能源发电技术2太阳能光伏发电.ppt

新能源发电技术,郑小波,2,第二章 太阳能光伏发电技术,3,太阳能概述太阳能电池的基本原理太阳能光伏发电系统,本章提要,4,2-1太阳能概述,太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kW/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达1.731014kW。太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨标准煤。,5,地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是,2-1太阳能概述,地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。,6,广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。,2-1太阳能概述,7,太阳能特点太阳能利用历史太阳能利用方式太阳能发电的方式太阳能光伏发电历史和现状太阳能光伏发电的优缺点,2-1太阳能概述,8,1.太阳的构造,太阳的结构共分七层：（1）内核（5）反变层（2）辐射输能区（6）色球层（3）对流区（7）日 冕（4）光球层,2-1太阳能概述,一、太阳能特点,9,太阳的构造,2-1太阳能概述,10,太阳的构造,11,（1）内核 在太阳平均半径23%（0.23R）的区域内是太阳的内核，其温度约为81064107K，密度为水的80100倍，占太阳全部质量的40%，总体积的15%。这部分产生的能量占太阳产生总能量的90%。氢聚合时放出射线，当它经过较冷区域时由于消耗能量，波长增长，变成X射线或紫外线及可见光。,2-1太阳能概述,1.太阳的构造,12,太阳X射线照片,2-1太阳能概述,13,（2）辐射输能区 从0.230.7R的区域称为“辐射输能区”，温度降到1.3105K，密度下降为0.079g/cm3。（3）对流区 0.71.0R之间称为“对流区”，温度下降到5103K，密度下降到10-8g/cm3。,2-1太阳能概述,1.太阳的构造,14,（4）光球层 太阳的外部是一个光球层，它就是人们肉眼所看到的太阳表面，其温度为5762K，厚约500km，密度为10-6g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。光球表面有颗粒状结构-“米粒组织”。光球上亮的区域叫光斑，暗的黑斑叫太阳黑子，太阳黑子的活动具有平均11.2年的周期。,2-1太阳能概述,1.太阳的构造,15,2-1太阳能概述,16,太 阳 黑 子,2-1太阳能概述,17,一张日食的照片（太阳黑子）,2-1太阳能概述,18,（5）反变层 光球外面分布着不仅能发光，而且几乎是透明的太阳大气，称之为“反变层”，它是由极稀薄的气体组成，厚约数百公里，它能吸收某些可见光的光谱辐射。,2-1太阳能概述,1.太阳的构造,19,（6）色球层“反变层”的外面是太阳大气上层，称之为“色球层”，厚约11.5104km，大部分由氢和氦组成。（7）日冕“色球层”外是伸入太空的银白色日冕，温度高达1百万度，高度有时达几十个太阳半径。,2-1太阳能概述,1.太阳的构造,20,太阳色球照片,2-1太阳能概述,21,太阳日冕。SOHO探测器拍摄。,2-1太阳能概述,22,太阳高温大气,2-1太阳能概述,23,太阳日冕 摄于1991年7月11日日全食时,2-1太阳能概述,24,太阳日冕 4英寸折射望远镜摄于1998年2月,2-1太阳能概述,25,太阳日冕 1998年8月11日摄于土耳其东部的Haza湖岸,2-1太阳能概述,26,从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中通常将它视为一个温度为6000K，发射波长为0.33m的黑体。,2-1太阳能概述,1.太阳的构造,27,太阳常数 昼夜是由于地球自转而产生的，而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈2327的夹角而产生的。,2.太阳辐射的特性,2-1太阳能概述,28,由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。,太阳常数,2-1太阳能概述,2.太阳辐射的特性,29,然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.5 108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。,太阳常数,2-1太阳能概述,2.太阳辐射的特性,30,近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w/m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过3.4%。,太阳常数,2-1太阳能概述,2.太阳辐射的特性,31,1977年日全食,2-1太阳能概述,32,1994年日全食,2-1太阳能概述,33,日偏食,2-1太阳能概述,34,到达地面的太阳辐射 太阳照射到地平面上的辐射或称“日射”由两部分组成直达日射和漫射日射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。,2-1太阳能概述,2.太阳辐射的特性,35,到达地面的太阳辐射（1）直射 指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射；（2）漫射 指被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射。,2-1太阳能概述,2.太阳辐射的特性,36,到达地面的太阳辐射 漫射由三部分组成：（1）太阳周围的散射（太阳表面周围的天空亮光），（2）地平圈散射（地平圈周围的天空亮光或暗光），（3）其他的天空散射辐射。