太阳能讲义光电转换西安交通大学
《太阳能和光电转换》课件
优化系统布局与配置
根据地理位置、气候条件和系统需求，合理配置 和布局各部件，提高光电转换效率。
05 太阳能电池的应用实例
太阳能光伏发电系统
总结词
利用太阳能电池将光能转换为电能，为家庭、企业或城市提供电力。
详细描述
太阳能光伏发电系统包括太阳能电池板、逆变器、控制器和储能设备等组件， 可将太阳能转换为直流电，通过逆变器转换为交流电，供给家庭、企业或城市 使用。
储存太阳能电池板产生 的电能，如蓄电池或超
级电容器。
光电转换系统的优化方法
提高太阳能电池板的光电转换效率
通过改进材料、表面处理和结构优化等方式提高光电转换效率。
降低系统成本
采用低成本材料和制造工艺，降低整个系统的成本。
提高系统稳定性
加强散热设计、提高抗风能力和优化连接方式，提高系统的稳定性和 寿命。
详细描述
太阳能灯具与路灯集成了太阳能电池 、LED灯具和控制部件等，通过太阳 能电池吸收太阳辐射能并转换为电能 ，供给LED灯具使用，实现夜间照明 。
太阳能船、太阳能车等交通工具
总结词
利用太阳能电池为动力，驱动交通工具行驶。
详细描述
太阳能船、太阳能车等交通工具集成了高性能的太阳能电池和电机，通过太阳能电池吸收太阳辐射能并转换为电 能，供给电机使用，驱动交通工具行驶。
详细描述
太阳内部的氢原子在高温高压下通过核聚变反应生成氦原子，并释放出大量的能量。这 些能量以光和热的形式向宇宙空间辐射，地球表面接收到的太阳辐射能主要来自于太阳 直射辐射和地面反射辐射。太阳能的分布受到地理位置和气候条件的影响，不同地区接
收到的太阳辐射能存在差异。
第4章 太阳能光电转换
第4章太阳能光电转换第1节概论太阳能光电转换是直接将太阳光能转换为电能，实现转换的主要部件是太阳能电池。
太阳能电池也称光伏电池，它没有任何运动的机械部件，在能量转换中具有重要的地位，被认为是“最优雅的能量转换器”。
1954年，贝尔(Bell)实验室的三名研究人员制造出第一块硅太阳能电池，从此揭开了太阳能电池应用的序幕。
刚问世时，太阳能电池的转换效率比较低，只有5%左右。
1958年，太阳能电池应用到美国卫星“先锋一号”上，这是太阳能电池应用的一个重大突破。
两个月后，即1958年5月，苏联也发射了一颗利用太阳能供电的卫星。
几十年以来，太空中出现了几千颗卫星，凡是飞行寿命在几个月以上的，大多数都采用太阳能电池作电源。
早期设计的太阳能电池系统的输出功率很小，只有几十瓦，后来发展到200~300W，到1963年，发射大型气象试验卫星(NIMBUS)时，功率已经达到了500W。
随着空间事业的不断发展，出现了各种应用型的卫星，比如广播卫星、大型通信卫星、气象卫星等，要求的功率越来越大，达到了上千瓦，甚至几千瓦、几十千瓦。
进入新千年以来，随着科学研究和生产技术的日新月异的发展，光伏电池在很多领域已经具有了竞争能力。
目前太阳能电池技术的主要目标是进一步降低发电成本。
但是，只有当太阳能电池与传统的燃煤、燃油或核能发电竞争时，这种经济性方面的考虑才是必需的。
在一些特殊的情况下，比如为太阳能很丰富的边远地区供电，经济性的考虑就完全不同了。
下图是1988年到2004年世界上利用太阳能电池的情况。
日本、欧洲、美国一直是发展和利用太阳能电池的主要国家和地区，但从新千年开始，世界其他国家和地区的发展速度明显加快了，尤其是中国。
下表所示为2002~2007年世界主要国家和地区的太阳能电池产量。
第2节光电转换的理论基础光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。
太阳光是由光子组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。
光照射到太阳能电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以产生电能。
光电转换的原理
光电转换的原理
光电转换是指将光能转换为电能的过程，是一种重要的能源转
换技术。
光电转换的原理主要涉及光电效应、光伏效应和光生电化
学效应三种基本机理。
首先，光电效应是指当光线照射在金属表面时，金属会产生电
子的发射现象。
这是由于光子的能量足以克服金属表面的束缚力，
使得金属中的自由电子被激发并跃迁到导带中，从而产生电流。
这
一效应是光电转换的基础，也是光电池等光电器件的工作原理之一。
其次，光伏效应是指当光线照射在半导体材料上时，会产生光
