應用光伏學第1章陽光特性

學生修讀的課程，均應按規(guī)定聽課，完成作業(yè)、實驗等全部教學環(huán)節(jié)。無故不參加者，作曠課處理。該門課程累計曠課總課時1/3及以上，取消考試資格。

光伏：器件、系統(tǒng)及應用

by

ChristianaHonsberg&StuartBowden

2024/6/19UNSW新南威爾士大學2

本課程主要就太陽能特點，太陽能電池的原理，設計制備與利用等方面作簡單介紹，使大家對這一課題有一個初步了解。公共郵箱：密碼：2024/6/19UNSW新南威爾士大學3序言：太陽能發(fā)電的介紹

§0.1太陽能§0.2光伏發(fā)電§0.3溫室效應2024/6/194

太陽能，從某種形式上說，是地球上幾乎所有能源的源頭。而人類，像所有其它的動物和植物一樣，因為溫暖和食物而依賴于太陽。然而，人類同時還以許多不同的方式利用太陽的能量。比如，化石燃料，一種來自以前地質(zhì)時代的植物材料，就被用在交通運輸和發(fā)電上。本質(zhì)上它就是儲存了無數(shù)年以前的太陽能。類似的，生物把太陽能轉(zhuǎn)換成可以用來加熱、運輸和發(fā)電的燃料。風能，幾百年來被人們用來提供機械能以及用于運輸?shù)哪茉?，利用的是被太陽光加熱的空氣和地球轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的空氣流動。如今，風力渦輪機把風能轉(zhuǎn)換成電能，同時也用在傳統(tǒng)用途上。§0.1太陽能2024/6/19

水電也是源之太陽能。水力發(fā)電依賴于太陽光蒸發(fā)的水蒸氣，水蒸氣以雨水的形式回到地球并流向水壩。

§0.1太陽能

當能源主要依靠燃燒化石燃料（煤炭、石油、天然氣）而獲取時，能源消耗越高，越會影響人類社會的可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)濟的發(fā)展人口的增加社會生活水平的提高促使世界能源消費水平持續(xù)增長2、由于化石燃料不可再生，資源終將枯竭。本世紀初關于世界能源儲存數(shù)據(jù)調(diào)查顯示：

1、因為大量燃燒化石燃料會帶來多種環(huán)境問題（尤其是環(huán)境污染、生態(tài)破壞導致氣候變化問題）

在過去的100年中全球平均氣溫上升0.3—0.6℃，海平面平均上升10—25CM。（溫室效應）預計，若人類不采取減措施，全球氣溫每10年將升高0.2℃，到2100年全球平均氣溫將升高13.5℃。石油可采量為40年左右天然氣60年左右煤炭230年左右促使

尋求新能源取而代之（預測，本世紀50年代，直接利用太陽能的比例將發(fā)展到世界能源結構中的13-15％）2024/6/19UNSW新南威爾士大學7

光伏發(fā)電（通常簡稱為PV）是一種簡易而優(yōu)美的利用太陽能的方式。光伏器件（太陽能電池）是獨特的，因為它能把入射光線直接轉(zhuǎn)換成電而不會產(chǎn)生噪音、污染且不需要移動零部件，這使得它們很牢固、可靠以及壽命長久。需要指出的是，太陽能電池跟通訊及電腦革命基于同樣的原理和材料。§0.1太陽能單晶硅電池組件24V

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能草坪燈高速路太陽能監(jiān)控器9

位于澳大利亞東海岸的蒙塔古小島———一個國家公園和野生動物保護區(qū)，太陽能點亮了這里的房子。圖上左邊的小太陽能電池板為燈塔提供電力，同時右邊大塊的電池板負責為圖片里面露出一部分的房屋供電。房屋里存放著給國家公園守護者和島上的研究者的設備。南京南站全球最大太陽能屋頂“發(fā)電”§0.2光伏發(fā)電的介紹

