第一章太陽(yáng)能和光電轉(zhuǎn)換教案_第1頁(yè)
第一章太陽(yáng)能和光電轉(zhuǎn)換教案_第2頁(yè)
第一章太陽(yáng)能和光電轉(zhuǎn)換教案_第3頁(yè)
第一章太陽(yáng)能和光電轉(zhuǎn)換教案_第4頁(yè)
第一章太陽(yáng)能和光電轉(zhuǎn)換教案_第5頁(yè)
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新余學(xué)院課程名稱:太陽(yáng)電池材料授課班級(jí):10光伏發(fā)電2班授課時(shí)間:2011.8--2011.12授課教師:歐惠授課學(xué)時(shí):68學(xué)時(shí)課程所屬系部:新能源科學(xué)與工程學(xué)院課程所屬教研室:光伏材料教研室

第一章太陽(yáng)能和光電轉(zhuǎn)換課時(shí):2教學(xué)目標(biāo):通過本章的學(xué)習(xí),了解太陽(yáng)能的基本概念,人類利用太陽(yáng)能的多種方式,太陽(yáng)能對(duì)人類的意義,以及太陽(yáng)能光電的研究和應(yīng)用歷史。教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn):太陽(yáng)能輻射和吸收。教學(xué)內(nèi)容:隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展,人與自然的矛盾也愈來愈突出。目前全世界范圍面臨的最為突出的問題是環(huán)境與能源,即環(huán)境惡化和能源短缺。解決這一問題最為有效的方法:發(fā)展新材料及相應(yīng)的技術(shù)。隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步,太陽(yáng)能材料愈來愈顯示了誘人的發(fā)展前景。這一新型功能材料的發(fā)展,既可解決人類面臨的能源短缺,又不造成環(huán)境污染。盡管太陽(yáng)能材料的成本還較高和性能還有待進(jìn)一步提高??梢灶A(yù)見,在下個(gè)世紀(jì),太陽(yáng)能材料將扮演更為重要的角色。就象半導(dǎo)體等功能材料的發(fā)展帶來電信和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展一樣,太陽(yáng)能材料及相關(guān)技術(shù)也將帶來太陽(yáng)能器件的產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展,使人類在環(huán)境保護(hù)和能源利用兩方面的和諧達(dá)到更加完善的境界。1.1太陽(yáng)能太陽(yáng)內(nèi)部處于高溫、高壓狀態(tài),不斷地進(jìn)行著核聚變反應(yīng),釋放的輻射能,其中約二十億分之一到達(dá)地球大氣層,是地球上光和熱的源泉。根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論,通過熱核反應(yīng),質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量,E=mc2(m為物質(zhì)的質(zhì)量,c為真空中的光速3×108m/s),質(zhì)量虧損→太陽(yáng)能。太陽(yáng)每秒鐘要損失大約400萬噸的質(zhì)量,對(duì)于巨大的太陽(yáng)質(zhì)量來說簡(jiǎn)直太微不足道了。從太陽(yáng)誕生到目前的50億年中,太陽(yáng)僅消耗了0.03%的質(zhì)量,即使再過50億年也僅消耗太陽(yáng)質(zhì)量的0.06%。取之不盡用之不竭。1.2太陽(yáng)能輻射和吸收臭氧層對(duì)紫外線的吸收最為強(qiáng)烈;水蒸氣對(duì)能量的吸收最大,約20%被大氣層吸收的太陽(yáng)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(yáng)光。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度取決于太陽(yáng)的高度角、日地距離和日照時(shí)間。高度角:太陽(yáng)高度角愈大,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度愈大。太陽(yáng)高度角因時(shí)、因地而異。一日之中,太陽(yáng)高度角正午大于早晚;夏季大于冬季;低緯地區(qū)大于高緯度地區(qū)。日地距離:是指地球環(huán)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí),由于公轉(zhuǎn)軌道呈橢圓形,日地之間的距離則不斷改變。地球上獲得的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與日地距離的平方呈反比。地球位于近日點(diǎn)時(shí),獲得太陽(yáng)輻射大于遠(yuǎn)日點(diǎn)。據(jù)研究,1月初地球通過近日點(diǎn)時(shí),地表單位面積上獲得的太陽(yáng)輻射比7月初通過遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)多7%。日照時(shí)間:太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與日照時(shí)間成正比。日照時(shí)間的長(zhǎng)短,隨緯度和季節(jié)而變化。海拔高度:海拔高,空氣稀薄,大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用弱,到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射就強(qiáng);反之,則弱。如青藏高原成為我國(guó)太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的地區(qū)。就全球而言,以非洲、澳大利亞、中東、中國(guó)西藏和美國(guó)西南部的太陽(yáng)能資源最為豐富。就我國(guó)而言,太陽(yáng)能資源十分豐富。其中青藏高原最好,(居世界第二,僅次于撒哈拉沙漠),因?yàn)槠淠厦媸呛0渭s7000-8850m的喜馬拉雅山脈,阻擋著印度洋的水蒸氣,海拔高又空氣稀薄。