&1.4.3地面太阳辐射--大气质量大气质量被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的路径（即当太阳处在头顶正上方时）规
定为“一个标准大气质量”。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。大气质量由下式给出：式中
θ表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气质量为1。“大气质量”描绘了太阳光到达地面前所需走过的路程与太阳处在头
顶处时的路程的比例，也等于Y/X.&1.4.3地面太阳辐射--大气质量估算大气质量的一个最简单的方法就是测
量一个垂直立着的标杆的投影长度。如上图，大气质量等于斜边的长度除于标杆的高度h，然后由勾股定理便得到：标杆高度h影子长度，s
&1.4.4地面太阳辐射--太阳的运动“太阳视运动”是由地球绕其轴自转引起的表面现象，它改变着射入地球的
光线的直射分量角度。从地面的一个固定位置来看，太阳横跨整个天空运动。太阳的位置决定于地面上的点的坐标、一天中的时间和一年中的日期。
下图将展示这种太阳视运动：&1.4.4地面太阳辐射--太阳的运动太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收集
器件获得的能量。当太阳光垂直入射到吸收平面时，在平面上的功率强度等于入射光的功率强度。然而，当太阳光与吸收平面的角度改变时，其表面
的功率强度就会减小。当平面与太阳光平行时，功率强度基本上变为零。对于0度和90度之间的角，它们相对的功率强度为最大值乘于cos（θ
），其中θ为太阳光与器件平面之间的夹角。点击右边的动画，观测吸收平面与入射光的夹角的改变所产生的影响。第二章：太阳能
电池的工作原理&2.1简介&2.2基本原理&2.3载流子的产生&2.4载流子的复合&2.5载流子的运动&2.6PN结
&2.1简介一直以来，太阳能电池与其它的电子器件都被紧密地联系在一起。接下来的几节将讲述半导体材料的基本问题和
物理原理，这些都是光伏器件的核心知识。这些物理原理可以用来解释PN结的运作机制。PN结不仅是太阳能电池的核心基础，还是绝大多数其
它电子器件如激光和二极管的重要基础。右图是一个硅锭，由一个大的单晶硅组成，这样一个硅锭可以被切割成薄片然后被制成不同半导体
器件，包括太阳能电池和电脑芯片。&2.2.1基本原理--半导体的结构半导体是由许多单原子组成
的，它们以有规律的周期性的结构键合在一起，然后排列成型，借此，每个原子都被8个电子包围着。一个单原子由原子核和电子构成，原子核则包
括了质子（带正电荷的粒子）和中子（电中性的粒子），而电子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量，因此一个原子的整体是显电中性
的。基于原子内的电子数目（元素周期表中的每个元素都是不同的），每个电子都占据着特定的能级。下图展示了一种半导体的结构.硅晶
格中的共价键示意图。硅原子共价键&2.2.1基本原理--半导体的结构半导体材料可以来
自元素周期表中的Ⅴ族元素，或者是Ⅲ族元素与Ⅴ族元素相结合（叫做Ⅲ-Ⅴ型半导体），还可以是Ⅱ族元素与Ⅵ族元素相结合（叫做Ⅱ-Ⅵ
型半导体）。硅是使用最为广泛的半导体材料，它是集成电路（IC）芯片的基础，也是最为成熟的技术，而大多数的太阳能电池也是以硅作为基
本材料的。右图给出了元素周期表的一部分，蓝色字幕显示了更多的半导体材料。半导体可以由单原子构成，如Si或Ge，键合如GaA
s、InP、CdTe，还可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。&2.2.1基本原理
--半导体的结构半导体的价键结构决定了半导体材料的性能。其中一个关键影响就是限制了电子能占据的能级和电子在晶格之间的移
动。半导体中，围绕在每个原子的电子都是共价键的一部分。共价键就是两个相邻的原子都拿出自己的一个电子来与之共用，这样，每个原子便被8
个电子包围着。共价键中的电子被共价键的力量束缚着，因此它们总是限制在原子周围的某个地方。因为它们不能移动或者自行改变能量，所以共价
