光電及光化學(xué)轉(zhuǎn)化原理與應(yīng)用電化學(xué)全冊(cè)配套課件

光電與光化學(xué)轉(zhuǎn)換原理及應(yīng)用電化學(xué)第〇章緒論教材及主要參考書(shū)/courses/太陽(yáng)電池電化學(xué)方法—原理及應(yīng)用Nozik的書(shū)Emiller的書(shū)課時(shí)安排周次日期內(nèi)容111.05概論-光伏11.07光伏211.12電化學(xué)111.14電化學(xué)2311.19電化學(xué)311.21電化學(xué)4411.26電化學(xué)511.28電化學(xué)6512.03光電化學(xué)112.05光電化學(xué)2612.10光電化學(xué)312.12燃料電池1周次日期內(nèi)容712.17燃料電池212.19鋰電池812.24金屬空氣電池12.26超級(jí)電容器911.05光催化11.07光催化1011.12光催化11.14光催化1111.19實(shí)驗(yàn)111.21實(shí)驗(yàn)21211.26實(shí)驗(yàn)311.28復(fù)習(xí)考核辦法平時(shí)成績(jī)30%

其中考勤5%作業(yè)25%期末考試70%聯(lián)系方式李明濤講師Telmail:mingtao@ADD:北二樓15樓(81517隔壁）接收預(yù)約答疑為什么要講這門(mén)課？講些什么內(nèi)容？Bitingdownwithafilledtoothonascrapofaluminumfoilwillcausepain.Thefoilactsasanactiveanode(E°aluminum=-1.66V),salivaastheelectrolyte,andthefillingasaninactivecathodeasO2isreducedtoH2O.Oxidationhalf-reaction2H2O(l)→4H+(aq)

+O2(g)+4e-Reductionhalf-reaction2H2O(l)+4e-→2H2(g)+2OH-(aq)Overall(cell)reaction2H2O(l)→H2(g)+O2(g)Theelectrolysisofwater.Lead-acidbattery.HydrogenFuelCellsAsmallalkalinedrycellAsolid-statelithium-iodidebattery第一章光伏什么是太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換？

太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換是直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的主要部件是太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池也稱(chēng)光伏電池，它沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，在能量轉(zhuǎn)換中具有重要的地位，被認(rèn)為是“最優(yōu)雅的能量轉(zhuǎn)換器”。世界太陽(yáng)電池發(fā)展簡(jiǎn)史1839年法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”。1883年CharlesFritts在鍺半導(dǎo)體上覆上金層形成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，成功制備第一塊太陽(yáng)電池，效率只有1%。1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成實(shí)用型硅太陽(yáng)電池，效率6%，為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；同年，首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，制成了第一塊薄膜太陽(yáng)電池。1958年太陽(yáng)電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國(guó)先鋒1號(hào)衛(wèi)星電源。1958年我國(guó)開(kāi)始太陽(yáng)電池研制，1971年首次發(fā)射用太陽(yáng)電池作為電池的人造衛(wèi)星。1959年第一個(gè)多晶硅太陽(yáng)電池問(wèn)世，效率達(dá)5%。1978年美國(guó)建成100kWp太陽(yáng)地面光伏電站。/courses/—了解詳細(xì)發(fā)展歷史光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的基本過(guò)程。太陽(yáng)光是由光子組成的，光子的能量和太陽(yáng)光譜的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。光照射到太陽(yáng)能電池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以產(chǎn)生電能?！舭雽?dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性◆半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性◆半導(dǎo)體的摻雜特性◆p-n結(jié)◆太陽(yáng)能電池的工作原理半導(dǎo)體室溫下電阻率處于10-3~109Ω·cm范圍內(nèi)的材料，其電子激發(fā)能隙處在0到大約3ev之間。或者說(shuō)導(dǎo)電性介于金屬和絕緣體之間的一種材料。元素半導(dǎo)體—Si、Ge、Te等化合物半導(dǎo)體—GaN、GaAs、InP、CdS、CdTe、PbS等合金半導(dǎo)體—Si1-xGex、AlxGa1-xAs等有機(jī)半導(dǎo)體—分子晶體、有機(jī)絡(luò)合物、高分子材料金屬電阻率：10-8Ω·m

絕緣體電阻率：1014~1020Ω·m半導(dǎo)體電阻率：10-4~107Ω·m溫度升高——半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降。室溫附近純硅(Si)，溫度每增8℃，電阻率降低50%左右。微量雜質(zhì)含量可顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。

純硅中每100萬(wàn)個(gè)硅原子摻進(jìn)一個(gè)Ⅴ族雜質(zhì)（比如磷），硅的純度仍高達(dá)99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214kΩcm降至0.2Ωcm以下。適當(dāng)波長(zhǎng)的光照可改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。

在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無(wú)光照時(shí)暗電阻為幾十MΩ，受光照后電阻值可以下降為幾十KΩ.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還隨電場(chǎng)、磁場(chǎng)等的作用而改變。半導(dǎo)體一些重要特性1半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性獨(dú)特不同溫度不同強(qiáng)度的光加入微量雜質(zhì)導(dǎo)電能力相差很大半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和非導(dǎo)體之間，其依靠電子-空穴對(duì)導(dǎo)電，導(dǎo)電性能非常獨(dú)特。這些獨(dú)特的導(dǎo)電性是由其內(nèi)部的微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定的。下面以半導(dǎo)體硅為例來(lái)進(jìn)行介紹。1半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性

硅原子有14個(gè)電子，其最外層有4個(gè)電子，稱(chēng)為價(jià)電子，在光生伏特效應(yīng)中起重要作用。硅的原子結(jié)構(gòu)示意圖價(jià)電子原子核半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性大量的硅原子通過(guò)價(jià)電子結(jié)合在一起，形成晶體。在晶體中，每個(gè)硅原子通常和鄰近的4個(gè)硅原子以共價(jià)鍵的形式分別共享4個(gè)價(jià)電子。硅晶體結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性在一定溫度或強(qiáng)光的照射下，由于熱能或光能轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，如果動(dòng)能足夠大，電子就可以掙脫束縛而成為自由電子。共價(jià)電子掙脫束縛而成為自由電子以后，便留下一個(gè)空穴。通常把電子看成帶負(fù)電的載流子，把空穴看成帶正電的載流子。由光照產(chǎn)生的載流子叫做光生載流子。電子-空穴示意圖半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性自由電子在電場(chǎng)或熱運(yùn)動(dòng)作用下，可能遇到已經(jīng)產(chǎn)生的空穴，與空穴進(jìn)行復(fù)合，從而使載流子消失?？昭ㄝd流子的不斷產(chǎn)生和消失，相當(dāng)于空穴（正電荷）的移動(dòng)。由于電子和空穴的移動(dòng)，就使半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性。電子-空穴移動(dòng)示意圖2半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性

禁帶具有一定的能量，這種能量叫做禁帶寬度。實(shí)際上，這個(gè)能量是導(dǎo)帶的最低能級(jí)與滿帶的最高能級(jí)的能量差。半導(dǎo)體的能帶示意圖價(jià)帶：原子中最外層電子或價(jià)電子所在的能帶禁帶：價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的空隙帶導(dǎo)帶：具有能導(dǎo)電的電子的最高能帶2半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光的照射時(shí)，光可能被反射、吸收或透射。有些光子的能量大到足以使電子掙脫原子的束縛，同時(shí)把電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，使半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。實(shí)現(xiàn)內(nèi)光電效應(yīng)的條件是：其中：為光子的能量，eV；為普朗克常數(shù)，4.136×10-15eV·s；

是光的頻率，1/s；為禁帶寬度，eV。半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性

由于

有

波長(zhǎng)大于截止波長(zhǎng)的光不能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。材料禁帶寬度/eV截止波長(zhǎng)/μm可供利用的太陽(yáng)能比率硅1.121.100.76磷化銦1.250.970.69砷化鎵1.350.900.65碲化鎘1.450.840.61硒1.500.810.58銻化鋁1.550.780.57硒化鎘1.700.720.51磷化鎘2.300.530.28硫化鎘2.400.500.24幾種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度表半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性光子能量通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位截面的光子能量。

其中：為在深度x處的光的強(qiáng)度，W/m2；

為射入正交表面的光強(qiáng)，W/m2；

為吸收系數(shù)，1/m。

說(shuō)明：太陽(yáng)能電池對(duì)半導(dǎo)體材料的薄膜厚度有一定的要求。

例：若要吸收90%以上的光子能量，半導(dǎo)體Si的薄膜厚度需超過(guò)100μm，而半導(dǎo)體GaAs的薄膜厚度只需1μm。3半導(dǎo)體的摻雜特性本征半導(dǎo)體

完全無(wú)雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電能力很小，Si在300K的本征電導(dǎo)率為2.3×105

