【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1 + (h ) 在其他大氣變量不變的情況下，隨著大氣質(zhì)量的增加，到達(dá)地球的能量在所有波段都遭 到衰減。在陽(yáng)光的光譜分布中，吸收帶附近衰減更為嚴(yán)重。 與地球大氣層外的情況相反，地面陽(yáng)光的強(qiáng)度和光譜成分變化都很大。因此為了對(duì)不同 地點(diǎn)測(cè)得的不同太陽(yáng)電池的性能進(jìn)行有意義的比較，就必須確定一個(gè)地面標(biāo)準(zhǔn)，然后參照這 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。（一般采用 的分布，即總功率密度為 1KW/m （ 100mW/cm ），即接近 地球表面接收到的功率密度的最大值） 在給定地點(diǎn)，影響有效日照的因素有緯度，高度，氣候類(lèi)別，主要植被，當(dāng)?shù)氐乩硖卣鳌? 最經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)是水平面上總輻射的日平均值。實(shí)際使用的測(cè)量?jī)x表有： ①、 天空輻射計(jì) ②、 散射輻射計(jì) ③、 棒移式總輻射計(jì) ④、 直接輻射計(jì) ⑤、 日照時(shí)數(shù)計(jì)表 波長(zhǎng) (um) 圖 22 太陽(yáng)能光譜分布 14 2 2 ） 第 2 章 太陽(yáng)和太陽(yáng)能 表 21 是地球表面接收到的太陽(yáng)輻射能按月份變化的規(guī)律： 表 21 太陽(yáng)輻射能按月份變化規(guī)律 月份日期 （冬至） （春分） （夏至） 5（秋分） 太陽(yáng)強(qiáng)度 Mwcm 比率 （相對(duì) 135176。 3Mw/cm ） 比率 世界和中國(guó)太陽(yáng)能資源分布情況 在世界上，美國(guó)西南部，非洲，澳大利亞等地總輻射量或日照時(shí)數(shù)都最大，在這些地 區(qū)很多屬于第三世界發(fā)展中國(guó)家，在這些地方利用太陽(yáng)能發(fā)電具有很多優(yōu)越性。 我國(guó)地處北半球，土地遼闊，幅員廣大，國(guó)土總面積達(dá) 960 萬(wàn)平方公里。南從北緯 4o的 曾母暗沙，北到北緯 的漠河，西自東經(jīng) 73o 的帕米耳高原，東至東經(jīng) 135o 的黑龍江 與烏蘇里江匯流處，距離都在 5000 公里以上。在我國(guó)廣闊富饒的土地上，有著豐富的太陽(yáng) 能資源。全國(guó)各地的年太陽(yáng)輻射總量為 928－ 2333kWh/ m2，中值為 1626kWh/ m2。 根據(jù)各地接受太陽(yáng)總輻射量的多少，可將全國(guó)劃分為五類(lèi)地區(qū)。 一類(lèi)地區(qū)為我國(guó)太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)，年太陽(yáng)輻射總量 66808400 MJ/m2，相當(dāng)于 日輻射量 。這些地區(qū)包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏 西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達(dá) 2333kWh/ m2 （日輻射量 ，居世 界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。 二類(lèi)地區(qū)為我國(guó)太陽(yáng)能資源較豐富地區(qū)，年太陽(yáng)輻射總量為 58506680 MJ/m2，相當(dāng)于 日輻射量 。這些地區(qū)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。 三類(lèi)地區(qū)為我國(guó)太陽(yáng)能資源中等類(lèi)型地區(qū)，年太陽(yáng)輻射總量為 50005850 MJ/m2，相當(dāng) 于日輻射量 。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉 15 第 2 章 太陽(yáng)和太陽(yáng)能 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(tái)灣西南部 等地。 四類(lèi)地區(qū)是我國(guó)太陽(yáng)能資源較差地區(qū)，年太陽(yáng)輻射總量 42005000 MJ/m2，相當(dāng)于日輻 射量 。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、 福建北部、廣東北部、 陜南、蘇北、皖南以及黑龍江、臺(tái)灣東北部等地。 五類(lèi)地區(qū)主要包括四川、貴州兩省，是我國(guó)太陽(yáng)能資源最少的地區(qū)，年太陽(yáng)輻射總量 33504200 MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量只有 。 太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)可以從縣級(jí)氣象臺(tái)站取得，也可以從國(guó)家氣象局取得。從氣象局取得的 數(shù)據(jù)是水平面的輻射數(shù)據(jù)，包括：水平面總輻射，水平面直接輻射和水平面散射輻射。 從全國(guó)來(lái)看，我國(guó)是太陽(yáng)能資源相當(dāng)豐富的國(guó)家，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在 4 kWh/ 以上，西藏最高達(dá) 7 kWh/。與同緯度的其它國(guó)家相比，和美國(guó)類(lèi)似，比歐 洲、日本優(yōu)越得多。上述一、二、三類(lèi)地區(qū)約占全國(guó)總面積的 2/3 以上，年太陽(yáng)輻射總量高 于 5000 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)大于 2022h，具有利用太陽(yáng)能的良好條件。