太阳能电池教程

1、导言(导言)第一章阳光的特征1.1波粒二象性1.2黑体辐射1.3太阳及其辐射1.4地球表面的太阳辐射1.5直接和散射1.6温室效应1.7太阳运动的出现1.8太阳发射率的测量1.8.1全球同等流量1.8.2直接和散射特性1.8.3日照时间数据1.8.4卫星云图数据1.9太阳能和光伏发电第二章半导体和pn结2.1半导体2.1.1粘结力矩2.1.2能带模型2.1.3掺杂(半导体掺杂)2.2半导体类型2.2.1单晶硅2.2.2多晶硅2.2.3非晶硅2.3光吸收2.4重组2.5磷氮结第三章太阳能电池的特性3.1光的作用3.2光谱响应3.3温度的影响3.4串联电阻的作用第四章电池的特点和结构4.1效率4.

2、2光损耗4.3重组损失4.4表面接触设计4.4.1基体和表面的电阻率4.4.2网格线之间的距离4.4.3其他损失4.5实验电池与工业需求4.6激光凹槽隐藏了与电池的接触第五章是光伏电池的相互作用和组件的加工5.1组件和电路的设计5.2单细胞5.3多节电池5.4多个组件5.5热点效应5.6组件结构5.7环境保护5.8热考虑5.9电绝缘5.10机械保护5.11衰减系数介绍光伏是一门利用太阳能电池将阳光直接转化为电能的艺术。早在1839年，19岁的法国男孩埃德蒙贝克雷尔(Edmund Bekkerel)在他父亲的实验室里首次演示(证实)了光伏电池的设计。然而，对这种效用的理解和发展取决于20世纪一些

3、重要的科学和技术发展。一是量子力学的发展，这是20世纪最重要的智力成果之一。另一个是半导体技术的发展，它在电子革命和微芯片的普及中发挥了重要作用。现代光伏电池有一个有趣的发展历史(loferski，1993)。幸运的是，由于其起源和发展背景，太阳能电池利用的简单性和可靠性是其技术优势之一。在本书的前几章中，我们描述了这个过程中两个最重要元素的特征，一个是阳光，它是最基本的能源，另一个是太阳能电池，它通过一个完美的内部过程将阳光转化为电能。在检查光伏系统之前，我们首先看一下特定用途的电池的生产和组件，例如家用独立能源提供的太阳能汽车，或者通过抽水连接到发电的大型输电线路。这本书的目标是为这一领域

4、的工作者提供最基本的信息，这是理解光伏电池的运行规则，确定正确的应用和设计简单的光伏电池系统所必需的。它基于新南威尔士大学电子工程系的课程材料，并将继续作为基础课程使用。随着越来越多的大学毕业生熟悉光伏电池的概念和应用，我们希望在澳大利亚和世界各地增加光伏电池的应用。第一章阳光的特征1.1波粒二象性在过去的几个世纪里，人们对光的理解在两种明显冲突的观点之间来回变化(在1984年，有大量可读量子理论的发展)。在17世纪后期，牛顿关于光是由粒子组成的科学观点非常流行。直到19世纪初，杨和菲涅尔通过实验表明光束有干涉，这表明光是由波组成的。直到20世纪60年代，麦克斯韦电磁场理论才被接受，光被理解为

5、具有不同波长的电磁波谱的一部分。1905年，爱因斯坦提出光是由离散的粒子流或量子能量组成的，并用这一理论解释了光电效应。这种光的本质现在被完全接受了。光被认为是波粒二象性，它可以用公式表示如下：:光束的频率；光束的波长；光子的能量；普朗克常数，其值为：光速()。在定义光伏电池或太阳能电池的过程中，光有时被视为波，有时被视为粒子或光子。1.2黑体辐射黑体是能够吸收所有入射辐射的理想物体，也是理想的辐射发射源。当黑体被加热时，它开始发光，也就是说，它开始发出电磁辐射。加热金属是最常见的例子之一。金属获得的热量越多，它发出的光的波长就越短，光的波长从红色逐渐变成白色。传统物理学无法解释受热物体辐射的