Ω?cm。

具有斷鍵的硅晶體3半導(dǎo)體的摻雜特性雜質(zhì)半導(dǎo)體

在半導(dǎo)體中加入少量可能改變其導(dǎo)電機(jī)制的雜質(zhì)。

3半導(dǎo)體的摻雜特性雜質(zhì)半導(dǎo)體

在半導(dǎo)體中加入少量可能改變其導(dǎo)電機(jī)制的雜質(zhì)。

Si半導(dǎo)體中摻入3價(jià)元素的半導(dǎo)體（如硼、鎵、鋁等），在晶體中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空穴，形成p型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子：空穴Si半導(dǎo)體中摻入5價(jià)元素的半導(dǎo)體（如磷、砷、銻等），在共價(jià)鍵之外會(huì)出現(xiàn)一個(gè)多余的電子，形成n型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子：電子4p-n結(jié)n型半導(dǎo)體中含有較多的電子，而p型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，這樣，當(dāng)p型和n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差形成p-n結(jié)。

電子擴(kuò)散方向空穴擴(kuò)散方向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)空穴：p區(qū)n區(qū)電子：n區(qū)p區(qū)內(nèi)電場(chǎng)4p-n結(jié)

5太陽(yáng)能電池的工作原理★材料吸收光子后，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)★電性相反的光生載流子被半導(dǎo)體中p-n結(jié)所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分開(kāi)★光生載流子被太陽(yáng)能電池的兩極所收集，并在電路中產(chǎn)生電流，因而獲得電能

太陽(yáng)能電池的工作原理太陽(yáng)能電池等效電路光照情況下的太陽(yáng)能電池可以等效為一個(gè)理想的電流源、一個(gè)理想二極管、旁路電阻和串聯(lián)電阻的組合。太陽(yáng)能電池的等效電路圖太陽(yáng)能電池等效電路

在沒(méi)有光輻射的情況下，太陽(yáng)能電池就是一個(gè)普通的半導(dǎo)體二極管。恒定的入射輻射使太陽(yáng)能電池內(nèi)部形成穩(wěn)定的從n型區(qū)到p型區(qū)的反向光生電流，二極管中的電流是由于空穴、電子擴(kuò)散而形成的正向電流。

為p型區(qū)和n型區(qū)半導(dǎo)體材料的體電阻、p-n結(jié)擴(kuò)散層的薄層電阻、電池電極的歐姆接觸電阻等。

為考慮電流損失而增加的電阻。

當(dāng)流過(guò)負(fù)載的電流為，負(fù)載的端電壓為時(shí)，有

負(fù)載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也就是光電池的伏安特性方程。

圖中的曲線是負(fù)載從零變到

無(wú)窮大時(shí)，太陽(yáng)能電池的負(fù)載特

性曲線。工作點(diǎn)（，）界

定的矩形面積是電池在該工作點(diǎn)

的輸出功率。使達(dá)到最大值的

工作點(diǎn)（，）稱(chēng)為最佳工

作點(diǎn)。

從上圖可見(jiàn)，負(fù)載特性曲線不會(huì)超過(guò)開(kāi)路電壓和短路電流界定的矩形范圍。這就意味著太陽(yáng)能電池的輸出特性曲線越充滿該矩形越好。常用填充因子的大小來(lái)評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池輸出特性的優(yōu)劣。伏安特性和轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池的伏安特性填充因子

定義：電池最大輸出功率與開(kāi)路電壓與短路電流乘積的比值。光電轉(zhuǎn)換效率

定義：太陽(yáng)能電池的最大輸出電功率與輸入光功率之比。

其中：是太陽(yáng)能電池單位表面積上的入射太陽(yáng)總輻射；

為太陽(yáng)能電池的上表面積。伏安特性和轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率

由開(kāi)路電壓、短路電流和太陽(yáng)能電池表面的入射太陽(yáng)輻射的關(guān)系，得

綜上可得太陽(yáng)能電池的效率為伏安特性和轉(zhuǎn)換效率開(kāi)路電壓、短路電流和入射輻射強(qiáng)度的關(guān)系

影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素主要有三類(lèi)：太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體材料的性質(zhì)

包括基體材料性質(zhì)和摻雜特性。材料性質(zhì)影響到對(duì)光輻射的吸收和反射，禁帶寬度，載流子的產(chǎn)生、擴(kuò)散與復(fù)合等光電轉(zhuǎn)換中的基本微觀物理過(guò)程。太陽(yáng)能電池的制造工藝

制造工藝是否精良直接關(guān)系到電池的等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻。太陽(yáng)能電池的工作條件

如工作溫度。影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素光損耗復(fù)合損失電壓因子損失串聯(lián)電阻上的損失本小節(jié)主要介紹的影響因素光損耗

光損耗來(lái)自三個(gè)方面： ①入射光在太陽(yáng)能電池表面受到反射；

②能量小于的光子的能量變?yōu)闊崮軗p耗掉； ③光譜中長(zhǎng)波一側(cè)的一小部分輻射能量穿透電池片損失掉。

光譜因子：受入射光子激發(fā)而產(chǎn)生的光生載流子獲得的能量與入射總光強(qiáng)度的比。影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素不同材料的表面對(duì)光的反射系數(shù)不同，可在表面鍍減反射膜兩者統(tǒng)稱(chēng)為量子損失，它依賴(lài)于材料的禁帶寬度。為截止波長(zhǎng)為入射光強(qiáng)度復(fù)合損失

半導(dǎo)體電池在接受光照工作時(shí)，其內(nèi)部可能同時(shí)存在三種機(jī)制的載流子復(fù)合：直接復(fù)合、中心復(fù)合和表面復(fù)合。載流子的復(fù)合導(dǎo)致被吸收能量的損失。直接復(fù)合

在光生電池和熱運(yùn)動(dòng)的作用下，有一部分電子少子和空穴少子分別向p型方向和n型方向作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一個(gè)少子在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中遇到一個(gè)多子時(shí)，就發(fā)生直接復(fù)合，電子從導(dǎo)帶回歸滿帶，實(shí)現(xiàn)了電子-空穴對(duì)的湮滅，同時(shí)釋放出從輻射光獲得的等于禁帶寬度的能量，造成光電轉(zhuǎn)換的能量損失。影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素復(fù)合損失中心復(fù)合

在內(nèi)建電場(chǎng)力的作用下，從p型區(qū)和n型區(qū)運(yùn)動(dòng)到與p-n結(jié)邊界的距離在擴(kuò)散長(zhǎng)度以內(nèi)的多子被吸入勢(shì)壘區(qū)；在這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生的少子被掃入勢(shì)壘區(qū)；在勢(shì)壘區(qū)里有電子-空穴對(duì)生成。此處電子與空穴的復(fù)合屬于復(fù)合中心的復(fù)合，復(fù)合使電子釋放出能量。表面復(fù)合

由于電池的表面結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，形成了大量的表面復(fù)合中心。光的輻照首先在電池表面層激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其中一部分少子還來(lái)不及向晶體內(nèi)部擴(kuò)散就被表面復(fù)合中心復(fù)合了，導(dǎo)致能量損失。影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素電壓因子損失

理論上，開(kāi)路電壓應(yīng)等于p-n結(jié)的勢(shì)壘：

實(shí)際上，由于電池的p-n結(jié)等處存在電流泄漏，使開(kāi)路電壓降低，從而造成效率損失。

常用電壓損失因子來(lái)表示這種損失：影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素串聯(lián)電阻上的損失

太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻的存在直接影響填充因子的大小。在運(yùn)行條件下，太陽(yáng)能電池的填充因子永遠(yuǎn)不可能達(dá)到1。對(duì)于理想電池，填充因子為0.8，由于串聯(lián)電阻的存在，填充因子為0.7～0.75。故太陽(yáng)能電池的效率遠(yuǎn)小于圖中的值。

電池的極限轉(zhuǎn)換效率/理想

轉(zhuǎn)換效率可以表示為：影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素不同太陽(yáng)能電池的理論效率半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)CBVB導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：(導(dǎo))價(jià)帶電子絕緣體：無(wú)導(dǎo)帶電子禁帶太寬半導(dǎo)體：價(jià)帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵(lì)滿帶電子激勵(lì)成為導(dǎo)帶電子滿帶留下空穴絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體EcEvEgE9導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV電子躍遷帶隙Eg

=1.1eV電子態(tài)數(shù)量空穴態(tài)數(shù)量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子電子向?qū)кS遷空穴向價(jià)帶反向躍遷本征半導(dǎo)體的能帶圖多余電子圖1.6-2摻雜（n型）施主能級(jí)導(dǎo)帶電離能價(jià)帶摻入第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它成為自由電子。這個(gè)電離過(guò)程稱(chēng)為雜質(zhì)電離。施主能級(jí)電子濃度分布空穴濃度分布施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶電子濃度增加