特別是一、二類(lèi)地區(qū)， 正是我國(guó)人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、邊遠(yuǎn)的廣大西北地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后。 可充分利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽(yáng)能資源，采用太陽(yáng)光發(fā)電技術(shù)，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，提高人民生活水平。 圖 23 中國(guó) 太陽(yáng)輻照及分布 16 第三章 太陽(yáng)電池、組件 第 3 章 太陽(yáng)電池、組件 太陽(yáng)能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來(lái) 自太陽(yáng)能；廣義地說(shuō)，太陽(yáng)能包含以上各種可再生能源；太陽(yáng)能作為可再生能源的一種，則 是指太陽(yáng)能的直接轉(zhuǎn)化和利用。 通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于太陽(yáng)能熱利用技術(shù)，再利用熱能進(jìn)行 發(fā)電的稱(chēng)為太陽(yáng)能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域；通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置把太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電 能利用的屬于太陽(yáng)能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行 光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱(chēng)太陽(yáng)能光伏技術(shù)。 太陽(yáng)電池是把光能轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。當(dāng)陽(yáng)光照射到太陽(yáng)電池上，光子所含 的能量被太陽(yáng)電池吸收后，產(chǎn)生光生伏打效應(yīng)，將太陽(yáng)電池兩極用導(dǎo)線連成回路后，形成光 生電流。如圖 所示。目前市場(chǎng)上所用多是硅太陽(yáng)電池。根據(jù)硅晶體結(jié)構(gòu)的不同，太陽(yáng)電 池可分為：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)電池，多晶硅太陽(yáng)電池，非晶硅太陽(yáng)電池，帶狀硅太陽(yáng)電池。此外對(duì) 于晶體硅太陽(yáng)電池，由于減反膜的厚度不同可以制備成不同顏色的太陽(yáng)電池。如圖 所示 的彩色太陽(yáng)電池。 圖 太陽(yáng)電池工作示意圖 17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 exp? n ? ? 第三章 太陽(yáng)電池、組件 圖 彩色太陽(yáng)電池 隨著地球化石資源的日益消耗和環(huán)保意識(shí)的深入人心，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電理論研究和 新工藝技術(shù)研究的深入發(fā)展，也隨著規(guī)模效應(yīng)帶來(lái)的成本的持續(xù)下降，太陽(yáng)能光伏發(fā)電有望 逐漸成為新世紀(jì)的主力電源。 pn 結(jié)電流電壓特性 太陽(yáng)電池是由電性質(zhì)不同的 N型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體連接合成的。這兩種半導(dǎo)體的界面 稱(chēng)作 PN結(jié)。在 pn結(jié)上加偏置電壓時(shí)，由于空間電荷區(qū)內(nèi)沒(méi)有載流子（又稱(chēng)為耗盡區(qū)）形成 高阻區(qū)，因此，電壓幾乎全部跨落在空間電荷區(qū)上。當(dāng)外加電壓使得 p區(qū)為正時(shí)，勢(shì)壘高度 減小，空穴從 p區(qū)向 n區(qū)的移動(dòng)以及電子從 n區(qū)向 p區(qū)的移動(dòng)變得容易，在兩個(gè)區(qū)內(nèi)有少數(shù)載流 子注入，因此電流容易流動(dòng)（稱(chēng)為正向）。當(dāng)外加電壓使得 n區(qū)為正時(shí)，勢(shì)壘高度增加，載流 子的移動(dòng)就變得困難，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)（此時(shí)稱(chēng)為反向）。當(dāng)存在外加電壓時(shí)，空間電荷 區(qū)的 n區(qū)邊界和 p區(qū)邊界的空穴濃度 pn及電子濃度 np如下： pn = pn0 exp? qV n p = n p0 exp? qV kT ? kT ? () 當(dāng)加正向電壓時(shí) V0，加反向電壓時(shí) V0。 由于我們認(rèn)為外加電壓僅跨越在空間電荷區(qū)，所以可視為 n區(qū)內(nèi)沒(méi)有電場(chǎng)，由空穴構(gòu) 成的電流只是由于它的濃度梯度形成的擴(kuò)散電流。電流密度 Jp為 J p = q D p L p (p ? pn0 ) = qpn0 D p ? ? qV ? ? L p ? ? kT ? ? () 同樣，注入到 p區(qū)的少數(shù)載流子電子的電流密度 Jn為 18 ? ? ? ? ? ? 1? ? ? qV ? ? ? ? kT ? ? 第三章 太陽(yáng)電池、組件 J n = qn p0 Dn Ln ? ? qV ? ? ? exp? kT ? ? 