（精密仪器及机械专业论文）高效太阳能电池关键技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中北大学学位论文 高效太阳能电池关键技术研究 摘要 随着化石能源的日益枯竭 人们对环境保护问题的重视程度不断提高 寻找洁净的 替代能源问题变得越来越迫切 太阳能作为一种可再生清洁能源 并可持续利用 因此 有着广阔的应用前景 光伏发电技术也越来越受到人们的关注 为了能使光伏产品得到 普及 进一步提高效率 降低成本是光电池的发展趋势 提高太阳能电池转换效率 降 低成本 关键是提高太阳能的利用率 而聚光太阳能电池能有效提高电池转换效率和降 低成本 其中聚光器的设计和跟踪技术是该类电池在研究中要解决的关键技术 本文在详细介绍太阳能电池工作原理 基本结构及主要特性的基础上 研究和设计 了电池聚光系统中的聚光器 具体内容如下 1 分析了太阳能电池的转换效率及影响因素 并研究了提高太阳能电池转换效 率的主要技术 如减反射损失技术 减少载流子损失技术和减少光透射损失技术等 2 研究了几种典型聚光太阳能电池以及聚光器在太阳能电池中的应用 通过分 析研究得出抛物面聚光器制造成本高 反射层易脱落等缺陷 菲涅尔透镜在太阳能电池 应用中具有较好的性能特点 3 通过分析平板形线性菲涅尔透镜的光学效率 设计了柱面线聚焦菲涅尔透镜 并对该透镜在使用时电池位置的确定进行了计算推导 采用3 2 e m x 2 5 c r n 点状菲涅尔透 镜 型号为z d s 1 0 h 数字照度计对菲涅尔透镜提高太阳能利用率作了相关实验 在视 场角为0 0 时 单位面积上太阳能照度被提高了1 5 3 倍 并且通过实验数据验证了菲涅 尔透镜作为折射式聚光器可明显提高太阳能的利用率 但其聚光倍数随着光强的减弱而 变小 随着太阳视场角的增大也明显减小 主要是透镜表面存在反射损失 4 针对抛物柱曲面镀银玻璃太阳能聚光器聚光不均匀 加工费用高及银反射层 易脱落等三大缺陷 提出了一种用 多折面 代替 曲面 用 镀银双层玻璃 代替 镀银玻璃 的新型抛物柱折面形镀银玻璃太阳能聚光器 关键词 太阳能 聚光电池 菲涅尔透镜 折面聚光器 中北大学学位论文 r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo f h i g he f f i c i e n c ys o l a rc e l l a b s t r a c t w i t ht h er e c e r s eo f f o s s i lf u e li sd e c r e a s i n gd a ya n dd a y a tt h es a m et i m e a w a r e l l e s so f t h e i m p o r t a n c eo fp r o t e c t i n gt h e 西o b a le n v i r o n m e n ti sg r o w i n g s os e a r c h i n gf o rp o l l u t i o n f l e e r e p l a c e ro ff o s s i lr e s o u r c e sb e c o m e sm o r ea n dm o r eu r g e n t s o l a re n e r g ya sr e n e w a b l ei s p o l l u t i o n f r e ea n di n e x h a u s t i b l e s oi t h a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s a n dp h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yw a sg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i no r d e rt og a i ng r o u n d t h e t r e n df o rt h ed e v e l o p m e n to fs o l a rc e l li st of u r t h e ri m p r o v et h e e f f i c i e n c ya n dl o w e rt h ec o s t t h ek e yo fi m p r o v i n gt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fs o l a rc e l l a n dr e d u d n gc o s t si st oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g y c o n c e n t r a t i n gs o l a rc e l tc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fc e l la n d r e d u c ec o s t s t h e r e i n t o c o n c e n t r a t o r d e s i g n i n ga n dt r a c k i n gt e c h n o l o g ya r et h ek e yt e c h n o l o g yi ns t u