被施主雜質(zhì)束縛住的多余電子所處的能級(jí)稱(chēng)為施主能級(jí)施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶很近的禁帶施主能級(jí)上的電子吸收少量的能量DED后可以躍遷到導(dǎo)帶摻入第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量DEA<Eg

就可以產(chǎn)生自由空穴B受主雜質(zhì)非本征半導(dǎo)體材料：p型半導(dǎo)體的光吸收為了解釋光電效應(yīng)，1905年，愛(ài)因斯坦在德國(guó)物理學(xué)家普朗克研究電磁輻射的基礎(chǔ)上提出了光子說(shuō)。他指出：在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子。每個(gè)光子所具有的能量E跟光的頻率ν成正比。E=hν其中h是一個(gè)常量，叫普朗克常量。h=6.63×10-34焦.秒直接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空隙復(fù)合伴隨光子的發(fā)射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。間接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置不位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空隙復(fù)合需要聲子的參與，聲子振動(dòng)導(dǎo)致熱能，降低了發(fā)光量子效率。pn結(jié)的特性與光電壓的產(chǎn)生由于pn結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)存在較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)（自n區(qū)指向p區(qū)），結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受該場(chǎng)的作用，各自向相反方向運(yùn)動(dòng)：p區(qū)的電子穿過(guò)p-n結(jié)進(jìn)入n區(qū)；n區(qū)的空穴進(jìn)入p區(qū)，使p端電勢(shì)升高，n端電勢(shì)降低，于是在p-n結(jié)兩端形成了光生電動(dòng)勢(shì)，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于在p-n結(jié)兩端加正向電壓V，使勢(shì)壘降低為，產(chǎn)生正向電流IF.在pn結(jié)開(kāi)路的情況下，光生電流和正向電流相等時(shí)，p-n結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢(shì)差Voc，（p區(qū)相對(duì)于n區(qū)是正的），這就是光電池的開(kāi)路電壓。如將pn結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)有源源不斷的電流通過(guò)電路，p-n結(jié)起了電源的作用。這就是光電池的基本原理。半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)α具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)兩個(gè)條件太陽(yáng)電池的特性IV特性開(kāi)路電壓短路電流最大工作點(diǎn)填充因子轉(zhuǎn)換效率量子效率影響效率的因素光譜響應(yīng)特性能量效率光電池的電流電壓特性光電池工作時(shí)共有三股電流：光生電流IL，在光生電壓V作用下的pn結(jié)正向電流IF，流經(jīng)外電路的電流I。IL和IF都流經(jīng)pn結(jié)內(nèi)部，但方向相反。pn負(fù)載光電流IL結(jié)正向電流IFI

根據(jù)p-n結(jié)整流方程，在正向偏壓下，通過(guò)結(jié)的正向電流為：IF=Is[exp(qV/kT)-1]其中：V是光生電壓，Is是反向飽和電流。

如光電池與負(fù)載電阻接成通路，通過(guò)負(fù)載的電流應(yīng)該是：I=IF-IL=Is[exp(qV/kT)-1]-IL

這就是負(fù)載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也就是光電池的伏安特性方程。1和2分別是無(wú)光照和有光照時(shí)的光電池的伏安特性曲線。不論是一般的化學(xué)電池還是太陽(yáng)能電池，其輸出特性一般都是用如下圖所示的電流－電壓曲線來(lái)表示。由光電池的伏安特性曲線，可以得到描述太陽(yáng)能電池的四個(gè)輸出參數(shù)。描述太陽(yáng)能電池的參數(shù)１、開(kāi)路電壓Voc在p-n結(jié)開(kāi)路情況下（R=），此時(shí)pn結(jié)兩端的電壓即為開(kāi)路電壓Voc。這時(shí)，I=0，即：IL=IF。將I=0代入光電池的電流電壓方程，得開(kāi)路電壓為：Voc＝kTqln(ILIs+1)2、短路電流Isc

如將pn結(jié)短路（V=0），因而IF=0，這時(shí)所得的電流為短路電流Isc。顯然，短路電流等于光生電流，即：Isc=IL對(duì)于在整個(gè)器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示式中GL為光照電子?空穴對(duì)的產(chǎn)生率A為P-N結(jié)面積A（Ln+Lp）為半導(dǎo)體產(chǎn)生光生載流子的體積。由上式可知短路光電流取決于光照強(qiáng)度和P-N結(jié)的性質(zhì)。３、填充因子FF在光電池的伏安特性曲線任一工作點(diǎn)上的輸出功率等于該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的矩形面積，其中只有一點(diǎn)是輸出最大功率，稱(chēng)為最佳工作點(diǎn)，該點(diǎn)的電壓和電流分別稱(chēng)為最佳工作電壓Vop和最佳工作電流Iop。填充因子定義為：FF=VopIopVocIsc=PmaxVocIsc它表示了最大輸出功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的矩形面積在Voc和Isc所組成的矩形面積中所占的百分比。特性好的太陽(yáng)能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽(yáng)能電池，也就是Voc，Isc和FF乘積較大的電池。對(duì)于有合適效率的電池，該值應(yīng)在0.70-0.85范圍之內(nèi)。4.太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)化效率

其中Pin是入射光的能量密度，S為太陽(yáng)能電池的面積，當(dāng)S是整個(gè)太陽(yáng)能電池面積時(shí)，稱(chēng)為實(shí)際轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)S是指電池中的有效發(fā)電面積時(shí)，叫本征轉(zhuǎn)換效率。表示入射的太陽(yáng)光能量有多少能轉(zhuǎn)換為有效的電能。=（太陽(yáng)能電池的輸出功率/入射的太陽(yáng)光功率）x100%=（VopxIop/PinxS）X100%=Voc?Isc?FFPin?

S影響效率的因素帶隙典型的太陽(yáng)能電池I-V特性曲線光照強(qiáng)度溫度的影響光生電流的光學(xué)損失反射損失柵指電極遮光損失透射損失表面絨面化太陽(yáng)電池的能量損失光生少子的收集幾率在太陽(yáng)能電池內(nèi)，由于存在少子的復(fù)合，所產(chǎn)生的每一個(gè)光生少數(shù)載流子不可能百分之百地被收集起來(lái)。定義光激發(fā)少子中對(duì)太陽(yáng)能電池的短路電流有貢獻(xiàn)的百分?jǐn)?shù)為收集幾率。決定開(kāi)路電壓Voc大小的主要物理過(guò)程是半導(dǎo)體的復(fù)合。半導(dǎo)體復(fù)合率越高，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度越短，Voc也就越低。體復(fù)合和表面復(fù)合都是重要的。體相復(fù)合包括復(fù)合中心復(fù)合、俄歇復(fù)合及直接輻射復(fù)合歐姆損失與漏電損失pn結(jié)太陽(yáng)能電池存在著Rs和Rsh的影響。其中，Rs是由材料體電阻、薄層電阻、電極接觸電阻及電極本身傳導(dǎo)電流的電阻所構(gòu)成的總串聯(lián)電阻。Rsh是在pn結(jié)形成的不完全的部分所導(dǎo)致的漏電流，稱(chēng)為旁路電阻或漏電電阻。考慮串聯(lián)電阻PHOTORESPONSIVITYEXTERNALQUANTUMEFFICIENCYThephotoresponsivityisdefinedasthephotocurrentextractedfromthesolarcelldividedbytheincidentpowerofthelightatacertainwavelength.TheexternalquantumefficiencyisdefinedasthenumberofchargesNe

extractedattheelectrodesdividedbythenumberofphotonsNph

ofacertainwavelengthincidentonthesolarcell太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)按結(jié)構(gòu)分類(lèi)同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池肖特基太陽(yáng)電池按材料分類(lèi)硅太陽(yáng)電池敏化納米晶太陽(yáng)電池有機(jī)化合物太陽(yáng)電池塑料太陽(yáng)電池?zé)o機(jī)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池的分類(lèi)太陽(yáng)電池體電池太陽(yáng)電池的分類(lèi)與發(fā)展薄膜電池鍺硅單晶硅多晶硅帶硅硅微晶硅非晶硅化合物薄膜CISCIGSGaAs染料敏化、量子點(diǎn)…CdTe幾種太陽(yáng)電池效率比較多結(jié)電池薄膜電池塊硅電池有機(jī)太陽(yáng)電池晶體硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)晶體硅太陽(yáng)電池的制造工藝（1）切片：采用多線切割（2）清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面切割損傷層除去30－50um。（3）制備絨面：用堿溶液對(duì)硅片進(jìn)行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。（4）磷擴(kuò)散：采用涂布源（或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源）進(jìn)行擴(kuò)散，制成PN＋結(jié)，結(jié)深一般為0.3－0.5um。（5）周邊刻蝕：去除周邊擴(kuò)散層。（7）制作上下電極：用真空蒸鍍、化學(xué)鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝，先制作下電極，然后制作上電極。（8）制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2

