第一章 太阳能电池绪论

太阳能电池徐征北京交通大学理学院太阳能研究所发光与光信息技术教育部重点实验室一太阳能利用的

意义及背景1.1太阳能是化石能源的主要替代能源之一1.2太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源之一1.3资源丰富的太阳能辐射1.4太阳能开发潜力

世界能源现状及展望1、世界能源形式紧迫，是世界10大焦点问题（能源、水、食物、环境、贫穷、恐怖主义和战争、疾病、教育、民主和人口）之首。

1.1太阳能是化石能源的主要替代能源之一世界能源现状及展望1、世界能源形式紧迫，是世界10大焦点问题（能源、水、食物、环境、贫穷、恐怖主义和战争、疾病、教育、民主和人口）之首。

不可再生、环境污染、能源枯竭每年排放的二氧化碳达210万吨化石能源开采高峰2020~2030年煤其他世界的能源结构石油天然气其他煤传统化石能源

二十一世纪，人类将面临经济和社会可持续发展的重大挑战，能源和环境问题将成为人类面临的两大主要问题。目前全球能源的主体是化石燃料，它占全球能源供应量的80%以上，并且其消耗量正在无情的迅速增加。今天全世界越来越认识到这种状况是不可持续的。首先，化石能源是地质年代的产物，资源会越用越少，总有一天会枯竭。其次，化石能源释放出大量的二氧化碳，会带来越来越严重的温室效应和大气污染。由此可以看出，今后的发展方向必须是发展替代化石能源的新能源。世界能源现状及展望2、全球人口2006年是65亿，能源需求折合成装机是14.5TW，每日能耗220×106BOE；到2050年全世界人口大概要达到100亿，按照每人每年GDP增长1.6%,GDP单位能耗按照每年减少1％，则能源需求装机将是大约30-60TW，届时主要要靠可再生能源来解决。

注：1TW＝1012W，世界能源现状及展望3、世界上潜在水能资源4.6TW，经济可开采资源只有0.9TW；风能实际可开发资源2-4TW；生物质能3TW（加起来总共8TW）。只有太阳能是唯一能够保证人类未来需求的能量来源，其潜在资源120000TW，实际可开采资源高达600TW。因此，就能源替代战略而言，太阳能（包括光伏和太阳能集热器）将会是第一替代能源。

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注：tcemeanstonofstandardcoalequivalent

1.2太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源之一

石油带给人类文明的同时制造了污染！太阳能可以直接利用，基本上没有污染物排放，清洁干净。(g碳／(kW．h))这些数据是以各种发电方式所用的原料和燃烧的开采和运输、发电设备的制造、电源网架的建设、电源的运行发电以及维护保养和废弃物排放与处理所有循环中消费的能源，按照各种发电方式在寿命期间的发电量计算得出的。

1.3资源丰富的太阳能辐射地球所接受到的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十亿分之一，但却是地球大气运动的主要能量源泉。我国太阳能资源分布我国是太阳能资源丰富的国家之一全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。我国将上图中日照辐射强度超过9250MJ/m2

的西藏西部地区以外的地区分为五类：一类地区：全年日照时数为3200～3300小时，年辐射量在7550～9250MJ/m2(2097～

2569kWh/m2)相当于225～285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。我国太阳能资源分布二类地区：全年日照时数为3000～3200小时，辐射量在5850～7550MJ/m2(1625～

2097kWh/m2)相当于200～225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、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。此区为我国太阳能资源较丰富区。三类地区：全年日照时数为2200～3000小时，辐射量在5000～5850MJ/m2(1389～

1625kWh/m2)相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、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、江苏中北部和安徽北部等地。四类地区：全年日照时数为1400～2200小时辐射量在4150～5000MJ/m2(1153～

1389kWh/m2)相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。五类地区：全年日照时数约1000～1400小时，辐射量在3350～4150MJ/m2(930～

1153kWh/m2)相当于115～140kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。一、二、三类地区，年日照时数不小于2200h，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。我国太阳能资源分布中国西部9省太阳辐射资源统计中国西部9省太阳能资源统计省全省年最高总辐射量（MJ/m2)全省年最低总辐射量（MJ/m2)省会水平面年总辐射量（MJ/m2)省会水平面年利用小时数（小时）方阵倾角（度）省会倾斜面年总辐射量（MJ/m2)省会倾斜面年利用小时数