键中的电子不能被认为是自由的，也不能够参与电流的流动、能量的吸收以及其它与太阳能电池相关的物理过程。然而，只有在绝对零度的时候才会
让全部电子都束缚在价键中。在高温下，电子能够获得足够的能量摆脱共价键，而当它成功摆脱后，便能自由地在晶格之间运动并参与导电。在室温
下，半导体拥有足够的自由电子使其导电，然而在到达或接近绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。价键的存在导致了电子有两
个不同能量状态。电子的最低能量&2.2.1基本原理--半导体的结构态是其处在价带的时候。然而，
如果电子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将进入导带成为自由电子。电子不能处在这两个能带之间的能量区域。它要么束缚在价键中除于低
能量状态，要么获得足够能量摆脱共价键，但它吸收的能量有个最低限度，这个最低能量值被叫做半导体的“禁带”。自由电子的数量和能量是研究
电子器件性能的基础。电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从一个电子移动到另一个电子，也因此出现了正电荷在晶格中
运动的现象。这个留下的空位置通常被叫做“空穴”，它与电子相似但是带正电荷。右边动画展示了当电子能够逃脱共价键时自由电子和
空穴是如何形成的&2.2.1基本原理--半导体的结构对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是：
禁带宽度能参与导电的自由载流子的数目当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复合。关于这些参数的更详细描述将在下面
几页给出。&2.2.2基本原理--禁带半导体的禁带宽度是指一个电子从价带运动到能参与导电的自由状态所需要吸收的最低能
量值。半导体的价键结构显示了（y轴）电子的能量，此图也被叫做“能带图”。半导体中比较低的能级被叫做“价带”（Ev），而处于其中的电
子能被看成自由电子的能级叫“导带”（Ec）。处于导带和价带之间的便是禁带（EG）了。固体中电子的能带示意图&2.2.2基
本原理--禁带一旦进入导带，电子将自由地在半导体中运动并参与导电。然而，电子在导带中的运动也会导致另外一种导电过程的发生
。电子从原本的共价键移动到导带必然会留下一个空位。来自周围原子的电子能移动到这个空位上，然后又留下了另外一个空位，这种留给电子的不
断运动的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格间运动的正电荷。因此，电子移向导带的运动不仅导致了电子本身的移动，还产生了空穴在价带中
的运动。电子和空穴都能参与导电并都称为“载流子”。移动的“空穴”这一概念有点类似于液体中的气泡。尽管实际上是液体
在流动，但是把它想象成是液体中的气泡往相反的方向运动更容易理解些。&2.2.3基本原理--本征载流子浓度
把电子从价带移向导带的热激发使得价带和导带都产生载流子。这些载流子的浓度叫做本征载流子浓度，用符号ni表示。没有注入能改变载流子浓
度的杂质的半导体材料叫做本征材料。本征载流子浓度就是指本征材料中导带中的电子数目或价带中的空穴数目。载流子的数目决定于材料的禁带宽
度和材料的温度。宽禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的本征载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子更容易被
激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。右图显示了两个温度下的半导体本征载流子浓度。需要注意的是，两种情况中，自由电子的
数目与空穴的数目都是相等的。室温高温导带价带&2.2.4基本原理--掺杂通过掺入其它原子可以改变硅晶格中电子与
空穴的平衡。比硅原子多一个价电子的原子可以用来制成n型半导体材料，这种原子把一个电子注入到导带中，因此增加了导带中电子的数目。相对
的，比硅原少一个电子的原子可以制成p型半导体材料。在p型半导体材料中，被束缚在共价键中的电子数目比本征半导体要高，因此显著地提高了
