太陽能原理與技術(shù)課件

太陽能原理與技術(shù)課程內(nèi)容太陽能技術(shù)基本原理晶體太陽能電池薄膜太陽能電池有機太陽能電池太陽能電池新技術(shù)思考新能源的總類太陽能的原理太陽能的問題不同太陽能技術(shù)效率-時間曲線4(CourtesyofSarahKurtz,NREL)第1章太陽能電池和太陽光太陽能電池利用半導(dǎo)體材料的電子特性，把陽光直接轉(zhuǎn)換為電能。光能一、太陽能分類太陽能電池分類

太陽電池分類按照基體材料分類：

晶硅太陽電池，包括：單晶硅和多晶硅太陽電池非晶硅太陽電池薄膜太陽電池化合物太陽電池，包括：砷化鎵電池；硫化鎘電池；碲化鎘電池；硒銦銅電池等有機半導(dǎo)體太陽電池1.硅太陽能電池單晶硅太陽電池：采用單晶硅片制造制造，性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高。目前轉(zhuǎn)換效率已達到16%--18%。多晶硅太陽電池：作為原料的高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形硅錠，然后使用切割機切成薄片，再加工成電池。由于硅片是由多個不同大小、不同取向的晶粒構(gòu)成，因而轉(zhuǎn)換效率低。目前轉(zhuǎn)換效率達到15%--17%。多晶硅太陽電池生產(chǎn)流程非晶硅太陽電池：一般采用高頻輝光放電等方法使硅烷氣體分解沉積而成。一般在P層與N層之間加入較厚的I層。非晶硅太陽電池的厚度不到1μm，不足晶體硅太陽電池厚度的1/100，降低制造成本。目前轉(zhuǎn)換效率為5%--8%，最高效率達14.6%，層疊的最高效率可達21.0%。微晶硅太陽電池：在接近室溫的低溫下制備，特別是使用大量氫氣稀釋的硅烷，可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2---3μm，目前轉(zhuǎn)換效率為10%以上。2.化合物太陽能電池單晶化合物太陽電池：主要有砷化鎵太陽電池（如圖）。砷化鎵的能隙為1.4eV，是單結(jié)電池中效率最高的電池，但價格昂貴，且砷有毒，所以極少使用。多晶化合物太陽電池：主要有碲化鎘太陽電池（如圖），銅銦鎵硒太陽電池等。碲化鎘太陽電池是最早發(fā)展的太陽電池之一，工藝過程簡單，制造成本低，轉(zhuǎn)換效率超過16%，不過鎘元素可能造成環(huán)境污染。銅銦鎵硒太陽電池在基地上成績銅銦鎵硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不銹鋼作為柔性襯底。實驗室最高效率接近20%，成品組件達到13%，是目前薄膜電池中效率最高的電池之一。3.有機光電子材料低價、溶液工藝機械柔韌性強輕便/2008/02/080206154631-large.jpg/prfiles/2009/10/04/167139/FlexibleOrganicElectronicsdisplay.jpg光伏技術(shù)有機光伏（OPV）襯底及材料便宜易于量產(chǎn)，易安裝柔韌性好效率低:~10%無機工藝設(shè)備昂貴安裝成本高效率:>30%(c-Si),10-20%(thinfilm)ImagecourtesyofKonarka,Inc.小分子OPV的特點吸收強度高易于提純顏色多樣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高無毒小分子OPV對小分子有源層，靠提純可以明顯增效二、太陽能電池的原理主要半導(dǎo)體材料★

IV族半導(dǎo)體材料

----硅Si，鍺Ge★

III-V族化合物半導(dǎo)體材料

---GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsP★

II-VI族化合物半導(dǎo)體材料

----GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe背景補充1一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。純度：99.9999999%，“九個9”它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導(dǎo)體Si+14284Ge+3228184+4本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵共價鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子價帶導(dǎo)帶掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子價帶中留下的空位稱為空穴禁帶EG外電場E自由電子定向移動形成電子流束縛電子填補空穴的定向移動形成空穴流本征半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體中有兩種載流子—自由電子和空穴它們是成對出現(xiàn)的2.在外電場的作用下，產(chǎn)生電流—電子流和空穴流電子流自由電子作定向運動形成的與外電場方向相反自由電子始終在導(dǎo)帶內(nèi)運動空穴流價電子遞補空穴形成的與外電場方向相同始終在價帶內(nèi)運動由此我們可以看出：本征半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶禁帶EG能帶結(jié)構(gòu)自由電子價電子與空穴費米能級Ef本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高摻入的三價元素如B、Al、In等，形成P型半導(dǎo)體，也稱空穴型半導(dǎo)體摻入的五價元素如P、Se等，形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶+++++++施主能級自由電子是多子空穴是少子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成由于五價元素很容易貢獻電子，因此將其稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)因提供自由電子而帶正電荷成為正離子在本征半導(dǎo)體中摻入的五價元素如PN型半導(dǎo)體++++++++N型半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶-------受主能級自由電子是少子空穴是多子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。2.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入的三價元素如BP型半導(dǎo)體--------P型半導(dǎo)體電子空穴導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶價帶施主受主本征半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)EfEfEf直接帶隙與間接帶隙半導(dǎo)體kE直接帶隙材料，效率高kE間接帶隙材料，效率低能帶---波矢圖躍遷選擇定則:躍遷的始末態(tài)應(yīng)具有相同的波矢主要半導(dǎo)體材料★