光伏發(fā)電是指使用太陽能電池把陽光直接轉(zhuǎn)化成電的過程。今天，它正在快速地成長并成為常規(guī)化石燃料發(fā)電的越來越重要的替代品。但是，相比其它的發(fā)電技術，光伏發(fā)電還是個后起之秀.2024/6/19UNSW新南威爾士大學11美國貝爾實驗室的科學家D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson于1954年成功研制出世界上第一個實用型單晶硅PN結太陽電池，這標志著太陽能光伏應用的研究進入了新的歷史階段。隨后，光伏發(fā)電首先在太空領域得到應用。1958年首顆以太陽電池作為信號系統(tǒng)電源的人造衛(wèi)星美國先鋒Ι號（Vanguard－I）衛(wèi)星發(fā)射上天，從此開始了太陽電池作為空間電源應用的新紀元。空間太陽電池發(fā)展概況表發(fā)射年份衛(wèi)星名稱材料效率(%)性能1958VanguardN/P晶體硅7～8輸出功率較大60年代TelstarN/P晶體硅12后期開始引入背表面場（BSF）技術和Li原子作為施主雜質(zhì)70年代Cz*晶體Si無定形Si13～14具有高載流子壽命和低的氧含量80年代美國軍用衛(wèi)星高效Si17.5非常高少數(shù)載流子壽命高效、抗輻射Ⅲ-Ⅴ化合物P/NGaAsGaAs/GeInp16～1818～2118高效、大尺寸、可耐550°C高溫30分鐘具有高輻射能力，但造價昂貴90年代24顆GPS66顆Iridium標準Si價格便宜，為GaAs/Ge電池的1/6～1/9二級GaAs/Ge三級GaAs/Ge21～2224高效、高抗輻射、可多次使用，但價格高1970年代發(fā)生的石油危機把全世界的眼光都聚焦在了對能為陸地上的人們所用的可替代能源的需求上，而這也反過來推動了光伏作為一種能為陸地上的人們所用的發(fā)電方式的研究。

盡管石油危機被證明是短暫的以及對太陽能電池發(fā)展的經(jīng)濟支持的減少，但此時太陽能電池儼然已經(jīng)進入了發(fā)電技術的競爭者行列。

它在偏遠的電力供應地區(qū)的應用和優(yōu)勢迅速地被人們認識到，并推動了陸地光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。小尺寸的可攜帶的應用（如計算器和手表）開始被使用，并讓偏遠地區(qū)的電力供應受益匪淺。2024/6/19UNSW新南威爾士大學13§0.2光伏發(fā)電的介紹

到了1980年代，對硅太陽能電池的研究獲得了回報，電池的發(fā)電效率開始提高。1985年硅電池的效率達到了里程碑式的20%。在緊接著的十年，光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了每年15%到20%之間的穩(wěn)定增長。1997年增長率達到了38%。

而今天，太陽能電池不再被認為只是一種提供電力和提高那些電網(wǎng)還沒到達的偏遠地區(qū)的人們生活質(zhì)量的方法。而是還作為一種能顯著地減少由先進工業(yè)國家造成的環(huán)境破壞的影響的方法。14§0.2光伏發(fā)電的介紹

①不占用城市昂貴的地皮（多建于沙漠）②可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的墻面和屋頂材料③當?shù)匕l(fā)電當?shù)赜?，就地取用，無需輸電設備④若和電網(wǎng)相連，可將剩余電力輸給電網(wǎng)⑤在電網(wǎng)供電處于高峰期發(fā)電，消減城市用電負荷⑥屬于綠色能源，不污染環(huán)境光伏發(fā)電的優(yōu)越性（客觀）光伏發(fā)電的優(yōu)越性（主觀）

●各國可再生能源法的頒布、快速發(fā)展的光伏屋頂計劃、各種減免稅政策和補貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價格，為光伏市場的發(fā)展提供了良好的基礎●眾多國家政府都加大對光伏課題的研究，積極培養(yǎng)光伏的專業(yè)人才滿足市場需求，促進光伏科學技術的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為光伏更好的發(fā)展提供有力的保障。1.美國光伏發(fā)電的“百萬屋頂計劃”

美國總統(tǒng)克林頓在1997年6月21日宣布了太陽能“百萬屋頂計劃”，準備在2010年以前，在100萬座建筑物上安裝太陽能系統(tǒng)，主要是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱利用系統(tǒng)。

