太陽能和光電轉換介紹課件

太陽電池材料

第一章太陽能和光電轉換主要內(nèi)容:太陽和太陽能的基本性質(zhì)；太陽光的反射、散射和吸收，太陽能的輻射、吸收及大氣質(zhì)量等概念；太陽能應用的分類、歷史和進展；太陽能光電池和材料的研究及開發(fā)。課堂討論：

為什么我們要開發(fā)利用太陽能材料？1.1太陽能太陽核聚變反應質(zhì)量虧損太陽能4個氫原子核聚變成1個氦核取之不盡用之不竭1.2太陽能的輻射和吸收能量的來源：太陽的輻射臭氧層對紫外線的吸收最為強烈；水蒸氣對能量的吸收最大，約20%被大氣層吸收的太陽能是由于水蒸氣的作用；灰塵及懸浮物既能吸收也能反射太陽光。1.2太陽能的輻射和吸收太陽輻射強度影響因素高度角日地距離日照時間海拔高度我國太陽能資源分布Ⅰ資源豐富帶

6700MJ(m2.a)*

Ⅱ資源較富帶

5400-6700MJ/(m2.a)

Ⅲ資源一般帶

4200-5400MJ/(m2.a)

Ⅳ資源貧乏帶

<4200MJ/(m2.a)

*MJ/(m2.a)-兆焦/(平方米.年)就全球而言，以非洲、澳大利亞、中東、中國西藏和美國西南部的太陽能資源最為豐富。就我國而言，太陽能資源十分豐富。其中青藏高原最好。四川盆地相對較差。我國太陽能資源分布這種距離變化所引起的到達地球大氣上界的太陽能的變化量最多也只有±6.7％。日地距離此外，太陽本身的活動也會引起太陽輻射能的波動。但是，多年來在世界各地的觀測結果表明，太陽活動峰值年比太陽活動寧靜年的輻射量只不過增大2.5％左右。因此，在一般情況下，可以認為太陽輻射量是比較穩(wěn)定的，從而提出了“太陽常數(shù)”這一概念。其值為1.338kW·m～1.418kW/m2，在太陽電池的計算中通常取1.353kW/m2

。太陽常數(shù)：太陽光在其到達地球的平均距離處的自由空間中的輻射強度。大氣質(zhì)量（airmass）：大氣對地球表面接收太陽光的影響程度。在太陽光入射角與地面成夾角θ時，大氣質(zhì)量為

AM=1/cosθ

實際量化了太陽輻射穿過大氣層時被空氣和塵埃吸收后的衰減程度。當θ=48.2度時，大氣質(zhì)量為AM1.5，是指典型晴天時太陽光照射到一般地面的情況，其輻射總量為1kW/m2，常用于太陽電池和組件效率測試時的標準。

人類利用太陽能已有3000多年的歷史。太陽能利用歷史傳說阿基米德曾經(jīng)利用聚光鏡反射陽光，燒毀了來犯的敵艦。第一階段（1900-1920）起步第二階段（1920-1945）低潮第三階段（1945-1965）發(fā)展第四階段（1965-1973）停滯不前第五階段（1973-1980）大發(fā)展第六階段（1980-1992）再次停滯第七階段（1992-至今）走出低谷

20世紀的100年間，太陽能科技發(fā)展歷史大體可分為七個階段，下面分別予以介紹。在這樣背景下，1992年聯(lián)合國在巴西召開“世界環(huán)境與發(fā)展大會”，會議通過了《里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言》，《21世紀議程》和《聯(lián)合國氣候變化框架公約》等一系列重要文件，把環(huán)境與發(fā)展納入統(tǒng)一的框架，確立了可持續(xù)發(fā)展的模式。第七階段（1992-至今）

由于大量燃燒礦物能源，造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對人類的生存和發(fā)展構成威脅。

太陽能利用與世界可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護緊密結合，全球共同行動，為實現(xiàn)世界太陽能發(fā)展戰(zhàn)略而努力；

太陽能發(fā)展目標明確，重點突出，措施得力，保證太陽能事業(yè)的長期發(fā)展；

這次會議之后，世界各國加強了清潔能源技術的開發(fā)，將利用太陽能與環(huán)境保護結合在一起，使太陽能利用工作走出低谷，逐漸得到加強。1992年以后，世界太陽能利用又進入一個發(fā)展期，其特點是：

在加大太陽能研究開發(fā)力度的同時，注意科技成果轉化為生產(chǎn)力，發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)，加速商業(yè)化進程，擴大太陽能利用領域和規(guī)模，經(jīng)濟效益逐漸提高；國際太陽能領域的合作空前活躍，規(guī)模擴大，效果明顯。未來世界能源結構變化與預測1.3太陽能光電的研究和應用歷史1.3.1太陽能利弊分析優(yōu)點(1)普遍(2)無害(3)巨大(4)長久缺點(1)分散性(2)不穩(wěn)定性(3)效率低和成本高