IV族半導(dǎo)體材料

----硅Si，鍺Ge★

III-V族化合物半導(dǎo)體材料

---GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsP★

II-VI族化合物半導(dǎo)體材料

----GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe----用于集成電路、光電檢測---用于集成電路、發(fā)光器件、光電檢測----用于可見光和遠紅外光電子器件間接帶隙直接帶隙

P區(qū)N區(qū)內(nèi)建電場耗盡區(qū)P區(qū)空間電荷區(qū)N區(qū)當(dāng)入射輻射作用在PN結(jié)區(qū)時，本征吸收產(chǎn)生光生電子與空穴在內(nèi)建電場的作用下做漂移運動，電子被內(nèi)建電場拉到N區(qū)，空穴被拉到P區(qū)。結(jié)果P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成伏特電壓。I光

P

N將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。光電效應(yīng)背景補充2量子：不連續(xù)，不確定

“橫看成嶺側(cè)成峰,遠近高低各不同.不識廬山真面目，只緣身在此山中”

——蘇東坡

究竟是“嶺”還是“峰”?都是,又都不是!因為1,你只能“識”嶺和峰,不能識“山”.(互補)2,身在山中，你所“識”到的只能是“身”與“山”的共同體而不是山的“本身”（真面目）或者說你所“識”到的只能是受“身”干擾的“山”(測不準(zhǔn)關(guān)系)。

物理世界晴空萬里中的兩朵小烏云威廉·湯姆遜（開爾文勛爵）1824-1907生于1824年愛爾蘭十歲便入讀格拉斯哥大學(xué)，湯姆遜16歲到了劍橋大學(xué)升學(xué)，以全級第二名的成績畢業(yè)。因為他在科學(xué)上的成就和對大西洋電纜工程的貢獻，獲英女皇授予開爾文勛爵銜，所以后世才改稱他為開爾文。湯姆遜的研究范圍相當(dāng)廣泛，他在數(shù)學(xué)物理、熱力學(xué)、電磁學(xué)、彈性力學(xué)、以太理論和地球科學(xué)等方面都有重大的貢獻。1900年初，當(dāng)時在英國物理學(xué)界最權(quán)威的湯姆遜在皇家學(xué)會的新年致辭中，發(fā)表了題為「籠罩在熱和光的動力理論上的十九世紀之云」的著名演講。他認為物理世界晴空萬里，動力理論可以解釋一切物理問題；唯有兩朵小烏云：以太理論和黑體輻射的理論解釋。相對論量子力學(xué)原著：儒勒·凡爾納1.黑體輻射黑體輻射黑色物體容易吸收熱輻射，白色不容易吸收，幾乎全部反射熱輻射思考：黑色和白色物體，哪個容易放出熱輻射？收支平衡的道理黑體：能吸收一切外來輻射，而無反射的物體。黑體是最理想的發(fā)射體401231700K1100K1300K1500K黑體輻射（吸收）能力的指標(biāo)普朗克曲線維恩曲線：基于熱力學(xué)定律推導(dǎo)，紫外符合很好，紅外不好瑞利-瓊斯：基于電磁理論推導(dǎo)，紅外符合很好，但“紫外災(zāi)難”普朗克曲線與紅色實驗曲線完美匹配。普朗克：為什么理論沒法解決這個問題？理論基礎(chǔ)不對，認為的創(chuàng)造一個理論，只要能讓創(chuàng)造的理論得到曲線與實驗完全重合就證明新理論是正確的1858.4.23.―1947.10.3.姓名：馬克斯·普朗克。職務(wù)：教授德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，1918年諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者。普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。為什么這么假設(shè)？沒有任何理論依據(jù)，完全是一種假設(shè)，假設(shè)這樣，結(jié)果推出熱輻射曲線與實驗完全重合量子論（h）

普朗克常數(shù)h：在總結(jié)黑體輻射的公式中得出能量的發(fā)出是一份一份的，分立的,不連續(xù)的.