6、光的波长分布。然而，在1900年，麦克斯韦提出了一个数学表达式来描述这种分布。直到五年后，当爱因斯坦的量子理论出现时，基础物理学才理解这个表达。当温度t给定时，黑体辐射的能量密度取决于辐射频率及其范围，即总和，它由普朗克辐射定律给出：:每单位面积每单位波长的能量；玻尔兹曼常数。图1.1说明黑体辐射能量的分布随温度而变化。图中最低的曲线是当黑体温度为3000千时白炽灯中钨丝的温度.辐射能量的最大值在波长1处，在红外波段。在这种情况下，只有一小部分辐射能量在可见光波段(0.4 0.8)，这就解释了为什么这些灯效率如此之低。大多数金属的熔点以上的温度可以改变这个范围内的峰值能量(0.4-0.8)。图

7、1.11.3太阳及其辐射太阳是一个高温的气体球，它的热量来自内部的核聚变反应。它的内部温度高达20，000，000千。图1.2显示太阳内部强烈辐射的能量被靠近其表面的氢离子层吸收。能量传递是这样进行的。首先，能量通过光学屏障(氢离子)传递，然后辐射到太阳的最外层表面。这是我们看到的光球。图1.3辐射能量类似于6000千的黑体辐射的能量，如图1.3所示。1.4地球表面的太阳辐照度虽然太阳表面的光是连续的，但是到达地球表面的光是不同的，因为地球大气的吸收和散射。天气晴朗时，阳光直射穿过大气层的距离最短，到达地球表面的辐照度最大。当太阳在头顶正上方成角度时，光路约为1/cos。这条光路通常被称为气团

8、。因此，空气质量=1/cos。当=0时，空气质量等于辐照度1或AM1。当=60时，空气质量等于辐照度2或AM2。AM1.5是光伏产业的标准辐照度(相当于阳光的角度48.2度)。空气质量可以通过以下公式估算：(1.4)其中h是垂直物体的高度，s是物体阴影的长度，如图1.5所示。附录b中的1.5AM光谱，如整个波段的总能量，其总能量密度接近970瓦/平方米。该光谱或1000瓦/平方米的归一化光谱是目前光伏行业使用的标准光谱。后者接近地球表面获得的最大能量。通过乘以1000/970，可以得到相当于归一化光谱的能量和光通量。为了获得真实系统中太阳能电池或组件的特性，上述标准光谱必须与系统安装地点的实际

9、太阳能相关。图1.11说明了全球和季节性太阳能。1.5直接辐射和散射由于以下因素，当太阳通过大气到达地球表面时，它会减少大约30%。1.大气中分子的瑞利散射，特别是对于短波长光( -4相关)。2.被大气中的悬浮粒子和尘埃粒子散射。3.O2、臭氧、H2O和CO2等大气气体的吸收。后者在图1.6中有明显的吸收带，小于0.3m的波长被臭氧强烈吸收。大气中臭氧的耗尽使得更多的这种短波长光到达地球，这给生物系统带来了危害。约1m的带隙是由长波波段的水汽和CO2吸收引起的。同样，改变大气中CO2的组成对地球上的气候和生物系统具有重要意义。图1.7显示了大气散射如何导致阳光成分从各个方向扩散。由于在短波下散

10、射更有效，漫反射主要反射光谱末端的蓝光。因此，天空是蓝色的。天气好的时候，AM1的辐射(太阳在头顶正上方的辐射)有大约10%的散射成分。这个百分比随着空气质量的增加而增加，多云天气也增加。当然，云量是辐照度降低和散射的一个重要原因。积云，也就是大的低空云，在阻挡阳光方面非常有效。然而，大约一半被积云阻挡的直射光以散射的形式得到补偿。卷云是一种小型的高空云，它不会阻挡阳光，但会将三分之二的直射光转换成散射光。在完全多云的天气，没有阳光，大部分到达地球的光是散射光。1.6温室效应为了保持地球的温度，从太阳到地球的能量必须等于从地球发出的能量。大气干扰光的进出。水蒸气主要吸收波长为4-7m的光，CO

