太阳能光伏发电原理与应用-复习完整版

《太阳能光伏发电原理与应用》知识点第2章（1）光子能量：一般用波长或相对应的能量来描述一个光子的特性。

光子能量与波长之间存在反比例关系,方程为E=hc/λ。

电子伏特与焦耳的转换为E（J）=q x E（eV）。

能量与波长关系为E（eV）=1.24/λ。

（2）光子通量：光子通量被定义为单位时间内通过单位面积的光子数量：ɸ=#（光子数量）/(sm*2)。

光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的重要因素。

光子通量并不足以确定太阳能电池产生的电流大小或说明光源的特性。

光子通量没有包含关于入射光子的能量或波长的信息。

（3）辐射功率：发射自光源的总的功率强度可以通过所有波长或其对应的能量的光照度的叠加计算获得。

H=ʃ F(λ)dλ=Σ F(λ)Δλ可以用来计算光源发出的总的功率强度。

（4）光照度：单位面积上所受的光通量。

作为光子波长（或能量）的对应量，光照度（记作F）是描述光源性质最常用的方式。

（5）黑体：在任何条件下，完全吸收任何波长的外来辐射而无任何反射的物体；吸收比为1的物体；在任何温度下，对入射的任何波长的辐射全部吸收的物体。

黑体辐射出的总功率强度可由所有波长的光照度的积分得到：H=σT^4 ，σ为斯特番—玻尔兹曼常量，T黑体温度。

光照度最高处的波长λ为λ（u,m）=2900/T 。

（6）地理坐标：以地心为原点，以地球为基本圆，以地球自转轴为中心轴，用纬度、经度来表示地球表面上点的位置。

天球坐标：天球：以观察者为球心，以任意长度（无限长）为半径，其上分布着所有天体的球面。

地平面：球心与铅直线相垂直的平面。

地平圈：地平面与天体的交线所成大圆。

天顶、天底：通过球心的铅直线与天球的交点。

地平坐标：以地平圈为基本圆，天顶为基本点，南点为原点的坐标系。

地平经圈：通过天顶Z和太阳（或任一天体）X作一大圆。

时角坐标：以天极为基本点，天赤道（地球赤道平面延伸后与天球相交的大圆）和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标。

（7）太阳常数：地球除自转外并以椭圆形轨道绕太阳运行，地球与太阳之间的距离不是一个常数，地球大气层上界的太阳辐射强度随日地间距离的不同而不同，由于日地间的距离很大，其相对变化量是很小的，由此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过3.4%,z这就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。

（8）太阳光谱：太阳发射的电磁波在大气顶上随波长的分布叫做太阳光谱。

到达地面的太阳辐射光谱是地外太阳光谱和大气成分的函数，它对于地面太阳电池系统及其他一些应用是十分重要的。

太阳光谱是连续的，且辐射特性与绝对黑体辐射近似。

（9）直接辐射：直接接收到的、不改变方向的太阳辐射。

散射辐射：接收到的被大气层反射和散射后方向改变的太阳辐射。

反射辐射：到达地面的总辐射中,有一部分被地面反射回大气,称为地面反射辐射。

总辐射：到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。

净辐射：单位时间、单位面积地表面吸收的太阳总辐射和大气逆辐射与本身发射辐射之差称为地面净辐射。

（10）辐射在大气中的衰减：太阳辐射穿过地球大气层时，不仅受到大气中的空气分子、水汽及灰尘所散射，而且受到大气中氧、臭氧、水和二氧化碳的吸收，所以经过大气而到达地面的太阳直接辐射显著衰减。

太阳辐射100%，最终返回宇宙43%（其中包括云层反射，地面反射，云层散射，地面散射），大气吸收14%，直达地面27%，散射到地面16% 。

（11）散射作用：由入射辐射波长λ与散射质点的相对大小r，将散射分为瑞利散射、米氏散射和无选择性散射。

当r «λ时，瑞利散射；当r ≈λ时，米氏散射；当r »λ时，无选择性散射。

瑞利散射：由大气中的原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧气分子等引起。

散射强度与波长的四次方成反比，即入射光波长越短，散射能力越强。

米氏散射：大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的散射，这种散射的强度受气候影响大。

散射强度与波长的平方成反比，且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向性明显。

无选择性散射：当大气混浊（质点半径＞10um），大气粒子的直径比辐射波长大得多时发生。

散射强度与波长无关，即任何波长的散射强度相同，散射系数不再随波长改变，也称为漫射。

（12）大气质量：大气质量被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的路径（即当太阳处在头顶正上方时）规定为“一个标准大气质量”。

“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。

大气质量AM＝1／cos（θ），其中θ表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气质量为1。

“大气质量”描绘了太阳光到达地面前所走过的路程与太阳处在头顶时的路程的比例，也等于Y/X。

（14）典型气象年：描述当地天文气候时最常用的数据就是叫做典型气象年的数据（TMY）。

描述太阳辐射最常用的方式是典型气象年（TMY），或者是由美国国家可再生能源实验室所使用的TMY2，TMY包含有每天数据的变化。

平均太阳辐射数据，特别是一年中每个月的平均数据在粗略估计太阳能电池板安装数量时也是被广泛使用的。

阴天：地面实际接收到的光线要少于理论光线接收值的50%的日子。

（15）日照时数：日照时数的长短受所在纬度、季节、地形、天空状况等因素影响。

定义为不受任何遮蔽时每天从日出到日落的总时数。

日照百分率：衡量日照的多少常以实际照射时数（实照时数）与可能照射时数（可照时数）的百分比即日照百分率表示。

光照时间：光照时间=可照时数+曙暮光时间曙暮光：在日出前和日落后，太阳光线在地平线以下0°~6°时，光通过大气散射到地表产生一定的光照强度，这种光线称为曙光和暮光。