光化學轉換：在太陽光的照射下，物質(zhì)發(fā)生化學，生物反應，從而將太陽能轉化成電能等形式的能量。太陽能光熱轉換：通過反射，吸收等方式收集太陽輻射能，使之轉化成熱能。太陽能光電轉換：利用光電轉換器件將太陽能轉化成電能。最常見的是太陽電池，又稱太陽能電池。1.3.2太陽能的利用（1）光-熱轉換太陽灶:用金屬或其他材料制成類似鏡面的裝置，將陽光反射到某一焦點，溫度高達900度，可滿足蒸、燉、燜、煮、煎、炒、炸等各種炊事活動，綠色環(huán)保無污染。太陽能干燥器：利用太陽能干燥農(nóng)副產(chǎn)品的一種裝置。太陽能熱水器太陽灶淘寶報價：太陽能熱水器太陽能熱水器包括：真空集熱管和不銹鋼保溫水箱、支架及相關附件太陽能熱水器原理太陽能熱水器把太陽能轉換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管。集熱管受陽光照射面

溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達到所需熱水。生活里常見的光-化學能轉化FuelsCOSugarHOO222Photosynthesis光照、葉綠素光合作用合成的糖類首先是葡萄糖，但葡萄糖很快就變成了淀粉，暫時儲存在葉綠體中。能量以化學物質(zhì)的形式存在（2）光-化學轉換光-化學轉換主要包括：太陽能化學與生物轉化制氫，太陽能光催化還原二氧化碳制燃料太陽能化學轉化儲能

1.太陽能化學與生物轉化制氫例如：利用太陽能光催化重整H2S制氫和直接分解H2S制氫（H2S+H2O→H2+SOx2-或H2S→H2+S）（a）（b）（c）(a)最理想的途徑，但也是最具挑戰(zhàn)的課題.一旦取得突破，將會改變世界能源格局。氫能的一個應用：燃料電池補充：太陽能光催化重整生物質(zhì)制氫利用太陽能光催化轉化生物質(zhì)制氫

（C6H12O6+6H2O12H2+6CO2），是高效轉化利用生物質(zhì)的一條途徑。

2.太陽能光催化還原二氧化碳制燃料

圖2太陽能光催化減排CO2制氫及精細化學品將CO2催化加氫可以轉化為醇類等大宗化學品，這種技術已經(jīng)比較成熟，但關鍵問題是氫的來源。

太陽能制氫與CO2減排耦合的方式可以有如下兩種最主要的可能性其一是經(jīng)太陽能化學和生物轉化分解水制氫，然后將氫與CO2經(jīng)傳統(tǒng)的光催化轉化為甲醇，和其他的化學品，即：H2O→H2+1/2O2，H2+CO2→CH3OH，凈反應：H2O+CO2→CH3OH+O2↑。此過程的關鍵科學問題是：（1）開發(fā)高效光催化劑；（2）將光催化制取的氫從反應體系中有效分離，并與CO2催化轉化耦合。其二是原位條件下將上述兩個反應在一個催化體系中實現(xiàn)。即，利用太陽能光催化直接將CO2+H2O轉化為CH3OH。此過程的關鍵科學問題是：（1）發(fā)展兼具有分解水制氫和CO2加氫的光催化劑；（2）將生成的氧能及時脫附離開催化劑的表面，避免氧化逆反應地發(fā)生。發(fā)展方向太陽能制氫距離大規(guī)模應用過程尚有一段距離，但在大規(guī)模制氫的研究過程中，及早研究與燃料電池耦合和與CO2減排耦合，將會使太陽能制氫研究目標更明確，并會促進太陽能制氫向大規(guī)模方向發(fā)展。而耦合技術的研究也對太陽能制氫催化體系（無論化學還是生物）提出要求，使得催化體系的開發(fā)更加合理。耦合：相互作用和相互影響3.太陽能化學轉化儲能通過太陽能光催化轉化將太陽能儲存于化學介質(zhì)中，再通過電化學方法將高能化學物質(zhì)轉化為電能，也是未來發(fā)展的方向。目前這方面的工作尚不多見。

（3）光-電轉換利用陽光發(fā)電有二種方式:

光伏發(fā)電和光熱伏發(fā)電

太陽能熱發(fā)電，也叫聚焦型太陽能熱發(fā)電（ConcentratingSolarPower，簡稱CSP），

它們是通過聚集將太陽能直射光聚集起來，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，蒸汽驅動汽輪機發(fā)電。幾種常見的太陽能熱發(fā)電方式：槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)太陽能塔式熱發(fā)電；太陽能碟式熱發(fā)電當前按照太陽能采集方式可劃分為

1.槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)構成它采用大面積的槽式拋物面反射鏡將太陽光聚焦反射到線形接收器（集熱管）上，通過管內(nèi)熱載體將水加熱成蒸汽，同時在熱轉換設備中產(chǎn)生高壓、過熱蒸汽，然后送入常規(guī)的蒸氣渦輪發(fā)電機內(nèi)進行發(fā)電。槽式拋物面太陽能發(fā)電站的功率為10~1000MW，是目前所有太陽能熱發(fā)電站中功率最大的.槽式熱發(fā)電系統(tǒng)是最成熟，也是達到商業(yè)化發(fā)展的技術

德國的凹面鏡式太陽能發(fā)電系統(tǒng)西班牙50MW槽式熱發(fā)電站

2.塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)塔式系統(tǒng)是利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫集熱器(太陽鍋爐)上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽，或直接加熱集熱器中的水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電.

