太阳能讲解课件

1,第二章 太阳能（Solar Energy）,2,1. 概论 2. 太阳集热器 3. 太阳热水器 4. 太阳灶 5. 太阳房 6. 太阳能干燥 7. 太阳能温室 8. 太阳能制冷与空调 9. 太阳能热发电系统 10. 太阳能光伏发电系统 11. 太阳能技术发展趋势,内容提要,3,特点：能量密度低并高度分散压；资源丰富可再生；清洁环保；部分能源具有间歇性和随机性；利用技术难度大。,2.1 概论（Introduction）,1998年世界能源消费构成,数据来源：BP Statistical Review of World Energy, 6 2003,4,2.1 概论（Introduction）,2.1.1 新能源与可再生能源,5,太阳常数：在地球大气外面正对着太阳的 1 m2面积上，每分钟接受的太阳的能量，1367 W,相当于全世界一年内消耗的能源总量的0.015%，被用为燃料和食物的仅占0.002%,太阳辐射总能量3.751026 W,到达地球173104 亿KW,大气吸收23%,反射30%,到地球47%，81104亿KW,到达陆地17104亿KW,太阳的能量：,6,第一阶段：1615-1900年，1615年的第一台太阳能抽水泵。价格昂贵 第二阶段：1901-1920年，世界将太阳能作为研究的重点，主攻太阳能动力装置，最大输出功率74 KW 第三阶段：1921-1945年，太阳能开发的低潮，化石燃料大规模应用 第四阶段：1946-1965年，太阳能基础理论和材料的研究 第五阶段：1966-1973年，低潮，投资大，技术不成熟 第六阶段：1973-1980年，中东战争爆发，石油价格上涨，太阳能研究列入各国发展计划 第七阶段：1981-1991年，潮落，石油价格回落，500KW电站20多座 第八阶段：1992-至今，化石能源的环境危害，光伏发电高度发展。,太阳能利用的历史：,7,光热利用：平板式集热器，真空管式集热器，聚焦型集热器 太阳能发电：光-热-电转换，光-电转换 光化作用：将光能转化为化学能，例如将水分解制氢 光生物利用：光能转化为生物质能，速生植物、油料作物、巨型海藻等。,太阳能利用方式：,8,描述太阳能的常用单位：,辐射通量：太阳以辐射形式发射出的功率，亦称辐射功率，单位W 辐照度：投射到单位面积上的辐射通量，单位W/m2 曝辐射量：从单位面积上接收到的辐射能，单位J/m2 太阳常数：,9,太阳能资源带的分类标准：,10,热传导：气体中分子碰撞，绝缘体中分子震动，导体中电子热运动 Fourier热传导定律：热传导速率与温度梯度及热流通过的截面积成正比,qk 热传导率W， 导热系数W/(m.K)，A 截面积m2，T 温度 K，X热流方向的距离m,太阳集热器定义：吸收太阳辐射并将产生的 热能传递到传热工质的装置。,它是太阳能热利用系统的关键部件，太阳热水器、太阳灶、太阳房、太阳能温室、太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电,太阳能热利用中的传热学基础,对流：在液体或气体中流体微团在空间改变自己的位置，实现热能的传递 Newton冷却定律：对流的换热速率是跟表面与流体的温度差以及与流体接触的表面积成比例,qc对流传热速率W，hc对流换热系数W/(m2.K)，A 与流体接触的面积m2，Ts，Tf表面温度 和流体温度K,只能在气体或液体中进行,11,qR 辐射功率W， 常数 5.67 10-8W/m2.K4, 发射率，A 表面积 m2，T 表面温度K,镜反射，入射角等于反射角 漫反射，物体表面均均，它对投射的太阳辐射无差别的向所有方向反射 镜漫反射，既有镜反射又有漫反射。