生电荷对的现象。
在半导体材料中，光子的能量可以激发电子从价
带跃迁到导带，同时在价带中留下一个空穴。
这些光生电荷对会在
外加电场的作用下产生电流，从而实现光能到电能的转换。
光伏效
应是目前应用最为广泛的光电转换原理，被广泛应用于太阳能电池
等光伏设备中。
最后，光生电化学效应是指在光照条件下，光生电子和光生空
穴在电解质溶液中产生化学反应的现象。
这种效应可以用于光生电
解制氢、光生电解制氧、光生电化学储能等领域，是一种重要的光
电转换方式。
综上所述，光电转换的原理涉及光电效应、光伏效应和光生电化学效应三种基本机理。
通过这些机理，光能可以被高效地转换为电能，为清洁能源的开发和利用提供了重要技术支持。
随着科技的不断进步，光电转换技术也将不断得到改进和完善，为人类的可持续发展做出更大的贡献。
光电转化原理
光电转化原理光电转化原理是指光能转化为电能的过程，即光电效应。
它可以用于照相、光电二极管、太阳能电池等方面，是现代电子技术中一项重要的新型科技。
光电效应最早被发现于19世纪末，当时有科学家试图解释为什么一个金属球放在一定电压下仍能照射出电子，最终确定了电子受光照射后能够从金属中逸出的现象，即光电效应。
光电效应的原理是：当一束光线照射到材料（如金属）表面时，会激发到材料中电子的运动，电子进入到金属中的导体层，和其他电子一起形成电流，即光电流。
电子的运动能量可以用光子的能量表示，光子的能量越大，电子获得的能量也越大，当光子能量大于材料内电子结合能时，电子就会被激发到材料表面并逃逸出来。
在光电二极管中，利用光电效应可以将光能转换为电能，产生电流。
太阳能电池是一种能将太阳能转化为电能的设备，由于原理与光电效应相似，太阳能电池也属于光电转化原理的范畴。
太阳能电池由多个具有不同光电效应的材料叠层并组成。
当阳光照射在太阳能电池上时，能量会转化为电能，而电池内部的材料质量和能带结构就决定了光电转换效率。
由于太阳能电池可以长时间稳定工作，并且对环境无污染，在太阳能利用中得到了广泛的应用。
光电转化原理是一项重要的科技。
通过了解光电效应的基本原理和应用，人们可以更好地理解和使用现代电子技术。
光电转化原理不仅在电子技术中可以应用，也在生活中得到了广泛的应用。
光电转化原理在科学研究和工业生产中都有着广泛的应用。
在通信领域中，无线电波的穿透力和传输距离均受限，并且无法通过障碍物进行信号传输。
而光波信号的穿透力更强且传输距离更远，因此光通信技术的发展成为通信领域研究的热点。
光通信设备通过光电效应将电信号转换为光信号，从而实现数据在光纤中的传输。
光电效应还应用在光学光谱学研究中，利用光电技术可以测量材料中禁带宽度、配位性质等物理参数，为物质研究提供了一种有力工具。
在生产领域，光电效应也有广泛的应用。
光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的电子元件，被广泛应用于科学测量、光通信、照相机等领域。
第1章太阳能和光电转换
太阳电池的发展历史：
自20世纪50年代发明硅太阳电池以来，太阳能光电技术 中新工艺，新材料和新结构层出不穷，研制成功的太阳电池 已达1000多种。 从电池的结构上看，有p-n同质结， p-n异质结，金 属-半导体的肖特基(Schottky)结构和金属-绝缘体-半导体 （MIS）结构等； 从电池材料方面来看，涉及几乎所有半导体材料，包括 单晶硅，非晶硅，微晶硅，化合物半导体和有机半导体等。 50年代的硅电池，60年代的GaAs电池，70年代的非晶硅电池， 80年代的铸造多晶硅电池和90年代Ⅱ-Ⅳ化合物电池的开发 和应用，构成了太阳能光电材料和器件发展的历史脚印。
20世纪70年代以来世界各国政府都加大了对太阳能光电 研究和开发的投入，重点扶持本国的太阳能光伏工业。 20世纪90年代后联合国多次召开各种政府首脑会议，议 论和制定世界太阳能发展规划和国际太阳能公约，设立国际 太阳能基金，推动全球太阳能技术的开发和利用。 太阳能光电技术在过去的几十年中已经有了长足发展， 太阳电池的价格已经接近1.5元/（KW· h）。到目前为止，商 业化的太阳电池的发电成本依然远远高于常规能源（如水力， 火力和核能）的发电成本，至少是后者的2倍以上。 如果仅从发电成本出发,在最近的10年间，太阳电池尚 不具备与常规能源竞争的能力。但是，考虑到环境保护，能 源的可持续发展和应用等因素，太阳能光电技术和产业已经 具有很强的竞争力。 到2020年，太阳能发电在所有能源中的比例预计能够达 到3%–5%。
