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光伏对人类的贡献讲解
毕业设计（论文）
题目：
光伏对人类的贡献
专业：
新能源技术及应用
2016年02月27日星期六
摘要
传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。
这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。
这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。
丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源,中国能资源丰富，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。
关键词：
光伏应用；新能源；太阳能；可持续
Abstract
Thetraditionalfuelenergyistoreducedaybyday,thedamagetotheenvironmentisbecomingincreasinglyconspicuous,theworldand2billioncan'tgetaproperenergysupply.Thistime,alltheworldfocusedonrenewableenergy,hoperenewableenergycanchangethehumanenergystructure,maintainlong-termsustainabledevelopment.Amongthesolarenergywithitsuniqueadvantagesandbecomethefocusofpeople'sattentionto.Richsolarradiationisanimportantenergy,ismine,inexhaustible,nopollution,cheap,humanbeingscanfreeuseofenergy,Chinacanrichresources,andthepotentialofsolarenergyresourcesdevelopmentandutilizationareverywide.
Keywords:
thepv-techapplication;Newenergy;Solarenergy;sustainable
摘要................................................................................................................2Abstract....................................................................................................................3
第1章 绪论
太阳对人类的重要影响可以追溯到人类历史的起源。
这是人类发展史中的一个普通的和重要的阶段。
美洲的阿药持克人和更早的人，祟拜过太阳；大洋洲人，欧洲掐洛伊人，中国人和古代埃及人都崇拜过太阳；事实上，所有伟大的早期农业文化，都经历了不同形式对太阳的崇拜。
当人类开始利用土地，并受益于太阳时，就开始祟拜太阳了。
如今人们开始重视太阳对人类的影响并利用其以改善我们的生存环境。
1．1 太阳能的利用途径
太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉。
自然界中的燃料能、风能、水能等皆来源于太阳能。
人类直接利用太阳能、已有上千年的历史。
而利用的主要途径主要有以下几种：
（1）光热转换它是靠吸收太阳辐射的光能直接转换为热能的。
这种途径虽然古老，但发展的最成熟、普及性最广、工业化程度很高。
光热转换提供的热能一般温度都较低，小于或等于100℃。
较高一些的也只有几百摄氏度。