,太阳能热利用中的传热学基础,辐射：物体的部分热能转变为电磁波-辐射向外发射。 Stefan-Boltzmann定律：物体的辐射功率是跟物体温度的4次方及物体的表面积成比例,反射的类型：,12,按传热工质分：液体和气体集热器 按是否聚光：聚光型和非聚光型 按是否跟踪太阳：跟踪和非跟踪 是否有真空：平板型和真空管 按工作温度：低温200,2.2.3 平板型集热器,结构示意图：,2,3,4,平板型集热器构造示意图,1,1-透明盖板，2-吸热板，3-隔热层，4-外壳，5-流体通道,5,13,吸热板的基本类型,吸热板的类型：,I）管板式，国内外使用较普遍 II）扁盒式，焊接难度大 III）翼管式，材料用量大，工艺较复杂 ）蛇管式，流体阻力大,）蛇管式,14,最大限度地吸收太阳辐射并能将其转化成热能，呈现深色。分选择性和非选择性吸收涂层。,吸热板上的涂层（关键）：,平板型集热器的缺点：,热传导-底部和侧面隔热层 对流传热-吸热板与透明盖板之间的空气 辐射传热-吸热板与透明盖板之间；透明盖板与天空之间,15,热管式工质热容小，启动快，干性连接，易安装,全玻璃真空管集热器,将吸热体与透明盖板之间的空间抽成真空,热管式真空管集热器,1-内玻璃管，2-外玻璃管，3-选择性吸收涂层，4-真空，5-弹簧支架，6-消气剂,1-热管冷凝段，2-金属封盖，3-玻璃管，4-金属吸热板，5-热管蒸发段，6-弹簧支架，7-蒸散型消气剂，8-非蒸散型消气剂,16,定义：是一种盐的浓度随深度增加而增加的盐水池，更确切地说，是具有盐度梯度的水池。由于浓度较大的盐水密度也较大，因此只要池内盐水的浓度梯度足够大，即使在下部温度高于上部温度时，池水也不会发生对流，所以太阳池也称为无对流的盐水池。,太阳池可以利用自然现象，即自然界中存在的一些具有盐度梯度的湖泊。是一种特殊形式的自然集热器。,17,人工太阳池的制备方法,自下向上分层充液的方法，先充浓度大的液体，再充浓度小的液体，即越往上其溶液浓度越低。 先充浓度低的溶液，然后从底部注入浓度较高的溶液。 对于大型太阳池，先理论计算需要盐量，再将盐一次倒入池中，并加以适量的淡水，用水泵搅动池内的水，将盐溶解制成饱和溶液，在制备好的饱和溶液上方，再加淡水直到预定的太阳池液面。此时太阳池分为上、下两层，如果由上、层同时抽水，经过一个三通再从两层之间注水入池，这样，太阳池就形成了三层。此后，可以在任何相邻两层之间重复这一过程，直到形成所需要的层数为止。,维持池内盐度的方法：经常向池底补充盐分，同时清洗表面等。,18,太阳池的能量利用办法：,在池底布置热交换器，工质在泵的作用下进入热交换器，从太阳池底部吸收能量，温度提高后流出。,利用池内的密度梯度实现分层流动，从下层对流区的一端抽取热的池水，在池外的热交换器中放出热能，温度降低后再从另一侧返回池的底部。,太阳池的应用形式，供暖、盐水淡化、制盐及太阳能热发电等方面。,19,根据集热温度和结构：低温集热（+10-20）；中温集热（+20-40 ）；中高温集热（+40-70）；高温集热（+70-120, -室外温度）。,太阳能热水器的分类多种多样，不必拘泥于一种形式,太阳热水器由集热器、储热水箱、循环水泵、管道、支架、控制系统及相关部件等组成。,集热器与储水箱结合方式：一体的为闷晒热水器；紧密结合为整体热水器；分离的为分离热水器。,根据集热工质循环特点：自然循环热水器；强迫循环热水器；直流热水器。,根据工质循环次数：低一次循环热水器（单回路循环）；二次循环热水器（双回路循环）。,根据集热温度的材料：金属；玻璃；塑料,根据热水使用时间：季节性、全年性、全天候热水器,20,太阳热水器的储热水的量在0.6 t以下为家用太阳热水器，0.6 t以上则为太阳热水系统或太阳热水工程。