d yo f s u c hb a t t e r i e s i nt h i st h e s i s t h ew o r k i n gp r i n c i p l e b a s i cs t r u c t u r ea n dk e yc h a r a c t e r i s t i co fs o l a rc e l la l e i n t r o d u c e di nd e t a i l b a s e do nt h i s t h ec o n c e n t r a t o ro fc o n c e n t r a t i n gs y s t e mi sr e s e a r c h e da n d d e s i g n e d t h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g 1 a n a l y z e dt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r so f s o l a rc e l l f u r t h e r m o r e r e s e a r c h e dt h em a i nt e c h n o l o g yo fi m p r o v i n gc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fs o l a rc e l l a st h e t e c h n o l o g yo fa n t i r e f l e e t i o nl o s s r e d u c el o s s o fc a r r i e ra n dr e d u c el o s so fo p t i c a l 2 r e s e a r c h e ds e v e r a lt y p i c a lc o n c e n t r a t i n gs o l a rc e l l sa n dc o n c e n t r a t o ra p p l y i n gi ns o l a r c e l l b ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n g i ti s k n o w nt h a tt h em a n u f a c t u r i n gc o s t so fp a r a b o l i c c o n c e n t r a t o ra r eh i g ha n dr e f l e c t i v el a y e ri se a s yt of a l lo f f a n dt h ef r e s n e ll e n sh a v eb e t t e r p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sw h e na p p l y i n gi ns o l a rc e l l 3 d e s i g n e dt h ec y l i n d r i c a ll i n ef o c u sf r e s n e ll e n sa n dd e r i v e dc a l c u l a t i n gf o r m u l af o r c o n f i r m i n gt h el o c a t i o no fb a t t e r yb ya n a l y z i n gt h eo p t i c a le f f i c i e n c yo fp l a t e s h a p e dl i n e a r 中北大学学位论文 f r e s n e ll e n s w eh a v ed os o m ee x p e r i m e n t sa b o u tf r e s n e ll e n si m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no f s o l a re n e r g yb yu s i n gp u n c t u a t ef r e s n e ll e n s 3 2 e m x 2 5 c m a n dd i g i t a ll u x m e t e rm o d e l 弱 z d s 一1 0 h a sar e s u l t t h es o l a ri l l u m i n a n c eo fu n i ta r e aw a si n c r e a s e db y1 5 3t i m e s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a s i ti sv a l i d a t e dt h a tf r e s n e ll e n s a sar e f r a c t i n g c o n c e n t r a t o rc a l l s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h eu t i l i z a t i o n o fs o l a re n e r g y h o w e v e r t h e c o n c e n t r a t i n gm u l t