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽能動力系統(tǒng)，是目前太陽能發(fā)電效率最高的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，最高可達到29.4%。

碟式拋物面鏡點聚焦集熱器

3.太陽能碟式（又稱盤式）熱發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展1.光伏發(fā)展的歷史自從1954年第一塊實用光伏電池問世以來，太陽光伏發(fā)電取得了長足的進步。但比計算機和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。其原因可能是人們對信息的追求特別強烈，而常規(guī)能源還能滿足人類對能源的需求。1973年的石油危機和90年代的環(huán)境污染問題大大促進了太陽光伏發(fā)電的發(fā)展。其發(fā)展過程簡列如下：

1839年，法國科學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應”，即“光伏效應”。1954年，恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次制成了實用的單晶太陽電池，效率為6%。同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽電池。1880年，

CharlesFritts開發(fā)出以硒為基礎的光伏電池。1955年，吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉換效率優(yōu)化設計。同年，第一個光電航標燈問世。美國RCA研究砷化鎵太陽電池。1957年硅太陽電池效率達8%。1958年太陽電池首次在空間應用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。1959年第一個多晶硅太陽電池問世，效率達5%。1960年硅太陽電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。1962年砷化鎵太陽電池光電轉換效率達13%1969年薄膜硫化鎘太陽電池效率達8%。1972年羅非斯基研制出紫光電池，效率達16%。1972年美國宇航公司背場電池問世。1973年砷化鎵太陽電池效率達15%。1974年COMSAT研究所提出無反射絨面電池，硅太陽電池效率達18%。1975年非晶硅太陽電池問世。同年，帶硅電池效率達6%~。1976年多晶硅太陽電池效率達10%。1978年美國建成100kWp太陽地面光伏電站。1980年單晶硅太陽電池效率達20%，砷化鎵電池達22.5%，多晶硅電池達14.5%，硫化鎘電池達9.15%。1983年美國建成1MWp光伏電站；冶金硅（外延）電池效率達11.8%。1986年美國建成6.5MWp光伏電站。1990年德國提出“2000個光伏屋頂計劃”，每個家庭的屋頂裝3~5kWp光伏電池。1995年高效聚光砷化鎵太陽電池效率達32%。1997年美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃”，在2010年以前為100萬戶，每戶安裝3~5kWp。光伏電池。有太陽時光伏屋頂向電網(wǎng)供電，電表反轉；無太陽時電網(wǎng)向家庭供電，電表正轉。家庭只需交“凈電費”。1997年日本“新陽光計劃”提出到2010年生產(chǎn)43億Wp光伏電池。1997年歐洲聯(lián)盟計劃到2010年生產(chǎn)37億Wp光伏電池。1998年單晶硅光伏電池效率達25%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬個太陽光伏屋頂計劃”，到2020年完成。中新網(wǎng)3月5日電據(jù)中國國防科技信息網(wǎng)報道，美國第一太陽能(FirstSolar)公司宣布，其碲化鎘(CdTe)太陽能電池轉換效率達到18.7%，刷新世界紀錄。該結果已得到美國能源部的國家可再生能源實驗室(NREL)證實。中研普華網(wǎng)2013年3月6日：美國國家可再生能源實驗室(NREL)日前證實，AltaDevices一項新型“雙結”薄膜太陽能電池技術轉換效率達30.8%。

2012-4-20DeltaElectronics子公司DelSolar計劃將多晶硅太陽能電池轉換效率從17.2%-17.3%提升至18%，并將單晶硅太陽能電池的轉換效率提升至19%以上。

中國臺灣的臺達電子(DeltaElectronics)是一家臺資企業(yè)新余昌坊光伏餐廳1）硅太陽能電池；2）以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3）功能高分子材料制備的大陽能電池；4）納米晶太陽能電池等。

如：晶體硅電池、硫化鎘電池、硫化銻電池、砷化鎵電池、非晶硅電池、硒銦銅電池、疊層串聯(lián)電池等。晶體硅電池應用最廣，其中單晶硅的光電轉換效率實驗室已高達24.2%，工廠規(guī)?；a(chǎn)的單晶硅電池其效率也在12%以上。常用太陽電池按其材料可以分為：太陽能電池供電在世界上百分之九十以上的人造衛(wèi)星和宇宙飛船都采用。光伏發(fā)電的應用太陽能電池的應用不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢1.小型電源10-100W不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等

太陽能電源太陽能逆變器用戶太陽能電源2.3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；3.光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

交通領域通訊/通信領域

太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。石油、海洋、氣象領域石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備