提高太阳能电池转换效率的关键技术

目录1绪论111课题研究背景112太阳能的特点及优势113太阳能电池的分类和研究进展2131按材料分类3132按形态结构分类714本文研究的主要内容82太阳能电池基本知识921太阳能电池原理及结构9211太阳能电池基本原理9212太阳能电池基本结构1022太阳能电池主要特性11221光谱响应特性11222伏安特性12223温度特性13224太阳能电池主要参数1423太阳能电池等效电路和效率分析15231太阳能电池等效电路15232影响太阳能电池转换效率的因素17233提高太阳能电池转换效率的各种技术1824本章小结223聚光高效太阳能电池研究2331聚光光伏技术的发展2332各种聚光太阳能电池23321平面结聚光硅太阳能电池24322垂直结聚光硅太阳能电池24323聚光砷化镓太阳能电池2733各种聚光器在太阳能电池中的应用2834本章小结294菲涅尔透镜太阳能聚光器研究3041菲涅尔透镜原理及特点30411菲涅尔透镜的光学原理30412菲涅尔透镜的特点及影响因素3242用于聚光太阳能电池的柱面菲涅尔透镜33421线聚焦透镜的光学效率分析33422柱面菲涅尔透镜3443本章小结385总结39参考文献40致谢421绪论11课题研究背景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。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。诺贝尔奖获得者美国RICEUNIVERSITY的SMALLEY教授曾经指出，在未来的50年里，人类面临着随之而来的10大问题中，能源问题排在首位。目前人类使用的能源中，化石能源占90以上。而到21世纪中叶，其比例将减少到人类使用能源的一半，达到其极值，之后核能和可再生能源将占主导地位。到2100年时，可再生能源将占人类使用能源的L/3以上1。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。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2。在诸多可再生能源中，包括太阳能、风能、潮汐能、地热能、氢能和生物质能，太阳能所蕴藏的能量是所有其他可再生能源能量总和的上千倍,因此发展太阳能潜力巨大。太阳能作为新能源和可再生能源的一种，因其清洁环保，永不衰竭的特点，受到世界各国的青睐。太阳能是21世纪最有潜力的能源，太阳能产业是新兴的朝阳行业，具有较高的投资价值。充分开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、促进经济发展都有极为重要的现实意义和深远的历史意义3。12太阳能的特点及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40秒钟就有相当于210亿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。在常规能源供给紧张和环保压力不断增大的背景下，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮，使太阳能的应用领域不断拓展，己渗透到人们生活的每一个角落。太阳能的优点主要有以下几个方面I来源充足太阳光普照大地，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。2没有污染开发利用太阳能不会污染环境。它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。3能量巨大每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标煤,其总量属现今世界上可以开发的最大能源。4可长久使用根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。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。基于以上种种优点，太阳能的相关应用也是十分广泛，它的应用领域有太阳能集热器、太阳能热力发电、太阳能光伏发电、太阳能海水挣化、太阳能空调、太阳能电动车、太阳能建筑、太阳能照明灯、太阳能灶、太阳能水泵系统等，其中不少应用是利用太阳能电池把太阳能转化为电能加以应用的。太阳能电池又称太阳能晶片或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片4。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。太阳能电池在物理学上称为太阳能光伏，简称光伏。太阳能电池具有重量轻、能经受外部空间的各种复杂的环境的考验、性能稳定、灵敏度及光电转换效率高、使用寿命长等优点，使得它在现实生活中得到越来越多的应用。13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1954年美国科学家恰宾和皮尔松5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。