i p l e so fc o n c e n t r a t o ra r es m a l l e rb yw e a k e n i n go fl i g h ti n t e n s i t y a n d d e c r e a s e db yi ni n c r e a s i n go fa n g l eo ff i e l do fv i e wo ft h es u n t h er e a s o ni sa t t r i b u t et o r e f l e c t i o nl o s s e so fs u r f a c e 4 a c c o r d i n gt od i s f i g u r e m e n t so f s o l a rc o n c e n t r a t o ro fp a r a b o l i cc o l u m nc u r v e ds u r f a o i s u c ha st h ef o c u sl i g h ti su n e v e n t h eh i g hc o s to fp r o c e s s i n ga n dt h es i l v e rr e f l e c t i v el a y e r e a s i l yf a l lo f f am e t h o dt oi m p r o v ep a r a b o l i cr e f l e c t e dc o n c e n t r a t o ri sp r e s e n t e d w eu s e m a n yl i t t l ep i e c e so fz i g z a gg l a s s e st or e p l a c ec u r v e ds u r f a c ea n du s ed o u b l es i l v e r p l a t e d g l a s sn o ts i n g l e i tsas u c c e s s f u lw a yf o rt h eu s eo f s o l a re n e r g yw i t hl o wc o s t s k e y w o r d s s o l a re n e r g y c o n c e n t r a t i n gb a t t e r y f r e s n e ll e n s p o l y g o n a lc o n c e n t r a t o r 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的 法律责任由本人承担 论文作者签名 拯塑丝e i 其t l 鱼里z 兰主旦竺旦 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管 使用学位论文的规定 其中包 括 学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为目的 复 制赠送和交换学位论文 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 保密学位论文在解密后遵守此规定 导师签名 中北大学学位论文 1 1 课题研究背景 1 绪论 自人类社会诞生以来 能源一直是人类生存和发展的重要物质基础 随着社会的发 展 能源在社会发展中的重要性越来越突出 尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危 机问题 更加明显地把能源置于社会发展的首要地位 根据 b p 世界能源统计2 0 0 5 的统计数据 以目前的开采速度计算 全球石油储量可供生产4 0 多年 天然气和煤炭 则分别可以供应6 7 年和1 6 4 年 而我国的能源资源储量情况更是危机逼人 按2 0 0 0 年 底的统计 探明可开发能源总储量约占世界总量的1 0 1 我国能源剩余可开采总储量 的结构为 原煤占5 8 8 原油占3 4 天然气占1 3 水资源占3 6 5 我国能源 可开发剩余可采储量的资源保证程度为1 2 9 7 年 l 自从工业革命以来 约8 0 温室气 体造成的附加气候强迫是由人类社会活动引起的 其中c 0 2 的作用约占6 0 而化石能 源的燃烧是c 0 2 的主要排放源 2 随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破 坏问题的日益严重 开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成 为人类急切需要解决的问题 新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发 电 核裂变发电之外的生物质能 太阳能 风能 小水电 地热能以及海洋能等一次能 源 研究和实践表明 新能源和可再生能源资源丰富 分布广泛 可以再生且不污染环 境 是国际社会公认的理想替代能源 3 新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决 目前世界能源紧张的问题 还可以解决与能源利用相关的环境污染问题 促进社会和经 济可持续性发展 根据国际权威机构的预测 到2 l 世纪6 0 年代 全球新能源与可再生 能源的比例 将会发展到世界能源构成的5 0 以上 成为人类社会未来能源的基石和化 石能源的替代能源 