显然，它的能源品位较低，适合于直接利用。
（2）光电转换将太阳辐射的光能根据“光电转换”原理把光能变成电能再加以利用，常称“光伏转换”。
这是近几十年才发明和发展起来的。
由于电能的位品相当高，所以它的应用领域最宽、范围最广、工业化程度最高、发展最快且前景十分乐观。
（3）光化学转换通过光化学作用转换成电能或制氢。
它也是利用太阳能的一个途径。
二三十年前有不少人对此作了许多研究。
近来报道不多。
目前仍处于研究、开发阶段。
（4）光生物转换通过光合作用收集与储存太阳能。
近来在这方面的研究有所增加，人们期盼出现突破性的进展。
1．2 太阳能的特点
随着社会的发展和人类文明进步，太阳能将会扮演愈来愈重要的角色；之所以如此，是因为它有许多独到之处。
太阳辐射能与常规能源及核能相比有下列几个特点：
（1）太阳能的广泛性
太阳辐射到处皆是，就地可用，无需运输或输送。
可算是取之不尽、用之不竭的巨大的源，这对于山区、沙漠、海岛等落后的偏僻边远地区更显示出它的优越性，用户只要一次投资建造好太阳能系统之后，平时的维持费用远比其它任何能源都小得多。
（2）太阳能的清洁性
矿物燃料在燃烧时会放出大量的各种气体，核燃料工作时要排出放射性废料，它们都会使环境受到污染。
利用太阳能可以大大减少环境污染，因此称太阳能为清洁能源。
（3）太阳能的分散性
太阳辐射尽管遍及全球，但每单位面积上的入射功率却很小，也就是说它虽然是一个巨大能源，同时其单位能量密度小又是一个“贫矿”。
因此要得到较多的能量，就必须要庞大的受光面积。
对于大的太阳能系统要涉及到设备的材料、结构、占用土地等问题。
（4）太阳能的间歇性
太阳能高度角一日及一年内在不断变化，且与地面的纬度有关，即使没有气象的变化，太阳辐射的变化也相当大。
就一地而论，一天24小时内太阳辐照度变化很大，再加上气象变化如阴雨天日照更少，因此太阳能的可用量是很不稳定的．也就是说随机性性很大。
当利用太阳能发电时，一般配备相当容量的储能设备，如蓄电池组等，这不仅增加设备及维持费用，而且也限制了功率的规模和降低了整个系统的效率。
’
（5）太阳能的地区性
辐射到地球表面的太阳能，随地点不同而有所变化，它不仅与当地的地理纬度有关，还与当地的大气透明度（污染、混浊等）和气象变化等诸多因素有关。
（6）太阳能的永久性
太阳辐射已经进行了几十亿年，据估计太阳的寿命大约仍有5×109年，因此相对而言可以认为它是—个永久性能源。
总的来说，利用太阳能有其巨大的优点，但也有严重的缺点，因此在考虑太阳能利用时、不仅废从技长方面考虑，还应从经济、环境保护、生态、居民福利特别是国家建设的整体方针来全面考虑研究。
1．3 太阳能电池
太阳能电池是一种利用光电转换效应把光能转变为电能的器件，也称光伏器件。
一般来说，这种效应是指吸收光能，产生电动势的现象。
太阳能光伏发电系统包括太阳能电池/组件、蓄电池、控制器和逆变器。
其中又以太阳能电池/组件最为重要，图1．1、图1．2是太阳能电池的外形和结构示意图。
图1．1 太阳能电池
图1．2 太阳能电池结构示意图
1.4 太阳能电池的应用领域
太阳能电池最早应用于空间，至今宇宙飞船和人造卫星等空间飞行器的电力，仍然主要依靠太阳能光伏发电系统来供给。
20世纪70年代以后，太阳能电池在地面得到了广泛应用，目前已遍及景观照明、城市亮化、铁路交通、水利气象、邮电通信、广播电视、军事国防和并网调峰等各领域。
随着太阳能电池新材料领域科学技术的发展和太阳能电池更先进的生产工艺技术的发展，一方面晶体硅太阳能电池的效率将更高、成本将更低，另一方面性能稳定、转换效率高、成本低的薄膜太阳能电池等将被研制开发成功并投入商品化生产。
图1．3 各类太阳能电池产品
第2章 太阳能电池的工作原理
太阳电池的原理，是光电转换效应。
一般来说，这种效应是指吸收光能，产生电动势的现象。
不仅是固体，在液体、气体中也常常可以观察到。
但是从产生能量观点来看，光电转换效应，有效的只是固体，特别是半导体。
因此这里以半导体为例说明太阳电池的工作原理。
2．1 半导体原理