,2-1太阳能概述,2.太阳辐射的特性,37,到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。,到达地面的太阳辐射,2-1太阳能概述,2.太阳辐射的特性,38,不同地区太阳平均辐射强度,此外地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。,2-1太阳能概述,2.太阳辐射的特性,39,3.太阳能特点,在海平面上的标准峰值强度为1kW/m2，地球表面某一点24小时的年平均辐射强度为0.20kW/m2，相当于有1.021017W 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）。,2-1太阳能概述,40,3.太阳能特点,2-1太阳能概述,41,3.太阳能特点,从图上可以看出，地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。,2-1太阳能概述,42,2-1太阳能概述,永恒性广泛性分散性随机性,间歇性区域性清洁性,3.太阳能特点,43,3.太阳能特点,优点一次能源可再生能源资源丰富可免费使用无需运输无任何污染,缺点能流密度低强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量,2-1太阳能概述,44,3.太阳能特点,虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍。但是太阳能的这些缺点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。,2-1太阳能概述,45,4.我国的太阳能资源,2-1太阳能概述,我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。根据中国气象科学研究院的研究，有2/3以上国土面积，年日照在2000小时以上，年平均辐射量超过0.6GJ/cm2，各地太阳年辐射量大致在9302330kWh/m2之间。专家统计，如果把全国1%的荒漠中的太阳能用于发电，就可以发出相当于2003年全年的耗电量。届时，新疆、西藏、甘肃等广大西部地区将成为我国新的能源基地。,46,4.我国的太阳能资源,2-1太阳能概述,从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。,47,4.我国的太阳能资源,2-1太阳能概述,太阳能丰富区，在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在150千卡/平方公分以上。太阳能较丰富区，北疆及内蒙东部等地，年总辐射约130150千卡/平方公分。太阳能可利用区，分布在长江下游、两广、贵州南部和云南及松辽平原，年总辐射量为110130千卡/平方公分。,48,4.我国的太阳能资源,2-1太阳能概述,49,人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。,2-1太阳能概述,二、太阳能的利用历史,50,发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。,2-1太阳能概述,二、太阳能的利用历史,51,二、太阳能的利用历史,据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。,2-1太阳能概述,52,20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门德考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而抽水的机器。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,53,第一阶段(1900-1920),在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,54,第二阶段（1920-1945）在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（1935-1945）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,55,第三阶段（1945-1965）在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,56,第四阶段(1965-1973)这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,57,第五阶段（1973-1980）1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,58,于是，西方一些人惊呼：世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。这次“危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,59,1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,60,70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,61,1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,62,这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点：（1）各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,63,（2）研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,64,（3）各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。