20世纪60年代，供空间应用的电池设计成熟；70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；80年代至90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80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。1981年，世界太阳能电池的产量为6MW，1994年达到70MW，1997年更是达到122MW，至1998年已达至1574MW，这期间的平均增长速度为25。从1999年的200MW到2004年的1260MW，平均年增长率超过30，2004年在2003年的基础上猛增69。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21世纪中叶，光伏发电量将占到世界总发电量的1/56,7。目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、农业、商业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以方便地在边远地区、高山、沙摸、海岛和农村使用，可节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，其成本仍然较高，发出1KW电需要投资上万美元，经济上的限制了其大规模使用8。从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。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。131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11EV，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。单晶硅太阳能电池是开发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99999。单晶硅太阳能电池的基本结构为N/P型，多以P型单晶硅片作为基片，电阻率的范围为13，具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可达CM到12L6，而实验室记录的最高转换效率为2449。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阳能电池。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间界而有较多缺点，转换效率不够高，实验室的最高转换效率为20310。多晶硅太阳能电池的基本结构为N/P型,以P型单晶硅片作为基片，电阻率的范围为052。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CM方形硅碇，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。3非晶硅太阳能电池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20世纪70年代初。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大，是单晶硅的40倍。1微米厚的非晶硅薄膜，可以吸引大约90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170C200C的退火处理，又可以恢复到光照之前的值。这一现象首先由STAEBLER和WRONSKI发现，被称为SW效应11。SW效应使非晶硅太阳能电池的转换效率由于光照时间加长而衰退，长期以来成为非晶硅太阳能电池应用的主要障碍。目前非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10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，质量轻，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。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二六族化合物电池。三五族化合物电池主要有GAAS电池、INP电池、GASB电池等；二六族化合物电池主要CAS/CULNSE电池、CAS/CDTE电池等。在三五族化合物太阳能电池中，GAAS电池的转换效率最高，可达28；GAAS是二元化合物，GA是其它产品的副产品，非常稀少珍贵；AS不是稀有元素，有毒。GAAS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GAAS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GAAS化合物材料也适合于制造高效单结电池。