1? () 因加偏壓 V 而產(chǎn)生的總電流是空穴電流與電子電流之和，故總電流密度 J 為： J = J p + J n = J 0 ? exp? () J 0 = qpn0 D p L p + qn p0 Dn Ln () 總電流密度 J具有如圖 所示的整流特性。正向時(shí)，在電壓較大的區(qū)域，電流密度與 exp(qV/kT)成正比；反向時(shí)則趨近于 J0。稱(chēng) J0為飽和電流密度。 圖 半導(dǎo)體 pn 結(jié)的電流－電壓特性 太陽(yáng)電池工作原理 半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光子將能量提供給電子，電子將躍遷到更高的能態(tài)，在這些 電子中，作為實(shí)際使用的光電器件里可利用的電子有： （ 1）價(jià)帶電子； （ 2）自由電子或空穴（ Free Carrier）； （ 3）存在于雜質(zhì)能級(jí)上的電子。 太陽(yáng)電池可利用的電子主要是價(jià)帶電子。由價(jià)帶電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶的過(guò) 程決定的光的吸收稱(chēng)為本征吸收或固有吸收。 太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體 pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體光伏器件 上時(shí)，在器件內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，在半導(dǎo)體內(nèi)部 pn結(jié)附近生成的載流子沒(méi)有被復(fù)合而能夠 到達(dá)空間電荷區(qū)，受內(nèi)建電場(chǎng)的吸引，電子流入 n區(qū)，空穴流入 p區(qū)，結(jié)果使 n區(qū)儲(chǔ)存了過(guò)剩 的電子， p區(qū)有過(guò)剩的空穴。它們?cè)?pn結(jié)附近形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電 場(chǎng)除了部分抵消勢(shì)壘電場(chǎng)的作用外，還使 p區(qū)帶正電， N區(qū)帶負(fù)電，在 N區(qū)和 P區(qū)之間的薄層就 產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏特效應(yīng)。此時(shí)，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能 量成正比的光電流流過(guò)，這個(gè)電流稱(chēng)作短路電流（ Isc），另一方面，若將 PN結(jié)兩端開(kāi)路，則 由于電子和空穴分別流入 N區(qū)和 P區(qū)，使 N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)比 P區(qū)的費(fèi)米能級(jí)高，在這兩個(gè)費(fèi)米能 級(jí)之間就產(chǎn)生了電位差 VOC?？梢詼y(cè)得這個(gè)值，并稱(chēng)之為開(kāi)路電壓 (Voc)。由于此時(shí) pn結(jié)處于正 向偏置，因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定 VOC的值。 19 2 第三章 太陽(yáng)電池、組件 太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程 太陽(yáng)電池是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的 PN 結(jié)組成。 此外，異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘等也可以得到較好的光電轉(zhuǎn)換效率。本節(jié)以最普通的硅材料 PN 結(jié)太陽(yáng)電池為例，研究光能轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。 首先研究在太陽(yáng)電池工作時(shí)，外部觀測(cè)到的特性。圖 表示了無(wú)光照時(shí)太陽(yáng)電池典 型的電流電壓特性（暗特性）。當(dāng)太陽(yáng)光照射到這個(gè)太陽(yáng)電池上時(shí)，將有和暗電流方向相反 的光電流 Iph流過(guò)。 圖 無(wú)光照和有光照時(shí)太陽(yáng)電池電流－電壓特性 當(dāng)太陽(yáng)電池與負(fù)載 R連接，并用太陽(yáng)光照射時(shí)，負(fù)載上的電流 Im和電壓 Vm將由圖中有光 照時(shí)的電流一電壓特性曲線與 V=IR表示的直線的交點(diǎn)來(lái)確定。此時(shí)負(fù)載上有 Pout=RI m的功率 消耗，它清楚地表明正在進(jìn)行著光電能量的轉(zhuǎn)換。通過(guò)調(diào)整負(fù)載的大小，可以在一個(gè)最佳的 工作點(diǎn)上得到最大輸出功率。輸出功率（電能）與輸入功率（光能）之比稱(chēng)為太陽(yáng)電池的能 量轉(zhuǎn)換效率。 太陽(yáng)電池的基本特性 短路電流 太陽(yáng)電池的短路電流等于其光生電流。分析短路電流的最方便的方法是將太陽(yáng)光譜劃 分成許多微小光譜區(qū)域，每一微小區(qū)域只有很窄的波長(zhǎng)范圍，并計(jì)算出每一微小區(qū)域光譜所 對(duì)應(yīng)的電流，電池的總短路電流是全光譜貢獻(xiàn)的總和，表達(dá)式如下： I sc = +0 jsc (? )d? ? +?m ? ? 0 jsc (? )d? = +?m ? 0 (1 ? R(? ) )qF (? )? (? )d? () 式中 λ0 ——本征吸收波長(zhǎng)極限； R(λ)——半導(dǎo)體器件表面反射率； F(λ)——太陽(yáng)光