第一章太附电池和太阳光 1.1引 太阴电池利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电 能。在以下几章里,将从太阳电池工作的基本物理原理出发研究 这个微妙的能量转换过程,以此为基础,推导了定量表示能量转 换关系的数学公式。接着,叙述了目前商的、以半导体硅为主 休材料的太阳电池的生产工艺和该工艺的改进,以及可能明显降 低成本的一些工艺。最后,讨论了太阳电池系统的设计,涉及 的范圈从应用于边远地区的小型电源到将来可能应用的住户用电 和中心电站。 木章要地回顽了太电池的发展历史,叙述了太阳及其辐 射的特性。 12太阳电池发展概况 太电池依靠光伏效应工作。1839年贝克尔( Becquerel) 首先报导了这一效应,他观察到浸在电解液中的电极之问有光致 电压。1876年,在硒的全固态系统中也观察到了类似现象。随 后,发展了以硝和氧化亚为材料的光电池。虽然1941年就有 了关于硅电池的报导,但宜到1954年才出现了现在的硅电池的 第一代产品。因为它是第一个能以适当效率将光能转为电能的光 伏装置,所以它的出现标志着太阳电池研制工作的重大进展。早 在1958年,这种电池就用作宇宙飞船的电源。到60年代初,供 空间应用的电池的设计巳经成熟。此后十多年,太阳电池主要用 于空河。这个阶段更详细的情况见参考文献(.1)。 70年代初,硅电池的发展经历了一个革新阶段,能量转换效
率得到明显提高。大约与此同时,人们对太阳电池的地面应用重 又发生了兴趣。到70年代末,地面应用的太阳电池的数量已超过 了空间应用的数量。成本也随着生产量的增加而明显下降。80年 代初,出现一些新的工艺,这些工艺正通过试生产进行评价,这 就为后十年进一步降低成本做好准备。随着成本的不断降低,这 种通过光伏效应利用太阳能的方法的商业应用范围会越来越大。 1.3阳光的物理来源 来自太阳的辐射能对球地上的生命是必不可少的。它决定地 球表面的温度,而且实际上提供了球地表面和大气层中自然过程 的全部能量。 太阳实质上是一个由其中心发生的核聚变反应所加热的气体 球。热物体发出电磁辐射,其波长或光谱分布由该物体的温度所 决定。完全的吸收体,即“黑体”,所发出的辐射的光谱分布由 普朗克辐射定律确定,2),如图1.1所示,这个定律表明,当物 体被加热时,不仅所发出的电磁辐射总能量增加,而且发射的峰 值波长也变短。我们几乎都有这样的经验,当金属被加热时,随 着温度升高,其颜色由红变黄,这就是一个例证。 据估计,太阳中心附近的温度高达2000000K。然而,这 并不是决定太阳电磁辐射的温度。来言太阳深处的强烈辐射大部 分被太阳表面附近的负氢离子层所吸收。这些离子对很大波长范 围的辐射起着连续吸收体的作用。这个负氢离子层积聚的热量引 起了对流,通过对流,将能量传过光阻挡层(图12)。能量一旦 传过光阻挡层之大部分,就重新被辐射到较易透射的外层气体 中。这个将对流传热转为辐射传热的界限明显的层就称为光球。 光球层的温度比太阳内部的温度低得多,但仍然高达6000K。光 球层的辐射光谱基本上是连续的电磁辐射光谱,它和预期的黑体 在此温度下的辐射光谱很接近
6000K 8 4500KR3× 04 300oK10X 0 10 1.5 20 2.5 波长{m 图1.1不同黑体温度的普朗克黑体辐射分布 变反应区,H 氢离子吸收层 对流传热区 光球 图1.2太阳的主要特征 1.4太阳常数 在地球大气层之外,地球一太阳平均距离处,垂直于太阳光 方向的单位面积上的辐射能基本上为一常数。这个辐射强度称为 太阳常数,或称此辐射为大气质量为零(AMO)的辐射,其理
由将在下面叔述。 目前,在光伏工作中采用太阳常数值是1.353kW/m 这个数值是由装在气球,高空飞机和宇宙飞船上的仪器的测量值 加权平均而确定的口3)。从图1.3最上面的两条曲线可以看出, AM0的辐射光谱分布不同于理想黑体的光谱分布。这是由于诸 如太阳大气层对不同波长的辐射有不同的透射率这样一些影响造 成的。目前采用的分布值见参考文献1.3中的表。阴光能量的精 确分布对于太阳电池的工作很重要,因为这些电池对于不同波长 的光有不同的响应 25 20 6000K黑体 ∠AM辐射 10 AM15辐射 08 10 ,41.61.82 波长 图1.3光的光谱分布 图中示出AM和AM15辐射的光谱分布,同时丕示出假定太阳是600K的 屬体时所预期的太阳辐射的光谱分布。 (*原文为能量分布,这里愚译成习惯用法—泽者) 15地球表面的阳光强度 阳光穿过地球大气层时,至少衰减了30%造成衰减的原因 国际上现巴改为1,367±0.07kW/m:。一译者
是 <I.3 1.瑞利散射或大气中的分子散射。这种散射对所有波长的 太阳光都有哀减作用,但对短波长的光衰减最大。 2.悬浮微粒和灰尘引起的散射。 3.大气,特别是其组成气体——氧气、臭氧、水蒸气和二 氧化碳的吸收 图1.3中最下面的(线表示到达地球表面的阳光的典型光谱 分布,同时示出与分子吸收有关的吸收带。 衰减的程度变化很大。晴天,决定总入射功率的最重要参数 是光线通过大气层的路程。太阳在头顶正上方时,路程最短。实 际路程和北最短路之称为光学大气质量。太阳在头顶正上方 时,光学大气质量为1,这时的辐射称为大气质量I(AM1)的 幅射。当太阳和头顶正上方成一个角度θ时,大气质量由下式得 出 大气质量= cose (1.1) 因此,当太阳偏离头顶正上方成60°角时,辐射为AM2辐 射。估算大气质量的最简易方法是测量高度为h的竖直物体投射 的阴影长度S。于是, 大气质量=√1+(1)3 (1.2) 在其他大气变量不变的情况下,随着大气质量的增加,到达 地球的能量在所有波段都遭到衰减,在图1.3中的吸收带附近衰 减更为严重。 因此,与地球大气层外的情况相反,地面阳光的强度和光谱 成分变化都很大。为了对不同地点测得的不同太阳电池的性能进 行有意义的比较,就必须确定一个地面标准,然后参照这个标准 进行测量。虽然情况还在不断变动,但在写本书时,最广泛使用 的地面标准是表1.1中的AMt.5的分布,这些数据也已绘制成