太陽能的利用與發(fā)展

太陽能的利用與發(fā)展第1頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第2頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1我們所知道的太陽太陽是整個太陽系里頭最大物體，它所釋放的能量是維持整個地球生命最主要的來源，下圖是太陽與地球的相對大小，基本上，它的特性是很難用地球上的常用的度量單位去描述的。太陽的質(zhì)量約為2×10^30公斤，其直徑大小約為地球的109倍。太陽內(nèi)部最主要的成分為氫與氦，其所占的比例分別為75%及25%左右。太陽中心的密度為1.5×10^5kg/m3,因為熱核反應，不斷的將氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぁ?jù)估計，每秒鐘有3.9×10^45個原子參與這樣的核反應，因而使得產(chǎn)生的能量以光的形式從太陽表面散發(fā)出去。在太陽所釋放的輻射能量中，地球只獨得總輻射量的22億分之一，這相當于1367W/m2，這數(shù)值也就是太陽常數(shù)。太陽的表面溫度可以高達5500℃，其內(nèi)部的溫度更高于此，如此的高溫，這樣的高溫，使得太陽上的所有物質(zhì)都處于放電狀態(tài)。也由此太陽不是固體，因此它的赤道會比高緯度地區(qū)旋轉(zhuǎn)得更快。這種在不同緯度的自轉(zhuǎn)速度之差別會造成了它的磁力線隨時間扭曲，引起磁場回路從太陽表面噴發(fā)，并引起太陽黑子與日珥第3頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月地球相對太陽大小第4頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2太陽輻射從太陽輻射出來的能量非常巨大，是地球生物賴以維生的主要能源。它不僅決定了地表的溫度，也實質(zhì)提供了主導全球自然界系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的能量。不像其他很多星球以X光或無線電波訊號來釋放能量，我們的太陽輻射之光譜，所放射出來的能量90%是位于0.1至3μm之間，大部分屬于可見光范圍。但可見光僅占整個輻射光譜之部分而已（如下圖），紅外線及紫外線也占整個太陽輻射光譜很重要的一部分。太陽輻射光波長、頻率及光子能量的關聯(lián)性第5頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

如上圖，太陽輻射的光線波長在2×10^-7to4×10^-6公尺之間，每一個波長相對應一個光子能量與頻率，越短的波長代表越高的頻率與越大的能量。例如，可見光的范圍是從波長0.3μm之紫外光到波長數(shù)微米之紅外光，若將這些不同顏色的可見光換算成光子能量，則約為0.4ev到4ev之間。對于會照黑我們皮膚的紫外線而言，其能量比可見光還高；而紅外線的能量則比可見光低。若將太陽表面放射出來的能量換算成電力的話，它相當于4×10^20MW左右。下圖是太陽輻射到地球表面之過程示意圖，當太陽能在傳送到地球大氣層以后，有約2%屬于紫外線及其他對人體有害的輻射線會被大氣層上部之臭氧層所吸收，有20%被對流層中之水汽、云層和微塵物所吸收。尚有35%的能量被地面、大氣或云層等反射返回太空中，約剩43%可以直接到達地面。單就到地面的那一部分來講，就等于目前全世界商業(yè)上年用量的13000倍！這些照射在地球的太陽能量之平均電力約為每平方公尺180W左右。如果這些太陽能可以充分被轉(zhuǎn)換成電能的話，可以成為最佳的替代能量來源之一第6頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽輻射到達地表過程反應示意圖第7頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