目前，太陽能“百萬屋頂計劃”已在美國某些地區(qū)大力發(fā)展開來，由于美國政府在政策上給予了更多的傾斜，使得光伏發(fā)電的價格大為下降，在加利福尼亞地區(qū)現(xiàn)已降到每瓦不足3美元。世界太陽能發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和未來展望洛杉磯計劃2020年實現(xiàn)100%光伏供電

2008年11月，洛杉磯市實施“太陽能屋頂”計劃。這項計劃分兩個階段實施在第一階段，洛杉磯市政府將投資2．7億美元，為市政府和商業(yè)大樓等10．8萬個屋頂安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，總發(fā)電能力將達400兆瓦。在第二階段，市政府將在未來8年里籌資15億至30億美元，為洛杉磯市其他房屋的屋頂陸續(xù)安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)。洛杉磯市長表示，我們希望到2020年整個洛杉磯城的電力都由太陽能提供。他表示，不光是市政，每個人都應該做到，我們希望在2020年全市的電力供應都來自可再生能源。市長鼓勵不僅在公共部門提高對可再生能源的依賴，各個社會階層也要有所增加。2.日本“陽光計劃”

第一階段是第一次石油危機后，日本通產(chǎn)省于1974年制定了發(fā)展太陽能為主的可再生能源代替石油技術研發(fā)中長期規(guī)劃，即有名的“陽光計劃”

第二階段1988-1994年，要求售價再降20%，以便廣泛應用于通信，路燈等小型電源。

第三階段是1993年制定的“陽光計劃”仍把光伏發(fā)電作為重點項目。

最后把光伏產(chǎn)業(yè)作為國策來抓，從長遠發(fā)展，堅持不懈，通過政府優(yōu)惠政策加速發(fā)展。

3.德國的“10萬屋頂發(fā)電計劃”2000年德國首先頒布可再生能源法，2003年又公布可再生能源促進法，由此引發(fā)了德國光伏發(fā)展的新一輪高峰，于當年圓滿完成“10萬屋頂發(fā)電計劃”。德國政府在推廣光伏發(fā)電發(fā)面采取了一系列措施，主要是銀行貸款和上網(wǎng)電價補貼等，目前德國光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一個非?；钴S的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，2004年德國的光伏安裝總量首次超過日本，走在世界前列。

中國必須發(fā)展太陽能的理由與國外相比，我國能源系統(tǒng)更不具備可持續(xù)發(fā)展特點

●能源枯竭的威脅可能來的更早。人口多，人均資源占有量僅及世界的一半，石油和天然氣資源僅占世界人均量的17.1％和13.2％；加之能源利用技術的落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能會比國外更加迅速，能源匱乏的威脅可能來的更早。●能源供需缺口將越來越大。2020年全國需求量27億噸TOE，尚缺4.8億噸標準煤；2050年一次需求量達到40億噸標煤，缺口達10億噸標煤，缺口25%以上?！襁^度依賴煤炭，環(huán)境影響更加嚴重。煤幾乎滿足了我國一次能源需求的70%，66%的城市大氣顆粒物的含量和22%的城市的二氧化硫含量均超過國家空氣質(zhì)量二級標準，在冬季這些污染物的濃度更大，通常為夏季的2倍，環(huán)境專家估計，大氣中90%的二氧化硫和70%的煙塵來自于燃燒?！衩簭U料的處理仍是問題。煤炭開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的大量的腐蝕性水、煤泥、灰渣和飛灰等，已構成對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的危害，成為制約所在地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的一個制約因素。PM2.5 ：是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細的1/20。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響?？茖W家用PM2.5：表示每立方米空氣中這種顆粒的含量，這個值越高，就代表空氣污染越嚴重。PM2.5產(chǎn)生的主要來源：是日常發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放等過程中經(jīng)過燃燒而排放的殘留物，大多含有重金屬等有毒物質(zhì)。一般而言，粒徑2.5微米至10微米的粗顆粒物主要來自道路揚塵等；2.5微米以下的細顆粒物（PM2.5）則主要來自化石燃料的燃燒（如機動車尾氣、燃煤）、揮發(fā)性有機物等。PM2.5 ：危害：粒徑在2.5微米以下的細顆粒物，直徑相當于人類頭發(fā)1/10大小，被吸入人體后會進入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。這些顆粒還可以通過支氣管和肺泡進入血液，其中的有害氣體、重金屬等溶解在血液中，對人體健康的傷害更大?！墩w環(huán)境科學》（Science