GAAS化合物太阳能电池虽然具有诸多优点，但是GAAS材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GAAS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。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。美国加州大学圣芭芭拉分校的诺贝尔奖得主物理学教授ALANHEEGER和同事KWANGHEELEE，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65，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12。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。染料敏化太阳能电池DSSC最近取得较大进展。面积100DSSC转换效率已达2CM到6。这类电池所用主要材料为导电玻璃和TI0，来源比较丰富，电池制造工艺也比2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9。下图分别为传统染料敏化太阳能电池（图11）和高性能有机染料敏化太阳能电池（图12）。图11传统染料敏化太阳能电池图12高性能有机染料敏化太阳能电池132按形态结构分类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。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100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M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12以上。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LKW平方米，如果用普通太阳能硅电池提供L0W的输出功率，则需要10平方分米，价值400元的电池。现在我们在1平方分米、价值40元的太阳能电池上放置一个面积为15平方分米价值20元的聚光透镜，也可以实现LOW功率的输出。在使用聚光器将太阳浓缩15倍后照射到太阳能电池上，提供LOW功率所需成本由400元降低到60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。14本文研究的主要内容我国地域广阔，人口众多，7000万人生活在无电地区，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，1020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。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。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。2分析太阳能电池转换效率及影响因素。3研究提高太阳能电池转换效率主要技术。2太阳能电池基本知识21太阳能电池原理及结构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PN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，这种有多余空穴的半导体叫做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。211太阳能电池基本原理图21太阳能电池发电原理当有适当波长的光照射到PN结上后，由于光伏效应而在势垒区两边产生了电动势。如图21，设入射光垂直PN结结面。如果结较浅，光子将进入PN结结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子空穴对。在光激发下多数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子浓度却变化很大，因此主要分析光生少数载流子的运动。PN结两边的光生少数载流子受结势垒区内存在的较强内建电场自N区指向P区的作用，各自向相反方向运动；P区的电子穿过PN结进入N区；N区的空穴进入P区，使P端电势升高，N端电势降低，于是在PN结两端形成了光生电动势，这就是PN结的光生伏特效应。由于光照在PN结两端产生光生电动势，相当于在PN结两端加正向电压，产生正向电流。VFI在PN结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，PN结两端建立起稳定的电动势（P区相对于N区是正的），即光电池的开路电压。如将PN结与电路接通源，OC只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，PN结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。