、SiO2

、Al2O3

、Si3N4

、TiO2

、Ta2O5等。（9）燒結(jié)：將電池芯片燒結(jié)于鎳或銅底板上。（10）測(cè)試分檔：按規(guī)定參數(shù)規(guī)范，測(cè)試分類(lèi)。晶體硅電池的現(xiàn)代發(fā)展太陽(yáng)電池的新發(fā)展疊層太陽(yáng)電池中間帶太陽(yáng)電池?zé)彷d流子太陽(yáng)電池染料敏化太陽(yáng)電池量子點(diǎn)太陽(yáng)電池……多結(jié)（疊層）太陽(yáng)電池Cell1Cella2Cella3Eg1Eg2<Eg1Eg3<Eg2Eg=1.9eVEg=1.42eVEg=0.7eV染料敏化太陽(yáng)電池基本原理DyeMoleculesonTiO2GlassSubstrateElectrolyteI-/I-3Catalyst(Platinum,graphite)GlassSubstrateTransparentConductingOxide(ITOorSnO2:F)

TransparentConductingOxide(ITOorSnO2:F)

nanocristallineTiO2

柔性太陽(yáng)電池封閉系統(tǒng)航標(biāo)燈光伏水泵：解決無(wú)電地區(qū)的深水井飲用、灌溉太陽(yáng)能無(wú)人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)化技術(shù)并網(wǎng)技術(shù)電能存儲(chǔ)技術(shù)電能傳輸技術(shù)3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光伏電站10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車(chē)廠充電站等。集成方式整體屋頂跟蹤方式框架固定太陽(yáng)能電池的利用情況日本、歐洲、美國(guó)一直是發(fā)展和利用太陽(yáng)能電池的主要國(guó)家和地區(qū)。世界太陽(yáng)能電池歷年產(chǎn)量峰值（單位：MW）太陽(yáng)能電池的利用情況新千年開(kāi)始，世界其他國(guó)家和地區(qū)的太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度明顯加快了。年份區(qū)域200220032004200520062007中國(guó)1010502004001088歐洲135193.43144706571062日本251363.9602833928920美國(guó)120103.2140154202266.1其他5583.81393387131751.9總計(jì)561744.311951795250040002002-2007年世界太陽(yáng)能電池產(chǎn)量峰值（單位：MW）第四章太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換第1節(jié)

概論第2節(jié)

光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)第3節(jié)

太陽(yáng)能電池的基本特性第4節(jié)

幾種典型的太陽(yáng)能電池第5節(jié)

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)第四章太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換第1節(jié)

概論第2節(jié)

光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)第3節(jié)

太陽(yáng)能電池的基本特性第4節(jié)

幾種典型的太陽(yáng)能電池第5節(jié)

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分類(lèi)同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池肖特基太陽(yáng)電池按材料分類(lèi)硅太陽(yáng)電池敏化納米晶太陽(yáng)電池有機(jī)化合物太陽(yáng)電池塑料太陽(yáng)電池?zé)o機(jī)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池的分類(lèi)太陽(yáng)電池體電池太陽(yáng)電池的分類(lèi)與發(fā)展薄膜電池鍺硅單晶硅多晶硅帶硅硅微晶硅非晶硅化合物薄膜CISCIGSGaAs染料敏化、量子點(diǎn)…CdTe幾種太陽(yáng)電池效率比較多結(jié)電池薄膜電池塊硅電池有機(jī)太陽(yáng)電池晶體硅太陽(yáng)能電池

晶體硅太陽(yáng)能電池是典型的p-n結(jié)型太陽(yáng)電池，它的研究最早、應(yīng)用最廣。

分類(lèi)：?jiǎn)尉Ч桦姵睾投嗑Ч桦姵?。單晶硅太?yáng)電池

原料:高純的單晶硅棒，

純度要求99.999％。

單晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)

室最高效率為25%（澳大利亞新

南威爾士大學(xué)，馬丁?格林教授組）

單晶硅棒的制備：

坩堝拉直法和懸浮區(qū)熔法硅的基本性質(zhì)金屬硅石英砂（SiO2）多晶硅單晶硅晶體硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)電池

目前太陽(yáng)電池使用的多晶硅

材料，多半是含有大量單晶顆粒

的集合體，或用廢棄單晶硅料和

冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成。

多晶硅太陽(yáng)電池的制作工藝

與單晶硅太陽(yáng)電池差不多，其光

電轉(zhuǎn)換效率稍低于單晶硅太陽(yáng)電

池，但是材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電

耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得

到大量發(fā)展。晶體硅太陽(yáng)能電池非晶硅與單晶硅、多晶硅

非晶硅的禁帶寬度為1.6eV，非常接近最優(yōu)值1.5eV。其吸收系數(shù)比單晶硅高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

非晶硅的晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，通過(guò)滲入氫，可以彌補(bǔ)大部分的晶體缺陷，同時(shí)氫又相當(dāng)于硅中的雜質(zhì)。

由于制造工藝簡(jiǎn)單，非晶硅受到了科學(xué)家和制造商的關(guān)注。晶體硅太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)流程

生產(chǎn)過(guò)程大致可分為五個(gè)步驟：a、提純過(guò)程b、拉棒過(guò)程c、切片過(guò)程d、制電池過(guò)程e、封裝過(guò)程。晶體硅太陽(yáng)能電池制造工藝6.2冶金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅6.4單晶硅片制成太陽(yáng)能電池6.3半導(dǎo)體級(jí)多晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ч杵?.1由砂還原為冶金級(jí)硅6.5太陽(yáng)能電池封裝成太陽(yáng)能電池組件6.6能量收支結(jié)算太陽(yáng)能電池材料禁帶寬度1.1eV~1.7eV，以直接帶隙半導(dǎo)體為佳；組成的材料不具有毒性；材料易取得，成本低；有良好的光電轉(zhuǎn)換效率；有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性；硅太陽(yáng)能電池的種類(lèi)單晶硅多晶硅非晶硅6.1由砂還原為冶金級(jí)硅提煉硅的原始材料是SiO2，是砂的主要成分。在電弧爐中加入碳，利用氧化還原反應(yīng)提取硅：所得到的硅為冶金級(jí)硅（MG-Si），純度為98%~99%。將液態(tài)硅倒入鑄模內(nèi)進(jìn)行凝固，用壓碎機(jī)壓成小塊。生產(chǎn)冶金級(jí)多晶硅原料的電弧爐電能加熱石墨電極產(chǎn)生電弧焦炭、煤炭和木屑為還原劑電弧爐外觀液態(tài)硅倒入鑄模鋁和鐵為主要雜質(zhì)冶金級(jí)硅中雜質(zhì)的濃度可在液化硅中加入氧化氣體，與比硅活性強(qiáng)的元素（Al，Ca，Mg等）發(fā)生反應(yīng)，形成爐渣，從而移除雜質(zhì)。只有很少的一部分用于半導(dǎo)體行業(yè)，用于制作太陽(yáng)能電池的更少。生產(chǎn)的冶金級(jí)硅中，大部分被用于鋼鐵與鋁工業(yè)上。6.2冶金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅將冶金級(jí)硅轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性的化合物，采用分餾的方法將它冷凝、提純，然后提取超純硅。

1.利用HCl將冶金級(jí)硅原料轉(zhuǎn)換為液態(tài)的三氯硅烷SiHCl3。

2.SiHCl3為無(wú)色易燃液體，沸點(diǎn)為31.9℃，通過(guò)多重的分餾法可將它與其他鹵化物分離，提高純度。

3.采用西門(mén)子化學(xué)沉積法，將SiHCl3及H2通入1100℃反應(yīng)爐內(nèi)，進(jìn)行200~300小時(shí)：Si被還原，以細(xì)晶粒的多晶硅形式沉積到電加熱的硅棒上。這一過(guò)程中，F(xiàn)e、Al、B等雜質(zhì)也形成了各自的鹵化物。在600℃三氯硅烷的制造與純化130600℃時(shí)，低溫保存，避免日照，防止SiHCl3發(fā)生急速氣化而爆炸。Siemens方法生產(chǎn)多晶硅1100℃反應(yīng)爐：將晶種固定在電極上，加熱電極H2還充當(dāng)了SiHCl3的運(yùn)輸氣體被還原的Si將沉積在晶種上多晶硅原料多晶棒塊狀多晶原料硅多晶棒經(jīng)過(guò)敲打成為塊狀，通過(guò)酸洗、干燥、包裝等程序后，成為CZ硅單晶生長(zhǎng)或鑄造多晶硅使用的塊狀原料。半導(dǎo)體級(jí)硅原料制備流程圖1336.3半導(dǎo)體級(jí)多晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ч杵?/p>