太陽輻射照射于地表水平面之強度一般叫做日照率，其照射強度因季節(jié)、所處緯度、天氣以及一天中時間之不同而異，可以在每分鐘每平方公分0卡至1.5卡之間。而且一般包括直射之太陽輻射能與散射部分。散射部分在晴天時所占的比率很低，但在陰天可達90%之多。太陽電池對于不同波長、顏色的光線會有所不同的反應，例如硅晶太陽電池可以在整個可見光及部分紅外光下運作。但一些較長波長的紅外光，其能量小于半導體的能隙，所以不足以讓太陽電池產(chǎn)生電流。較高能量的輻射光可以產(chǎn)生電流，但大部分的能量則無法被利用，會以熱的形式消耗掉1.3太陽能發(fā)電的優(yōu)缺點太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)是一個充滿發(fā)展遠景的新興產(chǎn)業(yè)，它具有以下的優(yōu)點和缺點：1.優(yōu)點①太陽能取之不盡，用之不竭。在過去漫長的十億年當中，太陽只消耗了它本身能量的2%而已，照射到地表的1.22×10^17W能源中，已足夠應付人類1.33×10^22W的電力需求。第8頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

②太陽能可以隨地免費取得，沒有運輸?shù)馁M用③太陽能發(fā)電不會產(chǎn)生環(huán)境污染，很環(huán)保、很清潔，且不會消耗其他地球資源或?qū)е碌厍驕厥倚?。④太陽能發(fā)電的使用安全性遠高于其他的發(fā)電方式，且發(fā)電設備的維修簡單⑤在一些取電困難的地點（例如太空或偏遠落后地區(qū)），太陽能發(fā)電的成本反而比較低缺點：①因為發(fā)電密度低，太陽能發(fā)電的設備，必須具有相當大的安裝地面。②太陽能受氣候、晝夜的影響較大。在晚上無法發(fā)電。因此必須配有電力貯存裝置。在高緯度或多云的日照地區(qū)，較不易推廣太陽能發(fā)電。③太陽電池產(chǎn)生直流電，若要轉(zhuǎn)換成交流電，會流失4~12%的能量第9頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4何為太陽能電池太陽電池（solarcell）是一種能量轉(zhuǎn)換的光電元件，它在經(jīng)由太陽光照射后，可以把光的能量轉(zhuǎn)換成電能。從物理學的角度來看，有人稱之為光伏電池（Photovoltaic,簡稱PV）,其中Photo就是光，而Voltaic就是電力（electricity）。1.5太陽電池分類如下圖所示，太陽電池的種類繁多，若依材料的種類來區(qū)分，可分為單晶硅(SingleCrystalSilicon)、多晶硅(PolyCrystalSilicon)、非晶硅(AmorphousSilicon,簡稱a-Si)、Ⅲ-Ⅴ族【包括：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、磷化鎵銦(InGaP)】、Ⅱ-Ⅵ族【包括：碲化鎘(CdTe)、硒化銦銅（CuInSe2）】第10頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽電池的種類第11頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6太陽電池發(fā)展史

雖然人類很早就學會如何將太陽能應用在生活上，然而回顧整個太陽電池的發(fā)展史上，我們可以追溯到最早的太陽電池技術是發(fā)生在1839年，當時的法國物理學家Alexandre-EdmondBecquerel觀察到把光線照到導電溶液內(nèi)，會發(fā)生電流的光伏特效應。但直到1883年，第一個太陽電池才由美國科學家CharlesFritts所制造出來，他是在半導體體材料【硒】上涂一層微薄的金來形成一個簡單的電池，但這得到小于1%的能量轉(zhuǎn)換效率。在1927年利用金屬（銅)及半導體（氧化銅）接合所形成的太陽電池也被提出。接著，在1930年，硒制電池及氧化銅電池已被應用在一些對光線敏感的儀器上，例如光度計及照相機的曝光計，可惜這些早期的太陽電池轉(zhuǎn)換效率都在1%以下。第12頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月法國科學家Alexandre-EdmondBecquerel（1820-1891）第13頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