,1891年美国马兰里州的肯普发明第一台太阳能热水器,2.3.3 太阳热水系统,闷晒式： 特点是水在集热器中不流动，闷在其中受热升温，故称闷晒式。这种热水器结构十分简单，当集热器中的水温升高到一定值时即可放水使用。,直流式：直流式是由集热器、蓄热水箱、补给水箱和连接管道组成的开式热虹吸系统,热吸虹型直流式热水系统,热虹吸型直流式热水系统的补给水位由浮球阀控制，使之与集热器出口热水管（上升管）的最高位置一致。,21,定温放水型直流式热水系统,集热器的出口装有感温元件，通过控制器操纵集热器入口管路上的电磁阀或电动阀，使出口水温能始终满足使用要求。,22,循环型热水器：循环型太阳能热水器,自然循环型和强迫循环型,23,循环型热水器,采用定温放水及小的循环水箱加快了热水的循环，提高了热效率，并可多产热水。另一方面用水又需要一定压头，使蓄水箱的位置高低受到很大限制，也限制了该热水系统的使用,24,太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方式获取能量，进行烹饪食物的一种方式。,一台截光面积为2 m2的聚光太阳灶，每年可以节省约1 t的农作物秸秆。,我国目前已经推广应用的太阳灶有30万台。,2.太阳灶的性能和结构类型,具有一定的高温，耐候性能，距离可调性，与人体保持一定的距离。,箱式太阳灶：食物蒸煮、烘烤。 聚光太阳灶：可获得500左右的高温 综合型太阳灶：箱式和聚光型的结合,25,利用太阳能进行采暖和空调的环保型生态建筑，必须具有辅助热源，包括煤、气、油或电能。,2.5.2 太阳房的原理和类型,基本上分为：主动太阳房、被动太阳房和热泵式太阳能采暖系统,主动式太阳房-是在建筑与结构按太阳房技术条例设计与建造基础上通过集热器、贮热器、管道、风机或水泵等设备来收集、贮存及输配太阳能，向建筑供暖。,被动太阳房-是依靠建筑物本身的合理布局，通过窗、墙、屋顶、地面及设置的建筑结构尽量多地吸收和贮存太阳能，以自然的辐射、对流和传导方式传热，它无须专门的集热器、贮热器、管道、风机或泵等设备。,26,a. 直接受益式:它是利用阳光直接透过大面积的玻璃窗进入室内，照射到墙壁、地板及家具上，使其吸热，受热体温度升高，然后通过辐射与对流等换热方式加热室内空气与其他未受太阳辐射的墙、地板与物体等，提高其温度，提供采暖。,被动太阳房的类型,b. 集热墙式:由法国学者特朗勃提出的一种集热取暖方式，故也 称为特朗勃墙式。南面一层或两层玻璃板后面为一道重型结构的集热墙，墙外表面涂有黑色涂料，上下开通风口，并设有可开闭的活门。玻璃板和集热墙之间留有10- 20 cm的间隙，当阳光透过玻璃板照射在集热墙上时，被墙吸收，其外表面温度升高，所吸收的热量，一部分通过玻璃板向室外散失；一部分加热夹层中的空气，从而使 空气与室内空气的密度不同，可通过上下通风口形成自然对流，由上通风口将热空气送入室内，室内的空气由下通风口流入夹层被加热，如此循环对流向室内供暖；剩下部分则通过集热墙体导热传至墙内壁，室内空气通过与之对流换热提高温度。为防止在阴雨天气或晚间无太阳辐射时夹层中的空气倒循环，将上下通风口关闭。,27,被动太阳房的类型,c.附加阳光间式:在居室的南墙外建一玻璃罩着的阳光间。阳光 间与室内空间由墙及窗隔开。其供暖方式是集热墙与直接受益式的结合，这种形式的阳光间可以用来养花或培植植物，但玻璃表面积大散热损失大，因而降低了收集阳光的有效热量。,d.屋顶集热蓄热式:将充满水的黑色塑料袋放在屋顶上。在冬天白天，太阳辐射把水 加热，由于其下的屋顶不设保温层，热量透过屋顶传入室内；在晚上，用保温板遮盖塑料水袋，以减少热水向室外环境散热。