太阳光谱中的相邻吸收谱线及日地辐射模型设计探讨

1.太阳电池效率

（1）硅太阳电池光电转换极限效率_ηj的计算。以下列条件为前提：太阳光球上的所有元素都以原子的形态存在，整体全部电离。这种元素形态特征导致了太阳光谱具有密度极高的相邻吸收谱线。因此，气态的太阳表层可被近似视为吸收系数为A=1的黑体辐射源。地球表面的平均温度基本保持不变，因此可以认为在太阳表层与地球轨道之间的距离上，太阳作为黑体辐射源与地球保持辐射平衡。

1）日地辐射可以近似视为温度为T_s的黑体与地球组成的模型，模型中黑体与地球之间的距离为日地距离。

2）来自于太阳平面之外的整个立体角4π中的散射光吸收，以及温度为T_E的太阳电池热辐射忽略不计。

3）所有满足条件hν≥hν_g的光子都被吸收，吸收过程中都伴随激发产生电子-空穴对，产生的载流子对不会过早复合，并且可分离，从而形成产生光电流。

4）太阳光谱AMO，带隙1.1eV。

太阳电池效率的计算如下：

因为所以

式中 _ηj———硅太阳电池光电转换极限效率；

P_mj———太阳电池最大极限功率（W）；

P_inj———最大入射太阳光功率（W）；

r_E———地球半径（m），r_E=6.38×10⁶m；

r_S———太阳半径（m），r_S=0.696×10⁹m；

r_SE———日地距离（m），r_SE=149.6×10⁹m；

ν———频率（Hz）；

ν_g———带隙频率（Hz）；

Φ_p，ν（ν，T_S）———当辐射黑体温度为T_S时，频率积分区间的光谱光子电流方程（s^-1·nm^-1）；

A———太阳电池面积（m²）；

σ———斯忒藩-玻耳兹曼常量（5.67051×10^-8W/m²·K⁴）；

T_S———太阳表面温度，T_S=5800K；

k———玻耳兹曼常数（1.380658×10^-23J/K）；

h———普朗克常量（J·s）；

e———自然对数的底，e=2.718281…；

c₀———光速（m/s）。

推导过程略。(www.xing528.com)

图4-1展示了温度为T_S=5800K时，以禁带宽度为自变量的硅材料极限转换效率曲线。当硅的禁带宽度为1.1eV，极限转换效率为0.44。

（2）最大转换效率（实验室效率，实测得出）。它是电池最大输出功率与入射光功率之比，即

式中 η_s———实验室效率（%）；

P_mp———电池最大输出功率（mW）；

P_in———入射光功率（mW）；

I_mp———最大功率时电流（mA）；

V_mp———最大功率时电压（V）；

FF———填充因子（%）；

I_sc———短路电流（mA）；

V_oc———开路电压（V）。

电池效率可达到21%～25%。

图4-1 硅材料极限转换效率曲线

（3）产业化效率（组件效率，实测得出）。其计算式为

式中 η_z———组件效率（%）；

I_mpz———组件最大功率时电流（A）；

V_mpz———组件最大功率时电压（V）；

P_mpz———组件最大功率（W）；

P_inz———组件入射光功率（W）；

FF_z———组件填充因子（%）；

I_scz———组件短路电流（A）；

V_ocz———组件开路电压（V）。

组件效率≥20%。

2.寿命 组件寿命≥25年，期末发电量为最初发电量的82%～85%。