例如，美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。事实上，这一计划后来进行了调整，至今空间太阳能电站还未升空。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,65,（4）太阳热水器、太阳电池等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,66,第六阶段（1980-1992）70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,67,导致这种现象的主要原因是：（1）世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；（2）太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；（3）核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,68,受80年代国际上太阳能低落的影响，我国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后我国引进技术。虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对我国太阳能事业的发展造成不良影响。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,69,第七阶段（1992-至今）由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了里约热内卢环境与发展宣言，21世纪议程和联合国气候变化框架公约等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了 可持续发展的模式。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,70,这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在 一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了中国21世纪议程，进一步明确了太阳能重点发展项目。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,71,1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了新能源和可再生能源发展纲要（1996-2010），明确提出我国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,72,1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了哈拉雷太阳能与持续发展宣言，会上讨论了世界太阳能10年行动计划（1996-2005），国际太阳能公约，世界太阳能战略规划等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,73,1992年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：（1）太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；（2）太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,74,（3）在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；（4）国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,75,在20世纪100年间太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有45年。太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大，反复多，发展时间长。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,76,这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都大。,二、太阳能的利用历史,2-1太阳能概述,77,三、太阳能利用方式,2-1太阳能概述,太阳能发电太阳能热利用太阳能动力利用,太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据太阳能的特点，具有共性的技术主要有四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输。,太阳能光化利用太阳能生物利用太阳能光-光利用,78,三、太阳能利用方式,2-1太阳能概述,79,四、太阳能发电的方式,2-1太阳能概述,太阳能发电的方式主要有：1）通过热过程的：“太阳能热发电”(塔式发电、抛物面聚光发电、太阳能烟囱发电、热离子发电、热光伏发电、温差发电等)2）不通过热过程的：“光伏发电”“光感应发电”“光化学发电”“光生物发电”等。,80,2-1太阳能概述,1.太阳能热发电太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。,2.光感应发电 光感应发电是利用某些有机高分子团吸收太阳光后变成“光极化偶极子”的现象，分别把积聚在受感应的“光极化偶极子”两端的正负电荷引出，即得到光电流。