在硅材料太阳电池发展的同时，一系列化合物半导体太 阳能电池也发展迅速，如GaAs、CdTe、CuInS2、CuInGaSe2等。 实验室的转化效率分别为：
GaAs---25.7% CdTe---超过10% CuInS2---13% CuInGaSe2---20%
太阳能的三种转换方式
太阳能的三种转换方式
1、太阳能光热转换：太阳能光热转换时光能被物体表面反射、吸
收或者透过它而最终进入到内部，从而转换成热能的过程。
此外，通
常的太阳能光热转换是单向的，即从可见光（可见光为了400nm-700nm
波长）到热能（约在3000K-4000K之间）；然而，并不是所有的太阳
能能量都能使用这一特性来转换，要想真正有效地利用太阳能光热转换，需要把可见光经过高效的反射和对微细结构的改造，这样才能将
太阳能中的可见光有效地转换成热能。
2、太阳能光电转换：太阳能光电转换是指将太阳能中的可见光经
过装有光分解器的太阳电池片的折射、反射及吸收之后，最终转换成
电能，从而存储到电池电容或者传输到负载装置上的过程。
在实际应
用中，一般是使用太阳能太阳电池片，这种太阳电池片可以将太阳能
中的太阳光能有效地转换成电能，当电流通过太阳电池片时，便可以
获得有用的太阳能电力。
3、太阳能水转换：太阳能水转换是指将太阳能可见光经过反射收
集器，如折射和反射收集器，最终转换成水的过程，这种技术的实施
方式有多种，包括太阳能加热、太阳能热水供应系统、太阳能换热器、太阳能燃料电池和太阳能蒸汽机等。
其中，太阳能热水供应系统是最
为经济实惠的，它可以将太阳能可见光转换成热能，从而再转换成水。
太阳能加热方式的工作原理是将太阳能可见光经过一定的结构材料和
技术结构，转换成热能，从而加热水；太阳能换热器则是将太阳能可
见光经过收集器转变成的热能，用来换热外界的用水，从而为用户提
供便利。
太阳能电池光电转换原理及技术改进详解
太阳能电池光电转换原理及技术改进详解
太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢？太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。
被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。
这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。
一、太阳能电池的物理基础
当太阳光照射ｐ－ｎ结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向Ｐ型区，从而使凡区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。
于是，就在ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。
如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。
制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。
目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。
下面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。
1、本征半导体
物质的导电性能决定于原子结构。
导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。
高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子
受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。
常。
太阳能光电转换的原理
太阳能光电转换的原理嘿，朋友！你有没有想过，那挂在天上的大太阳，除了能给我们带来光明和温暖，还能变成电呢？这可不是什么魔法，这就是神奇的太阳能光电转换。
今天啊，我就来给你唠唠这里面的门道。
咱先得知道啥是太阳能光电转换。
简单来说，就是把太阳能变成电能。
你看，太阳每天都在无私地释放着能量，就像一个超级慷慨的大老板，不停地往外撒“金豆子”（能量）。