如图1 1 所示是世界能源发展趋势图 从图中我们可以看出 可再 生能源的比重将逐渐上升 尤其太阳能发电的应用将占到很大比重 目前世界大部分国家能源供应不足 不能满足经济发展的需要 各国纷纷出台各种 法规支持开发利用新能源和可再生能源 使得新能源和可再生能源在全球升温 2 0 世纪 l 中北大学学位论文 9 0 年代以来 以欧盟为代表的地区集团 大力开发利用可再生能源 连续1 0 年可再生 能源发电的年增长速度都在1 5 以上 以德国 西班牙为代表的一些国家通过立法方式 促进可再生能源的发展 1 9 9 9 年以来可再生能源年均增长速度均达到3 0 以上 西班 牙2 0 0 3 年风力发电机占到全国发电机总量的4 德国在过去1 1 年间 风力发电增长 2 1 倍 2 0 0 3 年占全国发电量的31 瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中 高选1 5 以上n 廿 詈 日唧 旺 型 聪 瑶 州 川 绚威 图1 1 世界能源发展趋势 联合国气候变化框架条约 缔约国签订的 京都议定书 在2 0 0 5 年2 月1 6 日生 效 签署的国家已达1 8 5 个 中国是第3 7 个签约国 议定书 主要反映了人类应对地 球变瑷这一有害现象进行有效控制的迫切需要 规定主要工业国 发达国家 在 2 0 0 8 2 0 1 2 年期间将二氧化碳等6 种温室气体排放量从1 9 9 0 年的水平进行削减 全球 削减温室气体排放的 京都议定书 重新引起了世界范围内对可再生能源的重视h 我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供丌发利用 近十年柬的高速经济增k 使我 国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用 以解决能源短缺问题 保障能源供 应安全 近年来 由于各级政府和社会各界的高度重视 我国在可再生能源的开发和利 用方面取得了较快发展 并于2 0 0 5 年2 月2 8 同通过了 可再生能源法 该法已于2 0 0 6 年1 月1 开超实施 这对我国可再生能源的发展具有十分重要的意义p 面对能源危机 我国在2 0 0 5 年 十一五规划 中首次提出到2 0 1 0 年节能2 0 减排1 0 的目标1 6 j 2 0 0 7 年 中国领导人在全国掀起了新一轮的 节能减排 m 暴 并把 节能减捧 任务写入 2 口 豳川 图 中北大学学位论文 了 十七大报告 1 0 太阳兢的特点殛优势 太阳能是一种能量巨大的可再生能源 据估算 太阳能传送到地球上的能源 每4 0 秒钟就有相当于2 1 0 亿桶石油的能量传送到地球 相当于全球一天所消耗的能源 在目 前的几种新能源技术中 太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未来能源 有无尽 的潜力 目前太阳能利用的方式有 太阳能光伏发电 太阳能热利用 太阳能动力利用 太 阳能光化学利用 太阳能生物利用和太阳能光一光利用 其中太阳能光伏发电以其优异 的特性近年来在全世界范围得到了快速发展 被认为是当前世界上最具发展前景的新能 源技术 各发达国家均投入巨资竞相研究开发 并积极推进产业化进程 大力开拓太阳 能光伏发电的市场应用 如图1 2 所示为太阳能的几种典犁利用 a 光伏腥顶并网发电 b 抛物柱面反射镜集热装置 c 太 能汽车 目1 2 太r i 能几种典n 利川 中北大学学位论文 太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发电方式 太阳能 电池单元是光电转化的最小单位 是太阳能发电系统的核心 其开发 生产直接影响到 太阳能发电的普及和发展 将太阳能电池单元进行串并联并封装后可以做成太阳能电池 组件 其功率一般为几瓦到几百瓦 这种太阳能电池组件是可以单独作为电源使用的最 小单元 可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联 构成太阳能电池方阵 以满足负 载所需要的功率输出 和常规能源相比较 太阳能资源具有如下5 个优越性 1 取之不尽 用之不竭 太阳内部由于氢核的聚变热核反应 从而释放出巨大的光和热 这就是太阳能的来 源 根据氢核聚变的反应理论计算 如果太阳像目前这样 稳定地每秒钟向其周围空间 发射3 2 8 6 x 1 0 2 8 j 的辐射能 在氢核聚变产能区中 氢核稳定燃烧的时间 可在6 0 亿年 以上 也就是说太阳能至少还可像现在这样有6 0 亿年可以稳定地被利用 2 就地可取 不需运输 矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀 以及全世界工业布局的不均 衡造成了煤炭和石油运输的不均衡 这些矿物能源必须经过开采后长途运送 才能到达 目的地 给交通运输造成压力 3 分布广泛 分散使用 太阳能年辐射总量一般大于5 0 4 x 1 0 6 k j m 2 就有实际利用价值 若每年辐射量大 予6 3 x 1 0 6 k j m 2 则为利用较高的地区 世界上约有二分之一的地区可以达到这个数值 虽然太阳能分布也具有一定的局限性 但与矿物能 水能和地热能等相比仍可视为分布 较广的一种能源 称得上具有分布较广 到处都有的优点 4 不污染环境 不破坏生态 人类在利用矿物燃料的过程中 必然释放出大量有害物质 如s c h c 0 2 等 使人 