而現(xiàn)代化的硅制太陽電池，則直到1946年才由一個半導體研究學者RussellOhl所開發(fā)出來，接著在1954年，三個位于貝爾實驗室的科學家意外發(fā)現(xiàn)在硅里頭摻雜一些不純物之后對光的敏感度更強烈，使得硅制太陽電池的轉(zhuǎn)換效率可以達到6%左右。見下圖，此一重要的里程碑，為發(fā)射人造衛(wèi)星得到一種可貴的能量來源。于是蘇聯(lián)及美國相繼在1957及1958年發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星（見圖）。在1960年代用在人造衛(wèi)星上的太陽電池，則都是采用類似圖所示的基本構造，這樣的構造一直沿用了10年以上的時間。人造衛(wèi)星的發(fā)展，也促使許多政府提供大量研究資金以鼓勵開發(fā)更先進的太陽電池早期的硅晶太陽電池PN接合的形成是利用硅溶液在重新凝固的過程，因不純物的偏析作用而自然形成的“生長界面”第14頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1954年制造的第一個現(xiàn)代化太陽電池結構，利用的是擴散方式在硅單晶片上制造出的PN接合。太陽電池人造衛(wèi)星發(fā)展，扮演著非常重要的作用第15頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1960年代用在太空用途上的太陽電池

到1973年，發(fā)生第一次石油危機后，人們開始把太陽電池的應用轉(zhuǎn)移到一般的民生用途上。在早期的民生太陽電池的運用上，最成功的例子是手表及小型計算器，這些設備通常是利用太陽能來充電鎳鎘電池，所以他們也可以在微弱的光線下使用。在1974年，Haynos等人，利用硅的非等方性的蝕刻特性，慢慢的將太陽電池表面的硅的（111）結晶面，蝕刻出許多類似金字塔的特殊幾何形狀。這些金字塔的表面，可以有效地降低太陽光從電池表面反射掉，這使得當時的太陽電池之轉(zhuǎn)換效率可以達到17%的境界。第16頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月使用太陽電池的小型計算器使用蝕刻方法在太陽電池表面蝕刻出的金字塔狀的形貌，可以抑制太陽光的反射第17頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

從1976年后，整個業(yè)界很大的重心是放在降低太陽電池的制造成本，那時的太陽電池的材料，大多是使用柴式長晶法制造出的硅單晶片。由于這種晶片的成本占了生產(chǎn)太陽電池模組的40%以上，所以開始有人利用方向性凝固或鑄造的方式來制造出多晶錠，所以第一個多晶硅太陽電池出現(xiàn)在1976年。另外一個降低成本的作法，是吧硅晶片變薄，如此一來，同樣一根晶棒就可以切出更多的晶片出來。在許多科學的努力之下，太陽電池的轉(zhuǎn)換效率不斷地提升，到1985年，第一次有人生產(chǎn)出超過20%轉(zhuǎn)換率的硅晶太陽電池。這種作法是在太陽電池表面做出微薄槽的PESC型太陽電池，而在1989年甚至有人發(fā)明高達39%能量轉(zhuǎn)換效率的聚光太陽電池，這是先利用透鏡將太陽能聚焦后，投射到太陽電池所得到的結果。1985年發(fā)明的微溝槽PESC太陽電池，可超過20%效率第18頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

1990年以來，人們開始將太陽電池發(fā)電與民生用電結合，于是與市電并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)開始推廣，此觀念是它太陽電池與建筑物的設計整合在一起，并與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相連接，如此我們就可以從這兩種方式取得電力。過去的太陽能科學家已展望未來有一天，大量的太陽電池可以照亮整個城市。這樣的夢想也因許多的家庭開始在家中安裝太陽能板，而更加接近真實。然而受到相對較低的太陽能轉(zhuǎn)換效率的限制及每天可接收陽光時數(shù)的限制，想要利用太陽能發(fā)電來完全取代燃料發(fā)電，似乎仍遙不可及。由于國際油價節(jié)節(jié)高漲、不斷創(chuàng)新高，加上京都議定書廢氣減量壓力的環(huán)保意識抬頭，使得傳統(tǒng)燃石油、燃煤等發(fā)電方式受到限制，因此，世界主要國家近年來乃積極研發(fā)以潔凈的再生能源來取代礦物燃料發(fā)電以減輕傳