212太阳能电池基本结构典型的太阳能电池的结构如图22所示。硅的PN接合处，被夹在上、下两个金属接触层之间。上金属接触层是栅格状的，以容许光线射到PN接合之上。PN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。图22太阳能电池结构图22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。221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，测量此时的短路电流ISC；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空穴对或少数载流子的数目，而收集效率内量子效率是指吸收多少光子产生多少电子的比率，即在电池中被吸收的每个光子产生的电子空穴对或少数载流子的数目。能量转换效率是输入多少的光能够产生多少电能的比率数。由于入射的光子不一定都被吸收，产生的电子不一定都产生电能，因此一般而言，内量子效率最高，而能量转换效率最低，但它们都是可以测量或计算的。在太阳能电池中，只有那些能量大于其材料禁带宽度的光子才能在被吸收时产生电子空穴对，而那些能量小于禁带宽度的光子即使被吸收也不能产生电子空穴对它们只是使材料变热。这就是说，材料对光的吸收存在一个截止频率（长波限）。并且当禁带宽度增加时，被材料吸收的总太阳能就越来越少。对太阳辐射光线来说，能得到最好工作性能的半导体材料，其截止波长应在08以上，包括从红色到紫色全部可见光。每种太阳能电池对太阳光线都有其自己的光M谱响应曲线，它表示电池对不同波长的光的灵敏度光电转换能力。太阳能电池的光谱响应特性在很大程度上依赖于太阳能电池的设计、结构、材料的特性、结的深度和光学涂层。使用滤光膜和玻璃盖片可以进一步改善光谱响应。太阳能电池的光谱响应随着温度和辐照度损失而变化。222伏安特性太阳能电池在短路条件下的工作电流称为短路光电流（），短路光电流等于光子SCI转换成电子空穴对的绝对数量。此时，电池输出的电压为零。太阳能电池在开路条件下的输出电压称为开路光电压，此时，电池的输出电流为零。具有PN结的太阳能OCV电池在不受光照时，相当于一个二极管，外加电压和电流的关系曲线叫作光电池的暗特性曲线，如图23中所示的曲线。在一定的光照下，可以得出端电压和电路中通过B负载的工作电流的关系曲线，叫作光电池的伏安特性曲线，如图23所示的曲线。其A中，表示最大功率点电压，表示最大功率点电流，为最大功率点功率，表示为MVMIMP。在一定的日照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最大输出功率点，太阳IP能电池只有工作在最大功率点才会使其输出的功率最大。图23太阳能电池在无光照和光照下的电流电压曲线在一定的光照下，光生电流IL是一个常量。这两条曲线在第四象限所包围的区域就是太阳能电池的输出功率区域。把曲线上下翻转，平移坐标轴位置，即可以得到通常使用的伏安特性曲线，如图24所示。曲线在I轴上的截距为短路电流，在V轴上SCI的截距为开路电压。图24中的虚线表示在一定的负载电阻时的关系，称为OCVR负载线。负载电阻R为某一值时的直线与特性曲线的交点坐标为使用这个负载电阻时的端电压V和电流I。图24太阳能电池的伏安特性曲线223温度特性太阳能电池的开路电压随着温度的上升而下降，大体上温度每上升1，电压OCV下降223；短路电流则随着温度的上升而微微地上升；电池的输出功率P则随MVSCI着温度的上升而下降，每升高1，约损失035045。温度对太阳能电池的影响载流子的扩散系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随着温度的升高稍有增大，因此，光生电流也随着温度的升高有所提高。但是I随温度的升高指数增大，而随温度的升高急剧下降。当温度升高时，IU曲线形状改变，填充因子下OCV降，故转换效率随温度的增加而降低。图25和图26是太阳能电池在相同日照下不同温度的输出特性曲线和常温下不同日照的输出特性曲线。图25不同温度下的输出特性曲线图26不同日照下的输出特性曲线由特性曲线可知，效率随着照度的上升而上升，因此可以通过提高电池单位面积上的照度来提高电池效率，即使用聚光技术。效率又随着温度的上升而下降，即太阳能电池转换率具有负的温度系数。所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。此外，在聚光电池系统中应加有相应的电池冷却装置。224太阳能电池主要参数不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性一般都是用如图23所示的伏安特性曲线来表示，短路电流，开路电压，最大输出功率是它的主要输出参SCIOCVMP数。转换效率和填充因子是衡量电池品质的主要参数。F1光伏电池的光电转换效率是指电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的入M射光的功率的比值，用式子表示为INP2110INMIPIV式中，和分别为光伏阵列最大电流A和最大电压V。