类赖以生存的环境受到了破坏和污染 此外 其它新能源中水电 核能 地热能等 在 开发利用的过程中 也都存在着一些不能忽视的环境问题 但太阳能在利用中不会给空 气带来污染 也不破坏生态 是一种清洁安全的能源 5 周而复始 可以再生 在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源 称为可再生能源 太阳能属于 4 中北大学学位论文 可再生能源 煤炭 石油和天然气等矿物能源经过几十亿年才形成 而且短期内无法恢 复 当今世界消耗石油 天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍 如果按照这个消耗速度 在几十亿年时间里所生成的矿物能源将在几个世纪内就被消耗 掉 1 3 太阳能电池的分类和研究进展 太阳能电池是一种利用光伏效应将太阳光直接转变成电能的半导体器件 使用时无 大气和放射性污染 且太阳能是取之不尽 用之不竭的能源 因而受到国内外普遍重视 太阳能光伏发电是太阳能开发和利用的一个重要领域 自从1 9 5 4 年美国科学家恰宾 和皮尔松 7 在美国贝尔实验室研制成功实用型单晶硅太阳能电池以来 太阳能电池进入 实用阶段 2 0 世纪6 0 年代 供空间应用的电池设计成熟 7 0 年代初 硅电池的转换效率 大大提高 太阳能电池开始应用于地面 8 0 年代至l j 9 0 年代 由于各国政府的重视 太阳 能电池进入高速发展阶段 进入8 0 年代后期 随着太阳能电池成本不断下降 世界光伏产品市场进入高速发展 1 9 8 1 年 世界太阳能电池的产量为6 m w 1 9 9 4 年达到7 0 m w 1 9 9 7 年更是达到1 2 2 m w 至1 j 1 9 9 8 年已达至1 j 1 5 7 4 m w 这期间的平均增长速度为2 5 从1 9 9 9 年的2 0 0 m w 到2 0 0 4 年的1 2 6 0 m w 平均年增长率超过3 0 2 0 0 4 年在2 0 0 3 年的基础上猛增6 9 根据美国 世界观察所的报告预测 太阳能电池产业将与通讯行业一起成为发展最快的产业 到2 1 世纪中叶 光伏发电量将占到世界总发电量的1 5 8 9 1 目前 太阳能电池的种类十分多 按材料分一般主要有单晶硅电池 多晶硅电池 非晶硅电池 化合物电池 有机电池和染料敏化电池等 为了提高效率降低成本 通过 技术改进按形态结构分主要有叠层电池 薄膜电池和聚光电池等 然而综合考虑材料的 价格 环境保护以及转换效率等因素 以硅为原材料的电池是太阳能电池最重要的成员 1 3 1 按材料分类 1 单晶硅太阳能电池 硅是一种良好的半导体材料 禁带宽度为1 1 e v 是间接迁移型半导体 因储量丰 富 且晶硅性能稳定 无毒 因此成为太阳能电池研究开发 生产和应用中的主体材料 5 中北大学学位论文 单晶硅太阳能电池是开发的最早也是最快的一种太阳能电池 它的构造和生产工艺 已定型 产品已广泛用于空间和地面 这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料 纯度 要求9 99 9 9 单晶硅太阳能电池的基本结构为n o 型 多以p 型单晶硅片作为基片 电 阻率的范围为1 3 n 铷 具有比较高的转换效率 规模生产的电池组件的效率可达到 1 2 y r l 6 而实验室记录的最高转换效率为2 4 4 1 1 q 单晶硅太阳能电池的颜色多为黑 色或灰色 其光学 电学 力学性能均匀一致 适合于切成小片制作小型光电产品 从 目前来看 单晶硅电池已十分成熟 效率高 寿命长 性价比好 是目前最受重视的太 用能电池 如图13 所示为1 2 5 1 2 5 m m 的单晶硅电池片 2 多晶硅太阳能电池 多晶硅是单质硅的一种形态 熔融的单质硅在过冷条件下凝固时 硅原子以金刚石 晶格形态排列成许多晶核 如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒 则这些晶粒结合起来 就结晶成多晶硅 多晶硅可作拉制单晶硅的原料 多晶硅太阳能电池具有独特的优势 与单晶硅相比 多晶硅半导体材料的价格比较 低廉 相应的电池单元成本低 非常具有竞争优势 但是由于多晶硅材料存在较多的晶 粒间界而有较多缺点 转换效率不够高 实验室最高转换效率为2 03 e 多晶硅太阳 能电池的基本结构为n 押型 以p 型单晶硅片作为基片 电阻率的范围为0 5 2 f 2 c m 在 制作多晶硅电池时 原料高纯硅不是拉成单晶 而是熔化后浇铸成正方形的硅碇 可以 节省原料和能源 由于多晶硅太阳能电池性能稳定 适合于建设光伏电站 也可用作光 伏建筑材料 如图14 所示为1 2 5 1 2 5 m m 的多晶硅电池片 璺l l3 单晶硅电池片 3 非晶硅太阳能电池 6 翻14 多品硅电他片 中北大学学位论文 非晶硅是一种直接能带半导体 它的结构内部有许多所谓的 悬键 也就是没有 和周围的硅原子成键的电子 这些电子在电场作用下就可以产生电流 并不需要声子的 帮助 因而非晶硅可以做得很薄 还有制作成本低的优点 非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性都不够好 对其研究开始于2 0 世纪7 0 年代 初 非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大 是单晶硅的4 0 倍 1 微米厚的非晶硅薄膜 可以吸引大约9 0 有用的太阳光能 但是 非晶硅太阳能电池的稳定性较差 