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Environment）上增刊登過北京大學醫(yī)學部公共衛(wèi)生學院教授潘小川及其同事一項新發(fā)現(xiàn)：2004年至2006年期間，當北京大學校園觀測點的PM2.5日均濃度增加時，在約4公里以外的北京大學第三醫(yī)院，心血管病急診患者數(shù)量也有所增加。雖然PM10和PM2.5都是心血管病發(fā)病的危險因素，但PM2.5的影響顯然更大。

城市空氣質(zhì)量日報或周報中的可吸入顆粒物和總懸浮顆粒物是人們較為熟悉的兩種大氣污染物?？晌腩w粒物又稱為PM10，指直徑等于或小于10微米，可以進入人的呼吸系統(tǒng)的顆粒物；總懸浮顆粒物也稱為PM100，即直徑小于和等于100微米的顆粒物。美國國家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一張全球空氣質(zhì)量地圖，專門展示世界各地PM2.5的密度。地圖由加拿大達爾豪斯大學的兩位研究人員制作。他們根據(jù)NASA的兩臺衛(wèi)星監(jiān)測儀的監(jiān)測結果，繪制了一張顯示出2001年至2006年PM

2.5平均值的地圖。在這張圖上紅色（即PM2.5密度最高），出現(xiàn)在北非、東亞和中國。中國華北、華東和華中PM2.5的密度，指數(shù)甚至接近每立方米80微克，甚至超過了撒哈拉沙漠。世界衛(wèi)生組織（WHO）認為：PM2.5小于10是安全值。中美雙方所采用的空氣質(zhì)量評價標準不同：中國采用的是世界衛(wèi)生組織第一階段的評價標準，而美國采用第三階段評價標準。以標志著“優(yōu)質(zhì)”的指數(shù)為例：它在中國對應著“PM2.5濃度為35微克/立方米”，而在美國采用的第三階段標準中，則對應著“PM2.5濃度為15微克/立方米”。中國太陽能發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和未來展望中國光伏發(fā)展歷史1958年開始研制1959年具有實用價值的太陽電池開始誕生1971年太陽能電池首先應用于科學實驗衛(wèi)星電源1973年應用于浮標燈供電1979年用半導體工業(yè)積壓單晶體生產(chǎn)單晶硅電池20世紀80年代后期引進國外關鍵設備、生產(chǎn)線、生產(chǎn)技術，太陽能電池制造產(chǎn)業(yè)初步形成（開封太陽能電池廠、寧波太陽能電池廠）中科院半導體所天津電源所半導體器件廠

我國光伏組件生產(chǎn)逐年增加，成本不斷降低，市場不斷擴大，裝機容量逐年增加，應用領域包括農(nóng)村電氣化、交通、通信、石油、氣象、國防等。

特別是光伏電源系統(tǒng)解決了許多農(nóng)村學校、醫(yī)療所、家庭照明、電視等用電，對發(fā)展邊遠貧困地區(qū)的社會經(jīng)濟和文化發(fā)揮了十分重要的作用。西藏多個無電縣城采用光伏電站供電，社會經(jīng)濟效益非常顯著?！?.3溫室效應盡管因為其十足的實用性和經(jīng)濟性，太陽能電池在今天被人們所使用著，但是使用太陽能發(fā)電的潛在好處就是，光伏發(fā)電是所有發(fā)電方式中對環(huán)境最友好的一種。發(fā)電對環(huán)境的影響，特別是溫室效應，是又一個促使人們研究太陽能發(fā)電的因素。接下來將給出對溫室效應的簡短概述。