而我们呢，就想办法把这些“金豆子”收集起来，变成我们能用的电。
这其中的关键啊，就是一种叫做光伏电池的东西。
光伏电池这玩意儿可不得了。
想象一下，它就像一个超级微小的能量转换工厂。
在这个小工厂里，有一群特殊的“小工人”在忙碌着。
这些“小工人”就是光伏电池里的半导体材料。
半导体是啥呢？就像是一个有点调皮的小孩，它既不像导体那么听话，能让电流随便跑，也不像绝缘体那样把电流堵得死死的。
它有自己的小脾气。
在光伏电池里，最常用的半导体材料就是硅。
硅这个家伙啊，就像一个双面间谍。
硅原子在组成晶体的时候，会形成一种特殊的结构。
在这个结构里，有的电子是被紧紧束缚住的，老老实实待在自己的位置上，就像被关在笼子里的小鸟。
可是呢，还有一些电子比较活跃，它们就像一群调皮的小猴子，总是想着到处乱跑。
当太阳光照射到光伏电池上的时候，就像是一场热闹的派对开始了。
太阳光里包含着各种各样的光子，这些光子就像一群精力充沛的小信使。
它们带着能量，一头就冲进了光伏电池这个小工厂里。
光子遇到那些活跃的电子，就像是给小猴子们注入了超强的活力剂。
原本就不安分的电子这下更来劲了，一下子就被光子激发得脱离了自己原本的位置，开始在半导体里横冲直撞。
这时候啊，我们就在光伏电池的两边设置了一个电场，这个电场就像是一个严格的交通管理员。
那些被激发的电子，在电场的作用下，就只能乖乖地朝着一个方向移动。
就像一群放学的孩子，被老师指挥着排队走出校门一样。
电子的定向移动就形成了电流。
哇塞，你看，太阳能就这么神奇地变成了电能！我有个朋友叫小李，他以前对太阳能光电转换也是一知半解的。
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硅晶体结构示意图
半导体的内部结构和导电性
在一定温度或强光的照射下， 由于热能或光能转化为电子的 动能，如果动能足够大，电子 就可以挣脱束缚而成为自由电 子。共价电子挣脱束缚而成为 自由电子以后，便留下一个空 穴。通常把电子看成带负电的 载流子，把空穴看成带正电的 载流子。
太阳能电池的发展历程
➢ 1980年 单晶硅太阳电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅 电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。
➢ 1990年 德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装 3~5kWp光伏电池。
➢ 1997年 日本“新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光伏电池。 100万户，每户安装3~5kWp。
太阳能电池的利用情况
日本、欧洲、 美国一年产量峰值（单位：MW）
太阳能电池的利用情况
新千年开始，世界其他国家和地区的太阳能电池产业发展
速度明显加快了。
2002-2007年世界太阳能电池产量峰值（单位：MW）
年份 区域 中国 欧洲 日本 美国 其他
1088 1062 920 266.1 1751.9 4000
第四章 太阳能光电转换
第1节 第2节 第3节 第4节 第5节
概论 光电转换的理论基础 太阳能电池的基本特性 几种典型的太阳能电池 太阳能光伏系统
光生伏特效应
光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。太阳光是由光子 组成的，光子的能量和太阳光谱的波长相对应。光照射到太阳能 电池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可 以产生电能。
独特
不同温度 不同强度的光 加入微量杂质
导电能力相差很大
这些独特的导电性是由其内部的微观物质结构所决定的。 下面以半导体硅为例来进行介绍。
半导体的内部结构和导电性
硅原子有14个电子，其最外层有4个电子，称为价电子， 在光生伏特效应中起重要作用。
价电子
原子核
硅的原子结构示意图
半导体的内部结构和导电性
绝缘体电阻率： 1014 ~ 1020Ω·m 半导体电阻率： 10-4~107Ω·m
➢元素半导体—Si、Ge、Te等 ➢化合物半导体—GaN、GaAs、InP 、CdS、CdTe、 PbS等 ➢合金半导体—Si1-xGex、AlxGa1-xAs等 ➢有机半导体—分子晶体、有机络合物、高分子材料
半导体一些重要特性，主要包括：