从而影响 了它的迅速发展 非晶硅及其合金的光暗电导率随着光照时间的加长而减少 经过 1 7 0 c 2 0 0 c 的退火处理 又可以恢复 0 光照之前的值 这一现象首先由s t a e b l e r 和 w r o n s k i 发现 被称为s w 效应 i s w 效应使非晶硅太阳能电池的转换效率由于光照 时问加长而衰退 长期以来成为非晶硅太阳能电池应用的主要障碍 日前非晶硅太阳能电池存在的问蹶是光电转换效率偏低 国际先进水平为1 0 左 右 且不够稳定 常有转换效率衰降的现象 所以尚未大量用于大型太阳能电源 而多 半用于弱光电源 如袖珍式电子计算器 电子钟表及复印机等方面 估计效率衰降问题 克服后 非晶硅太阳能电池将促进太阳能利用的大发展 因为它成本低 霞量轻 应用 更为方便 它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源 图15 为在i t o 玻璃表面采 用等离子体增强化学气相沉积法 p e c v d 沉积了三层非晶硅薄膜形成的p i n 结 配以 相应的前后工序处理而成的非晶硅太阳能电池 审 幽j5 非品畦a 能电池 4 化合物太阳能电池 化合物太阳能电池包括三五族化合物电池和 六族化合物电池 三五族化合物电池 主要有g a a s 电池 i n p 电池 g a s b 电池等 二六族化合物电池主要c a s c u l n s e 电池 c a s c d t e 电池等 在三五族化台物太阳能电池中 g a a s 电池的转换效率最高 町达2 8 7 中北大学学位论文 g a a s 是二元化合物 g a 是其它产品的副产品 非常稀少珍贵 a s 不是稀有元素 有毒 g a a s 化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池 这是由于g a a s 具有十分理想的 光学带隙以及较高的吸收效率 抗辐照能力强 对热不敏感 由于具有这些特点 所以 g a a s 化合物材料也适合于制造高效单结电池 g a a s 化合物太阳能电池虽然具有诸多优 点 但是g a a s 材料的价格不菲 因而在很大程度上限制了用g a a s 电池的普及 为了解 决这个问题 采用了聚光系统 该系统由于采用价格较低的塑料透镜和金属外壳 并且 改进了电池性能 因而深受广大用户青睐 下节将对聚光电池进行描述 5 有机太阳能电池 有机太阳能电池具有柔韧性和成本低廉的优势 是近年出现的新型太阳能电池 与 结构工艺复杂 成本高昂 光电压受光强影响波动大的传统半导体固体太阳能电池相比 有机太阳能电池制备工艺简单 可采用真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜 且可以制备在 可弯曲折叠的衬底上形成柔性太阳能电池 有机物太阳能电池材料的分子结构还可以自 行设计合成 材料选择余地大 加工容易 毒性小 成本低 可制造面积大 在太阳能 电池产业引起了科学家的极大关注 1 2 1 美国加卅l 大学圣芭芭拉分校的诺贝尔奖得主 物理学教授a l a nh e e g e r 和同事 k w a n g h e el e e 以及一个韩国科学家小组 利用新的技术 完全在溶液中合成出一种效 率更高的级联有机太阳能电池 将有机太阳能电池的效率提高到了6 5 已经接近7 的商业化标准 由于电池以塑料为主要材料 因此成本比采用多晶硅为材料的普通太阳 能电池低得多 除提高太阳能电池效率外 新技术还能降低制造成本 h e e g e r 表示 在 溶液中沉积电池的多层结构是降低成本的关键 这有赖于由半导体聚合物和富勒烯衍生 物构成的本体异质结材料 1 3 1 6 染料敏化太阳能电池 染料敏化纳米晶太阳能电池是最近二十几年发展起来的一种基于植物叶绿素光合 作用原理研制出的太阳能电池 这是一种使用宽禁带半导体材料的太阳能电池 宽带隙 半导体有较高的热力学稳定性和光化学稳定性 不过本身捕获太阳光的能力非常差 但 将适当的染料吸附到半导体表面上 借助于染料对可见光的强吸收 可以将半导体的光 谱响应拓宽到可见区 这种现象称为半导体的染料敏化作用 而载有染料的半导体称为 染料敏化半导体电极 8 中北大学学位论文 染料敏化太阳能电池 d s s c 最近取得较大进展 面积 1 0 0 c m 2 d s s c 转换效率已 达到6 这类电池所用主要材料为导电玻璃和t i 0 2 来源比较丰富 电池制各工艺也 比较简单 具有较大的潜在价格优势 但是这类电池的转换效率还有待进一步提高 电 池运行的稳定性还需要进一步经受考验 图16 分别为以导电玻璃 f t o 和柔性导电 衬底 p e c f 的染料敏化太阳能电池 1 3 2 按形态结构分类 图16 分别以导电玻璃和柔性导电村底的d s s c 1 叠层太阳能电池 叠层太阳能电池是由两种或两种以上不同带隙的电池有机地叠加组合而成 一般而 言 顶部电池的材料具有较宽的带隙 适于吸收能量较大的太阳光能 而底部电池的材 料带隙较窄 适于吸收能量较小的太阳光能 因此 在单结的基础上 叠层太阳能电池 的转换效率较高 例如g a a s 一叠层太阳能电池的转换效率可以达到1 3 5 图17 为一个三 结电池的内部结构及外观形状 m 减度目j 甚 1 鳘 17 三结l u 池山部结构与外观形状 9 中北大学学位论文 2 薄膜太阳能电池 太阳能电池实现薄膜化 是当前国际上研发的主要方向之一 如采用直接从硅熔体 中拉出厚度在1 0 0 1 a m 的晶体硅带 