四川盆地相對(duì)較差,因?yàn)樵朴晏鞖舛?。?duì)一個(gè)具體地理位置而言,太陽(yáng)對(duì)地球表面的輻射取決于地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)、大氣層的吸收與反射以及氣象條件(陰、晴、雨)等。距離太陽(yáng)一個(gè)天文單位處,垂直輻射到單位面積上的輻照通量(未進(jìn)入大氣層前)為一常數(shù),稱之為太陽(yáng)常數(shù)。其值為1.338kW·m~1.418kW·m,在太陽(yáng)電池的計(jì)算中通常取1.353kW·m。由于太陽(yáng)入射角不同,穿過大氣層的厚度隨之變化,通常用大氣質(zhì)量(airmass,AM)來表示。并規(guī)定,太陽(yáng)光在大氣層外垂直輻照時(shí),大氣質(zhì)量為AM0,太陽(yáng)入射光與地面的夾角為90°時(shí)大氣質(zhì)量為AM1。其他入射角的大氣質(zhì)量可以用入射光與地面的夾角θ的關(guān)系表達(dá),即AM=1/cosθ當(dāng)太陽(yáng)的天頂角θ為48.19°時(shí),為AM1.5。海平面上任意一點(diǎn)和太陽(yáng)的連線與海平面的夾角叫天頂角。一般在地面應(yīng)用的情況下,如無特殊說明,通常是指AM1.5的情況。1.3太陽(yáng)能光電的研究和應(yīng)用歷史1.3.1太陽(yáng)能利弊分析優(yōu)點(diǎn):(1)普遍;(2)無害;(3)巨大;(4)長(zhǎng)久。缺點(diǎn):(1)分散性;(2)不穩(wěn)定性;(3)效率低和成本高。1.3.2太陽(yáng)能的利用三大技術(shù)領(lǐng)域(1)光化學(xué)轉(zhuǎn)化:太陽(yáng)輻射下,物質(zhì)發(fā)生化學(xué)、生物反應(yīng)。例如植物的光合作用,水+CO2→有機(jī)物+O2。(2)光熱轉(zhuǎn)化:通過反射、吸收等方式收集太陽(yáng)能輻射能,使之轉(zhuǎn)化為熱能。如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能灶、太陽(yáng)能干燥器、太陽(yáng)能溫室等。(3)光電轉(zhuǎn)化:利用光電轉(zhuǎn)換器件如太陽(yáng)電池板等將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)電池應(yīng)用廣泛,人造衛(wèi)星、鐵路信號(hào)、電視信號(hào)、太陽(yáng)能電站等等。1.3.3太陽(yáng)能的應(yīng)用歷史人類利用太陽(yáng)能已有3000多年的歷史,但將其作為一種能源和動(dòng)力加以利用,只有300多年歷史。傳說阿基米德曾經(jīng)利用聚光鏡反射陽(yáng)光,燒毀了來犯的敵艦。清朝肖開泰,從這個(gè)故事得到啟發(fā),研制一面聚光鏡,制作烤鴨,沒有煙火味,這是我國(guó)最早的太陽(yáng)灶。近代太陽(yáng)能利用歷史可以從1615年法國(guó)工程師所羅門·德·考克斯在世界上發(fā)明第一臺(tái)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)算起。該發(fā)明是一臺(tái)利用太陽(yáng)能加熱空氣使其膨脹作功而抽水的機(jī)器。在1615年~1900年之間,世界上又研制成多臺(tái)太陽(yáng)能動(dòng)力裝置和一些其它太陽(yáng)能裝置。這些動(dòng)力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽(yáng)光,發(fā)動(dòng)機(jī)功率不大,工質(zhì)主要是水蒸汽,價(jià)格昂貴,實(shí)用價(jià)值不大,大部分為太陽(yáng)能愛好者個(gè)人研究制造。20世紀(jì)的100年間,太陽(yáng)能科技發(fā)展歷史大體可分為七個(gè)階段,下面分別予以介紹。第一階段(1900-1920)起步:重點(diǎn)是太陽(yáng)能動(dòng)力裝置,如抽水裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵等第二階段(1920-1945)低潮:礦物燃料的開發(fā)利用及二戰(zhàn)爆發(fā)第三階段(1945-1965)發(fā)展:加強(qiáng)了太陽(yáng)能基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)材料的研究,取得了太陽(yáng)能選擇性涂層和硅太陽(yáng)能電池的重大突破。第四階段(1965-1973)停滯不前:不成熟,投資大,效果不理想,難以與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)。第五階段(1973-1980)大發(fā)展:石油危機(jī)第六階段(1980-1992)再次停滯:石油價(jià)格回落第七階段(1992-至今)走出低谷:礦物能源導(dǎo)致環(huán)境污染和生態(tài)破壞。自20世紀(jì)70年代以來,太陽(yáng)電池的全球平均年增長(zhǎng)率為30%以上,生產(chǎn)成本以平均速度7.5%下降。1.4太陽(yáng)電池的研究和開發(fā)太陽(yáng)能電池分類1)按結(jié)晶狀態(tài):結(jié)晶系薄膜式(分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形)和非結(jié)晶系薄膜式2)按材料:硅太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的,在應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。1.4.1硅系太陽(yáng)能電池1)單晶硅太陽(yáng)能電池硅系列太陽(yáng)能電池中,單晶硅大陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟,在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。在實(shí)驗(yàn)室中,轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到24.7%,規(guī)模生產(chǎn)15%,期望在不久的將來能接近17-20%。