【正文】 可再生能源轉(zhuǎn)化與利用 任課教師： 李明濤 ， 趙 亮 第四章 太陽能光電轉(zhuǎn)換 第 1節(jié) 概論 第 2節(jié) 光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ) 第 3節(jié) 太陽能電池的基本特性 第 4節(jié) 幾種典型的太陽能電池 第 5節(jié) 太陽能光伏系統(tǒng) 什么是太陽能光電轉(zhuǎn)換？ 太陽能光電轉(zhuǎn)換 是直接 將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的主要部件是 太陽能電池 。 太陽能電池 也稱光伏電池，它沒有任何運動的機(jī)械部件，在能量轉(zhuǎn)換中具有重要的地位，被認(rèn)為是“最優(yōu)雅的能量轉(zhuǎn)換器”。 太陽能電池的發(fā)展歷程 ? 1839年 法國科學(xué)家 貝克勒爾 發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)” 。 ? 1883年 Charles Fritts 在鍺半導(dǎo)體上覆上金層形成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，成功制備第一塊太陽能電池，效率只有 1% ? 1954年 美國貝爾實驗室研制成實用型硅太陽能電池，效率 6%，為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；同年，首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，制成了第一塊薄膜太陽電池。 ? 1958年 太陽電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒 1號衛(wèi)星電源。 ? 1958年 我國開始了太陽能電池的研制工作， 1971年首次發(fā)射了用太陽能電池作為電池的人造衛(wèi)星。 ? 1959年 第一個多晶硅太陽電池問世，效率達(dá) 5%。 ? 1978年 美國建成 100 kWp太陽地面光伏電站。 太陽能電池的發(fā)展歷程 ? 1980年 單晶硅太陽電池效率達(dá) 20%，砷化鎵電池達(dá) %，多晶硅電池達(dá) %，硫化鎘電池達(dá) %。 ? 1990年 德國提出“ 2022個光伏屋頂計劃”，每個家庭的屋頂裝3~5kWp光伏電池。 ? 1997年 日本“新陽光計劃”提出到 2022年生產(chǎn) 43億 Wp光伏電池。100萬戶，每戶安裝 3~5kWp。 ? 1998年 單晶硅光伏電池效率達(dá) 25%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬個太陽光伏屋頂計劃”，到 2020年完成。 ? 2022年，商業(yè)化單晶硅太陽能電池效率為 %，多晶硅 % ? 2022年，晶體硅電池的價格下降到 2＄ /Wp，電價達(dá)到 11￠ kW h；預(yù)計 2020年晶體硅電池價格下降到 1＄ /Wp，電價達(dá)到 ￠ kW h，達(dá)到與其他發(fā)電方式相當(dāng)?shù)乃健? 太陽能電池的利用情況 日本、歐洲、美國一直是發(fā)展和利用太陽能電池的主要國家和地區(qū)。 世界太陽能電池歷年產(chǎn)量峰值（單位： MW） 太陽能電池的利用情況 新千年開始，世界其他國家和地區(qū)的太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度明顯加快了。 年份 區(qū)域 2022 2022 2022 2022 2022 2022 中國 10 10 50 200 400 1088 歐洲 135 314 470 657 1062 日本 251 602 833 928 920 美國 120 140 154 202 其他 55 139 338 713 總計 561 1195 1795 2500 4000 20222022年世界太陽能電池產(chǎn)量峰值（單位： MW） 第四章 太陽能光電轉(zhuǎn)換 第 1節(jié) 概論 第 2節(jié) 光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ) 第 3節(jié) 太陽能電池的基本特性 第 4節(jié) 幾種典型的太陽能電池 第 5節(jié) 太陽能光伏系統(tǒng) 光生伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 是太陽能光電轉(zhuǎn)換的基本過程。太陽光是由光子組成的，光子的能量和太陽光譜的波長相對應(yīng)。光照射到太陽能電池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以產(chǎn)生電能。 本 節(jié)內(nèi)容： ◆ 半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性 ◆ 半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性 ◆ 半導(dǎo)體的摻雜特性 ◆ pn結(jié) ◆ 太陽能電池的工作原理 半導(dǎo)體 室溫下電阻率處于 103~109Ωcm范圍內(nèi)的材料，其電子激發(fā)能隙處在 0到大約 3ev之間。或者說導(dǎo)電性介于金屬和絕緣體之間的一種材料。 ?元素半導(dǎo)體 — Si、 Ge、 Te等 ?化合物半導(dǎo)體 — GaN、 GaAs、 InP 、 CdS、 CdTe、 PbS等 ?合金半導(dǎo)體 — Si1xGex、 AlxGa1xAs等 ?有機(jī)半導(dǎo)體 — 分子晶體、有機(jī)絡(luò)合物、高分子材料 金屬電阻率： 108Ωm 絕緣體電阻率： 1014 ~ 1020Ωm 半導(dǎo)體電阻率： 104~107Ωm 半導(dǎo)體一些重要特性，主要包括 ： ? 溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降 . 