空穴的数目。在已掺杂的材料中，总是有一种载流子的数目比另一种载流子高，而这种浓度更高的载流子就叫“多子”，相反，浓度低的载流子就叫
“少子”。右边的示意图描述了单晶硅掺杂后制成n型和p型半导体。&2.2.4基本原理--掺杂下表总结了不同类型半导体的特性
P型（正）N型（负）掺杂Ⅲ族元素（如硼）Ⅴ族元素（如磷）价键失去一个电子（空穴）多出一个电子多子空穴电子少子
电子空穴&2.2.4基本原理--掺杂下面的动画展示了p型硅与n型硅。在一块典型的半导体中，多子的浓度可能达到101
7cm-3，少子的浓度则为106cm-3。这是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个人与地球总的人口数目的比还要小。少子既可
以通过热激发又可以通过光照产生。N型半导体。之所以叫n型是因为多子是带负电（negatively）的电子
P型半导体。之所以叫p型是因为多子是带正电（positively)的空穴&2.2.5基本原理--平衡载流子浓度在没有
外加偏压的情况下，导带和价带中的载流子浓度就叫本征载流子浓度。对于多子来说，其平衡载流子浓度等于本征载流子浓度加上掺杂入半导体的自
由载流子的浓度。在多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度要比本征载流子浓度高出几个数量级，因此多子的浓度几乎等于掺杂载流子的浓度
。在平衡状态下，多子和少子的浓度为常数，由质量作用定律可得其数学表达式。
n0p0=n2i式中ni表示本征载流子浓度，n0和p0分别为电子和空穴的平衡载流子
浓度。使用上面的质量作用定律，可得多子和少子的浓度：n型n0=NDP0=n2i/NDp型P0=NAn0=n
2i/NA&2.2.5基本原理--平衡载流子浓度上面的方程显示少子的浓度随着掺杂水平的增加而减少。例如，在n
型材料中，一些额外的电子随着掺杂的过程而加入到材料当中并占据价带中的空穴，空穴的数目随之下降。右图描述了低掺杂和高掺杂情况
下的平衡载流子浓度。并显示，当掺杂水平提高时，少子的浓度减小。N型半导体材料低掺杂高掺杂价带价带导带导带&2.3.
1载流子的产生--光的吸收入射到半导体表面的光子要么在表面被反射，要么被半导体材料所吸收，或者两者都不是，即只是从此
材料透射而过。对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失部分，就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收，将在价带产生一个电
子并运动到导带。决定一个光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导体材料的光子可
以分为三种：Eph＝Eg光子的能量刚刚好足够激发出一个电子-空穴对，能量被完全吸收。Eph>Eg光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。
&2.3.1载流子的产生--光的吸收右边的动画展示了三种不同能量层次的光子在半导体内产生的效应。对光的吸收
即产生了多子又产生少子。在很多光伏应用中，光生载流子的数目要比由于掺杂而产生的多子的数目低几个数量级。因此，在被光照的半导体内部，
多子的数量变化并不明显。但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产生的少子的数目要远高于原本无光照时的光子数目，也因此在有光照的太
阳能电池内的少子数目几乎等于光产生的少子数目。&2.3.2载流子的产生--吸收系数吸收系数决定着一个给定波长的
光子在被吸收之前能在材料走多远的距离。如果某种材料的吸收系数很低，那么光将很少被吸收，并且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透明的。
吸收系数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。在半导体的吸收系数曲线图中出现了一个很清晰的边缘，这是因为能量低于禁带宽度的光没有足够