但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響,致使單晶硅成本價(jià)格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料,尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品,現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)能電池,其中多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池就是典型代表。2)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池,而效率高于非晶硅薄膜電池,其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%,因此,它不久將會(huì)在太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。3)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低重量輕,轉(zhuǎn)換效率較高,便于大規(guī)模生產(chǎn),有著極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng),穩(wěn)定性不高,直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題,那么,非晶硅大陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。1.4.2多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池為了尋找單晶硅電池的替代品,人們除開發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池外,又不斷研制其它材料的太陽(yáng)能電池。多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池材料為無機(jī)鹽,其中主要包括:1)硫化鎘(CdS)、碲化鎘(CdTe)效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池高,成本較單晶硅電池低,易于大規(guī)模生產(chǎn),但由于鎘有劇毒,會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染,因此并不是晶體硅太陽(yáng)電池最理想的替代產(chǎn)品。2)砷化鎵III-V族化合物轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%,GaAs材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強(qiáng),對(duì)熱不敏感,適合于制造高效單結(jié)電池,但是GaAs材料價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了其利用。3)銅銦硒CuInSe2薄膜電池(CIS)適合光電轉(zhuǎn)換,不存在光致衰退問題,轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問題是材料的來源,由于銦和硒都是比較稀有的元素,因此,這類電池的發(fā)展又必然受到限制。1.4.3聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池以聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽(yáng)能電池制爸的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好,制作容易,材料來源廣泛,成本底等優(yōu)勢(shì),從而對(duì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能,提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽(yáng)能電池的研究?jī)H僅剛開始,不論是使用壽命,還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品,還有待于進(jìn)一步研究探索。1.4.4納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池納米晶TiO2太陽(yáng)能電池是新近發(fā)展的,優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上,制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5~1/10.壽命能達(dá)到2O年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步,估計(jì)不久的將來會(huì)逐步走上市場(chǎng)。1.4.5有機(jī)太陽(yáng)能電池有機(jī)太陽(yáng)能電池,就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽(yáng)能電池。如今量產(chǎn)的太陽(yáng)能電池里,95%以上是硅基的,剩下的不到5%也是由其他無機(jī)材料制成的。從以上幾個(gè)方面的討論可知,作為太陽(yáng)能電池的材料,III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制備,盡管以它們制成的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率很高,但從材料來源看,這類太陽(yáng)能電池將來不可能占據(jù)主導(dǎo)地位。而另兩類電池納米晶太陽(yáng)能電池和聚合物修飾電極太陽(yáng)能電地存在的問題,它們的研究剛剛起步,技術(shù)不是很成熟,轉(zhuǎn)換效率還比較低,這兩類電池還處于探索階段,短時(shí)間內(nèi)不可能替代應(yīng)系太陽(yáng)能電池。因此,從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源角度講,今后發(fā)展的重點(diǎn)仍是硅太陽(yáng)能電池特別是多晶硅和非晶硅薄膜電池。由于多晶硅和非晶硅薄

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