第1章 太阳能电池和太阳 光
1.1 引言
光能
太阳能电池利用半导体材料的电子特性，把阳光直接转换为电能。
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太阳能电池分类
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1.硅太阳能电池
单晶硅太阳电池：采用单晶硅 片制造制造，性能稳定，转换 效率高。目前转换效率已达到 16%--18%。
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多晶硅太阳电池：作为原料的 高纯硅不是拉成单晶，而是熔 化后浇铸成正方形硅锭，然后 使用切割机切成薄片，再加工 成电池。由于硅片是由多个不 同大小、不同取向的晶粒构成， 因而转换效率低。目前转换效 率达到15%--17%。
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2%
1%
18%吸收
8%
6%
1%
输入100%
臭氧
20—40km
高层尘埃
15—25km
3%散射到太空
0.5% 1%
1.0%
大气分子
4%
1%
1.0%
低层尘埃
0—3km
1%
70%直达地表
7%散射到地表
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决定总入射功率最重要的参数是光线通过大气层的路程。太阳在 头顶正上方时，路程最短。实际路程和此最短路程之比称为大气光学 质量（AM）。 1.太阳在头顶正上方时，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。 2.当太阳和头顶正上方成一个角度θ时，大气光学质量为：
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黑体所发出的辐射的光谱分布由普朗克辐射定律决定。
M (T)/1 ( 90 W m -2 H 1)z
瑞利 - 金斯公式
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**普朗克公式的理论曲线
4
** *
**
2*
* * 实验值
* T = 2 000 K *
*
***
0 123
26
M 0 W m 3
nm
每条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。
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多晶化合物太阳电池：主要有碲化镉太阳电池（如图） ，铜铟镓硒太阳电池等。 碲化镉太阳电池是最早发展的太阳电池之一，工艺过程简单，制造成本低，转换 效率超过16%，不过镉元素可能造成环境污染。铜铟镓硒太阳电池在基地上成绩 铜铟镓硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效 率接近20%，成品组件达到13%，是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。
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微晶硅太阳电池：在接近室温 的低温下制备，特别是使用大 量氢气稀释的硅烷，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 转换效率为10%以上。
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2.化合物太阳能电池
单晶化合物太阳电池：主要有砷 化镓太阳电池（如图）。砷化镓 的能隙为1.4eV，是单结电池中效 率最高的电池，但价格昂贵，且 砷有毒，所以极少使用。
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1.直接辐射
太阳高度角增大，直接辐射增强。 大气透明系数增加，直接辐射增强。 海拔高度升高，直接辐射增强。 纬度高，直接辐射增强。
大气层
2.散射辐射
太阳辐射在大气中 遇到空气分子或微小的质点时，当这些质点的直径 小于组成太阳辐射的电磁波长时，太阳辐射中的一部分能量就以电磁波的 形式从该质点向四面八方传播出去。通过散射形式传播的能量称为散射辐 射。散射只改变辐射的传播方向，不吸收太阳辐射。波长越短，散射越强。 可见光中，紫光和蓝光波长最短，散射最强。
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1 太阳能电池的原理
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P区
N区
耗尽区
P区
空间电荷区 N区
内建电场 当入射辐射作用在PN结区时，本征吸收产生光生电子与空穴在 内建电场的作用下做漂移运动，电子被内建电场拉到N区，空穴被拉 到P区。结果P区带正电，N区带负电，形成伏特电压。
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光
I PN
将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P 区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。
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2 太阳能电池的结构
硼扩散层 P-N结 N型硅片
P型电极 电极
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1.2 太阳能电池发展概况
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1.3 阳光的物理来源
太阳实质上是一个由其中心发生的核聚变反应所加热的气体球。 热物体发出电磁辐射，其波长或光谱分布由该物体的温度所决定。 例如：铁块燃烧时，温度升高过程：从看不出发光到暗红到橙色到 黄白色。
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太阳的核心温度高 达2×107K 光球层的温度为 6000K。在此温度 下与黑体辐射光谱 很接近。
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1.4 太阳常数
在地球大气层之外，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上为一常数，这个辐射强度称为太阳常 数，或称此辐射为大气光学质量为零（AM0）的辐射。
太阳常数 1.353kW/m2
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太阳高度角增大，散射辐射增强。 大气透明系数增加，直接辐射减弱。 海拔高度升高，散射辐射增强。 纬度高，直接辐射增强。 天空一半有云，一半无云，散射辐射达到最大值。
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当日照特别少的天气，大部分辐射是漫射辐射。 漫射阳光的光谱成分通常不同于直射阳光的光谱成分。一般而言，漫射阳光 中含有丰富的较短波长的光或“蓝”波长的光，这使太阳能电池系统接收到光的 光谱成分产生了变化。
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多晶硅太阳电池生产流程
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直拉法拉制单晶示意图及单晶炉
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非晶硅太阳电池：一般采用高 频辉光放电等方法使硅烷气体 分解沉积而成。一般在P层与N 层之间加入较厚的I层。非晶硅 太 阳 电 池 的 厚 度 不 到 1μm ， 不 足晶体硅太阳电池厚度的1/100， 降低制造成本。目前转换效率 为5%--8%，最高效率达14.6%， 层叠的最高效率可达21.0%。
AM=1/cos θ
例：当θ=60°时，AM=1/cos60=2
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AM0
AM1.5
AM1
45o
大气层
Earth
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在无法知道θ值的情况下，如何估算大气光学质量AM？
h S
AM 1（s）2 h
h：物体的高度 s：竖直物体投影的阴影长度
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1.6 直接辐射和漫射辐射
到达地面的太阳光，除了直接由太阳辐射来的分量之外，还包括大气层散 射引起的相当可观的间接辐射或漫射辐射分量。
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光谱辐照度(Wm-2m-1)
6000K黑体 AM0辐射
AM0的辐射光谱分布 不同于理想黑体的光 谱分布。
AM1.5辐射 波长 (m)
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1.5 地球表面的日照强度
阳光穿过地球大气层时至少衰减了30%。
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造成衰减的原因： 1.瑞利散射或大气中的分子引起的散射。 2.悬浮微粒和灰尘引起的散射。 3.大气及其组成气体，特别是氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。