MIV光伏电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结构特性、材料特性、工作温度和环境温度变化等有关。在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本。2填充因子又称曲线因子，即光伏电池最大功率与开路电压VOC和短路电流ISC乘积的比值，用符号FF表示22SCOMSCOCMIIVPF填充因子是评价光伏电池性能优劣的一个重要参数。影响填充因子的因素是多方面的，它既和电池材料的PN结曲线因子常数、串联电阻，并联电阻等内部参数有SRSH关，还与光伏电池的工作温度、光照强度等外部条件有关。一般L，它的值越高，F表明光伏电池输出特性越近于矩形，电池的光电转换效率越高1315。23太阳能电池等效电路和效率分析231太阳能电池等效电路太阳能电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将电池看作恒流电源。太阳能电池可看作PN结型二极管，在光的照射下产生正向偏压，所以在PN结为理想状态的情况下，可等效为电流源和一个理想二极管的并联电路。但是在实际的太阳能电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻来表示；同时，由于电池边沿的漏电，SR在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻来等效表示16。此时的等效电路可用图27来描述，太SHR阳能电池的输出电流I可表示为23SHNKTIRVQSHIES1式中，为光生电流A；为二极管的反向饱和电流A；为太阳能电池输出电压SHISIVV；为单位电荷16LO19K库仑；为玻耳兹曼常数1381023JK；为绝对QT温度K；为二极管指数。N图27太阳能电池等效电路当太阳能电池两端开路时，即负载阻抗为无穷大时，电池的输出电流为零，此I时的电压为电池的开路电压。在式23中，令，则有OCV0I24SHOCNKTQSHREIC125LSHOCOCIVQV式25表明，开路电压不受串联电阻的影响，但与并联电阻有关。可以看出，OCSRSHR减小时，会随之减小。SHROCV太阳能电池两端短路即负载阻抗为零时，电池电压V为零时，此时的电流为短路电流。在式23中令，得SCI026SHCNKTRQISHSCIEISC1考虑到一般情况下RSRSH，可化为271NKTRQISHSCSCEI式27表明，短路电流基本与并联电阻无关，但受串联电阻的影响，随着SHSRSR的增大，短路电流会减小。SCI通常，在现代太阳能电池中，的值一般很大，故式23中的最后一项通常忽SHR略不计，这时式23变成281NKTIRVQSHSEI当参数，确定之后，根据上式可以确定太阳能电池的输出特性。SHISRN232影响太阳能电池转换效率的因素前面所叙述的太阳能电池转换效率的理论值都是在理想状况下得到的。而太阳能电池在光电转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比理论极限效率要低。以PN结硅电池为例，下面我们来分析影响太阳能电池转换效率的主要因素。1光生电流的光学损失太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。反射损失就是从空气或真空入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在工作范围内的太阳能光谱中，超过30的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅电池表面一般会涂上减反射膜SIN。栅指电极遮光损失就是定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比。对一般电池来说，约为415。C透射损失就是如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出，这决定了半导体材料的最小厚度。间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。2光生载流子的收集效率由于材料的缺陷等原因，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流子消失掉。光照射PN结激发出来的电子空穴对不一定会全部被PN结的自建电场所分离。我们把受激产生的电子空穴对数目与被PN结势垒所分离的电子空穴对数目之比叫做收集效率。半导体中电场产生的偏移效应和电荷浓度梯度产生的扩散效应导致电子空穴的移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，通常在某个时间常数下，具有返回平衡状态的倾向。人们把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在电子空穴对从产生的地方分别向PN两层移动所需要的时间比过剩载流子寿命还要长的情况下，电荷将不会被PN结势垒所分离，对光生电压的产生没有贡献。