本节内容： ◆半导体的内部结构和导电性 ◆半导体禁带宽度和光学特性 ◆半导体的掺杂特性 ◆ p-n结 ◆太阳能电池的工作原理
半导体
室温下电阻率处于10-3~109Ω·cm范围内的材料，其电 子激发能隙处在0到大约3ev之间。或者说导电性介于 金属和绝缘体之间的一种材料。
金属电阻率： 10-8Ω·m
太阳能光电转换西安交通大学
第四章 太阳能光电转换
第1节 第2节 第3节 第4节 第5节
概论 光电转换的理论基础 太阳能电池的基本特性 几种典型的太阳能电池 太阳能光伏系统
什么是太阳能光电转换？
太阳能光电转换是直接将太阳能转换为电能，实现转 换的主要部件是太阳能电池。
太阳能电池也称光伏电池，它没有任何运动的机械部 件，在能量转换中具有重要的地位，被认为是“最优雅的 能量转换器”。
太阳能电池的发展历程
➢ 1839年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应” 。 ➢ 1883年 Charles Fritts 在锗半导体上覆上金层形成半导体异质结，成
功制备第一块太阳能电池，效率只有1% ➢ 1954年 美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳能电池，效率6%，为光
伏发电大规模应用奠定了基础；同年，首次发现了砷化镓有光伏效应 ，制成了第一块薄膜太阳电池。 ➢ 1958年 太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。 ➢ 1958年 我国开始了太阳能电池的研制工作，1971年首次发射了用太 阳能电池作为电池的人造卫星。 ➢ 1959年 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。 ➢ 1978年 美国建成100 kWp太阳地面光伏电站。
➢ 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降.
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%左右 .
➢ 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力.
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm 降至0.2Ωcm以下.
➢ 1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太 阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。
➢ 2010年，商业化单晶硅太阳能电池效率为18.3%，多晶硅15.8% ➢ 2010年，晶体硅电池的价格下降到2＄/Wp，电价达到11￠kW h；
预计2020年晶体硅电池价格下降到1＄/Wp，电价达到5.3￠kW h， 达到与其他发电方式相当的水平。
➢ 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力.
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十 MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ.
➢ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
半导体的内部结构和导电性
半导体的导电能力介于导体和非导体之间，其依靠电子-空 穴对导电，导电性能非常独特。
由光照产生的载流子叫做光 生载流子。
电子-空穴示意图
半导体的内部结构和导电性
自由电子在电场或热运动作用下，可能遇到已经产生的空穴， 与空穴进行复合，从而使载流子消失。空穴载流子的不断产 生和消失，相当于空穴（正电荷）的移动。由于电子和空穴 的移动，就使半导体具有导电性。
电子-空穴移动示意图
总计
2002
10 135 251 120 55 561
2003
10 193.4 363.9 103.2 83.8 744.3
2004
50 314 602 140 139 1195
2005
200 470 833 154 338 1795
2006 2007
400 657 928 202 713 2500