空间电池和聚光电池解读..ppt

空间电池和聚光电池 概述 各代太阳能技术简介空间电池GaInP2 GaAs Ge级联电池聚光电池聚光跟踪发电系统的组成部件聚光跟踪发电系统的开发意义 各代太阳能电池介绍 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 第一代太阳电池 第二代太阳电池 非晶硅薄膜 铜铟锡 CIGS 碲化镉 CdTe 薄膜太阳能电池 第三代太阳能电池 硅响应部分 多结化合物半导体光伏电池 MTJ光伏电池 采用三个不同半导体材料构成PN结 每个PN结具有不同的禁带宽度顶电池 1 9eV中电池 1 4eV底电池 0 7eV不同的电池吸收太阳光谱中不同的部分 从而提高整个电池的转换效率 中国太阳能资源 1平方公里土地所接受的太阳能功率约为10亿瓦特 1座核电站 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅 在P型半导体和N型半导体的交界处就会形成一个P N结 当光线照射太阳电池表面时 在P N结两侧集聚形成了电位差 当外部接通电路时 在该电压的作用下 将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率 这个过程的的实质是 光子能量转换成电能的过程 其原理如图所示 太阳能电池发电原理 空间太阳能电池的发展1958年3月 美国的先锋1号 Vanguard 卫星上首次安装了太阳电池帆板进行飞行实验 在随后的25年中 几乎所有卫星都是由单晶硅太阳电池供电 电池的光电转换效率从5 提高到了18 直到1983年 GaAs电池才首次在航天器上使用 理想太阳能电池材料需要具备 能带在1 1eV 1 7eV之间 对应光波长范围0 73 1 13 m 直接能带半导体 组成材料无毒性 可利用薄膜沉积技术且可大面积制备 有良好的光电转换效率 具有长期稳定性 GaAs材料的主要特点 带隙宽度为1 42eV 300K 带隙宽度与太阳光谱匹配 耐高温性能好 抗辐照性能强 多结叠层太阳电池的材料 光吸收系数高 GaInP2 GaAs Ge级联电池 GaInP2 GaAs级联电池是1985年以后才兴起的一种空间用高效电池 GalnP2 GaAs Ge级联电池则是以锗单晶为衬底 兼顾GaInP2 GaAs电池和GaAs Ge电池的优点 SpeetrolabInC 的P K ehiang从1990年开始研制GaInP2 GaAs Ge多结级联电池 到1993年有了突破 他们在7 62cm2的Ge衬底上用MOCVD技术制备了效率为23 3 Voc 2 572mV的电池 且均匀性非常好 ASEC在这方面也取得了很好成绩 他们已制得效率为21 3 的电池 在三颗卫星上使用 i NASASSTI Clerk 和 Lervis 1996年发射 其中 Clerk 准备安装0 5m2面积的GaInP2 GaAs Ge电池和21m2面积的GaAs电池 总功率83W ii NASATRACE 1998年发射 iii PhillipsLabMightsat 1996年发射 6块板 108个4cm2面积的GaInP2 GaAs Ge双结电池 效率为21 5 GaInP2 GaAs Ge电池结构图 BSF层的作用 a 加速光生少子输运 增加光电流 b 由于少子复合下降而减少了暗电流 背电场可把向背表面运动的光生少子反射回去重新被收集 C 增加开路电压 d 改善金属半导体接触 减小串联电阻 整个电池的填充因子也得到改善 GaInP2 GaAs Ge级联电池结构的MOCVD生长 MOCVD装置示意图 GaAs Ge底电池结构的生长研究 在N2气氛下装入反应室 抽真空充H2交换6次准备生长 在外延生长开始前 先对Ge单晶进行预处理 去除表面尚存的氧化层 在高温700 下烧H2 同时通入AsH3 