这样，收集效率就由过剩载流子的寿命和PN结的位置来决定。3影响开路电压的实际因素决定开路电压大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子OCV扩散长度越短，也就越低。在PSI衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合机C理是复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决于三种复合中复合率最大的一个。对于高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于1017时，则俄歇复合产生3CM影响，使少子寿命降低。通常，电池表面还存在表面复合，也会降低值。OCV4辐射效应应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子辐射，产生缺陷，使电池输出功率下降，影响其使用寿命。5电极接触不良或设计不合理使串联电阻增加，不能有效地收集载流子。233提高太阳能电池转换效率的各种技术针对232节分析的影响太阳能电池转换效率的因素，我认为有以下几种提高其转换效率的方法，见表21。表21太阳能损失原因以及防止技术损失原因防止技术表面光反射1、采用减反射膜2、表面进行凹凸处理3、合理设计电极载流子再结合1、加一层钝化膜层2、控制杂质浓度3、加背面场4、合理设计电极1减反射损失技术为了减少太阳光的反射损失，一般采用下面两种技术1采用减反射膜。常用减反射膜有含氧量为12的硅氧化物SIO与钛氧化物TIOXX等。单独采用一层反射膜效果不好，为此，大多采用二层减反射膜，如由TI02和MGF2所组成的减反射膜或由SIN和SI02所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳膜或由SIN和SI02所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳能电池表面，有很好的减反射效果。2采用凹凸结构。如表面用腐蚀等方法处理成具有很多金字塔型的绒面状结构或具有倒金字塔型的沟槽结构，或具有V型的沟槽结构。把太阳表面处理成凹凸结构时的光的入射路径示于图28。由该图可见，各种方向入射的太阳光经过多次反射后都能进入到太阳能电池中去，从而增加入射的太阳光量。采用这种结构，其光反射损失有的甚至可减到5左右。未经过处理的光滑硅表面，反射率一般高达30左右17。金字塔型绒面结倒金字塔型沟槽结构V型沟槽结构在沟槽结构中的反射原理图28太阳能电池的结构以及减反射原理光透射1、在底电极上加一层金属反射层2、进行凹凸处理串联电阻合理设计电极2减少载流子损失技术减少载流子损失，主要是防止载流子的再结合损失。通常采用以下三种方法1加一层钝化层；2控制杂质浓度；3在底层上加一个背面电场。加有钝化层、杂质控制层、背面电场的高效太阳能电池的结构中钝化层可以使电池表面的缺陷结构钝化，从而减少载流子的再结合。电池底层上采用高浓度掺杂法形成一背面电场，可加速载流子的输运过程，减少载流子的再结合。背面电场电池指在基区底部即电池背面附近，具有基体杂质浓度梯度的太阳能电池。杂质浓度梯度可以通过蒸铝烧结或硼扩散的方法建立18。目前高效率电池一般都具有背面电场。3减少光透射损失在太阳能电池中，波长较长的入射光一般都能透射到电池的深层底电极，要充分利用这种长波长的光，最好在底电极处再加一层反射率高的金属层。用ITO作底电极上的反射层，效果很好。过去常规电池使用的铝电极是用ITO胶烧结法制成的。这时可形成铝的扩散层，这种铝扩散对提高太阳能电池转换效率很有利，在保留原铝扩散层的条件下去掉合金层，换成ITO电极层，结果它不仅能起电极作用，还能起反射层的作用，使转换效率在原来的基础上又提高了19。4减少串联电阻损失合理设计和精细制作电极是减少电池内部电阻、提高太阳能电池转换效率的另一个有效途径。一般认为电池表面所占的面积越小，太阳光利用率越高。但电极的表面积越小，电极内部的电阻越大，使电池的转换效率反而降低。过去认为电池表面的电流密度是均匀的，所以单纯从电阻与转换效率的关系中优化电极形状，没有考虑到太阳能电池表面的电流密度大小与电极形状之间的关系。夏普公司采用计算机模拟方法求出了电极表面上的电流密度分布，发现电池表面各处的电流密度分布是不均匀的。我认为可根据其电流密度分布，设计有利于收集载流子的电极形状，并采用激光加工技术，使电极面积细微化，既增加入射光面积，又提高载流子收集效率，并使电池转换效率在原有的基础上进一步提高。5多层结构太阳能电池把多个具有不同光谱灵敏度特性的太阳能电池堆集起来所组成的太阳能电池叫作多层结构太阳能电池。这种太阳能电池，把禁带宽度宽的材料所制成的太阳能电池放在入射光的一侧，先让它吸收短波长的光，然后再制成用禁带宽度较窄的材料所组成的太阳能电池，让它吸收由前半部透射出来的长波长的光，这样可以充分地利用入射太阳光，提高其转换效率。多层结构太阳能电池能更有效地利用各种波长的太阳光，从而提高电池转换效率。