水的热容量很大，可以储存较多的能量，以满足晚上室内采暖的需要。,e.自然对流回路式:设计的构思是，设法增加南墙的集热面积，以便提高室内温度。这种太阳房白天直接依靠太阳辐射供暖，多余的热量被热容量大的建筑物本体（如墙、天花板、地基）及由碎石填充的蓄热槽吸收；夜间通过自然对流放热使室内保持一定的温度，达到采暖的目的。,28,29,热泵技术-是反向使用的制冷机，它的热能大部分来自周围环境，只有一少部分是由电能转变而成，将低温环境的热能转移到温度较高的环境中。,1-压缩机，2-蒸发器，3-热输入，4-节流阀，5-高压液体，6-热输出，7-冷凝管,热泵性能好坏衡量指标：,理想循环中，此系数与温度差成反比：,卡诺循环效率,例题：温度从10 的热源给40 的冷源，则得到的性能系数为？（系统各部件总效率为0.5）,消耗1kW的能量获得5.74kW的能量,30,热性能评价：一般用用太阳能保证率(SHF)和太阳房节能率(SSF)等表示。,经济评价方法：偿还年限是指太阳房采暖较常规采暖多投资的部分，用每年的经济效益回收的年限。,A-太阳房较对比房增加的初投资，元/m2 B-太阳房较对比房每年节省的费用，元/（m2.a） i-年利率。,31,使被干燥的物料，或者直接吸收太阳能并将其转化为热能，或者通过太阳集热器所加热的空气进行对流患热而获得热量，再经过物料表面与物料内部之间的传热、传质过程，使物料中的水分逐步汽化并扩散到空气中去的过程。,水和物料的结合方式,游离水分：存在在物料的空隙和表面的水分。,物化结合水：以一定的物理化学结合力与物料结合起来的水分，包括无聊的吸附水、结构水分和毛细管水分。,化学结合水分：按照一定的数量或比例与化合物结合而生成带结晶水的化合物中的水分。常温干燥较难除去，需在高温下加热才能够除去。,32,a. 温室型太阳能干燥系统,物料主要靠吸收太阳辐射而被干燥，传热方式主要是辐射，为了排湿，需运用自然对流或风机驱动空气带走湿气，由于温室容积较大，为使物料上下层干燥均匀，采用双流通风排湿系统。,b. 对流式太阳能干燥系统,由空气集热器和干燥室组成。利用集热器加热空气，然后利用自然对流（常用于小型系统）或风机将热空气送入干燥室，对物料进行对流加热干燥。,c. 温室与对流结合型,阳光透过温室顶部玻璃盖板直射框架上的物料，使之受辐射加热干燥；南墙外部有空气集热器，加热的空气由风机送入干燥室底部向上经框架上的物料，进行对流加热，吸湿后一部分从后墙顶部烟囱排出，剩余部分可回流再用。,33,34,温室效应：就是太阳光透过透明材料进入温室内部空间，使进入温室的太阳辐射能大于温室向周围环境散失的热量，这样温室内的空气、土壤、植物的温度就会不断升高，这种过程叫做“温室效应”。,太阳能温室：就是根据温室效应的原理加以建造的人工暖房，以满足植物生长对温度的要求。,35,太阳能制冷是利用太阳辐射热作动力来驱动制冷装置工作。,太阳能空调的优点,太阳能空调主要以吸收式制冷为主，使用LiBr为介质，无臭、无毒、无害，十分环保 吸收式制冷机制使用功率很小的屏蔽泵，运行安静、噪声低。 同一套太阳能吸收式空调系统，可以夏季制冷、冬季采暖和其他季节提供热水等三种功能，一机多用，四季常用 由于越是太阳辐射强的时候，越需要制冷，其制冷能力也越强。,太阳能空调的现阶段局限性,太阳能空调以及集热器的造价高。 自然条件下，某些地区太阳能辐照密度不高，使集热器采光面积与空调建筑面积的配比受到限制。 已处在实用化示范阶段，都是适合于单位的中央空调，小型的制冷装置尚未完全开发。,36,太阳能制冷系统的类型,太阳能吸收式制冷 太阳能吸附式制冷 太阳能除湿式制冷 太阳能蒸汽压缩机式制冷 太阳能蒸汽喷射式制冷,吸收和吸附的区别：,一相互溶体系，两相。