人们也在研究利用液相或气相沉积 如化学气相沉 积的方法制备晶体硅薄膜作为太阳能电池材料 这时可以采用成本较低的冶金硅或者其 它廉价基体材料 如玻璃 石墨和陶瓷等 在廉价衬底上采用低温制备技术沉积半导体 薄膜的光伏器件 材料与器件制备可同时完成 工艺技术简单 便于大面积连续化生产 制备能耗低 可以缩短回收期 在不用晶体硅作为基底材料的衬底上气相沉积得到的多 晶硅转换效率也达到1 2 以上 除了晶体硅薄膜电池以外 其它薄膜电池材料的研究也在取得进展 已实现产业化 和正在实现产业化的有非晶硅薄膜和多晶化合物半导体薄膜电池 碲化镉 硒铟铜 非晶硅薄膜主要采用化学气相沉积制备 在提高单纯非晶硅太阳能电池的转化效率的研 究进展不大 目前的技术水平是低于8 因此人们研究利用叠层技术以提高非晶硅电 池效率 如a s i a g e s i a s i g e 叠层电池实验室最高效率达到1 5 6 非晶硅 多晶硅叠层 电池 h i t 也是一种效率很高的叠层电池 s a n y o 开发出效率达2 0 7 的a s i c s i 电池 c i g s 电池研究方面人们试图利用其它材料如稀土元素替代资源稀少的1 1 1 在c d t e 化合 物半导体薄膜电池研究方面 虽然c d t e 稳定 无害 但c d 和t e 分别是有毒的 人们正 试图研究部分替代材料 其他化合物半导体材料的研究也取得了令人瞩目的成就 美国 国家可再生能源实验室和光谱试验室在锗衬底上生长出g a l n p g a a s g e 三节电池涂层 结合金属连接和抗反射涂层 通过对标准a m l 5 太阳光谱聚光 获得4 7 倍太阳光强度 从而得到创纪录的3 2 3 的光电转换效率 薄膜电池的生产成本可以随其生产规模的扩 大而降低 一旦技术上有重大突破 其成本可以降到1 美元 w p 以下 w p 是指标准太阳 光照条件下 即欧洲委员会定义的1 0 1 标准 辐射强度1 0 0 0 w m 2 大气质量a m l 5 电 池温度2 5 条件下 太阳能电池的输出功率 3 聚光太阳能电池 聚光太阳能电池是降低太阳能电池系统整体造价的一种措施 它通过聚光器使较大 面积的阳光会聚在一个较小的范围内 加大光强 克服太阳辐射能流密度低的缺陷 提 高光电转换效率 因此可以用较小面积的太阳能电池获得较高的电能输出 假设太阳辐 射为l k w 平方米 如果用普通太阳能硅电池提供l o w 的输出功率 则需要1 0 平方分 1 0 中北大学学位论文 米 价值4 0 0 元的电池 现在我们在1 平方分米 价值4 0 元的太阳能电池上放置一个 面积为1 5 平方分米价值2 0 元的聚光透镜 也可以实现l o w 功率的输出 在使用聚光 器将太阳浓缩1 5 倍后照射到太阳能电池上 提供l o w 功率所需成本由4 0 0 元降低到6 0 元 经济性可见一斑 国际上大力开展聚光太阳能电池的研究 一方面能减少昂贵的半 导体太阳能电池片的用量 另一方面可有效提高单位电池面积的输出功率 是极具潜力 的太阳能光伏发电新技术 聚光太阳能电池突破了普通太阳能电池高成本的制约因素 为太阳能电池的普及开 辟了一条新的道路 1 4 本文研究的主要内容 我国地域广阔 人口众多 7 0 0 0 万人生活在无电地区 而且我国广大西部太阳光照 充足 因此太阳能光伏发电在我国的发展前景非常好 太阳能在转换过程中效率较低 1 0 2 0 可转变为电能 其余能量以散热的形式损失掉了 所以我国应加大在太阳能 光伏发电领域的投资力度 进行高效率低成本太阳能电池的研究和开发 大力发展我国 的太阳能光伏发电事业这对于缓解我国大西部的能源缺乏问题是非常有效的 提高太阳能电池转换效率 降低成本 关键是提高太阳能的利用率 而聚光太阳能 电池能有效提高电池转换效率和降低成本 其中聚光器的设计和跟踪技术是该类电池在 研究中要解决的关键技术 本文主要对电池聚光系统中的聚光器进行研究和设计 主要 完成如下工作 1 掌握太阳能电池基本工作原理 基本结构及主要特性 分析太阳能电池转换 效率及影响因素 并研究提高太阳能电池转换效率的主要技术 2 了解聚光太阳能电池 掌握各种典型聚光器在聚光电池中的应用 并分析其 优缺点 3 掌握菲涅尔透镜的聚光原理 并通过分析平板形线性菲涅尔透镜的光学效率 设计柱面线聚焦菲涅尔透镜 并确定该透镜在聚光电池使用中的位置 4 针对抛物柱曲面镀银玻璃太阳能聚光器聚光不均匀 加工费用高及银反射层 易脱落等三大缺陷 提出一种新型抛物柱折面形镀银玻璃太阳能聚光器 11 中北大学学位论文 2 1 太阳能电池原理及结构 2 太阳能电池基本知识 太阳能电池是利用半导体材料的光伏效应把太阳光直接转换成电能的一种固体器 件 即主要利用了p n 结的光伏效应 半导体硅是 4 价元素 有4 个价电子 当掺入少量杂质元素磷后 若干个硅原子中 会有一个被 5 价的磷原子替代 这时它就多余一个价电子 成为自由电子 这种有多余 自由电子的半导体叫做n 型半导体 半导体硅中掺有 3 价杂质元素硼之后 同样会出现 一个硅原子被硼原子替代的情况 由于硼是三价的 这时它就缺少一个价电子 即多余 一个空穴 这种有多于空穴的半导体叫做p 型半导体 当一块硅片一面制成n 型半导体 另一面制成p 型半导体时 在两种半导体的交界面 区域里会形成一个特殊的薄层 界面的p 型一侧带负电 n 型一侧带正电 这是由于p 型 半导体多空穴 n 型半导体多自由电子 出现了浓度差 n 区的电子会扩散到p 区 p 区 的空穴会扩散到n 区 一旦扩散就形成了一个由n 指向p 的 