單晶硅片通常都擁有比較好的材料性能，但因?yàn)樾枰_和緩慢的制造過(guò)程，但成本較高，是最為昂貴的硅材料。單晶硅原子的價(jià)帶結(jié)構(gòu)。每個(gè)硅原子的最外層都有四個(gè)電子，與相鄰原子共享電子對(duì)。單晶硅通常被制成大的圓筒形硅錠，然后切割成圓形或半方的太陽(yáng)能電池。還需將邊緣切掉，便于裝入模塊。單晶硅片的制備生長(zhǎng)單晶硅的方法：CZ法（Czochralski）FZ法（FloatZone浮融法）CZ拉晶法：Czochralski于1917年發(fā)明。在石英坩堝中加入半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，熔融。加入微量摻雜劑?？刂茰囟?，籽晶能夠從熔融硅中拉出圓柱形單晶硅。電池理論轉(zhuǎn)換效率24.7%。CZ拉晶設(shè)備137石英坩堝（SiO2）是最為重要的熱場(chǎng)組件。石英坩堝內(nèi)裝有熔融態(tài)的硅熔液，兩者會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生SiO,將影響長(zhǎng)出晶棒的質(zhì)量。降低成本：設(shè)計(jì)熱場(chǎng)，提高長(zhǎng)晶的良率（生產(chǎn)不含任何位錯(cuò)的硅單晶棒的能力）重復(fù)加料，增加出產(chǎn)率CZ拉晶爐設(shè)備的外觀拉晶爐內(nèi)部石英坩堝石英坩堝溶解反應(yīng)：SiO易揮發(fā)，通入Ar2將其帶走CZ拉晶流程a.加料b.熔化c.穩(wěn)定化在石英坩堝中加入多晶硅原料和摻雜物。P型摻雜B，N型摻雜P。長(zhǎng)晶爐關(guān)閉并抽成真空，使其保持一定的壓力值。打開(kāi)石墨加熱器電源，將原料加熱至熔融。將硅溶液的溫度調(diào)節(jié)到適合拉晶的穩(wěn)定狀態(tài)。CZ拉晶流程f.晶冠和晶肩生長(zhǎng)e.晶頸生長(zhǎng)d.晶種浸入一般使用<100>方向的硅晶片，將該方向的晶種浸入硅熔液。降低拉速與溫度，使得晶體直徑漸漸增大到所需大小。將晶種快速向上提升，使長(zhǎng)出的晶體直徑縮小到一定的大小（3~6mm）。CZ拉晶流程g.晶身生長(zhǎng)h.晶尾生長(zhǎng)i.單晶棒直徑固定的部分為晶身。硅晶片取自晶身。將晶棒直徑慢慢縮小，直到成一個(gè)尖點(diǎn)再與液面分開(kāi)。長(zhǎng)完后的晶棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出。修邊與切片在整個(gè)太陽(yáng)能電池級(jí)單晶硅片的制造中，成本構(gòu)成為：多晶硅原料：40%；CZ拉晶：30%；晶圓加工成型：30%，切片最為重要。修邊圓形的單晶硅片浪費(fèi)了許多面積使用方形的硅晶片可以有效的吸收太陽(yáng)能修邊切片在切割中，對(duì)鋼線施加適當(dāng)?shù)膹埩?，使鋼線來(lái)回拉動(dòng)。使用線切割機(jī)進(jìn)行切片鋼線帶動(dòng)漿料（油及SiC），使其對(duì)晶棒進(jìn)行切割。漿料不僅是研磨劑，還帶走研磨中的熱量。占整個(gè)切片成本的25%~35%。太陽(yáng)能電池厚度為200~280μm。鋼線直徑180μm，碳化硅為5~30μm。蝕刻清洗在切割中，硅片表面會(huì)有一層因機(jī)械應(yīng)力所造成的結(jié)構(gòu)損失層，影響了太陽(yáng)能電池效率，所以需去掉。通常用化學(xué)蝕刻的方法，加入HF和HNO3調(diào)配的混酸，去除10μm~20μm厚的表層。單晶硅太陽(yáng)電池的制造與結(jié)構(gòu)

制備多晶硅的技術(shù)相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，成本也因此比單晶硅更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能不如單晶硅材料。多晶硅的制備1.在石英坩堝中放入純硅；2.加熱坩堝，直至硅熔融；3.打開(kāi)底部散熱開(kāi)關(guān)，硅從坩堝底部往上緩慢固化，從而得到多晶硅錠。鑄造多晶硅一般采用定向凝固的方式?？梢蚤L(zhǎng)出寬度約數(shù)毫米到數(shù)厘米的柱狀排列晶粒。熱交換法布里基曼法Si3N4防止多晶硅與坩堝粘結(jié)在一起。凝固速度1cm/h，完成一次鑄造需要2～3天。將坩堝緩慢移出加熱器，硅從坩堝底部往上緩慢固化，從而得到多晶硅錠。晶界降低了電池的性能多晶硅的晶界1.晶界將額外的能級(jí)缺陷引入到了禁帶中，導(dǎo)致了局部高復(fù)合，減少了少數(shù)載流子壽命。2.晶界還阻礙了載流子的流動(dòng)，為穿過(guò)pn結(jié)的電流提供分流路徑，這也降低太陽(yáng)能電池的性能。方形切片切片151多晶硅太陽(yáng)電池的制造方法與結(jié)構(gòu)6.4單晶硅片制成太陽(yáng)能電池（2）金屬電極的制作（1）

N型雜質(zhì)的摻入(1)N型雜質(zhì)的摻入154

在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池工藝中，通常將硼（B）加入到熔料中，生產(chǎn)出p型硅片。

為制造pn結(jié)，需在P型硅片表面制備一層薄的、重?fù)诫s的n型區(qū)。將硅片置入石英爐管磷擴(kuò)散制作工藝—石英爐管1.P型半導(dǎo)體為基板，三氯氧磷（POCl3）通過(guò)載氣進(jìn)入被加熱的爐管；2.在高溫?cái)U(kuò)散作用下（800~900℃），硅片表面形成含磷的氧化層，磷原子進(jìn)入硅晶格內(nèi)，；3.硅片表面區(qū)域，磷雜質(zhì)濃度超過(guò)硼雜質(zhì)；4.硅片表面區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生一層SiO2，需用氫氟酸HF來(lái)去除。邊緣絕緣處理NPN需把邊緣的N型摻雜區(qū)移除，不然將出現(xiàn)正面與背面電極的導(dǎo)通。采用低溫干蝕刻方法：將晶片堆棧在一起；放入反應(yīng)爐；用CF4和O2的等離子進(jìn)行干蝕刻；（2）金屬電極的制作金屬電極位于太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的表面，通過(guò)它，可以取出帶電的光生載流子，進(jìn)而在半導(dǎo)體與外電路之間產(chǎn)生流通。太陽(yáng)能電池正面與背面，會(huì)有兩條平行的金屬電極(BusBar)，提供了與外界線路的接焊。寬度在500μm左右。

正面的金屬電極向側(cè)面伸展出一系列的細(xì)金屬線，稱(chēng)為格子線。用于收集載流子。為了防止遮光，寬度在50μm以下。金屬電極材料通常以鋁或者銀合金為主。正面電極的網(wǎng)印太陽(yáng)能電池對(duì)正面金屬電極的要求：與硅接觸時(shí)電阻低金屬線寬小：與硅之間的黏著力強(qiáng)可焊性高；可以大量生產(chǎn)、制造成本低等。網(wǎng)印技術(shù)是目前最為普遍的正面電極制造技術(shù)。正面電極的網(wǎng)印涂覆了感光膠的絲印網(wǎng)板正面電極的網(wǎng)印金屬膏：有機(jī)溶劑，使金屬膏呈現(xiàn)流體狀態(tài)，有利于印刷的進(jìn)行；有機(jī)結(jié)合劑，用于固定金屬粉末；導(dǎo)電金屬材料，一般是銀的粉末，顆粒大小約為數(shù)十微米，質(zhì)量約占整個(gè)金屬膏的60～80%；玻璃粉，由低熔點(diǎn)、高活性氧化物粉末組成?？蓪?duì)硅表面進(jìn)行蝕刻反應(yīng)，幫助硅表面與銀粉接合。正面電極的網(wǎng)印將金屬膏添加到印刷板上面，用滾輪對(duì)金屬膏施壓，從一端滑倒另一端，金屬膏就會(huì)依據(jù)印刷板上的圖案印制到晶片上。將晶片置于100～200℃的環(huán)境下，進(jìn)行干燥處理，去除有機(jī)揮發(fā)物。背面電極的網(wǎng)印背面金屬電極也采用網(wǎng)印技術(shù)制造。與正面制造情況不同點(diǎn)在于，金屬膏成分同時(shí)含有Ag粉和Al粉。這是由于：銀粉本身無(wú)法與P型硅形成歐姆接觸；鋁粉可形成歐姆接觸，但焊接性差。由于一整層連續(xù)背面電極銀和晶片具有不同的熱膨脹系數(shù)，使得晶片在高溫處理時(shí)將發(fā)生撓曲變形，所以背面電極結(jié)構(gòu)也為網(wǎng)狀。歐姆接觸：相對(duì)于半導(dǎo)體器件總電阻而言，可以忽略的金屬-半導(dǎo)體接觸電阻?；鹂緦⒕糜诟邷貭t內(nèi)進(jìn)行火烤，燒掉金屬膏里的有機(jī)化合物，并將金屬顆粒燒結(jié)在一起。需控制好溫度，令電極與N區(qū)接觸。165太陽(yáng)能電池的絲網(wǎng)印刷流程6.5太陽(yáng)能電池封裝成太陽(yáng)能電池組件1666.5.2電池的工作溫度6.5.3組件的耐久性6.5.1組件結(jié)構(gòu)6.5.4組件電路設(shè)計(jì)6.5.1組件結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池可用20年以上，其模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的因素：可承受機(jī)械負(fù)載；避免環(huán)境污染；電絕緣；紫外穩(wěn)定性（過(guò)濾紫外光）；在高低極限溫度及熱沖擊下，不因應(yīng)力而破裂；自凈能力；維持電池低溫以將功率損失最小化的能力；成本低廉，等。組件結(jié)構(gòu)強(qiáng)化玻璃：有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和透光性（阻止紫外）。EVA高分子塑料（乙烯乙烯醋酸酯共聚物），作為保護(hù)層。（紫外光加速EVA老化，變黃，龜裂）背面層：復(fù)合塑料，防水汽和腐蝕。組件結(jié)構(gòu)當(dāng)晶片焊上互聯(lián)條，再與EVA及鐵質(zhì)強(qiáng)化玻璃堆棧好后，放入層壓機(jī)做真空封裝?；ヂ?lián)條