目前这项技术还处于原理性试验阶段。,四、太阳能发电的方式,81,2-1太阳能概述,4.光化学发电指浸泡在溶液中的电极受到光照后，电极上有电流输出的现象。可进一步分为液结光化电池、光电解电池、光催化电池。,3.光伏发电太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”。太阳能电池即利用这种效应制成。,5.光生物发电叶绿素在光照下能产生电流。光生物发电通常指叶绿素电池。,四、太阳能发电的方式,82,五、太阳能光伏发电历史和现状,2-1太阳能概述,自从1954年第一块实用光伏电池问世以来，太阳光伏发电取得了长足的进步。1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。,83,五、太阳能光伏发电历史和现状,2-1太阳能概述,84,五、太阳能光伏发电历史和现状,2-1太阳能概述,85,五、太阳能光伏发电历史和现状,2-1太阳能概述,86,五、太阳能光伏发电历史和现状,2-1太阳能概述,87,五、太阳能光伏发电历史和现状,2-1太阳能概述,88,六、太阳能光伏发电的优缺点,2-1太阳能概述,太阳能光伏发电的主要优点：(1)结构简单，体积小且轻。(2)易安装，易运输，建设周期短。(3)容易启动，维护简单，随时使用，保证供应。(4)清洁，安全，无噪声。(5)可靠件高，寿命长。(6)太阳能无处不有，应用范围广。(7)降价速度快，能量偿还时间有可能缩短。,89,六、太阳能光伏发电的优缺点,2-1太阳能概述,太阳能光伏发电的主要缺点：(1)能量分散，占地面积大。(2)间歇性大。除了昼夜这种周期变化外，太阳能光伏发电还常常受云层变化的影响。小功率光伏发电系统可用蓄电池补充，大功率光伏电站的控制运行比常规火电厂、水电站、核电厂要复杂。(3)地域性强。,90,太阳能概述太阳能电池的基本原理太阳能光伏发电系统,本章提要,91,2-2太阳能电池的基本原理,太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。,92,太阳能电池的物理基础本征半导体和掺杂半导体电子和空穴的输运P-N结的光伏效应太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,93,1.固体的能带理论,能带理论是解释金属内部结构的一种理论。能级（Enegy Level）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。,一、太阳能电池的物理基础,2-2太阳能电池的基本原理,94,1.固体的能带理论,电子的共有化运动：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化运动。,一、太阳能电池的物理基础,2-2太阳能电池的基本原理,95,1.固体的能带理论,能带（Enegy Band）：电子的共有化运动使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。每一条能带有许多极其相近的能级组成。,一、太阳能电池的物理基础,2-2太阳能电池的基本原理,96,1.固体的能带理论,禁带（Forbidden Band）：能带允许被电子占据的称为允带，允带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。,一、太阳能电池的物理基础,2-2太阳能电池的基本原理,97,1.固体的能带理论,原子壳层中的内层允带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允带。被电子占满的允带称为满带或者价带。每一个能级上都没有电子的能带称为空带。未被电子填满的能带或者空带称为导带。,一、太阳能电池的物理基础,2-2太阳能电池的基本原理,98,1.固体的能带理论,实际晶体的能带和孤立原子能级间的关系非常复杂。有时，两个分立的能级会相互交杂，或变为互相叠合的能带而禁带消失；或分裂为另外两组能带。这种过程称为轨道的杂化。硅原子的导带和价带就是轨道杂化而成。,一、太阳能电池的物理基础,2-2太阳能电池的基本原理,99,2.导体、绝缘体和半导体,导体：导体的导带和价带相邻或者重叠，禁带消失。价带中的电子在电场作用下可以自由地进入导带，表现为良好的导电能力。,一、太阳能电池的物理基础,2-2太阳能电池的基本原理,100,2.导体、绝缘体和半导体,绝缘体：绝缘体的导带和价带之间的禁带很宽，Eg达57eV(1eV为1.60210-19J或96.48kJmol-1)，导带几乎是空的，若电场既不能使位于价带的电子移动，也不能使其跃迁到导带，因此不能导电。,一、太阳能电池的物理基础,2-2太阳能电池的基本原理,101,2.导体、绝缘体和半导体,半导体：半导体的导带和价带之间禁带的宽度较小，一般Eg3eV。在一定能量（例如外电场）的激发下，价带中的电子总会被激发到空带中，使之成为导带，而在价带中留下空穴。半导体就是利用这种方式传导电流的。,一、太阳能电池的物理基础,2-2太阳能电池的基本原理,102,1.本征半导体,由同一种原子组成的半导体称元素半导体，两种以上原子组成的半导体称化合物半导体。完全纯净和结构完整的半导体为本征半导体，是共价键晶体。,二、本征半导体和掺杂半导体,2-2太阳能电池的基本原理,103,1.本征半导体,二、本征半导体和掺杂半导体,2-2太阳能电池的基本原理,以硅为例，如图中每个硅原子最外层有四个价电子，这些价电子的轨道通过适当的杂化，恰好与最近邻的四个硅原于形成四面体型共价键结构。当共价键中的电子因热、光、电场等因素的作用获得足够的能量时，能够克服共价键的束缚从价带跃迁到导带而成为自由电子。,104,1.本征半导体,二、本征半导体和掺杂半导体,2-2太阳能电池的基本原理,这时在原来的共价键位置上就留下一个空位，而周围近邻键上的电子随时可能跳过来填补这个空位，因而使空位又转移到了邻近的键上去，这种可移动的空位称为空穴。