地球的溫度是來自太陽的輻射跟從地球射向太空的輻射達到平衡的結果。地球大氣層的存在和物質(zhì)的構成強烈地影響著從地球排放出去的輻射。

30 1、如果我們地球像月球一樣沒有大氣層，那么地球表面的平均溫度將下降到大約－18°C。 2、然而，自然形成的占大氣質(zhì)量百萬分之270（270ppm）的二氧化碳（CO2），吸收了飛向太空的輻射，也因此保存了能量，讓地球保暖。大氣層使地球平均溫度保持在15°C左右，比月球的高33°C。

二氧化碳強烈地吸收波長在13-19微米波段的輻射，

而另外一種大氣氣體——水蒸氣，能強烈吸收波長在4-7微米波段的輻射。

大多數(shù)逃逸出地球的輻射的波長集中在7-13微米波段這個“窗口”。31§0.3溫室效應人類活動正在不斷地向大氣排放“人造氣體”，這些氣體能吸收波長在7-13微米范圍內(nèi)的輻射，特別是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化物以及含氯氟烴（CFC’S）。這些氣體阻礙了熱能的正常逃逸并有可能使地表溫度升高。

現(xiàn)有的證據(jù)顯示，到2030年，起效果的CO2水平將是現(xiàn)在的兩倍。致使全球溫度升高1到4度。這將引起風的流動模式和降雨量的變化，其結果可能導致大陸內(nèi)部變得干旱以及地球海平面上升。排放的人造氣體增長的越多，當然造成的影響就越嚴重。32§0.3溫室效應2024/6/19UNSW新南威爾士大學33

大氣中，二氧化碳含量的上升（藍線）與平均溫度（紅線）的上升相聚在一起?！?.3溫室效應

很顯然，人類現(xiàn)在活動的規(guī)模已經(jīng)達到了能夠影響地球環(huán)境和它對人類的吸引力的程度了。它的副作用將是毀滅性的，在未來的幾十年，那些對環(huán)境影響很小以及不排放溫室氣體的技術將變得越來越重要。

能源領域因為其燃燒化石燃料而成為溫室氣體的最主要生產(chǎn)者，像光伏發(fā)電這種能夠代替化石燃料的技術必須得到越來越多的應用(Blakerset.al.,1991)。2024/6/19UNSW新南威爾士大學34§0.3溫室效應第一章：光的特性2024/6/19UNSW新南威爾士大學35§1.1光的基本原理§1.2黑體輻射§1.3太陽輻射§1.4地表太陽輻射§1.5太陽輻射數(shù)據(jù)

每秒鐘地球接收到的太陽能是人類每年能量需求的好幾倍。

我們每天能看到的光只是從太陽發(fā)射然后進入地球的能量的一小部分而已。

太陽光是電磁波的其中一種形式，而我們看到的可見光也只是我們右邊顯示的電磁波譜的一個小子集。36可見光§1.1.1光的基本原理

—光的特性在電磁波譜里，光被描述成有特定波長的波。光是一種波的說法首先在18世紀早期被人們接受，當時由楊、阿拉戈和菲涅耳所做的實驗顯示出了光的干涉效應，表明光是由波構成的。到了1860年代，光被認為是電磁波譜中的一部分。

然而，到了18世紀后期，當人們發(fā)現(xiàn)實驗中測量的由熱體所發(fā)出的電磁波的波譜不能被波動方程所解釋時，光是波的觀點所引發(fā)的問題便開始顯現(xiàn)出來。這個矛盾被普朗克在1900年和愛因斯坦在1905年的工作化解了。37§1.1.1光的基本原理

—光的特性2024/6/19UNSW新南威爾士大學38

普朗克認為，光的總能量是由不可分的能量元素或能量量子所構成。

而愛因斯坦在研究光電效應（當光照射在特定的金屬或半導體上時會釋放電子）時準確地得出了這些能量量子的值。

鑒于他們在這個領域的成就，普朗克和愛因斯坦分別在1918年和1921年獲得諾貝爾物理學獎，同時，基于他們的工作，人們認為光可能是由一系列被叫做光子的能量粒子組成?！安６笮浴??！?.1.1光的基本原理