的能量把电子从价带转移到导带。因此，光线也就没被吸收了。下图显示几种半导体材料的吸收系数：砷化镓磷化铟锗硅四种不同
半导体才在温度为300K时的吸收系数α，实验在真空环境下进行。&2.3.2载流子的产生--吸收系数上面的图表明，即使
是那些能量比禁带宽度高的光子，它们的吸收系数也不是全都相同的，而是与波长有密切的联系。一个光子被吸收的概率取决于这个光子能与电子作
用（即把电子从价带转移到导带）的可能性。对于一个能量大小非常接近于禁带宽度的光子来说，其吸收的概率是相对较低的，因为只有处在价带边
缘的电子才能与之作用并被吸收。当光子的能量增大时，能够与之相互作用并吸收光子的电子数目也会增大。然而，对于光伏应用来说，比禁带宽度
多出的那部分光子能量是没有实际作用的，因为运动到导带后的电子又很快因为热作用回到导带的边缘。硅的其它光学性质在
硅的光学性质一页中给出。&2.3.3载流子的产生--吸收深度吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被完全吸收之
前进入半导体的深度的不同。下面将给出另一个参数--吸收深度，它与吸收系数成反比例关系，即为α-1。吸收深度是一个非常有用的参数，它
显示了在光在其能量下降到最初强度的大概36%（或者说1/e）的时候在材料中走的深度。因为高能量光子的吸收系数很大，所以它在距离表面
很短的深度就被吸收了（例如硅太阳能电池就在几微米以内），而红光在这种距离的吸收就很弱。即使是在几微米之后，也不是所有的红光都能被硅
吸收。右边的动画显示了红光与蓝光的吸收深度的不同。蓝光在离表面非常近处就被吸收而大部分的红光则在器件的深处才被吸收。&2
.3.3载流子的产生--吸收深度下图显示了几种半导体的吸收深度：&2.3.4载流子的产生--生成率生成率是指被光
线照射的半导体每一点生成电子的数目。忽略反射不计，半导体材料吸收的光线的多少决定于吸收系数（α单位为cm-1）和半导体的厚度。半
导体中每一点中光的强度可以通过以下的方程计算：I=I0e-αx
式中α为材料的吸收系数，单位通常为cm-1，x为光入射到材料的深度，I0为光在材料表面的功率强度。上述方程
可以用来计算太阳能电池中产生的电子空穴对的数目。假设减少的那部分光线能量全部用来产生电子空穴对，那么通过测量透射过电池的光线强度便
可以算出半导体材料生成的电子空穴对的数目。因此，对上面的方程进行微分将得到半导体中任何一点的生成率。即&2.3.4载流子的产生
--生成率G=αN0e-αx其中N0=表面的光子通量（光子/单位面积.秒）α=吸收系数，x=
进入材料的距离。上面的方程显示，光的强度随着在材料中深度的增加呈指数下降，即材料表面的生成率是最高的。对
于光伏应用来说，入射光是由一系列不同波长的光组成的，因此不同波长的生成率也是不同的。下图显示三种不同波长的光在硅材料中的生成率。
进入硅的深度电子空穴对的生成率&2.3.4载流子的产生--生成率计算一系列不同波长的光的生成率时，总的生成率等于每
种波长的总和。下图将展示入射到硅片的光为标准太阳光谱时，不同深度的生成率大小。Y轴的范围大小是成对数的，显示着在电池表面的产生了数
量巨大的电子空穴对，而在电池的更深处，生成率几乎是常数。&2.4.1复合理论--复合的类型所有处在导带中的电子都是亚稳
定状态的，并最终会回到价带中更低的能量状态。它必须移回到一个空的价带能级中，所以，当电子回到价带的同时也有效地消除了一个空穴。这种
过程叫做复合。在单晶半导体材料中，复合过程大致可以分为三种：辐射复合俄歇复合肖克莱-雷德-霍尔复合这些复合在右边的动画中都
有描述。&2.4.1复合理论--复合的类型辐射复合辐射复合是LED灯和激光这类的半导体器件的主要复合机制。然而，对于
由硅制成的陆地用太阳能电池来说，辐射复合并不是主要的，因为硅的禁带并不是直接禁带，它使得电子不能直接从价带跃迁到导带。辐射复合的几
个主要特征是：在辐射复合中，电子与空穴直接在导带结合并释放一个光子。释放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，大部分能够
飞出半导体。通过复合中心的复合通过复合中心的辐射也被叫做肖克莱-莱德-霍尔或SRH复合，它UNSW新南威尔士大学