,105,1.本征半导体,二、本征半导体和掺杂半导体,2-2太阳能电池的基本原理,半导体就是这样靠着电子和空穴的移动来导电的，所以电子（电子浓度n）和空穴（空穴浓度p）皆为半导体的载流子。本征载流子浓度随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小。,106,2.掺杂半导体,二、本征半导体和掺杂半导体,2-2太阳能电池的基本原理,根据需要在本征半导体中掺入其它杂质以后就得到掺杂半导体。,107,2.掺杂半导体,二、本征半导体和掺杂半导体,2-2太阳能电池的基本原理,在晶体硅中加进族元素磷后，磷原子除了拿出4个价电子和周围最邻近的4个硅原子组成共价键外，还多余一个价电子，使磷原子电离成正离子。,108,2.掺杂半导体,二、本征半导体和掺杂半导体,2-2太阳能电池的基本原理,只要很小的能量，就可以使多余的价电子跳到导带上，因此，其禁带要比纯硅晶体窄得多。,掺杂硅中的磷元素全部电离时可提供同等数量的导电电子。这种提供电子的杂质称为施主，对应的半导体称为N型半导体。,109,2.掺杂半导体,二、本征半导体和掺杂半导体,2-2太阳能电池的基本原理,在晶体硅中加进族元素硼后，硼原子在和周围最邻近的4个硅原子组成共价键时，还缺少一个价电子，因而很容易从别处夺来一个价电子，自身电离成负离子。,可以认为硼原子带着一个容易电离的空穴。,110,2.掺杂半导体,二、本征半导体和掺杂半导体,2-2太阳能电池的基本原理,只要很小的能量，就可以使空穴跳至价带上，因此，其禁带要比纯硅晶体也要窄得多。,掺杂硅中的硼元素全部电离时 可向价带提供同等数量的空穴。这种从半导体接受电子的杂质称为受主，对应的半导体称为P型半导体。,111,2.掺杂半导体,二、本征半导体和掺杂半导体,2-2太阳能电池的基本原理,掺有施主的硅称为N型硅。在N型半导体中，由于np，一般把电子称为多数载流子，而空穴称为少数载流子。掺有受主的硅称为P型硅。在P型半导体中，由于np，一般把电子称为少数载流子，而空穴称为多数载流子。,112,三、电子和空穴的输运,2-2太阳能电池的基本原理,常态时，半导体中的电子和空穴始终在进行无规则的热运动，这种运动没有方向性，不引起静位移，对电流没有贡献。有两种原因可引起电子和空穴的静位移，产生电子和空穴的输运，即漂移和扩散。外电场引起漂移，载流子浓度差引起扩散。,113,三、电子和空穴的输运,2-2太阳能电池的基本原理,半导体受外电场作用，在载流子的热运动上叠加一个附加速度，称为漂移速度。对于电子，漂移速度与电场反向；对于空穴，漂移速度与电场同向。漂移速度使电子和空穴有一个静位移，从而形成电流。,1.漂移,114,三、电子和空穴的输运,2-2太阳能电池的基本原理,在半导体中电子（或空穴）的浓度不均匀，则电子（或空穴）将在浓度梯度的影响下扩散，从而使电子（或空穴）有一个静位移，形成电流。浓度梯度越大，扩散越快。,2.扩散,115,三、电子和空穴的输运,2-2太阳能电池的基本原理,平衡状态下，受到光照时，价带中的电子吸收光子能量跃入导带，在价带中留下等量空穴。这些多余平衡浓度的光生电子和空穴，称为非平衡载流子或过剩载流子。,3.过剩载流子,116,三、电子和空穴的输运,2-2太阳能电池的基本原理,这种由外界条件改变使半导体产生过剩载流子的过程称为载流子的注入（简称注入或激发）。反之，半导体中载流子浓度小于平衡载流子浓度的情况，称为载流子的抽取（简称抽取）。太阳能电池一般只研究注入。,3.过剩载流子,117,三、电子和空穴的输运,2-2太阳能电池的基本原理,由光照而产生光注入或光激发；由热运动引起热注入或热激发；由电场则引起电注入或电激发。当载流子浓度偏离其平衡值时，它们有恢复平衡的倾向。在注入情况，恢复平衡是靠复合来实现；在抽取情况，则靠载流子的产生实现。,3.过剩载流子,118,三、电子和空穴的输运,2-2太阳能电池的基本原理,产生和复合互为逆过程。产生时价带中的电子跃迁至导带要吸收能量，导带中的电子和价带中的空穴复合时也要以各种方式释放能量。,4.产生与复合,119,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,常温下，N型半导体的施主杂质将电离成带负电的电子和带正电的施主杂质离子；P型半导体的受主杂质也将电离成带正电的空穴和带负电的受主杂质离子。,1.P-N结的形成,120,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,当两块不同导电类型的P型半导体和N型半导体紧密接触时，其交界面称为形成P-N结。交界面上存在电子和空穴的浓度差，N区的电子浓度比较高，P区的空穴浓度比较高，电子和空穴都要从浓度高的 地方向浓度低的地 方扩散。,1.P-N结的形成,121,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,由于扩散作用，必然有一部分电子从N区进入P区，也有一部分空穴从P区进入N区。扩散的结果在交界面附近P区一边失去了带正电的空穴和接受了带负电的电子，因而呈现负电；N区一边失去带负电的 电子，并接受了带正电 的空穴因而呈现正电。,1.P-N结的形成,122,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,正负电荷集中在P区和N区的交界面附近，形成空间电荷区，并产生一个从带正电荷的N区指向带负电荷的P区的内建电场，称为势垒电场。,1.P-N结的形成,123,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,1.P-N结的形成,在内建电场的作用下，空间电荷区内的电子从P区向南N区漂移，空穴从N区向P区漂移。随着载流子扩散运动的不断进行，空间电荷区不断扩大，内建电场 也不断增强，载流 子的漂移运动也不 断增大。