—光的特性

下面列出幾個入射太陽光的重要特性，這些特性在決定入射光與太陽能電池或其他器件如何作用時非常重要。這些重要的特性是：

1）入射光的光譜含量；

2）太陽輻射的功率強度；

3）太陽光入射到太陽能電池的角度；

4）一年或一天，太陽光照射到特定表面的總能量。學完這章之后，你應該對以上的四個概念有所掌握。39§1.1.1光的基本原理

—光的特性§1.1.2光的基本原理

--光子的能量

一般用波長（符號為λ）或相對應的能量（符號為E）來描述一個光子的特性。光子的能量與波長之間存在反比例關系，方程如下：E=hc/λ其中h是普朗克常數(shù)，c表示光速。

上面的反比例關系表示，由光子組成的光的能量越高（比如藍光），波長就越短。能量越低（如紅光），波長越長。

2024/6/19UNSW新南威爾士大學40當描述光子、電子等粒子時，共同使用的能量單位是“電子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。

一個電子伏特的能量相當于把一個電子的電勢提高一伏所需要的功，所以

41要實現(xiàn)電子伏特與焦耳的轉(zhuǎn)換，只需用電荷量q乘于1電子伏特的能量。公式如下:

E(J)=q×E(eV)在表達關于eV和μm方面的光子能量方程的時候，我們找到了表示能量與波長之間的關系

E（eV）=1.24/λ（μm）§1.1.2光的基本原理

--光子的能量

通過上面的公式，可求出特定波長的光子的能量大小。42§1.1.2光的基本原理

--光子的能量E（eV）=1.24/λ（μm）&1.1.3光的基本原理

--光子通量

光子通量被定義為單位時間內(nèi)通過單位面積的光子數(shù)量：

43光子通量是決定太陽能電池產(chǎn)生的電子數(shù)量和電流大小的重要因素。然而，單單光子通量并不足以確定太陽能電池產(chǎn)生的電流大小或說明光源的特性。光子通量沒有包含關于入射光子的能量或波長的信息。因此，除非額外提供了光子能量方面的信息，否則功率強度（或吸收效率）就不能被確定。對于一群能量相同（單色光）且光子能量已經(jīng)知道的光子來說，總的輻射功率強度（以W/m2為單位）可以用以下公式計算：44其中Φ指的是光子通量，E是以單位J計算的光子能量?！?.1.3光的基本原理

--光子通量上面公式的應用之一是，表明了要獲得同樣的輻射強度，高能量的光子（短波）所需的光子通量比低能量的光子（長波）所需的光子通量小。§1.1.4光的基本原理

--光譜輻照度

作為光子波長（或能量）的對應量，光譜輻照度（記作F）是描述光源性質(zhì)最常用的方式。由波長λ處的單位波長間隔內(nèi)的光輻射產(chǎn)生的輻照度。光譜輻照度的單位是Wm-2μm-1.其中Wm-2指的是波長λ（μm）的功率強度。則可知，m-2指的是光照射的表面積，μm-1是特定波長。在分析太陽能電池時，通常即需要光子通量也需要光譜輻照度。通過把特定波長的光子通量轉(zhuǎn)化成Wm-2的形式（見上一節(jié)光子通量），光譜輻照度便可以由光子通量確定。452024/6/19UNSW新南威爾士大學46§1.1.4光的基本原理

--光譜輻照度然后把轉(zhuǎn)換后的結果除以波長，方程如下所示：式中F為光譜輻照度（單位Wm-2μm-1

），Φ為光子通量，E（eV）和λ（μm）分別是光子的能量和波長。q、h和c都是常數(shù)。47光譜輻照度光譜輻照度圖為氙氣（綠色）、鹵素（藍色）和水銀（紅色）的燈泡（以左邊軸為縱坐標）發(fā)出的光的光譜輻照度與太陽光的光譜輻照度（粉紅色，以右邊軸為縱坐標）?！?.1.4光的基本原理