（小时）新疆6342.315304.845304.841473.57456100.561694.601西藏7910.656088.597885.992190.55308832.312453.418内蒙古6195.185658.476041.351678.15456947.561929.877青海6951.766142.936142.931706.37407064.371962.324甘肃6458.525442.785442.781511.88406259.191738.665宁夏5944.85944.85944.81651.33426658.171849.492山西5868.35513.845513.841531.62406340.911761.365陕西4730.514730.514730.511314.03405440.081511.134云南6156.724848.385182.781439.66285597.41554.835平均6284.315519.465798.871610.806582.281828.41

中国东南沿海17省市太阳辐射资源统计省全省年最高总辐射量（MJ/m2)

全省年最低总辐射量（MJ/m2)

省会水平面年总辐射量（MJ/m2)

省会水平面年利用小时数（小时）方阵倾角（度）省会倾斜面年总辐射量（MJ/m2)

省会倾斜面年利用小时数（小时）黑龙江

4683.69

4442.92

4683.69

1301.03

50

5386.24

1496.179

河北

5008.89

5008.89

5008.89

1391.36

42

5609.96

1558.323

广西

4595.91

4294.11

4595.91

1276.64

25

4963.58

1378.773

吉林

5034.39

4640.64

5034.39

1398.44

45

5789.55

1608.209

广东

5161.46

4478.03

4478.03

1243.90

25

4836.28

1343.41

湖北

4312.92

4047.91

4312.92

1198.03

35

4959.86

1377.74

山东

5123.01

4761.44

5123.01

1423.06

40

5891.46

1636.516

河南

5095

4764.36

4764.36

1323.43

40

5479.02

1521.95

辽宁

5068.67

4903.14

5067.41

1407.61

45

5827.53

1618.757

江西

5045.26

4630.6

4832.08

1342.24

30

5218.65

1449.624

江苏

4855.49

4855.49

4855.49

1348.75

35

5341.04

1483.621

福建

4410.74

4410.74

4410.74

1225.21

30

4763.59

1323.221

浙江

4751.82

4314.6

4314.6

1198.50

35

4746.06

1318.349

海南

5125.1

5125.1

5125.1

1423.64

25

5381.35

1494.82

北京

5620.01

5620.01

5620.01

1561.11

42

6294.41

1748.448

天津

5260.11

5260.11

5260.11

1461.14

42

5891.33

1636.479

上海

4729.25

4729.25

4729.25

1313.68

35

5202.18

1445.049

平均

4985.16

4872.12

4912.75

1364.65

5407.35

1502.04

省全省年最高总辐射量（MJ/m2)

全省年最低总辐射量（MJ/m2)

省会水平面年总辐射量（MJ/m2)

省会水平面年利用小时数（小时）方阵倾角（度）

省会倾斜面年总辐射量（MJ/m2)

省会倾斜面年利用小时数（小时）湖南

4212.60

4212.60

4212.60

1170.17

30

4633.86

1287.19

安徽

3792.51

3792.51

3792.51

1053.48

35

4361.39

1211.50

四川

4229.74

3486.96

3792.51

1053.48

35

4247.62

1179.89

贵州

4672.40

3471.07

3797.95

1054.99

30

4101.78

1139.38

平均

4226.81

3740.79

3898.89

1083.03

4336.16

1204.49

中国最差4省太阳辐射资源统计全国平均不同发电系统的年利用小时数不同地区水平面年太阳辐射（kWh/m2)

倾斜面年太阳辐射（kWh/m2)

独立光伏电站有效利用时数建筑并网系统有效利用时数开阔地并网系统有效利用时数西北地区

1610.80

1828.41

1250

1450

1540

东南沿海

1364.65

1502.04

1000

1200

1250

全国平均

1487.73

1665.23

1100

1250

1350

独立光伏电站效率：60-65%；建筑并网光伏发电效率：70-75%；大型并网光伏电站效率：75-80%。

1.4太阳能开发潜力利用太阳能的方法主要有：使用太阳能电池，通过光伏转换把太阳光中包含的能量转化为电能使用太阳能热水器，利用太阳光的热量把水加热利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电通过机械及硬件设备来收集及传送太阳能的热量，以供应暖气设备。可分为主动式太阳能加热系统及被动式太阳能加热系统[1]