通常，電池之間的連接線是成圓形的，以盡量減小周期應(yīng)力（收縮與膨脹）。互聯(lián)條一般為雙層以防止被這種應(yīng)力破壞。溫度上升時(shí)，電池與電池的間隙將擴(kuò)大。所以用互聯(lián)條來(lái)調(diào)節(jié)電池之間的膨脹。6.5.2電池的工作溫度電池性能因溫度升高而變差。171安裝在露天框架上的組件，在充足的陽(yáng)光照射下（100mW/cm2）,大多數(shù)的電池溫度大約高于環(huán)境溫度30℃。T電池(℃)=T環(huán)境(℃)+0.3×陽(yáng)光強(qiáng)度(mW/cm2)對(duì)于典型工作條件下，每種組件將有一個(gè)特定的溫度，即電池額定工作溫度（NOCT）。在非標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，電池溫度的近似表達(dá)式可寫(xiě)為：6.5.3組件的耐久性造成組件損失的類(lèi)型：（1）電池由于熱波動(dòng)，或更直接地由于冰雹引起的過(guò)度機(jī)械應(yīng)力所造成的損失；（2）金屬化區(qū)域（電極）受腐蝕；（3）封裝中層與層之間的剝離；（4）密封材料變色；（5）灰塵堆積在組件的上表面；（6）由于應(yīng)力未能充分釋放，引起互聯(lián)條的損壞。新組件設(shè)計(jì)的加速老化試驗(yàn)173（1）熱循環(huán)；（2）高濕度；（3）長(zhǎng)時(shí)間紫外線照射；（4）周期性的壓力負(fù)載。組件損壞鑒定試驗(yàn)（1）沖擊試驗(yàn)；（2）耐磨損試驗(yàn)；（3）自凈特性；（4）柔韌性；（5）電絕緣性能。6.5.4組件電路設(shè)計(jì)串聯(lián)電池組的開(kāi)路電壓VOC是每個(gè)電池開(kāi)路電壓的和太陽(yáng)電池并聯(lián)并聯(lián)電池組的短路電流ISC是每個(gè)電池短路電流的和。串聯(lián)、并聯(lián)N個(gè)電池串聯(lián)、M個(gè)電池并聯(lián)的電路I-V曲線。一塊硅光伏電池板是通常是由多塊太陽(yáng)能電池互相串聯(lián)而成。

光伏組件的輸出電壓通常被設(shè)計(jì)成12V。在25℃和AM1.5條件下，單個(gè)硅太陽(yáng)能電池的輸出電壓只有0.6V。

考慮到一些電壓損失，大多數(shù)光伏組件由36塊電池片組成。

單晶硅電池的面積通常為100cm2，總的輸出電流大約為3.5A。組件電路設(shè)計(jì)失配損失失配是互聯(lián)的電池沒(méi)有相同的性能或者在不同的條件下工作(如樹(shù)蔭遮擋)造成的。失配是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)檎麄€(gè)光伏組件的輸出是決定于表現(xiàn)最差的電池的輸出。這會(huì)導(dǎo)致局部電能的嚴(yán)重?fù)p失，而由此產(chǎn)生的局部加熱也可能引起組件無(wú)法挽回的損失。主要失配方式串聯(lián)電池開(kāi)路電壓Voc失配串聯(lián)電池短路電流Isc失配并聯(lián)電池短路電流Isc失配并聯(lián)電池開(kāi)路電壓Voc失配1.串聯(lián)電池的開(kāi)路電壓失配

對(duì)于串聯(lián)電池，開(kāi)路電壓Voc失配是一種不太嚴(yán)重的失配類(lèi)型。

由于:Vmp2<Vmp1，Imp2=Imp1

且有:

Pmp-Total=Pmp2+Pmp1。

所以Vmp2×

Imp2<Vmp1×Imp1。2.串聯(lián)電路的短路電流失配

對(duì)于串聯(lián)電池，短路電流失配Isc對(duì)光伏組件有重大影響。

當(dāng)電路電流I大于Isc2時(shí)，電池2的電壓為負(fù)，將消耗電池1產(chǎn)生的功率。

所以：好電池1輸出的電流決定于差電池2的輸出電流大小，好電池1輸出的額外電流被電池2以熱能形式消耗。短路電流失配短路電流估算將兩個(gè)電池短路，則總電壓為：V1+V2=0發(fā)現(xiàn)此時(shí)電池2工作在反向偏置情況。反向偏置是由電池1導(dǎo)致的，那么電池2消耗了電池1產(chǎn)生的功率，表現(xiàn)為電池2溫度上升。滿足V1+V2=0Isc≠I(mǎi)sc2遮蔽對(duì)Isc、Voc的影響遮蔽對(duì)Isc、Voc的影響遮蔽對(duì)Isc、Voc的影響熱斑現(xiàn)象

好電池產(chǎn)生的額外電流將變成好電池的前置偏壓。如果串聯(lián)電池被短路，則所有好電池的前置偏壓都將變成問(wèn)題電池的反向電壓。當(dāng)數(shù)量很多的串聯(lián)電池一起把前置偏壓變成問(wèn)題電池的反向電壓時(shí)，在問(wèn)題電池處將會(huì)有大的能量耗散，這就是熱斑加熱現(xiàn)象。解決失配的方法1.串并聯(lián)法在組件中串聯(lián)旁路二極管。當(dāng)串聯(lián)模塊處在反方向偏置時(shí)，旁路二極管則成為正向偏置，這就限制了此模塊中的功率消耗，并為組件或分支電路的電流提供低阻通道。2.應(yīng)用旁路二極管通過(guò)增加每個(gè)組件或分路的串聯(lián)模塊及并聯(lián)電池串的數(shù)目，可提高組件對(duì)電池失配、電池破裂以及部分陰影的容忍度。串聯(lián)旁路二極管（by-passdiodes）無(wú)失配失配電流可以從旁路二極管流過(guò)。旁路二極管作用旁路二極管降低了壞電池消耗的功率。加了旁路二極管后，壞電池輸出的I-V曲線太陽(yáng)電池組件的旁路二極管通常15個(gè)電池共用一個(gè)旁路二極管，對(duì)于由36塊電池片組成的太陽(yáng)電池組件需要兩個(gè)旁路二極管。2.并聯(lián)電池的短路電流失配

對(duì)于并聯(lián)電池，短路電流Isc失配是一種不太嚴(yán)重的失配類(lèi)型。并聯(lián)電路的開(kāi)路電壓失配將兩個(gè)電池開(kāi)路，則總電流為：I1+I2=0，可以得到開(kāi)路電壓串聯(lián)電池Isc失配和并聯(lián)電池Voc失配需外加旁路二極管和阻塞二極管。6.6能量收支結(jié)算冶金級(jí)硅24kWh(e)/kg半導(dǎo)體級(jí)硅621kWh(e)/kg單晶硅片1700kWh(e)/m2