UNSW新南威尔士大学薄膜太阳能电池的基础与热点光伏：器件、系统及应用一直以来，对专业教育的普遍缺乏被认为是光伏电池
得到恰当应用的一个主要障碍。光伏电子课程面向的是学生和拥有基本专业知识的个人，例如，比较熟悉电子电路知识，但现在还没有掌握光伏器件
和太阳能系统领域的知识。绪论太阳能电池的工作原理传统硅太阳能电池工艺薄膜太阳能电池概况和制备目前薄膜太阳能电池的研究热点
1.绪论新能源汽车太阳能发电站屋顶墙幕一体化工程离网部件鸟巢130kw旧金山机场航站楼450kw1.绪论传
统化石能源→不可再生、环境污染、能源枯竭可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等↓资源丰富、利用方便、洁净无污染
中华人民共和国国家发展和改革委员会《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》石油煤天然气其他世界的能源结
构能源结构调整太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！每年排放的二氧化碳达210万吨化石能源开采高峰2020~2030年
未来能源供应结构预测图光伏发展的契机？一次能源的面临枯竭；社会发展对能源需求的增加，加剧全球能源紧张。人类社会可持
续发展。环境恶化的压力和减排CO2的需要，促进了可再生能源的利用。光伏技术是最直接和有效的途径和方法。环境压力相关的政
府政策：太阳能的春天日本、欧洲、美国已经出台相关政策和法令,鼓励和补贴可再生能源发展2005年3月中华人民共和国主席令33
号正式颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，2006年开始实施太阳能光伏产业“十二五”发展规划“十二五”发展重点（一
）高纯多晶硅 （二）硅碇/硅片 （三）晶硅电池 （四）薄膜电池 （五）高效聚光太阳能电池 （六）BIPV组件 （七）光
伏生产专用设备 （八）配套辅料 （九）并网及储能系统 （十）公共服务平台建设（三）晶硅电池大力发展高转换率、长寿命晶硅
电池技术的研发与产业化。重点支持低反射率的绒面制备技术、选择性发射极技术及后续的电极对准技术、等离子体钝化技术、低温电极技术、全背
结技术的研究及应用。关注薄膜硅/晶体硅异质结等新型太阳能电池成套关键技术。（四）薄膜电池重点发展非晶与微晶相结合的叠层和多结薄
膜电池。降低薄膜电池的光致衰减，鼓励企业研发5.5代以上大面积高效率硅薄膜电池，开发柔性硅基薄膜太阳电池卷对卷连续生产工艺等。及时
跟进铜铟镓硒和有机薄膜电池的产业化进程，开发并掌握低成本非真空铜铟镓锡薄膜电池制备技术，磁控溅射电池制备技术，真空共蒸法电池制备技
术，规模化制造关键工艺。太阳电池的历史1839年法国实验物理学家EdmundBacquerel（贝克勒尔）发现了光生伏特
效应1941年奥尔在硅上发现了光伏效应1954年Chaipin（恰宾）和Carlson(卡尔松)等人在贝尔实验室制成了光电
转换效率达6%的世界上第一块实用的硅太阳电池，标志着太阳电池研制工作的重大进展1959年第一个光电转换效率为5％的多晶硅太阳电
池问世1960年硅太阳电池发电首次并入常规电网1975年，美国科学家制作出非晶硅太阳电池80年代初，太阳电池开始规模化生
产太阳能电池的发展太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要
，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪7
0年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展
最快的行业。Ref:Prof.Zhang’sreport太阳能太阳能，从某种形式上说，是地球上几乎所有能源的源
头。而人类，像所有其它的动物和植物一样，因为温暖和食物而依赖于太阳。然而，人类同时还以许多不同的方式利用太阳的能量。比如，化石燃料
，一种来自以前地质时代的植物材料，就被用在交通运输和发电上。本质上它就是储存了无数年以前的太阳能。类似的，生物把太阳能转换成可以用