10分钟后 降温到过渡层生长温度为400 450 生长完过渡层 升温到被表面电场 BSF 层和基区的生长温度600 生长GaAs的BSF层和基区 然后生长GaAs发射区和AlGaAs窗口层 最后生长GaAs帽子层 隧道结的生长研究 GaAs隧道结单层掺杂生长温度500一600 石墨衬底托旋转速度100转 分钟 因为GalnP2 GaAs Ge级联电池隧道结的厚度在15 20nm之间 故采用低速生长 生长速率约5nm min 顶电池的生长研究 GaInP2作为一种重要的宽带半导体材料 一方面作为发光材料应用在发光二极管 LED 和激光器上 另一方面又成为多结级联电池较为理想的窗口层和顶电池材料 我们采用自制的低压MOCVD设备 以TMG TMI和PH3为源 以通过把管提纯的H2作为载气 以Ge单晶为衬底进行GalnP2的外延生长 衬底托盘转速80一120转 分 NREL公司GaInP2 GaAs双结太阳能电池 NREL公司改进型GaInP2 GaAs双结太阳能电池结构参数 GaInP2 GaAs双结太阳能电池 太阳能聚光系统的引入 目前应用于地面发电系统的GaAs基太阳能发电系统大多都采用聚光系统 聚光型太阳能 Concentrationphotovoltaic 简称CPV 技术通过透镜或镜面将接收到的太阳能放大成百上千倍 然后将放大的能量聚焦于效率极高的小光电池上 CPV系统实物图 左 及CPV系统原理图 右 聚光太阳能系统组成 聚光跟踪发电系统的组成部件 电池片砷化镓 GaAs 的发展潜力砷化镓 GaAs 半导体材料与传统的硅材料相比 它具有很高的电子迁移率 宽禁带 直接带隙 消耗功率低的特性 电子迁移率约为硅材料的5 7倍 因此 广泛应用于高频及无线通讯中制做IC器件 聚光器聚光器组件的作用是提高太阳能电池表面的入射光辐射强度 从而提高单位面积太阳能电池的输出功率 聚光器原理费涅尔透镜是一种折射式聚光器 它是由平凸透镜演变而来的 从图 a 可知 当太阳光垂直平凸透镜时 第一个界面 平面 不改变光的传播方向 第二个界面 曲面 才会改变光的方向 使入射光会聚 把平凸透镜的曲面分成许多个小单元 由于每个小单元可近十地看作为平面 如图 b 这样图中画有阴影线的部分变成了直角小棱镜 把许许多多直角小棱镜平版化 在一块平板上加工制成 便构成了费涅尔透镜 也称平板透镜 见图 c 费涅尔透镜演化示意图 三 散热器散热装置主要作用是为太阳能电池降温 太阳能电池的最佳工作温度是在25 左右 而聚光器在提高光强的同时由于能流密度增大也使太阳能电池表面的温度升高了很多 具体以硅太阳能电池为例 温度每升高1 其输出功率下降0 35 0 45 四 跟踪器追踪装置的主要作用是保证太阳电池组件表面与入射阳光垂直 延长太阳能电池组件的直接辐照时间 提高其单位时间发电量 追踪装置能保证聚光电池工作于最佳状态 世界聚光太阳能电池的转化效率 CPV发电系统集成 接收器 模组 发电系统 CPV成本趋势 随着聚光技术的成熟和产业规模化 CPV成本将低于硅基和薄膜太阳能技术 在2012年达到或接近平价上网的水平 26 聚光跟踪发电系统的开发意义在各国政府的大力支持下 以及光伏市场的需求和聚光光伏技术迅猛提高的趋势下 高效 低廉 可靠 稳定的聚光光伏发电系统正在逐步走向产业化 在只要我们抓住有利时机 瞄准国际光伏电池新材料及器件研究的前沿 积极引进和开发成熟砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统 就能在聚光光伏技术及应用方面取得原创性的 突破性的进展 参考文献1 刘祖明 涂洁磊等 中国第六届光伏会议文集 2000 266一268 2 陈哲良 太阳能光电技术发展的现状及前景 摘录 物理电源信息 1999 3 1一33 太阳能光伏发电产业及其在我国的发展前景分析 httP 刀 谢谢 人