,124,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,在无外电场的情况下，最终载流子的扩散运动与漂移运动达到平衔，电子和空穴的扩散电流和漂移电流大小相等方向相反，所以无净电流流过P-N结，这种状态称为平衡态P-N结。,1.P-N结的形成,125,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,空间电荷区的势垒电场对电子和空穴的扩散运动起阻碍作用。必须指出，内建电场一旦建立，它一方而阻碍扩散的运动，另一方面又起漂移作用。P-N结的扩散作用和阻碍作用使其具有单向导电性。,1.P-N结的形成,126,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,当太阳光照射到半导体上时，一部分光将深入到半导体及P-N结内部。半导体中的电子吸收了能量大于禁带宽度的光子后，发生带间跃迁，在势垒区附近产生光生电子-空穴对。,2.P-N结的光伏效应,127,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,在内建电场的作用下，势垒区内及其附近扩散到势垒区的光生空穴被扫向P区，光生电子被扫向N区；从而在P区内储存大量过剩的空穴，形成空穴积累，在N区内储存大量过剩的电子，形成电子积累。,2.P-N结的光伏效应,128,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,这种积累使P区端电势升高，N区端电势降低，其效果是中和了部分空间电荷，使P-N结内建电场的作用减弱势垒高度降低，从而在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场，产生光生电压，这就是P-N结的光生伏特效应，简称光伏效应。,2.P-N结的光伏效应,129,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,光生伏特效应最重要的应用之一是将太阳辐射能直接转变为电能。,2.P-N结的光伏效应,130,四、P-N结的光伏效应,2-2太阳能电池的基本原理,半导体中受光照电离产生的电子-空穴对，必须及时将电子和空穴分离开来，否则它们又将复合而还原，对外便不起导电作用，因此一般不能用纯净的半导体制成太阳能电池。,2.P-N结的光伏效应,131,五、太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,照射到太阳能电池表面的太阳光不可能全部转变成电能，这是因为不同波长的光线，具有不同的能量。只有能量大于禁带宽度的光才能激发电子-空穴对。,1.太阳能电池的效率分析,132,五、太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,已产生的电子-空穴对，有一部分将复合还原，对光生电流没有什么作用，这也是光能的一部分损失。太阳能电池在进行能量转换的过程中，主要的损失包括：反射损失、长波损失、短波损失、复合损失、结区损失、电阻损失等。,1.太阳能电池的效率分析,133,五、太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,以硅太阳能电池为例，硅对光能的吸收，随不同的光波波长而不同，它对短波的吸收系数较大，对长波的吸收系数则较小。不同波长的光线在硅中的穿透深度也不同，短波在硅的表面被吸收，而长波则可以穿透到硅的深处，甚至可以穿透硅片的厚度。,1.太阳能电池的效率分析,134,五、太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,图中光线表示有一 部分光线在表面被反 射回去。光线表示在接近电 池表面被吸收的光线，它们可以产生电子-空穴对，但是这些少数载流子在达到P-N结之前又复合还原，对外不产生光生电压，它们大部分是吸收系数较大的短波光线。,1.太阳能电池的效率分析,太阳能电池受光照的情况,135,五、太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,光线表示在P-N结附近被吸收生成电子-空穴对的光线，这些电子-空穴对被P-N结的漂移作用分离而产生光生电压，这是使太阳能电池能够发电的有用光线。,1.太阳能电池的效率分析,太阳能电池受光照的情况,136,五、太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,光线表示在电池片深处、离P-N结较远的地方被吸收的光线，也产生电子-空穴对，仅在到达P-N结之前又被复合，不产生光生电压。,1.太阳能电池的效率分析,太阳能电池受光照的情况,137,五、太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,表示被电池吸收，但是出于能量较小，不能产生电子-空穴对的光线，这部分能量加热太阳能电池，使太阳能电池温度上升。光线表示未被电池吸收而透射过去的光线。,1.太阳能电池的效率分析,太阳能电池受光照的情况,138,五、太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,可以看出，能够产少光生电压的是光线，必须尽可能增加它的数量，才能提高太阳能电池的光电转换效率。,1.太阳能电池的效率分析,太阳能电池受光照的情况,139,五、太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,所谓光电转换效率是指受光照的单体太阳能电池所产生的最大输出电功率与入射到该电池受光几何平面面积上的全部光的辐射功率的百分比。,1.太阳能电池的效率分析,太阳能电池受光照的情况,140,五、太阳能电池的工作原理,2-2太阳能电池的基本原理,对于单晶硅太阳能电池，理论上限是27%，目前研究得到的最大值为24%左右。如何进一步提高太阳能电池的转换效率是当前重要的研究课题，也就是所谓的高效率化技术的开发。,1.太阳能电池的效率分