理论上讲，无论是固体、液体还是气体都有一定的将光转换为电的能力，但转换能力的差别极其大，可能差几个、几十个或几百个数量级。
在固体中，尤其在半导体内，其光电转换的效率相当高。
人们把太阳辐射光直接转换为电能的器件称为太阳电池。
太阳电池是一固态半导体器件。
它完全依靠内部的固体结构实现光转换为电的，没有任河活动部件。
1．能级
从《物理学》中我们知道原子的结构是以壳层形式按—定规律分布的。
原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层．电子只能在壳层里绕核转动。
在稳定状态．每个壳层里运动的电子具有—定的能量状态。
所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。
一个能极亦表示电子的一种运动状态。
所以能态、状态和能级的含义相同。
原子中电子的运动状态（能级）由四个量子数来确定；分别是主量子数n、副（角）量子数l、磁量子数m和自旋量子数ms。
2．能带
固体中原子的能级结构和孤立原子的不同，形成所谓“能带”。
能带的形成是固体中原子相互影响的结果。
从量子力学的观点来看，原子中电子本无确定的轨道；之所以使用轨道一词，实际上是指电子出现几率较大之处。
所谓内层轨道是指在原子核附近电子出现几率较大之处，而外层轨道则指在原子核外围电子出现几率较大之处。
图2．1 锗原子的电子壳层示意图
电子在原子中的运动状态是由n、l、m、ms，决定的，并且可以用能级来描绘电子所可能的运动状态。
例如，锗原子中电子的分布情况可以用1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10，4s2，4p2来描述。
如图2．1所示，最内的电子壳层（n＝1、l＝0）有2个电子；第二个电子壳层有两个分层（n＝2；l＝0，1），分别有2个和6个电子；依次类推。
能级如图2．2所示，对于不同的电子壳层，能级之间的能量差值较大，而相应于同一电子壳层的不同分层．能级之间的能量差值较小。
在锗原子中．第一、第二和第三电子壳层是填满的；与原子核距离较近，结合也较牢固，称为内（层）电子。
而第四
电子壳层是未填满的，距离原子核较远，结合也最弱。
未填满电子的最外壳层中的电子数决定这一元素的化学性质；这些电子称为价电子。
价电子所处的基态能级叫做价级。
价电子经激发后，可以跃迁到价级以上的空能级中去。
这些空能级称做激发能级（相应于激发层轨道）。
为简单起见，在图2．2中价级只画一条横线来表示。
图中最上方是游离级．表示电子可以自由运动的游离状态。
在晶体中，如果认为各个原子是完全孤立的，那么，各个原子的相应能级的能量应完全相等。
换句话说．相应的能级重叠在—起，成为简并能级。
但事实上当原子结合为晶体时、每一原子中的价电子除受本身原子核及内层电子的作用外，还受到其它原子的作用。
当原子相互接近形成晶体时．不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠；相邻原子最外壳层交叠最多．内壳层交叠较少。
原子组成晶体后。
由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上。
可以由一个原子转移到相邻的原子上去。
因而，电子将可以在整个晶体中运动。
这种运动称为电子的共有化运动。
应该指出，因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层间转移。
所以共有化运动是指不同原子中的相似轨道上的电子的转移。
例如2p支壳层的交叠，3s支壳层的交叠，如图2．3所示。
也可以说．结合成晶体后，每一个原子能引起“与之相应”的共有化运动。
例如3s能级引起“3s”的共有化运动；2p能级引起“2p”，的共有化运动等等。
由于内外壳层交叠程度差异较大．所以，只有最外层电子的共有化运动才显著。
图2．2 锗原子的能级简图
图2．3 电子共有化运动示意图
由于电子共有化运动，当N个原子相接近形成晶体时，原来单个原子中每个能级分裂成N个与原来能级很接近的新能级。