,37,2.8.2 太阳能吸收式制冷系统,间歇式NH3制冷的工作原理,当受太阳照射后，氨水中的氨由于沸点低便首先蒸发。随着蒸发不断进行，氨蒸汽压力升高，集热器中的氨水浓度愈来愈低，成为稀氨水。氨蒸汽通过空气冷却器和水冷却器冷凝为氨溶液。此时，打开阀门A，关闭阀门B、C，氨溶液流经阀门A贮存在蒸发器中，这就是白天接受太阳能获得氨溶液的过程，称之为再生过程,集热器将作为散热器使用，由于向环境散热，器内温度、压力下降。这时，关闭阀门A、C，打开阀门B，蒸发器中的氨溶液压力下降，氨溶液汽化吸热，使蒸发器内温度急剧下降，达到制冷目的，这就是制冷过程。,优缺点：制冷剂氨液中常含有水，使制冷剂不纯，降低了制冷效率与单位溶液的制冷量；并且氨有泄漏，要污染环境，对人体有害。但氨本身粘度低，潜热大，导热性能好，是良好的制冷剂，价格便宜。,38,2.8.2 太阳能吸收式制冷系统,连续式LiBr制冷的工作原理,集热器吸收太阳能加热其中的水，作为发生器中加热水溴化锂溶液的热源。水的沸点比溴化锂的沸点（1265 0C)低得多，水首先变成水蒸汽而上升到冷凝器中，被冷却后成为纯水，进入蒸发器。然后由冷凝泵将蒸发器底部的水抽到上部从喷水口喷出，由于压力降低而汽化，并吸收冷冻水的热量使冷冻水冷却，以供房间空调降温用。汽化的水蒸汽再流入吸收器，被从发生器流回的浓溴化锂水溶液喷淋所吸收，成为稀的溴化锂水溶液，由溶液泵将其经换热器吸热后送入发生器，完成一个制冷循环，不断利用太阳能转变的热能，制取空调用的冷冻水。,优缺点：若制冷温度 5-10 0C，其相应的饱和压力为 8.7 - 12.0 hPa（百帕），即达到99%左右的真空度，因此系统须在高度真空状态下工作，对结构及运行都要求很高；且制冷温度不能再低，必须在 0 0C以上，故这种制冷系统只能用于空调，不能用于冷冻，溶液对金属还有强烈的腐蚀性。,39,2.8.3 太阳能吸附式制冷系统,将太阳集热器与吸附式制冷机联合使用，吸附剂与制冷剂可以有不同的选择,例如：沸石-水，活性炭-甲醇等,辅助热水或冷却水,出口,吸附集热器,阀1,阀2,冷凝器,蒸发储液罐,风机盘管,冷媒水泵,太阳能吸附式制冷系统工作原理示意图,可用于冰箱或冷藏柜，较吸收式制冷应用广一些,40,2.8.4 太阳能除湿式制冷系统,利用干燥剂（除湿剂）来吸附空气中的水蒸气以降低空气的湿度进而实现降温制冷的。,与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比，有如下优点：,系统结构简单，无复杂部件 节电效果好，电能性能系数很高 无需氟利昂作为制冷剂，环保 噪声低，空气品质优良 常压下工作,41,2.8.5 太阳能蒸汽压缩式制冷系统,太阳能蒸汽压缩式制冷系统主要由太阳集热器、蒸汽轮机和蒸汽压缩式制冷机等组成。,即常规的蒸汽压缩式制冷系统中的压缩机采用太阳能热机来驱动,2.8.6 太阳能蒸汽喷射式制冷系统,太阳能蒸汽喷射式制冷系统主要由蒸汽喷射器、冷凝器、蒸发器、泵等组成。,低沸点工质的高压蒸汽通过蒸汽喷射器的喷嘴，因其流出速度高、压力低，就吸引蒸发器内生成的低压蒸气，进入混合室。此混合蒸气流经扩压室后，速度降低，压力增加，然后进入冷凝器被冷凝成液体，液态的低沸点工质在蒸发器内蒸发，吸收冷媒水的热量，从而达到制冷效果。,42,与火力发电系统的工作原理基本相同，根本区别是热源不同，主要以太阳能为热源。火力发电热源：煤炭、石油、天然气等化石燃料。,火力发电：将煤炭、石油和天然气等燃料所得到的热能变换成机械能，再带动发电机转动产生电能的发电方式。