来加热、运输和发电的燃料。风能，几百年来被人们用来提供机械能以及用于运输的能源，利用的是被太阳光加热的空气和地球转动产生的空气流动
。如今，风力涡轮机把风能转换成电能，同时也用在传统用途上。甚至水电也是源之太阳能。水力发电依赖于太阳光蒸发的水蒸气，水蒸气
以雨水的形式回到地球并流向水坝。光伏发电（通常简称为PV）是一种简易而优美的利用太阳能的方式。光伏器件（太阳能电池
）是独特的，因为它能把入射光线直接转换成电而不会产生噪音、污染且不需要移动零部件，这使得它们很牢固、可靠以及寿命长久。需要指出的是
，太阳能电池跟通讯及电脑革命基于同样的原理和材料。而我们这个电子教程包括了光伏器件和系统的运行和应用。第一章：光的特性&1.1
光的基本原理&1.2黑体辐射&1.3太阳辐射&1.4地表太阳辐射&1.5太阳辐射数据&1.1.1光的基本原理—光的特性
每秒钟地球接收到的太阳能是人类每年能量需求的好几倍。我们每天能看到的光只是从太阳发射然后进入地球的能量的一小部分而已。太阳光是
电磁波的其中一种形式，而我们看到的可见光也只是我们右边显示的电磁波普的一个小子集。在电磁波普里，光被描述成有特定波长的波。光
是一种波的说法首先在18世纪早期被人们接受，当时由杨、阿拉戈和菲涅耳所做的实验显示出了光的干涉可见光&1.1.1光的基本原理
—光的特性效应，表明光是由波构成的。到了1860年代，光被认为是电磁波普中的一部分。然而，
到了18世纪后期，当人们发现实验中测量的由热体所发出的电磁波的波普不能被波动方程所解释时，光是波的观点所引发的问题便开始显现出来。
这个矛盾被普朗克在1900年和爱因斯坦在1905年的工作化解了。普朗克认为，光的总能量是由不可分的能量元素或能量量子所构成。而爱因
斯坦在研究光电效应（当光照射在特定的金属或半导体上时会释放电子）时准确地得出了这些能量量子的值。鉴于他们在这个领域的成就，普朗克和
爱因斯坦分别在1918年和1921年获得诺贝尔物理学奖，同时，基于他们的工作，人们认为光可能是由一系列的“包”或被叫做光子的能量粒
子组成。&1.1.1光的基本原理—光的特性今天，量子力学即解释了光的波动性又解释了光的粒子性
。在量子力学中，像所有其它量子力学粒子（如电子、质子等）一样，对光子最准确的描述就是“波包”。波包被定义为一群平面波的叠合，这些平
面波有可能以干涉在一个局限的空间的形式（就像一个方波是由无数的正弦波所组成一样）出现，也有可能只是简单地像一个波一样交替出现。当波
包以局限在一个小空间的形式出现时，它就被看做粒子。因此，视情况的不同，一个光子有可能以波的形式或粒子的形式出现，这个概念就就叫“波
粒二象性”。&1.1.1光的基本原理—光的特性右边动画描述的是不同波长的光的波包。
对光的特性的完整物理学描述需要用量子力学分析，因为光是量子力学粒子中的一种，所以被叫做光子。对光伏应用来说，较少要求这么详细的知
识，因此，在这里，在光的量子特性方面只给出了少量的文字描述。尽管如此，在某些情况下（幸运的是，仅仅涉及到光伏系统方面），根据这里的
简单解释，&1.1.1光的基本原理—光的特性光的行为方式可能会违背常识。“常识”指的是我
们自己的观察，观察量子效应不能依靠常识，因为这些效应产生的条件超出了人类的观察范围。如果需要了解更多关于光的知识，请参考《费恩曼.
1985》。下面列出几个入射太阳光的重要特性，这些特性在决定入射光与太阳能电池或其他器件如何作用时非常重要。这些重要的特性
是：入射光的光谱容量太阳辐射的功率强度太阳光入射到太阳能电池的角度一年或一天，太阳光照射到特定表面的总能量
学完这章之后，你应该对以上的四个概念有所掌握。&1.1.2光的基本原理--光子的能量一
般用波长（符号为λ）或相对应的能量（符号为E）来描述一个光子的特性。子的能量与波长之间存在反比例关系，方程如下：
E=hc/λ
其中h是普朗克常数，c表示光速。它们以及其它常用的常数的数值都显示在常数页.上面的反比例关系表示，由光子
组成的光的能量越高（比如蓝光），波长就越短。能量越低（如红光），波长越长。当描述光子、电子等粒子时，共同使用的能量
单位是&1.1.2光的基本原理--光子的能量“电子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）