而电子则具有某一新能级的能量，在晶体点阵的周期性场中运动。
在实际晶体中，原子数目N非常大，同时新能级又与原来能级非常接近，所以两个相邻的新能级间能量差非常小．其数量级是10-22eV，几乎可以认为是连续的。
这N个新能级具有一定的能量范围，故称为能带。
可见，能带是能级分裂的结果。
如图2．4所示。
能级分裂形成的能带有两个特点：
图2．4 能级的分裂
1）能带内电子的能量是连续变化的，或者说电子的能态是连续分布的（在孤立原子内，核外电子绕核运动，受原子核束缚。
电子只能取一系列不连续的能量状态，形成一系列分立的能级，量子化）。
原因是作用于电子的粒子数很多，且又分布在它的四周空间。
2）原来的一个能级分裂成一个能带：
不同的能级分裂成不同的能带。
价电子共有化运动形成一个能带．使其处于价级分裂后的这些能级上，价电子这样的能带、叫做价带。
价带的宽度约为几个电子伏特（eV）。
如果价带中所有的能级都按泡利不相容原理填满了电子，则成为满带。
激发能级也同样分裂成为能带。
一般地讲，激发能带中没有电子，所以称做空带。
但是价电子有可能经激发后跃迁到空带中而参与导电，所以空带亦称导带或自由带。
在两个相邻的能带之间（如满带与导带之间），可能有一个不被允许的的量间隔（此间不存在能级），这个间隔称为禁带。
电子不具有禁带范围内的能量。
需指出，许多实际晶体的能带与孤立原子能级间的对应关系并不都象上述的那样简单，因为一个能带不一定同孤立原子的某个能级相当，即不一定能区分s能级和p能级所过渡的能带。
例如有时两个分立的能级会互相交杂；或变为互相叠合的能带而禁带消失；或分裂为另外两组能带。
这种过程称为轨道的杂化。
许多实际晶体存在轨道杂化现象。
3．本征半导体和掺杂半导体
本征半导体纯净半导体的禁带一般都比较窄。
在绝对温度零度时，能带结构如图2．5a所示。
满带中填满电子，而导带中没有电子。
在外电场作用下，如果满带仍然是填满电子的，外电场不能改变满带中电子的量子状态，也就是不能增加电子的能量和动量，因而不能产生电子的定向运动，不会产生电流。
如果加强电场，或者利用热或光的激发，使满带中的电子获得足够的能量，大于其禁带宽度Eg，而跃迁到导带中去如图2．5b。
这样，半导体则可导电。
需要说明，不但在导带中构成了导电的条件，同时在满带中也构成了导电条件。
在导带中，由于自由电子的存在而引起的导电性，称为电子导电性。
在满带中，导电虽然是由于电子运动而引起的，但是性质与电子导电的情况有所不同。
它是“空穴”（空穴只有在基本上填满了的满带中才有意义）的反方向运动导电的，满带中的这种导电性，称为空穴导电性。
对于纯净的半导体，在电子导电的同时，必然也有空穴导电。
图2．5 本征半导体的能带简图
这两种导电机构所给出的电流都在外电场的方向上。
这种半导体具有电子在导带中和空穴在满带中相互并存的导电机构，称为本征导电，具有本征导电的半导体称为本征半导体；简单地说，绝对纯净的且没有缺陷的半导体称为本征半导体。
如硅、锗、研等都是这一类的半导体。
非常纯的硅是本征硅。
在本征硅中，导电的电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的。
这时的电子浓度n等于空穴浓度p，这个浓度称为本征载流子浓度n1，n1随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小，在室温时硅的n1约为1010/cm3。
掺杂半导体根据需要可以在纯净半导体晶体点阵里，用扩散的方法掺入少量的其他元素的原子。
所掺入的原子，对半导体基体而言，叫做杂质。
掺有杂质的半导体，称为掺杂半导体。
掺杂半导体一般可以分为两类：
第一类是在四价元素如硅或锗半导体中掺入少量的五价元素如磷、锑或砷等杂质。
四价元素的原子具有四个价电子，而所掺入的杂质原子将在晶体中替代硅或锗原子的位置，构成与硅或锗相同的四电子结构，结果杂质原子成为具有净正电荷＋e的离子，所多余的一个电子在杂质离子的电场范围内运动。
理论计算证明这种多余的价电子的能级将在禁带中，而靠近导带的边缘。
因此，这种能级又称为局部能级。