一般曙暮光随纬度升高而加长，夏季尤为显著。

（16）峰值太阳时：日平均日照度（单位为KWhr / m^2 day）有时也被称为峰值太阳时。

日照度：日照度是指特定时间内单位面积区域所接受到的总的太阳辐射量，通常以KWhr / ( m^2 day )为单位。

第3章根据导电性能和电阻率：导体，半导体，绝缘体半导体按是否含杂质可分为：本征半导体与杂志半导体（N型半导体、P型半导体）。

按物理特性可分为：热敏、光敏、气敏、磁性、压电、铁电半导体等。

晶体：有规则对称的几何外形；物理性质（力、热、点、光）各向异性；有确定的熔点；微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性排列，形成空间点阵（晶格）。

面心立方晶格AuAgCuAl体心立方晶格LiNaKFe六角密排晶格BeMgZnCd共价键：硅、锗等多数半导体多有4个价电子，当形成晶体时，原子之间靠的很近，相连的两个原子各贡献一个价电子，形成为这两个原子共有的价电子，围绕着这两个原子转动，从而形成共价键结构。

共价键中的电子同时受到两个原子核的约束，具有很强的结合力，按一定形式排列，因此，在绝对零度和无外界激发的条件下，硅晶体没有自由电子存在。

电子共有化：大量原子规则排列时晶体中的大量原子（分子、离子）的规则排列形成点阵结构，晶体中形成周期性势场。

由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象称为电子共有化。

共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。

原子的外层电子（高能级），势垒穿透概率较大，属于共有化的电子，原子的内层电子与原子结合较紧，一般不是共有化电子。

对能量E1的电子：势能曲线表现为势垒，电子能量＜势垒高度，且E1较小，势垒较宽，穿透概率小，认为电子束缚在各自离子周围。

若E1较大（仍低于势垒高度），穿透概率较大，由隧道效应，电子可以进入相邻原子。

对能量E2的电子：电子能量＞势垒高度，电子在晶体中自由运动，不受特定离子束缚。

能带：量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响,原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。

这些新能级基本上连成一片，形成能带。

能带的一般规律：外层电子共有化程度显著，能带较宽(ΔE较大) ；内层电子相应的能带很窄。

点阵间距越小，能带越宽，ΔE越大。

两能带有可能重叠能带中的电子排布：晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。

排布原则：(1) 服从泡里不相容原理(电子是费米子)(2) 服从能量最小原理。

孤立原子的能级Enl，最多能容纳2(2l+1)个电子。

这一能级分裂成由N条能级组成的能带后，最多能容纳2Ｎ(2l+1)个电子。

例如：1s、2s能带，最多容纳2Ｎ个电子，2p、3p能带，最多容纳6Ｎ个电子。

能带结构：应用单电子近似的结果，就是晶体里的每一个电子不再是处于一个具有确定数值的能级里，而是和其它所有原子里具有相同轨道的电子共同处在一个具有一定宽度的能量范围里，形成所谓能带，能带之间则是任何电子都不能稳定存在的能量区域，称为禁带。

能带产生的根本原因还是在于泡利不相容原理。

由于组成晶体的大量原子的相同轨道的电子被共有化后，只有把同一个能级分裂为相互之间具有微小差异的极其细致的能级，这些能级数目巨大，而且堆积在一个一定宽度的能量范围内，以至于可以看成是在这个能量范围内，电子的能量状态是连续分布的。

电子在能带中的填充：满带中排满电子，导带中部分能带排满电子，空带中未排电子，禁带中不能排电子。

满带：能带中各能级都被电子填满；满带中的电子不能起导电作用。

导带：被电子部分填充的能带。

在外电场作用下，电子可向带内未被填充的高能级转移，但无相反的电子转换，因而可形成电流。

价电子能级分裂后形成的能带。

有的晶体的价带是导带；有的晶体的价带也可能是满带。

空带：所有能级均未被电子填充的能带。

由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下空着；当有激发因素(热激发、光激发)时，价带中的电子可被激发进入空带；在外电场作用下，这些电子的转移可形成电流。

所以，空带也是导带。

禁带：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。

禁带的宽度对晶体的导电性有重要的作用。

若上下能带重叠，其间禁带就不存在。

导体的能带结构：在外电场的作用下，电子容易从低能级跃迁到高能级，形成集体的定向流动(电流)，显出很强的导电能力。

绝缘体的能带结构：禁带较宽(相对于半导体)，禁带宽度ΔEg = 3～6 eV。

在外电场的作用下电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。

一般的热激发、光激发或外加电场不太强时，满带中的电子很难能越过禁带而被激发到空带上去。

当外电场非常强时，电子有可能越过禁带跃迁到上面的空带中去形成电流，这时绝缘体就被击穿而变成导体了。

本征半导体：是指纯净的半导体，导电性能介于导体与绝缘体之间。

和绝缘体相似，只是半导体的禁带宽度很小(ΔEg= 0.1～2eV)杂志半导体：n型（电子导电）半导体和p型（空穴导电）半导体。

N型半导体：四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量五价的杂质元素(如P、As等)形成电子型半导体，也称n型半导体。

施主能级：这种杂质能级因靠近空带，杂质价电子极易向空带跃迁。