太阳能电池原理

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。
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。


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。
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。
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。
甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。
2）二类地区： 全年日照时数为3000～3200h，辐射量在（586 ～670）×104KJ/(cm2 × a)。相当于200～250Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西部、 山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新 疆南部等地。
3）三类地区： 全年日照时数为2200～3000h，辐射量在5850～6680MJ/m2 。日辐射量为 4.5 ～5.1KW· 2，相当于170 ～200Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包 h/m 括山东、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、 甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。 4）四类地区： 全年日照时数为1400～3300h，辐射量在（419～502）×104KJ/(cm2 × a)。相当于140 ～170Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括湖南、湖北、 广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、山西南部、江苏北部、安徽南部 以及黑龙江、台湾东北部等地。
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 ) /(109 W m-2 Hz1 )
瑞利 - 金斯公式 6
4
2
0
**普朗克公式的理论曲线 * * * * * * * * 实验值 * T = 2 000 K * ** * * 14
1 2 3
/ 10 Hz
M0 W m3
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。
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：
AM=1/cos θ
例：当θ=60°时，AM=1/cos60=2
AM0 AM1.5 AM1
内容
1 2 3 4 太阳能电池和太阳光 半导体的特性 物理学基本方程 PN结二极管 5 6 7 8 效率测量 硅太阳电池工艺 硅电池工艺改进 硅电池的设计
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。
太阳能电池分类
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%。
有时偏南，有时
偏北，形成季节 变化。
视运动：假定地球是静止的，太阳在围绕地球转动。
春 分 夏至 6.21
秋 分
3.21 冬至 12.22
9.23
1.8 日照数据
设计光伏系统时，理想的情况是掌握有该系统安装地日照情况的详细记录。
按接受太阳能辐射量的大小，全国大致可分为五类地区：
1）一类地区：
全年日照时数为3200～3300h，辐射量在（670 ～837）×104KJ/(cm2 × a)。相当于225 ～285Kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、
晶胞基矢： a ai , b aj , c ak a b c
c
a1
b
a2 a1 ( j k ) 2 a a2 (i k ) 2 a a3 (i j ) 2 a1 a2 a3
1 太阳能电池的原理
耗尽区 P区 N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。
光
I P N
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。
3.每天1：20测树的影长，记录数据。
一天内太阳高度角的变化
时间 影长（米） 高度角（度）
9：10
1：20 4：45
4月太阳高度角变化
日期 影长（米） 高度角（度）
10 11
12 13
4.对楼距的影响： 最佳楼距，当太阳高度角最小的时候，最底层也能够有阳光射入。
楼距测量
楼距（米）
一号楼～ 二号楼 二号楼～ 三号楼
45o
大气层 Earth
在无法知道θ值的情况下，如何估算大气光学质量AM？
s 2 AM 1 ） （ h
h
h：物体的高度 s：竖直物体投影的阴影长度
S
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。
1.直接辐射
c a3
k
j
i
b a2 a a1
原胞基矢： a1 ai , a2 aj , a3 ak a1 a2 a3
晶胞与原胞体积相等，包含一个格点。
晶胞基矢： a ai , b aj , c ak a b c
太阳常数 1.353kW/m2
6000K黑体
光谱辐照度(Wm-2m-1)
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)
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%。
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。
输入100% 臭氧
2% 20—40km
3%散射到太空
0.5% 1% 1.0% 4% 0.5% 1% 1.0%
高层尘埃
1% 15—25km
18%吸收
8%
大气分子
0—30km
水蒸汽
6% 0—3km
低层尘埃
1% 0—3km
1%
70%直达地表
7%散射到地表
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
5）五类地区：
全年日照时数为1000～1400h，辐射量在3350～4200MJ/m2 。相当于 115 ～140Kg标准煤燃烧所发出的热量。日辐射量为2.5 ～3.2KW· 2。主 h/m
要包括四川贵州两省。
实验
太阳高度角变化对楼距影响
原理：太阳至设点在南北回归线间有规律移动，引起正午太阳高度角 的季节变化；每天太阳东升西落，太阳的高度角也不尽相同。 要求：1.不同时刻太阳高度角的大小 太阳光线和地面的夹角 2.同一时刻不同日期太阳高度角的大小 3.楼距安排是否合理 测量方法及步骤： 1.测树的高度（如：立一根长1米的竿，测出影子1.3米，同时测作为参 照物的树影子长10.2米，运用等比三角形知识，求出树高7.9米）。 2.测量树在一天内不同时刻的影长变化（9：10、1：20、4：45）。
单晶、多晶和非晶体原子排列
2.2 晶体结构和取向
构成晶体的最小重复单元为原胞，原胞包含有重现晶体中原子位置所需 的全部参数，但它们常具有比较特殊的形状。因此，讨论的时候采用较大的 单位晶胞，晶胞也包含以上参数，但形状简单。
晶胞基矢： a ai , b aj , c ak a b c
性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的
小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。 硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。
单晶硅：
原子在整个晶体中排列有序
多晶硅：
原子在微米数量级排列有序
非晶硅：
原子在原子尺度上排列有序
短程序包含：
1、近邻原子的种类和数目； 2、近邻原子之间的距离（键长）； 3、近邻原子的几何方位（键角）；
为5%--8%，最高效率达14.6%，
层叠的最高效率可达21.0%。
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。
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
楼高（米）
太阳最小高 理论最小楼 度角（度） 距（米）
第2章 半导体的特性
2.1 引言
自然界物质存在的状态分为液态、气态、固态。固态物质根据它们的 质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。 具有确定熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没 有确定的熔点，加热时在某以温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶 体，如玻璃、松香等。 晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同以规则作周期