利用太阳能的热量来驱动斯特林发动机

利用太阳能加热盐类，再用盐类储存的热量发电（在夜间仍会继续发电）集中太阳能于定点制造龙卷风，利用龙卷风来做高效能的风力发电

利用太阳能进行海水淡化

太空太阳能转换电能储存，输送到地面电能接收站，讯号接收站根据环境与环境太阳日照的长短强弱，可移动式和固定式太阳能利用网太阳能运输（汽车、船、飞机...等）、太阳能公共设施（路灯、红绿灯、招牌...等）、建筑整合太阳能（房屋、厂房、电厂、水厂...等）太阳能装置，例如：太阳能热水器、太阳能计算机、太阳能背包、太阳能台灯、太阳能手电筒...等各式太阳能应用与装置日本光伏屋顶大唐武威太阳能电站腾格里沙漠边缘的武威市全国第一个荒漠化太阳能并网发电项目内蒙古”乌海2WM电站”的设计与安装运行将成为国内首个即能发电，又能有效改善荒漠环境，恢复荒漠植被的项目，为今后荒漠地区治理提供了新经验。太空太阳能电站太空太阳能电站

太阳概况

太阳是距离地球最近的恒星，是太阳系的中心天体。太阳系质量的99.87%都集中在太阳。太阳系中的八大行星、小行星、流星、彗星、外海王星天体以及星际尘埃等，都围绕着太阳运行（公转）。补充内容：直径：1392000公里（地球直径的109倍）体积：1.412×10^27立方米（地球的130万倍）质量：1.989×10^30千克（地球的332946倍）温度：约6000K(表面)，1560万K(核心)，5百万K（日冕）平均密度：1.409克/立方厘米太阳年龄：约4.57×10^9年总辐射功率：3.86×10^26瓦特（焦耳/秒）太阳表面重力加速度＝2.74×10^2米／秒^2(为地球表面重力加速度的27.9倍)太阳表面脱离速度＝618公里／秒地球附近太阳风的速度：

450公里／秒太阳运动速度＝19.7公里／秒日地距离

日地平均距离

(1天文单位)=1.49597870×10^11米（1亿5千万公里）日地最远距离＝1.5210×10^11米日地最近距离＝1.4710×10^11米结构

太阳只是一颗非常普通的恒星，在繁星世界里，太阳的亮度、大小和物质密度都处于中等水平。只是因为它离地球较近，所以看上去是天空中最大最亮的天体。其它恒星离我们都非常遥远，即使是最近的恒星，也比太阳远27万倍，看上去只是一个闪烁的光点。

组成太阳的物质大多是些普通的气体，其中氢约占71.3％、氦约占27％，其它元素占2％。太阳从中心向外可分为核反应区、辐射区和对流区、太阳大气。太阳的大气层，像地球的大气层一样，可按不同的高度和不同的性质分成各个圈层，即从内向外分为光球、色球和日冕三层。我们平常看到的太阳表面，是太阳大气的最底层，温度约是6000℃。构造太阳的内部主要可以分为三层：核心区、辐射区和对流区。

太阳光

地球上除原子能和火山、地震、潮汐以外，太阳能是一切能量的总源泉。

太阳在每分钟发出的总能量，这个能量约为每分钟2.273×10^28焦,太阳每秒辐射到太空的热量相当于一亿亿吨煤炭完全燃烧产生热量的总和，相当于一个具有5200万亿亿马力的发动机的功率。

太阳表面每平方米面积就相当于一个85000马力的动力站。而地球上仅接收到这些能量的22亿分之一。太阳每年送给地球的能量相当于100亿亿度电的能量。太阳能取之不尽，用之不竭，又无污染，是最理想的能源。地球大气上界的太阳辐射光谱的99％以上在波长0.15～4.0微米之间。大约50％的太阳辐射能量在可见光谱区（波长0.4～0.76微米），7％在紫外光谱区（波长<0.4微米），43％在红外光谱区（波长>0.76微米），最大能量在波长0.475微米处。。

太阳能在我们三分之二的国土上,年辐射量超过60万焦耳/平方厘米,每年地表吸收的太阳能大约相当于17万亿吨标准煤的能量。（中国煤炭的总储量为约6000亿吨）换句话说每年地表吸收的太阳能可以相当于280多倍中国的煤炭总储量。太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳，这种免费洁净的能源是地球发展的可靠保证。据统计地球上人类一年的能源总需求达到约4.363×1020焦耳，也就是说如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够我们的需求了。第一、太阳能是永不枯竭且无污染的能源。太阳能具有储量的无限性。太阳每秒释放的能量是1.6×1023KW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤大约1.89×1013千亿吨，是目前世界主要能源探明总量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的无限性。他的利用可以为开发宇宙空间提供连续不断的能源。第二、太阳能的存在具有普遍性，可就地取用。总结：