（0.4m2/kg）加工與封裝250kWh(e)/m2總消耗2170kWh(e)/m2（成品率90%）償還：由于電池生產(chǎn)工藝的提高，償還時(shí)間降為1年。制備能耗：日照5小時(shí)，效率12%，每年生產(chǎn)能量總計(jì)219kWh(e)/m2，需10年償還。總結(jié)太陽(yáng)能電池級(jí)單晶硅的制備：CZ法多晶硅的制備：定向凝固（熱交換法等）太陽(yáng)能電池制備：N型雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜，網(wǎng)印技術(shù)太陽(yáng)能電池的封裝太陽(yáng)能電池組件電路設(shè)計(jì)：串聯(lián)電路短路電流的失配并聯(lián)電路開(kāi)路電壓的失配并聯(lián)旁路二極管串聯(lián)阻塞二極管薄膜太陽(yáng)能電池

薄膜太陽(yáng)能電池的厚度一般只有1～10μm，制備在玻璃等相對(duì)廉價(jià)的襯底支撐材料上，可以實(shí)現(xiàn)低成本、大面積的工業(yè)化生產(chǎn)。

砷化鎵薄膜太陽(yáng)電池非晶硅薄膜太陽(yáng)電池多晶硅薄膜太陽(yáng)電池銅銦硒薄膜太陽(yáng)電池碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池根據(jù)薄膜材料的不同薄膜太陽(yáng)能電池砷化鎵薄膜太陽(yáng)能電池

GaAs，禁帶寬度是1.43eV，是理想的太陽(yáng)能電池材料。GaAs的優(yōu)勢(shì)：（1）高的能量轉(zhuǎn)換效率：處于最佳的能隙為1.4～1.5eV之間；（2）吸收系數(shù)大：吸收95%的太陽(yáng)光厚度僅為5～10um；（3）耐高溫性；200度下效率仍有10%；（4）抗輻射性能好：直接帶隙，少數(shù)載流子壽命短，抗輻射性能好，更適合空間能源領(lǐng)域；（5）開(kāi)路電壓大，短路電流小，不易受串聯(lián)電阻影響。GaAs的缺點(diǎn)：資源稀缺，Ga價(jià)格昂貴，約Si材料的10倍；污染環(huán)境，砷化物有毒物質(zhì)，對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染；機(jī)械強(qiáng)度較弱，易碎；密度大（5.318g/cm3），質(zhì)量大。薄膜太陽(yáng)能電池砷化鎵薄膜太陽(yáng)能電池的應(yīng)用

薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池

非晶硅薄膜太陽(yáng)電池是1976年出現(xiàn)的新型薄膜式太陽(yáng)電池，硅材料消耗很少，電耗更低，非常吸引人。

電池結(jié)構(gòu):p-i-n結(jié)構(gòu)，它是在襯底上先沉積一層摻磷的n型非晶硅，再沉積一層未摻雜的i層，然后再沉積一層摻硼的p型非晶硅。

該電池的有效禁帶寬度大約是1.1eV。單個(gè)電池的最大效率約為8%，串聯(lián)電池組的最大效率大約為3%～6%。特殊的的太陽(yáng)能電池聚光的太陽(yáng)能電池

問(wèn)題1：對(duì)于典型的硅太陽(yáng)能電池，在正常太陽(yáng)輻射條件下，對(duì)應(yīng)的功率損失大約為4%。如果輻射增強(qiáng)100倍，功率損失將達(dá)到90%。

措施1：聚光的太陽(yáng)能電池必須經(jīng)過(guò)特殊的摻雜，采用特殊的金屬電極，以減少由于表面電阻造成的損失。

問(wèn)題2：太陽(yáng)能電池的效率隨溫度升高而下降。

措施2：利用循環(huán)水來(lái)冷卻收集器。溫度升高，短路電流增加，開(kāi)路電壓減小，總轉(zhuǎn)換效率變小。第四章太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換第1節(jié)

概論第2節(jié)

光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)第3節(jié)

太陽(yáng)能電池的基本特性第4節(jié)

幾種典型的太陽(yáng)能電池第5節(jié)

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖本節(jié)內(nèi)容：◆太陽(yáng)能電池的連接◆太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的構(gòu)成◆太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的應(yīng)用太陽(yáng)能電池的連接太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的基本單位，單個(gè)太陽(yáng)能電池的功率一般只有1～2W，通常是無(wú)法滿足需求的。故可把太陽(yáng)能電池連接起來(lái)形成太陽(yáng)能電池組件，再進(jìn)一步把組件連接起來(lái)形成電池陣列。

太陽(yáng)能電池、組件和陣列圖太陽(yáng)能電池的連接

太陽(yáng)能電池陣列的連接方式：先串后并、先并后串。

太陽(yáng)能電池陣列的連接方式（a）先串后并（b）先并后串串聯(lián)并聯(lián)串、并聯(lián)電池組合的伏安特性曲線太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的構(gòu)成太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)圖工作原理：

白天，在光照條件下，太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)組件的串并聯(lián)形成太陽(yáng)能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過(guò)充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能貯存起來(lái)。當(dāng)需要供電時(shí)，蓄電池組

為逆變器提供輸入電，通過(guò)逆變

器的作用，將直流電轉(zhuǎn)換成交流

電，輸送到配電柜，由配電柜的

切換作用進(jìn)行供電。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的構(gòu)成①太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中的核心部分，太陽(yáng)能電池板的作用是將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)化為電能后，輸出直流電存入蓄電池中。②蓄電池

蓄電池作為光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中起著非常重要的作用。首先，由于太陽(yáng)光是不穩(wěn)定的，在光照過(guò)剩的情況下，存儲(chǔ)負(fù)載供電多余的電能，在光照欠佳時(shí)，蓄電池可以作為負(fù)載的供電電源;其次，蓄電池具有濾波作用，能使發(fā)電系統(tǒng)更加平穩(wěn)的輸出電能給負(fù)載。①②太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的構(gòu)成③控制器

控制光伏陣列對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，并控制蓄電池組對(duì)負(fù)載的放電，實(shí)現(xiàn)蓄電池組的過(guò)充和過(guò)放保護(hù)，對(duì)蓄電池進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并監(jiān)控蓄電池組的電壓和啟動(dòng)相關(guān)輔助控制。④逆變器

逆變器是光伏系統(tǒng)的電能變換設(shè)備，是將直流電變換為交流電的設(shè)備。其工作原理是利用半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)直流電變換為交流電的一種電力電子設(shè)備。③④太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的應(yīng)用農(nóng)村電氣化

太陽(yáng)能電池在農(nóng)村電氣化方面的主要用途有：①戶用電源系統(tǒng)；②村用電源系統(tǒng)；③光伏水泵；④通信光伏電源。戶用光伏電源系統(tǒng)圖村用光伏電源系統(tǒng)圖太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的應(yīng)用農(nóng)村電氣化

農(nóng)村用的光伏水泵農(nóng)村用的光伏通信基站太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的應(yīng)用農(nóng)村電氣化

我國(guó)爭(zhēng)取在2010年以前，全部解決西部50戶以上的無(wú)電村和15%的散居無(wú)電戶的用電問(wèn)題；2006-2010年間，爭(zhēng)取解決10000個(gè)無(wú)電村和100萬(wàn)無(wú)電戶的用電問(wèn)題。2006-2010年用于農(nóng)村離網(wǎng)光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目20032004200520062007200820092010年裝機(jī)峰值/MW2515305070100安裝成本峰值/(萬(wàn)元/kW)76.56.15.65.2新增投資峰值/億元10.519.530.539.252累計(jì)裝機(jī)峰值/MW2830355080130200300年發(fā)電量/(GW·h)30.83338.55588143220330太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的應(yīng)用離網(wǎng)供電

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)用于離網(wǎng)供電的主要驅(qū)動(dòng)力是解決無(wú)電網(wǎng)用戶的供電問(wèn)題。對(duì)某些特殊的用戶，專(zhuān)門(mén)架設(shè)電網(wǎng)的相對(duì)成本很高，因而可以用光伏系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行供電。太陽(yáng)能路燈太陽(yáng)能廣告牌太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的應(yīng)用離網(wǎng)供電太陽(yáng)能照明太陽(yáng)能交通信號(hào)燈太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的應(yīng)用太陽(yáng)能離網(wǎng)供電的其他應(yīng)用

光伏航標(biāo)燈太陽(yáng)能計(jì)算器太陽(yáng)能手表太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的應(yīng)用太陽(yáng)能離網(wǎng)供電的其他應(yīng)用太陽(yáng)能汽車(chē)太陽(yáng)能光伏的空間應(yīng)用太陽(yáng)能飛機(jī)太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的應(yīng)用并網(wǎng)供電

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就是太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電這后直接接入公共電網(wǎng)。

在靠近電網(wǎng)的地區(qū)，建設(shè)大型的太陽(yáng)能光伏電站，為電網(wǎng)輸送電力的主要驅(qū)動(dòng)力有三個(gè)：①可以滿足高峰電負(fù)荷需求；②環(huán)境保護(hù)；③很多國(guó)家政府出臺(tái)了各種優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展。太陽(yáng)能并網(wǎng)系統(tǒng)太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的應(yīng)用并網(wǎng)供電

