太阳能和光电转换

《太阳能和光电转换》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第一章太阳能和光电转换主要内容：首先讨论太阳和太阳能的基本性质，阐述太阳光的反射、散射和吸收，太阳能的辐射、吸收及大气质量等概念。讨论太阳能应用的分类、历史和进展。介绍太阳能光电池和材料的研究及开发。太阳能的辐射和吸收太阳生成的巨大能量不断向宇宙辐射：辐射能的总量：3.6×1820MW/s，其中约22亿分之一辐射到地球上，经过大气层的反射、散射和吸收，约70%（每年1.8×1018kW.h）到达地面，能量巨大，等于1.3×106亿吨标准煤，是地球年耗能量的几万倍。按照目前太阳质量损耗的速率，太阳热核反应可进行6

2、00亿年，所以对人类短暂的历史而言，太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源。能量的来源：太阳的辐射由于地球绕太阳公转的轨道呈椭圆形，离太阳的最远距离和最近距离分别为1.52×108km和1.47×108km，平均距离为1.49×108km。由于距离的变化，夏天6月份（距离太阳最远）地面接收的平均能量为12月份（距离太阳最近）的94%，差别不是很大，可以认为太阳在大气层外的辐射强度是不变的。但是除了由于地球围绕太阳公转的原因之外，地球的自转，气候条件（如云层厚度）和大气层成分等都能对辐射到地球表面的太阳能能量产生影响

3、，因此，在具体某个地区的地面接收到的太阳能在不同的季节和不同的气候条件下是不同的。当太阳光照射到地球时，一部分光线被反射或散射，一部分光线被吸收，只有约70%的光线能透过大气层，以直射光或散射光到达地球表面。到达地球表面的太阳光一部分被表面物体所吸收，另外一部分又被反射回大气层。下图所示为太阳光入射地面时的情况。散射反射入射透射吸收太阳光在其到达地球的平均距离处的自由空间中的辐射强度被定义为太阳能常数，取值为1353W/m2。大气对地球表面接收太阳光的影响程度被定义为大气质量（airmass）。大气质量为零的状

4、态（AM0），是指在地球外空间接收太阳光的情况，适用于人造卫星和宇宙飞船等应用场合；大气质量为1的状态（AM1），是指太阳光直接垂直照射到地球表面的情况，其入射光功率为925W/m2，相当于晴朗夏日在海平面上所承受的太阳光。这两者的区别在于大气对太阳光的衰减，主要包括臭氧层对紫外线的吸收，水蒸气对红外线的吸收以及大气中尘埃和悬浮物的散射等。在太阳光入射角与地面成夹角θ时，大气质量为AM=1/cosθ当θ=48.2度时，大气质量为AM1.5，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射总量为1kW/m2，常用

5、于太阳电池和组件效率测试时的标准。太阳光的波长不是单一的，其范围是10pm-10km，但97%以上的太阳辐射能的波长位于0.29～3.0范围内，相对波长较短，属于短波长辐射。书上图1.2所示为太阳光辐射的波长分布图。由图中可知，由于大气中不同成分气体的作用，在AM1.5时，相当一部分波长的太阳光已被散射和吸收。其中，臭氧层对紫外线的吸收最为强烈；水蒸气对能量的吸收量大，约20%被大气层吸收的太阳能是由于水蒸气的作用；而灰尘既能吸收也能反射太阳光。1.3太阳能光电的研究和应用历史太阳能与传统能源煤、石油及核能相比

6、具有独特的优势：一没有使用矿物燃料时产生的有害废渣和气体，不污染环境；二没有地域和资源的限制，有阳光的地方到处可以利用，使用方便且安全；三能源没有限制，取之不尽，用之不竭，属于可再生能源。因此，太阳能的研究和应用是今后人类能源发展的主要方向之一。太阳能能量的转换方式主要分为光化学转化，太阳能光热转化和太阳能光电转换三种方式。从广义上讲，风能，水能和矿物燃料等也都来源于太阳能。光化学转换：在太阳光的照射下，物质发生化学，生物反应，从而将太阳能转化成电能等形式的能量。最常见的是植物的光合作用。太阳能光热转换：通过反

7、射，吸收等方式收集太阳辐射能，使之转化成热能，如在生活中广泛应用的太阳能热水器，太阳能供暖房，太阳能灶，太阳能水泵和太阳能热机等。太阳能光电转换：利用光电转换器件将太阳能转化成电能。最常见的是太阳电池，又称太阳能电池，应用于如灯塔，铁路信号，海岛，山区，草原，雪山和沙漠等边远地区的生活用电，太阳能汽车和卫星等设备的电源，以及太阳能电站并网发电等领域。光电技术研究历史：早在1876年英国科学家亚当斯等在研究半导体材料时发现：当用太阳光照射硒半导体材料时，如同伏特电池一样，会产生电流，称为光生伏特电。但是，硒产生的

8、光电效应很弱，到20世纪中期转化效率仅有1%左右。1954年，美国贝尔实验室的Chapin等研制出世界上第一块真正意义上的硅太阳电池，光电转化效率达到6%左右，很快达到10%，从此拉开了现代太阳能光电（又称太阳能光伏）的研究，开发和应用的序幕。几乎同时，CuS/CdS异质结太阳电池也被开发，成为薄膜太阳电池研究的基础。太阳电池应用历史：最初，硅太阳电池的成本很高，较常规电力高1000倍