如室溫附近的純硅 (Si)，溫度每增加 8℃ ，電阻率相應(yīng)地降低 50%左右 . ? 微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 . 以純硅中每 100萬個硅原子摻進(jìn)一個 Ⅴ 族雜質(zhì)（比如磷）為例，這時 硅的純度仍高達(dá) %，但電阻率在室溫下卻由大約 214,000Ωcm降至 . ? 適當(dāng)波長的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 . 如在絕緣襯底上制備的硫化鎘 (CdS)薄膜，無光照時的暗電阻為幾十MΩ，當(dāng)受光照后電阻值可以下降為幾十 KΩ. ? 此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還隨電場、磁場等的作用而改變 半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和非導(dǎo)體之間，其 依靠電子 空穴對導(dǎo)電， 導(dǎo)電性能非常獨特。 這些獨特的導(dǎo)電性是由其內(nèi)部的 微觀物質(zhì) 結(jié)構(gòu)所決定的。下面以半導(dǎo)體 硅 為例來進(jìn)行介紹。 獨特 不同溫度 不同強(qiáng)度的光 加入微量雜質(zhì) 導(dǎo)電能力相差很大 半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性 硅原子有 14個電子，其最外層有 4個電子，稱為 價電子 ，在光生伏特效應(yīng)中起重要作用。 硅的原子結(jié)構(gòu)示意圖 價電子 原子核 半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性 大量的硅原子通過價電子結(jié)合在一起，形成 晶體 。在晶體中，每個硅原子通常和鄰近的 4個硅原子以共價鍵的形式分別共享 4個價電子。 硅晶體結(jié)構(gòu)示意圖 半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性 在一定溫度或強(qiáng)光的照射下，由于熱能或光能轉(zhuǎn)化為電子的動能，如果動能足夠大，電子就可以掙脫束縛而成為 自由電子 。共價電子掙脫束縛而成為自由電子以后，便留下一個 空穴 。通常把電子看成帶負(fù)電的載流子，把空穴看成帶正電的載流子。 由光照產(chǎn)生的載流子叫做光生載流子 。 電子 空穴示意圖 半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性 自由電子在電場或熱運動作用下，可能遇到已經(jīng)產(chǎn)生的空穴，與空穴進(jìn)行復(fù)合，從而使載流子消失?？昭ㄝd流子的不斷產(chǎn)生和消失，相當(dāng)于空穴（正電荷）的移動。由于 電子和空穴的移動 ，就使半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性。 電子 空穴移動示意圖 半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性 禁帶具有一定的能量，這種能量叫做 禁帶寬度 。實際上，這個能量是導(dǎo)帶的最低能級與滿帶的最高能級的能量差。 半導(dǎo)體的能帶示意圖 價帶：原子中最外層電子或價電子所在的能帶 禁帶：價帶與導(dǎo)帶之間的空隙帶 導(dǎo)帶：具有能導(dǎo)電的電子的最高能帶 半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性 內(nèi)光電效應(yīng) ：當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光的照射時，光可能被反射、吸收或透射。有些光子的能量大到足以使電子掙脫原子的束縛，同時把電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，使半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子 空穴對。 實現(xiàn)內(nèi)光電效應(yīng)的 條件 是： 其中： 為光子的能量， eV； 為普朗克常數(shù)， 1015eVs； 是光的頻率， 1/s； 為禁帶寬度， eV。 ghE????? h?gE半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性 由于 有 波長大于截止波長的光不能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 c???ghcE???? 截 止材料 禁帶寬度 /eV 截止波長 /μm 可供利用的太陽能比率 硅 磷化銦 砷化鎵 碲化鎘 硒 銻化鋁 硒化鎘 磷化鎘 硫化鎘 幾種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度表 半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性 光子能量通量 ：單位時間通過單位截面的光子能量。 其中： 為在深度 x處的光的強(qiáng)度， W/m2； 為射入正交表面的光強(qiáng)， W/m2； 為吸收系數(shù)， 1/m。 說明 ：太陽能電池對半導(dǎo)體材料的薄膜厚度有一定的要求。 例：若要吸收 90%以上的光子能量，半導(dǎo)體 Si的薄膜厚度需超過 100μm，而半導(dǎo)體 GaAs的薄膜厚度只需 1μm。 ? ? ? ? ? ?0 e x pI x I a x??? ?Ix? ?0Ia半導(dǎo)體的摻雜特性 本征半導(dǎo)體 完全無雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的 本征導(dǎo)電能力 很小， Si在 300K的本征電導(dǎo)率為 105 Ω?cm。 具有斷鍵的硅晶體 半導(dǎo)體的摻雜特性