这种掺杂半导体的能带与局部能级如图2．6a所示。
靠近导带的短细线表示杂质的多余电子在禁带中所形成的掺杂局部能级。
杂质价电子在局部能级中，并不参与导电。
但是，在受到热激发时，很容易跃迁到导带中去，所以这些局部能级又叫做施主能级，用ED表示。
半导体施主能级与导带底Ec之间的能量差值ΔED，显然比禁带宽度Eg小得多。
根据实验的结果，ΔED的量值一般仅为百分之几的电子伏特。
温度不必很高，施主能级中的电子就可被激发而跃迁到导带中去。
因此，这种半导体中杂质原子的数目虽然并不多，但是在常温下导带中的自由电子浓度，却比同一温度下纯净半导体导带中的自由电子浓度要大好几倍，这就大大地减小了半导体的电阻。
这种半导体的导电机构是由杂质中多余电子经激发后跃迁到导带中去而形成的。
这种掺杂半导体通常称做电子型（n型）半导体。
例如在硅中加入V族元素（如磷）以后，见图2．7a，在硅的晶格中的一个磷原子的四个电子与周围四个硅原子的电子形成共价键，还剩一个价电子不能被安排在硅晶格正规价键结构中，因此游离而使磷原子电离。
这样磷在硅中的电离能比硅的禁带宽度小很多，只有0．044eV。
室温下硅原子的热运动动能已足以使它电离，除非在高搀杂情况（浓度＞1019／cm3）。
硅中的V族元素在室温下全部电离而提供同等数量的导电电子，这种提供电子的杂质称为施主，在室温下可以认为电子浓度n≈ND，ND为施主浓度。
第二类掺杂半导体是在硅或锗的纯净晶体中，掺人少量的三价元素如硼或铟的杂质原子。
在硅中加进Ⅲ族元素（如硼）以后，一个硼原子在晶格中与周围四个硅原子构成共价健时，缺少一个价电子，因而很容易从别处夺来一个价电子自身电离成负离子，如图2．7b所示。
那么也就可以认为硼原子带着一个很易电离的空穴，电离能为
图2．6掺杂半导体能带简图
0.045eV。
在能带图中，这种杂质局部能级接近于价带顶Ev，价带与杂质局部能级之间的能量差值ΔEA，根据实验结果，一般也不到0．1eV，热运动动能就可使空穴跳至价带。
在室温下硅中的Ⅲ族元素原子将全部电离，而向价带提供了同等数量的空穴。
在半导体中，从半导体接受电子的杂质称为受主。
与之相应的能级称为受主能级．用EA表示。
这种杂质半导体的导电机构基本上决定于价带中空穴的运动．所以称为空穴型（p型）半导体。
p型半导体中空穴浓度较纯净晶体中空穴浓度增加几倍．所以也大大地减小了半导体的电阻。
全部电离时，空穴浓度p≈NA，NA为受主浓度。
实际半导体中．不同的杂质和缺陷都可能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，比电子从价带直接跃迁到导带去来得容易。
因而虽然有少量杂质存在，却会显著地改变导带中的电子数和价带中的空穴数，从而显著地影响半导体的电导率。
适当的杂质可使我们得到需要的导电类型，但是，不适当的杂质也可以使半导体成为废物，因而在掺杂之前必须将半导体提纯。
图2．7掺杂硅的原子和能带图
2．2 光生伏特效应
1．平衡p-n结
当p型半导体和n型半导体紧密结合联成一块时，在两者的交界面处就形成p-n结。
实际上，同—块半导体中的p区和n区的交界面就称为p-n结。
设二块均匀掺杂的p型硅和p型硅．掺杂浓度分别为Np和Nn。
室温下．B〔硼Ⅲ族元素）、P（磷Ⅴ族元素）原子全部电离。
因而在p型硅中均匀分布着浓度为Pp的空穴（多子），及浓度为Np的电子（少子）。
在n型硅中类似地均匀分布着浓度为nn的电子（多子）．及浓度为Pn的空穴（少子）。
当p型硅和n型硅互相接触时，如图2．8a所示，由于结（交界面）两侧的电子和空穴的浓度不同，结附近的电子就强烈地要从n侧向p侧方向作扩散运动．空穴则要向相反的方向----从p侧向n侧方向作扩散运动；结附近n侧的电子流向p区后，就剩下了一簿层不能移动的电离磷原子P+。
如图3．11b，形成一个正电荷区，阻碍n区电子继续流向p区．也阻止p区空穴流向n区。
类似的过程也使结附近p侧附近剩下一薄层不能移动的电离硼原子B，它阻碍p区空穴向n区及n区电子向p区的继续流动。