11、2主要吸收波长为13-19m的光，大部分逸出光(70%)在7-13 m之间如果没有像月球这样的大气层，地球表面的平均温度将会是-18摄氏度。然而，大气中270ppmCO2的自然背景水平使地球的平均温度达到15，比月球高33。图1.9显示了如果地球没有大气，地球和太阳都是理想的黑体，吸收和发射能量的波长分布。人类的行为逐渐增加了释放到大气中的“人造气体”，特别是CO2、甲烷、臭氧、氮氧化物和氯氟烃(CFCs)，它们吸收7-13 m波长范围内的光。这些气体阻止了能量的排放，这将导致严重的温度升高。目前，有证据表明，到2030年，二氧化碳效应将加倍，全球气温将上升1-4摄氏度。这将导致风的类型和降雨

12、量的变化。大陆内部可能变得干燥，海洋将上升30厘米。当然，进一步增加人造气体的排放会有更严重的后果。显然，人类行为现在已经达到了影响地球自身维护系统的程度。应减少副作用，在未来几十年，低环境影响和无温室气体排放的技术将变得越来越重要。因为能源部分是通过燃烧化石燃料产生温室气体的主要来源。例如，光伏产品可以替代化石燃料，这项技术的应用将会增加。1.7太阳的明显运动太阳的运动和它在子午线上的位置以及在北纬35度的固定观察者之间的关系如图1.10所示。一年中太阳的路径是不同的，它的极端位置出现在夏至、冬至、春分和秋分。在春分和秋分(3月21日和9月23日)，太阳从东方升起，在西方落下。在子午线上，高

13、度等于90度减去这个纬度。在冬至和夏至(6月21日和12月22日)，子午线的高度根据地球的偏差(2327)而增加或减少。附录A给出了计算太阳在任何时间和天空中任何点的公式。1.8、太阳辐射测量有许多测量太阳辐射的仪器，其中最简单的是日晷仪，它用聚焦光在旋转图上烧一个洞来测量阳光照射的时间。硅电池本身构成了下一套精密仪器的基础。热电效应(由不同材料结的不同热量产生的电压)构成了更精确仪器(高温计、太阳能量热计)的基础，因为这种效应对光的波长不敏感。用合适的方法获得精确的太阳辐射对光伏系统的设计非常重要。1.8.1 .全球太阳辐射的计算最广泛可用的数据是每天、每月或每季度落在地平线上的全球辐照度(

14、包括直接辐射和散射)。图1.11显示了每个季节每天的季节性全球日照量(MJ/m2)。应该为每个特定位置找到更准确的数据，最好是找出直接和分散成分的形式，而不仅仅是总日照量。1.8.2、直射和散射日照数据以下方法可以确定在相对水平位置以倾斜角入射到太阳能电池板上的相对太阳辐射：首先，我们假设散射分量D与倾斜角无关(理论上接近不超过45度的倾斜角值)第二，水平面上的直接部分s可以转换成以倾斜角入射的直接部分，如图1.12所示接下来，我们得到：(1.5)其中 是中午太阳的高度，给定(1.6)其中是南半球纬度，是太阳的偏角，由以下公式给出(1.7)其中d是天数，从1月1日开始，当d=1时。上述公式适用

15、于南半球朝北放置的组件(如果北半球朝南放置，则公式现在为北半球的纬度)。严格地说，公式1.5只在中午是正确的，但是它经常被用在角落组件中，以平均每天直接照射在水平面上的太阳光的强度，因此犯了一个小错误。然而，如果直射光和散射光的成分未知，那么全球月总辐照度和许多晴天和阴天的理论计算总辐照度相当于两者的合理近似值(适用于大多数地方)理论计算过程如下：(1)“晴天”-每天直射光的密度由基于实验的空气质量函数决定。I=1.353 *0.7空气质量0.678千瓦/平方米(1.8)其中，I是在垂直于太阳光线的平面上产生的直射光的密度。空气质量值是一个纬度函数，一年中的时间和一天中的时间可以通过附录A中的算法来计算.通过确定一整天的I值，我们可以计算出每天的直接性。然后将该值增加10%以求解散射分量，其原始值如图1.3所示。然后，它给出了给定时间和地点每天日照的期望值。(2)“阴天”-所有产生的光被假定为散射光，并且水平面的20%的密度由公式1.8确定。然后，可以计算出阴天日日照的近似值。通