第三、太阳能是一种清洁能源并且利用起来很经济。利用太阳电池可以直接将太阳能转化为电能，在提供电力的同时不产生任何有害物质，特别是太阳电池在使用中不释放任何有害气体，对于改善生态环境具有重大的意义。并且系统简单、维护方便。因此，太阳能发电的大规模应用时，能够解决目前地面能源面临的矿物燃料资源减少和环境污染的问题，经济和社会的可持续发展的有效途径。太阳电池有望成为二十一世纪的重要新能源。<1>太阳能电池的基本概念光伏效应

太阳电池的物理基础是光伏效应：当太阳光或其他光照射到太阳电池上的时候，电池吸收光能，产生电子-孔穴对，在电池内建电场的作用下光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是光生伏特效应。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，于是负载中就有电流，从而获得输出功率，这样太阳能就转化成了电能。二太阳能电池概述二太阳能电池概述太阳电池成品p-n结“光生载流子”

的产生光子把电子从价带（束缚）激发到导带（自由），并在价带内留下一个/空穴（自由）－产生了自由电子－空穴对“光生电压”的产生自由电子和空穴扩散进入p-n结，n-p结作用下，分别在n区和p区形成电子和空穴的积累太阳电池“生光电流”的产生－得到电能

1839年，贝克里尔（Becqurel）发现了作为太阳电池的基本工作原理的光伏效应。1883年，弗里兹（Fritts）描述了第一个用硒制作的光生伏特电池，但一直到二十世纪初，虽经各种努力，硒只能将太阳光的1%左右的能量转化为电能。1941年，制作出了第一个硅p-n结光伏器件。1954年，在上述基础上，美国贝尔实验室制造出了第一个硅扩散p-n结太阳电池，其转换效率达到了10%。1958年美国Vanguard一号首次装上了太阳电池。从此开始了研究、利用太阳能发电的新阶段。<2>太阳能电池的发展历程在二十世纪八十年代以前，由于其发电成本过高，光伏发电主要在航天，通讯，导航等领域作为补充能源。1973年出现了“能源危机”，人们意识到不能长期依赖传统的能源。于是太阳电池的地面应用被提上了日程。美国，日本，欧洲等国家先后制定了地面太阳电池计划。太阳电池已有50年的历史，他虽有一系列的优点，但发展至今，年产量与世界能源需求量相差甚远。制约太阳电池发展的因素很多，诸如，接受面积问题，产生能量与负载匹配问题，电池材料的资源问题，发电成本问题等。但成本问题是制约太阳电池发展的瓶颈。要想真正是太阳成为替代能源，太阳电池的发电成本必须接近常规发电的成本。因此，在技术上实现突破和创新，发展廉价高效的太阳电池，是摆在我们面前的一项迫切的任务。我国在1958年开始研究太阳电池，并于1971年应用于卫星上，太阳电池的地面应用在我国始于1973年。我国太阳电池的产量只占世界产量的1%左右，这与我国辽阔的领域和日益广泛的光伏应用是极不相称的，根据中国能源研究会预测，按生态发展模式，2050年中国的可再生能源达到30.7%，其中太阳能占10%，因此，太阳能光电技术在我国具有非常广泛的发展空间。近年来我国太阳电池的发展方向是改善太阳电池的转换效率，质量稳定性，价格等，使之逐步具备了国际竞争力。经过近半个世纪的发展，太阳电池已从最初的单晶硅电池发展到今天的多晶硅、非晶硅、化合物半导体太阳电池、薄膜太阳电池、聚合物太阳电池及化学太阳电池等等。太阳电池分类(材料分类)

单晶硅太阳电池晶体硅太阳电池

多晶硅太阳电池

(CrystalSiliconSolarCell)

带状硅太阳电池

按基体材料分类BasedonMaterials非晶硅太阳电微晶硅薄膜太阳电池

多晶硅薄膜太阳电池

纳米晶硅薄膜太阳电池

硅薄膜太阳电池

SiliconThinFilm硒光电池硫化镉太阳电池硒铟铜太阳电池碲化镉太阳电池砷化镓太阳电池磷化铟太阳电池

染料敏化太阳电池(DyeSensitizedSolarcell)有机薄膜太阳电池(OrganicSolarCell)化合物太阳电池CompoundSolarcell<3>太阳能电池分类太阳电池分类(应用分类)空间太阳电池刚性衬底柔性衬底地面太阳电池光伏传感器用途分类刚性衬底柔性衬底同质结太阳电池异质结太阳电池肖特基结太阳电池复合结太阳电池分光太阳电池液结太阳电池结构分类

平板太阳电池聚光太阳电池分光太阳电池使用状态