于是界面层两侧的正、负电荷区形成了一个电偶层，称为阻挡层，如图2．8b所示、因为电偶层中的电子或空穴几乎流失或复合殆尽，所以阻挡层也称作耗尽层。
又因为阻挡层中充满了固定电荷，故又称空间电荷区。
其中存在由n区指向p区的电场，称为“内建电场”。
图2．8 平衡p-n结的电性图
内建电场存在表明空间电荷区中存在电位梯度，也就是说空间电荷区两边的电位是不相等的。
注意到电场方向是从n区指向p区的，说明n区的电位要比p区的电位高．高出的数值用VD表示，称VD是p型和n型之间的接触电位差．如图2．8c所示。
p-n结两边的电位不等，导致它们的电势能也不等。
对于带负电的电子，电位低的地方电势能高；p-n结p型一边的电势能要比n型一边高出∣-qVD∣。
p区的能带相对于n区的能带整体地向上拉了∣-qVD∣高度．如图图2．8d所示。
结果使p-n结的能带在空间电荷区发生弯曲。
弯曲的能带对于从n区向p区运动的电子或从p区向n区运动的空穴都有阻挡作用，因为它们必须爬过势能的高度才能进入另一区域。
这是从感观解释空间电荷区起阻挡层的作用。
图2．8e是空间电荷区电荷分布；图2．8f空间电荷区电场强度分布，可以看到极大值εmax出现在n区和p区接触面上；图2．8g各区载流子分布，图2．8h为p-n结的能带结构。
2．非平衡p-n结
在平衡p-n结中，由内建电场VD作用下形成的漂移电流等于由载流子浓度差形成的扩散电流，而使p-n结中净电流为零。
外加电场会增加扩散电流，使p-n结处于非平衡状态。
若p区接正，n区接负，则外加电压VR与VD反向．VR称为正向电压。
正偏时结势垒高度减低为q（VD-VR），于是n区中有大量电子扩散到p区．p区也有大量空穴扩散到n区，形成出p指向n的可观的扩散电流．也称正向电流。
随着正向电压的增加，p-n结中扩散电流大大超过由p-n结中剩余的电势VD-VR作用下形成的漂移电流，于是得到如图2．9中第一象限所示的正向电流电压特性．又称正向伏安特性。
图2．9 p-n结的整流特性和太阳电池的明暗特性
若p区接负，n区接正，则外加电压VR与VD同向，VR称为反向电压。
此时，势垒高度增加为q（VD+VR）．势垒宽度也增加，于是n区中的电子及p区中的空穴都难于向对方扩散。
相反，增强了少子的漂移作用，把n区中的空穴驱向p区，而把p区中的电子拉向n区，在结中形成了由n指向p的反向电流；因少于数目较少，所以反向电流一般都很小。
图2．9中第三象限示出了p-n结的反向电流电压特性，也称反向伏安特性。
p-n结正、反向导电性很悬殊的差别即是p-n结的整流特性。
3．p-n结的光照特性
以硅材料的p-n结为例作一叙述，当p-n结受光照射时，能量大于硅禁带宽度的光子进入p-n结中，在n区、耗尽区和p区中激发出光生电子-空穴对。
光生电子-空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离．光生电子被送进n区，光生空穴则被推进p区。
根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为零，即p＝n＝0。
在n区中，光生电子-空穴对产生以后，光生空穴使向p-n结边界扩散，一旦到达p-n结边界，便立即受到内建电场作用．被电场力牵引作漂移运动，越过耗尽区进入p区，光生电子（多子）则被留在n区。
p区中的光生电子（少子）同样地先因扩散、后因漂移而进入n区，光生空穴（多子）留p区。
如此便在p-n结两侧形成了正、负电荷的积累，产生了光生电压，这就是“光生伏特效应”。
当光电池接上一负载后，光电流应从p区经负载流至n区，负载中即得到功率输出。
在具体应用中，是采用平板式还是采用聚光式采光，它与当地的气象条件和经济性有很大关系。
在美国，其水平面上的日总辐射中，直射光占据的比例大，相对较多的开发了聚光式或平板型跟踪式；在日本，散射光占据的比例大，跟踪方式的优点不明显，大多选用平板固定式采光方式；我国纬度跨度较大，直射与散射光的比例各不相同，仅从此点考虑较难确定采用哪种采光方
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