,太阳能热发电系统的总效率s 为集热器效率c、热机效率m和发电机效率e 的乘积。,理想热机效率（卡诺循环）：,43,2.9.2 太阳能热发电系统的基本类型,槽式线聚焦系统：利用槽形抛物面反射镜将太阳光聚焦到集热器对传热工质加热,塔式系统：又称集中型系统，在很大面积的场地上装许多台大型反射镜（定日镜），把太阳光集中到一个高塔顶部的接收器上。,碟式系统：又称盘式系统，采用盘状抛物面镜聚光集热器。,塔式太阳能热发电系统示意图。,44,2.9.2 太阳能热发电系统的基本类型,太阳能热发电系统历史,20世纪90年代美国能源部认为槽式电站成本可以降低30%左右，已可以步入商业化。目前，美国已有11座系统运行，装机容量在36.5万卡瓦。 欧洲正在研制，100-200MW槽式和塔式系统，开发1-5MW的碟式太阳能-燃油混合系统。日本 、法国、以色列、意大利、西班牙、德国、前苏联、澳大利亚等国已建立实验示范系统。 我国20世纪70年代，天津大学、中科院电工研究所和上海机械学院进行了研究，并在天津和上海分别建了1KW的塔式太阳能热发电模拟装置，80年代，将碟式小型装置列入863计划。,45,通过太阳能电池将太阳辐射能转化为电能的发电系统，称为太阳能电池发电系统（太阳能光伏发电系统）,2002年底，太阳能光伏发电系统的总装机容量约为2200 MW，我国40 MW左右，2002年世界太阳能电池年产量超过559.3 MW,较01年增长33.94%。,光伏发电系统运行方式可分为离网运行和联网运行两大类。,离网运行适用于远离公共电网的偏远地区和无电地区：偏僻农村、牧区、海岛、高原、沙漠的农牧渔民等；通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象电台、公路道班以及边防哨所等。,联网发电：是光伏发电的主流趋势，市场广阔，前景诱人。,第一个太阳电池1954年产生于美国贝尔实验室，1958年被用作“先锋 1 号”的电源上了天。这种电池使人造卫星的电源可安全工作20年之久。,46,太阳能电池是光伏发电系统的基础和核心！,1. 太阳能电池及其分类,它是利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件，又叫光伏器件。,光生伏打效应：物质吸收光能产生电动势的现象，在液体和固体物中都会发生，只在固体中有较高的能量转换效率。,半导体,10-8-10-6 cm 导体-108-1020 cm 绝缘体-10-5-107 cm 半导体,特性： 1.电阻率的变化受杂质含量的影响极大 2. 电阻率受光和热等外界条件的影响极大,例：硅中参杂百万分之的硼，电阻率即从2.14103 cm 减小到0.004 cm 锗温度从200到300 ，电阻率就降低一半左右。,47,1. 太阳能电池及其分类,半导体分类：1. 元素半导体和化合物半导体（化学成分） 2. 本征半导体和杂质半导体（是否有杂质） 3. n型半导体和p型半导体（导电类型） 4. 磁性半导体、压电半导体、铁电、有机、玻璃、气敏半导体等,太阳能电池分类：1.同质结、异质结和肖特基太阳能电池（按结构分） 由同一种半导体材料构成一个或多个p-n结的太阳能电池。 由两种不同禁带宽度的半导体材料在相接的界面上构成一个异质p-n结的太阳能电池。 用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的太阳能电池，也叫MS太阳能电池，原理为金属-半导体接触时在一定条件下产生正整流接触的肖特基效应。 2. 硅太阳能电池、硫化镉和砷化镓太阳能电池（按材料分）,48,2. 