我國(guó)規(guī)劃在2010年以前建立2～3座10～20MW規(guī)模的開(kāi)闊地先導(dǎo)太陽(yáng)能光伏示范電站，總裝機(jī)容量達(dá)到30MW；2010-2020年正式啟動(dòng)中國(guó)開(kāi)闊地光伏電站計(jì)劃，爭(zhēng)取2010-2020年新增光伏電站裝機(jī)容量11970MW，到2020年年底累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到12GW。2005-2010年中國(guó)開(kāi)闊地光伏發(fā)電的發(fā)展情況項(xiàng)目200520062007200820092010年裝機(jī)容量峰值/MW2445510安裝成本峰值/(萬(wàn)元/kW)54.74.34.03.7新增投資/億元20.01.882.152.03.7累計(jì)裝機(jī)容量峰值/MW2610152030年發(fā)電量/(GW·h)2.67.813.019.526.039.0第二章電極過(guò)程導(dǎo)論及綜述第三章電勢(shì)和電池?zé)崃W(xué)第四章電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第五章遷移和擴(kuò)散引起的物質(zhì)傳遞第六章基本的電勢(shì)階躍法第七章電勢(shì)掃描法第八章光電化學(xué)第九章燃料電池第十章鋰電池第十一章金屬空氣電池第十二章超級(jí)電容器第十三章光催化任課教師：李明濤、沈少華2015.03.04光電及光化學(xué)轉(zhuǎn)化原理與應(yīng)用電化學(xué)西安交通大學(xué)-新能源科學(xué)與工程第〇章緒論教材及主要參考書(shū)沈輝等主編，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，2005.08，ISBN7-5025-7535-9；波利斯科夫著，張?zhí)旄咦g，光電化學(xué)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換，科學(xué)出版社，1994.04；阿倫.J.巴德，拉里.R.?？思{著，電化學(xué)方法原理和應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，2005.05，ISBN7-5025-6704-6；相關(guān)科技文獻(xiàn)。課時(shí)安排周次日期內(nèi)容103.04概論，光伏103.06光伏2203.11光伏303.13光電化學(xué)1303.18光電化學(xué)203.20光電化學(xué)3403.25光電化學(xué)403.27光電化學(xué)5504.01電化學(xué)方法104.03電化學(xué)方法2604.08電化學(xué)方法304.10電化學(xué)方法4周次日期內(nèi)容704.15染料敏化電池等04.17燃料電池等804.22光催化104.24光催化2904.29光催化305.01光催化41005.06光催化505.08光催化61105.13實(shí)驗(yàn)105.15實(shí)驗(yàn)21205.20實(shí)驗(yàn)3考核辦法平時(shí)成績(jī)20%

其中考勤5%作業(yè)15%，

作業(yè)與考勤合格是考試的前提條件。期末考試80%李明濤電話郵：mingtao@辦公室：北二樓15樓81517旁聯(lián)系方式接受預(yù)約答疑任課教師：李明濤、沈少華2015.03.04光電及光化學(xué)轉(zhuǎn)化原理與應(yīng)用電化學(xué)西安交通大學(xué)-新能源科學(xué)與工程第〇章緒論為什么要講這門(mén)課？講些什么內(nèi)容？熱能轉(zhuǎn)化利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化利用光能轉(zhuǎn)化利用生物質(zhì)能、化學(xué)能轉(zhuǎn)化利用光是一種電磁波電子能級(jí)躍遷原子核能級(jí)躍遷我國(guó)液體燃料短缺，燃煤造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。太陽(yáng)能清潔無(wú)污染可再生，我國(guó)大部分地區(qū)太陽(yáng)能較為豐富。太陽(yáng)能電池原理、影響因素、工藝、系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)、現(xiàn)狀水電解與光電化學(xué)分解水制氫原理、關(guān)鍵問(wèn)題、提高效率的途徑光電化學(xué)與新型太陽(yáng)能電池染料敏化太陽(yáng)電池量子點(diǎn)太陽(yáng)電池電化學(xué)方法原理與應(yīng)用光電化學(xué)與懸浮顆粒體系光催化分解水制氫光催化污染物降解教材及主要參考書(shū)沈輝等主編，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，2005.08，ISBN7-5025-7535-9；波利斯科夫著，張?zhí)旄咦g，光電化學(xué)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換，科學(xué)出版社，1994.04；阿倫.J.巴德，拉里.R.?？思{著，電化學(xué)方法原理和應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，2005.05，ISBN7-5025-6704-6；相關(guān)科技文獻(xiàn)。課時(shí)安排周次日期內(nèi)容103.04概論，光伏103.06光伏2203.11光伏303.13光電化學(xué)1303.18光電化學(xué)203.20光電化學(xué)3403.25光電化學(xué)403.27光電化學(xué)5504.01電化學(xué)方法104.03電化學(xué)方法2604.08電化學(xué)方法304.10電化學(xué)方法4周次日期內(nèi)容704.15染料敏化電池等04.17燃料電池等804.22光催化104.24光催化2904.29光催化305.01光催化41005.06光催化505.08光催化61105.13實(shí)驗(yàn)105.15實(shí)驗(yàn)21205.20實(shí)驗(yàn)3考核辦法平時(shí)成績(jī)20%

其中考勤5%作業(yè)15%，

作業(yè)與考勤合格是考試的前提條件。期末考試80%李明濤電話郵：mingtao@辦公室：北二樓15樓81517旁聯(lián)系方式接受預(yù)約答疑第一章光伏太陽(yáng)能電池的利用情況日本、歐洲、美國(guó)一直是發(fā)展和利用太陽(yáng)能電池的主要國(guó)家和地區(qū)。世界太陽(yáng)能電池歷年產(chǎn)量峰值（單位：MW）太陽(yáng)能電池的利用情況新千年開(kāi)始，世界其他國(guó)家和地區(qū)的太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度明顯加快了。年份區(qū)域200220032004200520062007中國(guó)1010502004001088歐洲135193.43144706571062日本251363.9602833928920美國(guó)120103.2140154202266.1其他5583.81393387131751.9總計(jì)561744.311951795250040002002-2007年世界太陽(yáng)能電池產(chǎn)量峰值（單位：MW）什么是太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換？

太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換是直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的主要部件是太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池也稱(chēng)光伏電池，它沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，在能量轉(zhuǎn)換中具有重要的地位，被認(rèn)為是“最優(yōu)雅的能量轉(zhuǎn)換器”。世界太陽(yáng)電池發(fā)展簡(jiǎn)史1839年法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”。1883年CharlesFritts在鍺半導(dǎo)體上覆上金層形成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，成功制備第一塊太陽(yáng)電池，效率只有1%。1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成實(shí)用型硅太陽(yáng)電池，效率6%，為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；同年，首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，制成了第一塊薄膜太陽(yáng)電池。1958年太陽(yáng)電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國(guó)先鋒1號(hào)衛(wèi)星電源。1958年我國(guó)開(kāi)始太陽(yáng)電池研制，1971年首次發(fā)射用太陽(yáng)電池作為電池的人造衛(wèi)星。1959年第一個(gè)多晶硅太陽(yáng)電池問(wèn)世，效率達(dá)5%。1978年美國(guó)建成100kWp太陽(yáng)地面光伏電站。光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的基本過(guò)程。太陽(yáng)光是由光子組成的，光子的能量和太陽(yáng)光譜的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。光照射到太陽(yáng)能電池板上，可以被反射、吸收或者透射，其中被吸收的光子就可以產(chǎn)生電能。◆半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性◆半導(dǎo)體禁帶寬度和光學(xué)特性◆半導(dǎo)體的摻雜特性◆p-n結(jié)◆太陽(yáng)能電池的工作原理光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)（金屬的光電效應(yīng)）在光的照射下，從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象對(duì)于不同物體，存在不同的極限頻率，當(dāng)光子的頻率大于這個(gè)極限頻率時(shí)才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。光強(qiáng)越強(qiáng)，產(chǎn)生的電子越多光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入射光的頻率的增大而增大應(yīng)用：光電倍增管光電效應(yīng)方程

W逸出功，對(duì)應(yīng)極限頻率初動(dòng)能hv光電子數(shù)的最大初動(dòng)能隨入射光的頻率增大而線性增大，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)單位時(shí)間從金屬表面逸出的光電子數(shù)目與入射光強(qiáng)IS成正比。當(dāng)光照射到某一給定的金屬時(shí)，無(wú)論光的強(qiáng)度如何，小于極限頻率的入射光都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。光子能量光電效應(yīng)的應(yīng)用光電倍增管固體的光吸收的基本過(guò)程固體中的光吸收過(guò)程以半導(dǎo)體為代表，吸收區(qū)主要可以劃分為六個(gè)區(qū)?；?/p>