三層：核心區(qū)、輻射區(qū)和對流區(qū)。

太陽光

地球上除原子能和火山、地震、潮汐以外，太陽能是一切能量的總源泉。

太陽在每分鐘發(fā)出的總能量，這個能量約為每分鐘2.273×10^28焦,太陽每秒輻射到太空的熱量相當于一億億噸煤炭完全燃燒產(chǎn)生熱量的總和，相當于一個具有5200萬億億馬力的發(fā)動機的功率。

太陽表面每平方米面積就相當于一個85000馬力的動力站。而地球上僅接收到這些能量的22億分之一。太陽每年送給地球的能量相當于100億億度電的能量。太陽能取之不盡，用之不竭，又無污染，是最理想的能源。地球大氣上界的太陽輻射光譜的99％以上在波長0.15～4.0微米之間。大約50％的太陽輻射能量在可見光譜區(qū)（波長0.4～0.76微米），7％在紫外光譜區(qū)（波長<0.4微米），43％在紅外光譜區(qū)（波長>0.76微米），最大能量在波長0.475微米處。。

太陽能在我們?nèi)种膰辽?年輻射量超過60萬焦耳/平方厘米,每年地表吸收的太陽能大約相當于17萬億噸標準煤的能量。（中國煤炭的總儲量為約6000億噸）換句話說每年地表吸收的太陽能可以相當于280多倍中國的煤炭總儲量。太陽每年通過大氣向地球輸送的能量高達3×1024焦耳，這種免費潔凈的能源是地球發(fā)展的可靠保證。據(jù)統(tǒng)計地球上人類一年的能源總需求達到約4.363×1020焦耳，也就是說如果我們可以收集其中的萬分之一到萬分之二就足夠我們的需求了。第一、太陽能是永不枯竭且無污染的能源。太陽能具有儲量的無限性。太陽每秒釋放的能量是1.6×1023KW，一年內(nèi)到達地球表面的太陽能總量折合標準煤大約1.89×1013千億噸，是目前世界主要能源探明總量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的無限性。他的利用可以為開發(fā)宇宙空間提供連續(xù)不斷的能源。第二、太陽能的存在具有普遍性，可就地取用。總結(jié)：

第三、太陽能是一種清潔能源并且利用起來很經(jīng)濟。利用太陽電池可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在提供電力的同時不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，特別是太陽電池在使用中不釋放任何有害氣體，對于改善生態(tài)環(huán)境具有重大的意義。并且系統(tǒng)簡單、維護方便。因此，太陽能發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用時，能夠解決目前地面能源面臨的礦物燃料資源減少和環(huán)境污染的問題，經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。太陽電池有望成為二十一世紀的重要新能源。<1>太陽能電池的基本概念光伏效應(yīng)

太陽電池的物理基礎(chǔ)是光伏效應(yīng)：當太陽光或其他光照射到太陽電池上的時候，電池吸收光能，產(chǎn)生電子-孔穴對，在電池內(nèi)建電場的作用下光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓，這就是光生伏特效應(yīng)。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負載，于是負載中就有電流，從而獲得輸出功率，這樣太陽能就轉(zhuǎn)化成了電能。二太陽能電池概述二太陽能電池概述太陽電池成品p-n結(jié)“光生載流子”

的產(chǎn)生光子把電子從價帶（束縛）激發(fā)到導帶（自由），并在價帶內(nèi)留下一個/空穴（自由）－產(chǎn)生了自由電子－空穴對“光生電壓”的產(chǎn)生自由電子和空穴擴散進入p-n結(jié)，n-p結(jié)作用下，分別在n區(qū)和p區(qū)形成電子和空穴的積累太陽電池“生光電流”的產(chǎn)生－得到電能

1839年，貝克里爾（Becqurel）發(fā)現(xiàn)了作為太陽電池的基本工作原理的光伏效應(yīng)。1883年，弗里茲（Fritts）描述了第一個用硒制作的光生伏特電池，但一直到二十世紀初，雖經(jīng)各種努力，硒只能將太陽光的1%左右的能量轉(zhuǎn)化為電能。1941年，制作出了第一個硅p-n結(jié)光伏器件。1954年，在上述基礎(chǔ)上，美國貝爾實驗室制造出了第一個硅擴散p-n結(jié)太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率達到了10%。1958年美國Vanguard一號首次裝上了太陽電池。從此開始了研究、利用太陽能發(fā)電的新階段。<2>太陽能電池的發(fā)展歷程在二十世紀八十年代以前，由于其發(fā)電成本過高，光伏發(fā)電主要在航天，通訊，導航等領(lǐng)域作為補充能源。1973年出現(xiàn)了“能源危機”，人們意識到不能長期依賴傳統(tǒng)的能源。于是太陽電池的地面應(yīng)用被提上了日程。美國，日本，歐洲等國家先后制定了地面太陽電池計劃。太陽電池已有50年的歷史，他雖有一系列的優(yōu)點，但發(fā)展至今，年產(chǎn)量與世界能源需求量相差甚遠。制約太陽電池發(fā)展的因素很多，諸如，接受面積問題，產(chǎn)生能量與負載匹配問題，電池材料的資源問題，發(fā)電成本問題等。但成本問題是制約太陽電池發(fā)展的瓶頸。要想真正是太陽成為替代能源，太陽電池的發(fā)電成本必須接近常規(guī)發(fā)電的成本。因此，在技術(shù)上實現(xiàn)突破和創(chuàng)新，發(fā)展廉價高效的太陽電池，是擺在我們面前的一項迫切的任務(wù)。我國在1958年開始研究太陽電池，并于1971年應(yīng)用于衛(wèi)星上，太陽電池的地面應(yīng)用在我國始于1973年。我國太陽電池的產(chǎn)量只占世界產(chǎn)量的1%左右，這與我國遼闊的領(lǐng)域和日益廣泛的光伏應(yīng)用是極不相稱的，根據(jù)中國能源研究會預(yù)測，按生態(tài)發(fā)展模式，2050年中國的可再生能源達到30.7%，其中太陽能占10%，因此，太陽能光電技術(shù)在我國具有非常廣泛的發(fā)展空間。近年來我國太陽電池的發(fā)展方向是改善太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，質(zhì)量穩(wěn)定性，價格等，使之逐步具備了國際競爭力。經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，太陽電池已從最初的單晶硅電池發(fā)展到今天的多晶硅、非晶硅、化合物半導體太陽電池、薄膜太陽電池、聚合物太陽電池及化學太陽電池等等。太陽電池分類(材料分類)

單晶硅太陽電池晶體硅太陽電池

多晶硅太陽電池

(CrystalSiliconSolarCell)

帶狀硅太陽電池

按基體材料分類BasedonMaterials非晶硅太陽電微晶硅薄膜太陽電池

多晶硅薄膜太陽電池

納米晶硅薄膜太陽電池

硅薄膜太陽電池

SiliconThinFilm硒光電池硫化鎘太陽電池硒銦銅太陽電池碲化鎘太陽電池砷化鎵太陽電池磷化銦太陽電池

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