太阳能电池的工作原理、特性及制造方法,太阳能电池工作原理,太阳能电池工作原理的基础是半导体p-n结的光生伏打效应，即物体受到光照时，物体内的电荷分布状态 发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体p-n结时，就会在p-n结的两端出现电压（光生电压），使p-n结短路就会产生电流。,p型半导体：电子在外界的能量激发后离开原来的固定位置，形成孔穴，在此导体中掺入可以捕获电子的硼、铝、镓、铟等元素，即形成了空穴型半导体，即p型。,n型半导体：如果掺入能放电子的磷、砷或锑等杂质元素，则形成电子型半导体，即n型。,p-n结：将两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处形成p-n结。它是晶体二极管的基本结构，是许多半导体器件的核心。,49,半导体能带模型 a) 0K时的本征绝缘体或半导体 b) T0K时的本征半导体,能带：在一个孤立的原子中，电子只能在一些特定的轨道上运动，不同轨道的电子能量不同。所以原子中的电子只能容许取一些特定的值，每个能量称为一个能级。晶体中原子有规则排列组成的，使各原子的相同能级相互作用，略有差别，形成能带。,原子的外层电子在晶体中处于较高的能带，内层电子处在低能带中，能带中的电子不围绕各自的原子核做闭合轨道运动，而是为各原子共有，在晶体中运动。,概念介绍,50,载流子：运载电流的粒子。导体中载流子是自由电子，半导体中的载流子一种是带负电的电子，一种是带正电的空穴。,空穴：半导体中的一种载流子。,施主：凡参入纯净半导体中的某种杂志的作用是提供导电电子的，叫施主杂质，也叫施主。例如，对硅而言，磷、砷、锑等。,受主：凡参入纯净半导体中的某种杂志的作用是接受电子的，或称提供空穴的，叫受主杂质，也叫受主。例如，对硅而言，硼、镓、铝等。,51,2. 太阳能电池的工作原理、特性及制造方法,太阳能电池的制造方法：电池都是由 P 型半导体和 N 型半导体相接触形成 P-N 结而成的。P型区上的接点为正极，N型区上的接点为负极。在硅片底下加金属底板成下电极（正极）；在硅片上部设有栅格形线网，并用金属连接形成上电极（负极）。栅线接触是为了降低N型区的串联电阻。,硅太阳电池单体在最佳负荷状态的工作电压约为0.4-0.5V。,通常太阳能电池由多个单元电池串并联，并配有蓄电池和保护电路。,3. 太阳能电池的影响因素：温度越高越不利；大气中的粒子，如电子流、质子流、 射线和X射线引起电性能衰减。,52,4.太阳能电池的评价指标,填充因子FF: 评价太阳能电池的输出特性,Ump-负载电压，Imp-负载电流 Uoc-开路电压，Isc-短路电流,太阳能电池光电转化效率 : 太阳能电池的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率之比。,硅太阳能电池的理论效率上限为33%,目前实际单晶硅太阳能电池转换效率一般为 12%-20%。,太阳能电池的光谱响应 : 太阳能电池在入射光中每一种波长的光能的作用下，所收集到的光电流与相对于入射到电池表面的该波长光子数之比，也叫光灵敏度。,53,5.太阳能电池的制造方法,单晶硅太阳能电池的一般制造方法,硅片的选择: 考虑硅材料的导电性能，电阻率、晶向等。 硅片表面准备：切好的硅片脏且不平，表面要经过浓硫酸化学清洗，酸性或碱性溶液腐蚀，王水等溶液再清洗。 扩散制结：p-n结石单晶硅太阳能电池的核心，有热扩散、离子注入、外延、激光和高频电注入等。 除去背结：高温扩散时背面也形成了p-n结。 制作上下电极：方法主要有真空蒸镀、化学镀镍、铝浆印刷烧结。,54,腐蚀周边:扩散过程中，硅片的四周表面也有扩散层 。 蒸镀减反射膜：