。一个电子伏特的能量相当于把一个电子的电势提高一伏所需要的功，所以要实现电子
伏特与焦耳的转换，只需用电荷量q乘于1电子伏特的能量。公式如下:E(J)=q×
E(eV)在表达关于eV和μm方面的光子能量方程的时候，我们找到了表示能量与波长之间的关系
E（eV）=1.24/λ（μm）&1.1.2光的基本原理--光子的能量通过上面的公式，
可求出特定波长的光子的能量大小。&1.3.1太阳辐射--太阳太阳是一个充满气体的热球，其内部因太阳内核发生核聚变
反应（氢转化成氦），温度超过20000000k。但因为接近太阳表面的氢原子层的强烈吸收，来自内核的辐射无法被看见。热量通过对流的方
式被转移出这一氢原子层。太阳被叫做光球，其表面温度大概在6000K左右或者更精确点5762±50K，接近于一个黑体。通过功率强度
乘于太阳的表面积可以计算得到太阳辐射的总功率，为9.5×1025w太阳辐射的总功率不只是由单一的波长构
成的，而是由许多波长组成，因此在人眼中呈现白色或黄色。使太阳光透过棱镜便可以看到这些不同波长的光了，或者透过水雾便可看见彩虹。不同
波长的光呈现不同的颜色，但不是所有波长的光都能被看见因为有一些对人的眼睛来说是不可见的。低能量光子高能量光子玻璃三棱镜&1
.3.2太阳辐射--太空中的太阳辐射在太空中与太阳有一定距离的物体，其吸收的太阳光只占太阳
总辐射的一小部分。太阳光照度（Ho单位W/m2）指的是照射到物体的太阳光的功率强度。在太阳的表面，辐射功率强度相当于6000k黑
体的辐射强度，其总的功率强度等于这个值乘于太阳表面积。然而，在远离太阳表面的地方，太阳总的功率强度就被扩散至大得多的表面。因此，随
着太空中的物体距离太阳越来越遥远，照射到其表面的太阳光照度也越来越小。距离太阳为D的物体接收到的太阳光照度可以通过总的太阳功率
强度在物体所在球面的平均划分得到。太阳辐射的总功率强度可由σT4乘于太阳的表面积（4πR2）给出，其中R为太阳半径。当物体距离太阳
为D时，太阳光照射在此处的球面面积为4πD2.因此，入射到物体的太阳光辐射强度&1.3.2太阳辐射
--太空中的太阳辐射Ho（单位W/m2），为：式中Hsun（单位W/m2）为太阳表面的功率强度，由斯特番—
波耳兹曼(Stefan-Boltzmann)的黑体方程确定。R和D分别为太阳的半径和与太阳的距离，单位都为m，如下图所示：在距
离为D处，来自太阳的同样多的能量扩散到面积大得多的区域，太阳光的功率强度也随之减小了许多。&1.3.2太阳辐射--太空中的太阳辐射行星距离（x109m）太阳光（W/m2）水星578908.0金星1082481.3地球1501286.3火星227561.7木球77847.8土星142614.2天王星28683.5海王星44971.4冥王星58060.9右边的表格给出了太阳系每个行星的太阳光照度的标准值&1.4.2地面太阳辐射--大气影响大气效应在几个方面影响着地球表面的太阳辐射。在光伏应用领域其主要影响为：由大气吸收、散射和反射引起的太阳辐射能量的减少。由于大气对某些波长的较为强烈地吸收和散射而导致光谱含量的变化。分散的或间接的光谱组合被引入到太阳辐射中。当地大气层的变化引起入射光能量、光谱和方向的额外改变。这些影响总结在下图中：&1.4.2地面太阳辐射--大气影响由于入射光的散射导致的径直的和分散的辐射当光穿过大气层被吸收的同时也发生散射。大气中光的散射机制之一就是人们熟知的瑞利散射，它由大气中的分子引起。瑞利散射对短波光（如蓝光）作用效果显著，因为瑞利散射的强度与波长四次方成反比。除了瑞利散射之外，气溶胶和尘埃粒子也会是入射光产生散射。散射光的方向是杂乱无章的，所以它可以来自天空的任何地区。这种光也叫分散光。由于散射光主要是蓝光，所以除了太阳所处的区域外，来自天空所有区域的光都呈现蓝色。假如大气中没有散射的话，天空将变成黑色，而太阳则会变成一个圆盘状的光源。在天气晴朗的日子，入射光线中大概有10%会被散射。红光的波长大于多数的粒子线度，不会受影响。蓝光的波长与大气中粒子线度相当，所以被强烈散射。UNSW新南威尔士大学UNSW新南威尔士大学 |
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