8、太阳能与光伏技术中的材料及电子结构解析

太阳能与光伏技术中的材料及电子结构解析

1. 太阳能辐射特性

太阳能是一种重要的可再生能源，其辐射特性与多个因素相关。太阳辐射的最大功率波长可通过公式计算，例如，太阳的最大辐射波长 $\lambda_{max sun} = 2898 / 5776°K = 0.50μm$。随着物体温度升高，太阳光谱中最大功率辐射的波长会向短波范围移动。

大气成分的变化会影响吸收和散射水平，云层会阻挡大部分直接辐射。臭氧层厚度的季节性变化和趋势对地面紫外线水平有重要影响，地面光谱还取决于太阳辐射在大气中的传播深度。由于吸收和散射路径长度的变化，辐射光谱在一天中也会发生改变。

当太阳直射时，到达地面的直接辐射会直接穿过整个大气层，这种辐射在海平面参考点被称为“空气质量 1 直接”（AM 1D）辐射，对应的全球辐射则称为“空气质量 1 全球”（AM 1G）辐射。而大气层外的光谱由于不经过空气质量，被称为“空气质量 0”光谱，进入大气层的过程称为 AM - 0。

太阳能的测量包括某一时刻的强度和一段时间内传递的能量。辐照度（单位：$W/m^2$）是光谱内所有波长的太阳辐射强度，功率（单位：$W$）是某一特定面积上瞬间的总辐照度，单位面积能量（单位：$kW h/m^2$）是一段时间内照射到表面的辐照度的能量单位。

2. 光伏材料特性

太阳能电池由半导体材料制成，这些材料具有将太阳能光能转化为电能的特殊材料特性。某些材料的原子和晶体结构以及电子配置具有特殊性质，能够表现出光电效应，吸收光能并将其转化为电能。

2.1 材料的分类与特性

材料可分为天然材料（如石头、木材、粘土和皮革）和经过加工或生产的材料（