--光譜輻照度§1.1.5光的基本原理

--輻射功率強度

發(fā)射自光源的總的功率強度可以通過對所有波長或其對應的能量的光譜輻照度的疊加計算獲得。

然而，計算光源光譜輻照度的近似方程通常并不存在。取而代之的是，被測量出的光譜輻照度乘于所處波長范圍，然后計算所有的波長的光譜輻照度。

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右邊的動畫展示了由給定的光譜輻照度得到功率強度的過程。2024/6/19UNSW新南威爾士大學49§1.1.5光的基本原理

--輻射功率強度式中：H為光源發(fā)出的總功率強度，以Wm-2為單位；F（λ）是以Wm-2μm-1為單位的光譜輻照度，而dλ及Δλ都是波長。下面的方程可以用來計算光源發(fā)出總的功率強度:§1.2.1黑體輻射

--黑體輻射許多常見的光源如太陽和白熾燈都是相似的黑體模型。一個黑體能夠吸收所有入射到它表面的電磁波，并基于溫度的不同輻射出不同的電磁波。

黑體一詞的來源基于這樣一個事實，就是如果物體輻射出的電磁波不在可見光范圍內(nèi)，而照射到物體的所有電磁波又都被吸收了，那么它一定是不可見的、黑的。

在黑體輻射中，對光伏研究者來說，可見光部分是大家更關心的地方。

2024/6/19UNSW新南威爾士大學502024/6/19UNSW新南威爾士大學51§1.2.1黑體輻射

--黑體輻射1、輻射自黑體的光譜輻照度由普朗克輻射定律給出，其方程如下：

式中λ是光的波長，T和F分別為黑體的溫度和光譜輻照度，而h、c和k都是常數(shù)。2、黑體輻射出的總功率強度可由所有波長的光譜輻照度的積分得到：

σ和T分別為斯特番—波耳茲曼(Stefan-Boltzmann)常數(shù)和黑體溫度。2024/6/19UNSW新南威爾士大學52

3、另外一個很重要的黑體輻射參數(shù)是光譜輻照度最高處的波長λ，換句話說就是此波長輻射出的能量最高。對光譜輻照度方程進行求導，導數(shù)為零處的波長就是上面說的峰值波長λ。這就是維恩定律，方程由下給出：

其中λp是光譜輻照度峰值處的波長，T為黑體溫度?！?.2.1黑體輻射

--黑體輻射2024/6/19UNSW新南威爾士大學53§1.2.1黑體輻射

--黑體輻射3、如果燈絲的溫度上升到更高的6000K，輻射出的波長將集中在紅色光和紫色光之間的可見光波段，并呈現(xiàn)白色。當黑體溫度升高時，光譜分配和光的能量也隨之改變。1、溫度接近室溫300K時，黑體（如人類身體或關掉的燈泡）將會輻射出低功率的電磁波，能量主要分布在低于10μm的波譜段，超出了人類眼睛的可視范圍。2、如果黑體溫度被加熱到3000K。它將會變成紅色，因為輻射光能量增強了，并且波譜也轉(zhuǎn)向了可見光領域。不同溫度時黑體輻射的光譜輻照度。

由于輻射能量的巨大差異以及能量所在的波長范圍有很大的不同，下圖更加清楚地顯示了黑體輻射波譜（溫度的函數(shù)）的變化。2024/6/19UNSW新南威爾士大學54§1.2.1黑體輻射

--黑體輻射§1.3.1太陽輻射

--太陽

熱量通過對流的方式被轉(zhuǎn)移出這一氫原子層。太陽被叫做光球，其表面溫度大概在6000K左右或者更精確點5762±50K，接近于一個黑體。

通過功率強度乘于太陽的表面積可以計算得到太陽輻射的總功率，為9.5×1025w

2024/6/1955太陽是一個充滿氣體的熱球，其內(nèi)部因太陽內(nèi)核發(fā)生核聚變反應（氫轉(zhuǎn)化成氦），溫度超過2×107K。來自內(nèi)核的輻射被接近太陽表面的氫原子層的強烈吸收，無法看見。2024/6/1956§1.3.1太陽輻射