最小單位

1900.12.24（法）

能量的發(fā)射是量子化的

h=6.6268*10-34J.s普朗克于1918年度諾貝爾物理學(xué)獎。量子理論三個階段:1.舊量子論1900—1926(量子化)普朗克,愛因斯坦,康普頓,玻爾*2.量子力學(xué)1926--1948:德布羅意,海森伯,玻恩,薛定諤3。量子場論1946---(粒子與場的統(tǒng)一)狄拉克方程,反物質(zhì),量子真空，夸克模型……(波

粒

二

象)原子內(nèi)的微觀世界：

黑體輻射，光電效應(yīng)，光電子散射，氫原子結(jié)構(gòu)物質(zhì)波，測不準(zhǔn)關(guān)系，波函數(shù)，波動方程2.光電效應(yīng)光電效應(yīng)2．光電效應(yīng)

①紅限②瞬時效應(yīng)

電子吸收光能量只能是一份一份的不連續(xù)的光量子

能量吸收是量子化的

.hν光子思考：電極材料結(jié)構(gòu)如何選用？2太陽能電池的結(jié)構(gòu)1.3陽光的物理來源太陽實質(zhì)上是一個由其中心發(fā)生的核聚變反應(yīng)所加熱的氣體球。熱物體發(fā)出電磁輻射，其波長或光譜分布由該物體的溫度所決定。例如：鐵塊燃燒時，溫度升高過程：從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色。太陽的核心溫度高達2×107K光球?qū)拥臏囟葹?000K。在此溫度下與黑體輻射光譜很接近。1.4太陽常數(shù)在地球大氣層之外，地球—-太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射功率基本上為一常數(shù)，這個輻射強度稱為太陽常數(shù)，或稱此輻射為大氣光學(xué)質(zhì)量為零（AM0）的輻射。太陽常數(shù)1.353kW/m2波長

(m)光譜輻照度(Wm-2m-1)AM0輻射AM1.5輻射6000K黑體AM0的輻射光譜分布不同于理想黑體的光譜分布。思考：太陽輻射波段是否能全部被太陽能電池利用？為什么？1.5地球表面的日照強度陽光穿過地球大氣層時至少衰減了30%。造成衰減的原因：1.瑞利散射或大氣中的分子引起的散射。2.懸浮微粒和灰塵引起的散射。3.大氣及其組成氣體，特別是氧氣、臭氧、水蒸氣和二氧化碳的吸收。決定總?cè)肷涔β首钪匾膮?shù)是光線通過大氣層的路程。太陽在頭頂正上方時，路程最短。實際路程和此最短路程之比稱為大氣光學(xué)質(zhì)量（AM）。1.太陽在頭頂正上方時，大氣光學(xué)質(zhì)量為1，這時的輻射稱為大氣光學(xué)質(zhì)量1（AM1）的輻射。2.當(dāng)太陽和頭頂正上方成一個角度θ時，大氣光學(xué)質(zhì)量為：

AM=1/cosθ例：當(dāng)θ=60°時，AM=1/cos60=2EarthAM0AM1AM1.5大氣層45o視運動：假定地球是靜止的，太陽在圍繞地球轉(zhuǎn)動。冬至12.226.21夏至春分秋分3.219.231.6太陽的視運動1.7日照數(shù)據(jù)設(shè)計光伏系統(tǒng)時，理想的情況是掌握有該系統(tǒng)安裝地日照情況的詳細記錄。按接受太陽能輻射量的大小，全國大致可分為五類地區(qū)：1）一類地區(qū)：全年日照時數(shù)為3200～3300h，輻射量在（670～837）×104KJ/(cm2×a)。相當(dāng)于225～285Kg標(biāo)準(zhǔn)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。2）二類地區(qū)：全年日照時數(shù)為3000～3200h，輻射量在（586～670）×104KJ/(cm2×a)。相當(dāng)于200～250Kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括河北西部、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。3）三類地區(qū)：全年日照時數(shù)為2200～3000h，輻射量在5850～6680MJ/m2。日輻射量為4.5～5.1KW·h/m2，相當(dāng)于170～200Kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括山東、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、蘇北、皖北、臺灣西南部等地。4）四類地區(qū)：全年日照時數(shù)為1400～3300h，輻射量在（419～502）×104KJ/(cm2×a)。相當(dāng)于140～170Kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、山西南部、江蘇北部、安徽南部以及黑龍江、臺灣東北部等地。5）五類地區(qū)：全年日照時數(shù)為1000～1400h，輻射量在3350～4200MJ/m2。相當(dāng)于115～140Kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。日輻射量為2.5～3.2KW·h/m2。主要包括四川貴州兩