内建电场 从而阻止扩散 进行 达到平衡后 就形成了一个特殊的薄层 这个薄层叫做耗尽层 即空间电荷区 太阳能电池就跟半导体的这种结构有关 2 1 1 太阳能电池基本原理 如图2 1 所示为典型太阳能电池的简单示意图 该电池受光面为高浓度掺杂的狭窄n 区 耗尽层 宽度形 一直延伸到p 区 并在耗尽层形成一内建电场岛 把连接n 区的电 极做成栅形或指形以提高光的吸收率和减小电池的表面电阻 在电池表面镀一层减反射 膜以提高太阳光的利用率 当光照射在电池上时 由于n 区 宽度厶 比较狭窄 能量大于禁带宽度e 的大部 分光子在耗尽层和p 区 宽度 被吸收 产生光生电子 空穴对 e h p s 在耗尽层的 光生e h p s 立即被内建电场所分离 电子漂移到达n 区形成负极性区域 同时空穴漂移到 12 中北大学学位论文 达p 区形成正极性区域 于是通过接线在p n 结两端形成了开路电压吃 如果连接了负载 那么n 区的大量电子经过外电路工作 然后到达p 区与大量空穴复合 其中 内建电场对 分离光生e h p s 在n 区积累大量电子 在p 区积累大量空穴起了关键作用 n 区 e o p 区 极 一 十 图2 1 太阳能电池工作原理 因为没有电场的缘故 在p 区被吸收的长波长光子激发的e h p s 只能扩散到一定的区 域 假设电子的寿命为0 则它的平均扩散长度丘可由 式2 1 表示 其中见为电子在 p 区的扩散系数 丘 2 皿t 式2 1 离耗尽层的距离在t 范围内的那些电子能扩散到内建电场 并在内建电场的作用下 漂移到n 区 因此在p 区产生的光生e h p s 中 只有那些离耗尽层距离在丘范围内的的少 数载流子 电子 才对光伏效应起作用 一旦电子被扩散到耗尽区域 它将被鼠扫到n 区 增加该区的负电荷 空穴留在p 区增加该区的正电荷 而那些离耗尽层的长度大于丘 的光生e h p s 都被复合损失掉了 正因为此 少数载流子的扩散长度t 要尽可能的长 又由于在半导体硅中电子的扩散长度要比空穴长 所以这里选择了以p 区产生的电子为 少数载流子的硅p n 结 同样 在n 区由短波长光子激发产生的e h p s 中只有那些离耗尽层 距离小于扩散长度厶的少数载流子 空穴 能到达耗尽层并被内建电场分离到p 区 因 13 中北大学学位论文 此 对光伏效应起作用的e h p s 的产生发生在这样一个区域 厶 矿 厶 如图2 2 所示 树区大量的电子通过外电路流到p 区与空穴中和 这种由光生载流子的流动产生的电流 叫光电流厶 要注意的是 在p n 两端形成光生电动势后 相当于在p n 结两端加上了正 向电压以具有普通p n 结的二极管特性 正向电流为l 1 6 1 因此通过电池的总电流 l 一 式2 2 f 图2 2 光电流产生区域 由上面分析可以看出 为使半导体光电器件能产生光生电动势 他们应该满足以下 三个条件 1 半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数口 即要求入射光子 的能量力 大于或等于半导体材料的禁带宽度t 使该入射光子能被半导体吸收而激发 出光生非平衡的电子空穴对 2 图2 3 为一些材料的吸收曲线 可以发现g a a s 和非晶硅的吸收系数比单晶硅大 得多 透入深度 1 a 只有1 岬左右 即几乎全部吸收入射光 所以这两种电池都可 以做成薄膜 节省材料 而硅太阳能电池 对太阳光谱中长波长的光 要求较厚的硅片 约1 0 0 3 0 0 l a m 才能充分吸收 对于短波长的光 只在入射表面附近l 岬区域内就 已充分吸收了 3 具有光伏结构 即有一个内建电场所对应的势垒区 势垒区的重要作用是分 离了两种不同电荷的光生非平衡载流子 在p 区积累了非平衡空穴 而在n 区积累了非平 衡电子 产生了一个与平衡p n 结内建电场相反的光生电场 于是在p 区和n 区间建立了 1 4 中北大学学位论文 光生电动势 或称光生电压 光能量 e v 波长 m 图23 不同半导体材料的吸收系数与入射波长的关系 2 1 2 太阳能电池基本结构 典型的太阳能电池的结构如图24 所示 硅的p n 接合处 被央在上 下两个金属接 触层之问 上金属接触层是栅格状的 以容许光线射到p n 接合之上 p n 接合的项部 有一层防反射薄层 以减少从光亮的硅表面反射出来的光线 这就是太阳能板的表面看 起来很暗淡的原因 圭持要 在自篇 悖丰 在哇蛤 蹦2 4 太r l 能电池结构幽 型硅 型硅 中北大学学位论文 2 2 太阳能电池主要特性 太阳能电池的特性可大致分为 光伏器件特性 如光谱特性 照度特性 半导体器 件特性 如输出特性 温度特性 二极管特性等 太阳能电池的输出特性通常是指伏安 特性曲线 包括开路电压 短路电流 填充因子 以下就太阳能电池的光谱响应特性 伏安特性 温度特性及主要参数作简单介绍 2 2 1 光谱响应特性 光谱响应表示不同波长的光子产生电子 空穴对的能力 也就是说 在阳光照射激 发作用下 太阳能电池所收集到的光生电流与到电池表面上的入射波长有着直接的关 系 光谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池 测量此时的短路电泓c 然后依次改变单色光的波长 再重新测量电流 光谱响应曲线有时候称为量子效率 外量子效率 曲线 也可以用收集效率 内量 子效率 曲线来表示 二者并不一致 一般来说 量子效率 外量子效率 是指入射多 少光子数产生多少电子的比率 即入射到电池上的每个光子产生的电子一空穴对或少数 载流子的数目 而收集效率 内量子效率