--太陽太陽輻射的總功率不只是由單一的波長構成的，而是由許多波長組成，因此在人眼中呈現(xiàn)白色或黃色。

使太陽光透過棱鏡便可以看到這些不同波長的光了，或者透過水霧便可看見彩虹。不同波長的光呈現(xiàn)不同的顏色，但不是所有波長的光都能被看見因為有一些對人的眼睛來說是不可見的。低能量光子高能量光子太陽光玻璃三棱鏡§1.3.2太陽輻射

--太空中的太陽輻射在太空中與太陽有一定距離的物體，其吸收的太陽光只占太陽總輻射的一小部分。

在太陽的表面，輻射功率強度相當于6000k黑體的輻射強度，所以：太陽輻射的總功率強度等于由σT4乘于太陽的表面積（4πR2），其中R為太陽半徑。

然而，在遠離太陽表面的地方，太陽總的功率強度就被擴散至大得多的表面。因此，隨著太空中的物體距離太陽越來越遙遠，照射到其表面的太陽光譜輻照度也越來越小。2024/6/19UNSW新南威爾士大學572024/6/19UNSW新南威爾士大學58式中Hsun（單位W/m2）為太陽表面的功率強度，由斯特番—波耳茲曼(Stefan-Boltzmann)的黑體方程確定。R和D分別為太陽的半徑和與太陽的距離，單位都為m，如下圖所示：在距離為D處，來自太陽的同樣多的能量擴散到面積大得多的區(qū)域，太陽光的功率強度也隨之減小了許多。§1.3.2太陽輻射

--太空中的太陽輻射當物體距離太陽為D時，太陽光照射在此處的球面面積為4πD2。

因此，入射到物體的太陽光輻射強度 Ho（單位W/m2），為：§1.3.3太陽輻射

--地球大氣層外的太陽輻射地球大氣層外的太陽輻射強度可通過太陽表面的輻射功率強度（Hsun

，5.961x107W/m2）、太陽半徑（Rsun）和地球與太陽之間的距離D計算得到。其結果大約為1.36KW/m2。

下圖顯示了計算地球表面太陽光照度時使用的幾何常數(shù)：59

一般來說這些變化都是非常小的，對光伏應用來說，太陽光譜輻照度可看做是一個常數(shù)。這個常數(shù)的值及其光譜已經(jīng)被定為標準值，叫作大氣質(zhì)量零輻射（airmass-zeroradiation）,記作AM0.此時輻射值為1.353KW/m260§1.3.3太陽輻射

--地球大氣層外的太陽輻射H（W/m2）是大氣層外的輻射功率強度，Hconstant是太陽光常數(shù)值，1.353kw/m2，n為一年中的第幾天。

實際的功率強度會有輕微的變化，因為地球以橢圓形軌道圍繞太陽公轉(zhuǎn)以及太陽的輻射功率也是一直在改變著的。由橢圓形軌道引起的改變大概在3.4%左右，一月份時太陽光譜輻照度達到最大，最小時為七月份。描述這種變化的方程如下：§1.4.1地面太陽輻射

--地球表面的太陽輻射

當入射到地球大氣層的太陽輻射相對穩(wěn)定時，影響地球表面輻射的主要因素是:

1）大氣效應，包括吸收和散射；

2）當?shù)卮髿赓|(zhì)量的不同，如水蒸氣、云層和污染；

3）緯度位置不同；

4）一年中季節(jié)的不同和一天里時間的不同。

2024/6/19UNSW新南威爾士大學61上述的效應在幾個方面影響了地球表面對太陽輻射的吸收。包括：總的吸收能量和光譜含量的變化，以及光射到地球表面的角度的變化。62§1.4.1地面太陽輻射

--地球表面的太陽輻射另外，在不同的地方其太陽輻射的易變性也會有很大差別。易變性即受云層和季節(jié)變化等地方因素影響，又受其它例如不同緯度白天的長短不同等因素影響。沙漠地區(qū)由于當?shù)卦茖拥却髿猬F(xiàn)象比較穩(wěn)定而擁有較低的易變性。而在赤道地區(qū)，季節(jié)之間的變化也比較小?！?.4.2地面太陽輻射

--大氣影響在光伏應用領域，大氣效應主要在以下幾個方面影響著地球表面的太陽輻射：1）由大氣吸收、散