多层结构太阳能电池，除了上述的无定形硅太阳能电池以外，还有由单晶硅和无定形硅或由单晶硅和砷化镓太阳能电池所组成的多层结构太阳能电池20。6充电连接方法的改进传统的充电连接方法把太阳能电池与蓄电池全部串联起来如图29所示。我认为把太阳能电池及蓄电池分成若干个小组，先串联各个小组后再并联，改进后的这种联接方法的好处是可降低充电回路的内阻，提高充电效率如图210所示。提高太阳能电池转换效率的技术很多。图29传统充电连接方法图210改进的充电连接方法除上述五种方法外，还可通过提高原材料的纯度和质量，或采用聚光等方法。但无论哪种技术，若单独采用，所提高的转换效率幅度都是很有限的。所以要想较大幅度地提高太阳能电池的转换效率，必须同时采用多种技术。24本章小结本章从PN结说起，主要介绍了太阳能电池的原理、结构、主要特性及等效电路，主要特性包括光谱响应特性、伏安特性、温度特性以及太阳能电池主要参数。在介绍温度特性时，电池效率随着照度的上升而上升，随着温度的上升而下降，由此提出采用聚光技术提高电池效率，同时需要良好的冷却装置。在介绍等效电路时，给出了开路电压和短路电流的计算公式，在此基础上分析了太阳能电池的转换效率及影响因素，提出并研究了几种提高太阳能电池装换效率的技术。3聚光高效太阳能电池研究开发新能源和可再生清洁能源是全世界面临的共同课题，在新能源中，光伏发电倍受瞩目，但由于过高的成本，目前还未能充分进入市场21。现有太阳能光电池的发电模式中，多数采用方位固定的大面积的平板式光电转化模式，它存在着两大缺点一是光电转换效率低，发电能力差；二是成本价格居高不下，与常规电能相比缺乏竞争力，这些限制了太阳能光伏发电系统的大规模发展。在绪论中已提到，聚光太阳能电池可以有效地降低太阳能电池发电成本。对于聚光太阳能电池来说，其关键技术之一为研究适合在太阳能收集应用中的聚光器。31聚光光伏技术的发展2000年，SWANSONT22在对聚光电池的市场分析基础上提出两个目前最有前景的应用，一个是有电网支持要求洁净能源的中型系统，另一个是与柴油发电机组成混合系统，如大型的水泵站、军事基地、岛屿等，并且指出与非聚光系统相比，聚光系统具有更低的成本、更高的效率、更容易回收等优点。2001年IEEE公布的聚光太阳电池组件的标准23，提高了聚光电池组件的可靠性，这将有利于聚光光伏系统更好的进入市场，促进聚光光伏技术的进一步发展。2002年5月，首次太阳能聚光发电国际会议的召开24，表明光伏聚光系统作为很有潜力的一项技术，已经引起更多人的关注。近年来，日本、美国等国企业纷纷展示新型太阳能光伏发电系统。夏普公司利用镜头将太阳光会聚在超高效太阳能电池上，其超高效太阳能电池能效是目前硅电池的2倍。美国能源设备公司SOLFOCUS也推出一种新的聚光器。另外,波音公司的子公司SPECTROLAB正在为一些集光器系统工程生产100多万个超高效太阳能电池，其中在澳大利亚的一项工程目标是为3500户居民供电，该公司还曾为美国宇航局的火星探测器提供长效的太阳能光伏电池。这些技术工程的开发进展再次让人们看到太阳能光伏发电系统发展的美好前景25。32各种聚光太阳能电池目前，聚光太阳能电池主要有聚光硅太阳能电池和聚光砷化镓太阳能电池两大类。按照结构分，聚光硅太阳能电池可以分为平面结聚光硅电池和垂直结聚光硅电池两类。平面结聚光硅电池类似于常规电池，是当前普遍使用的聚光电池。它的应用光强为几十个到100个太阳。垂直结聚光硅电池具有更优越的性能，它可以工作在更高的光强。321平面结聚光硅太阳能电池平面结聚光硅太阳能电池的结构基本上类似于常规电池，其基体电阻率和栅线结构的特殊性使聚光电池具有了更好的效率。1电池的基体电阻率基体电阻率对于聚光电池的性能具有十分重要的影响。电池工作在很高的光强下，高密度的电流要流过基体，必然要产生较高的电压降，它要影响电池的输出。聚光电池设计时必须使这种影响尽可能的小，通常这种损失应当低于2。采用低电阻率的基体材料是减小这种损失的有效方法。2特殊的栅线结构聚光硅太阳能电池的栅线结构是影响电池的实际输出和使用寿命的关键因素之一。栅线形状可以是梳状的，也可以是放射状的。其电阻的计算方法和常规电池一样。栅线占电池面积的比例应随着工作光强的增加而增大。这是由于高密度的电流流过栅线，它们的电阻变得重要起来。常规电池栅线约占电池面积的57，那么工作在几十个太阳至几百个太阳的聚光硅太阳电池栅线就要占电池面积的10左右。电池串联电阻的接触电阻部分不但与接触材料、制造工艺有关，而且和栅线的周长成反比，这是因为栅线的总周长越长，越能克服电流群聚，减少接触电阻。因此，在栅线面积不变的情况下，尽可能地增加栅线的数量，就有利于提高电池的性能。聚光电池的栅线结构和常规电池的区别是栅线的厚度。典型聚光硅太阳能电池的栅线占电池面积10，其厚度约为10，当电池工作在100个太阳时，流过栅线的电M流密度可以达到24104/。这样大的电流密度要引起合金化效应以及电迁移效应，A2C使金属变质，增加接触电阻。增加栅线的厚度是克服这些影响的有效手段。322垂直结聚光硅太阳能电池前面讨论的平面结聚光硅太阳能电池结构简单、制造方便，在几十个到100个太阳的光强下具有较好的性能。但是，如果继续提高工作光强，对串联电阻的影响将会越来越严重，使聚光电池的效率严重下降。增加栅线占电池的面积，也不能解决这一问题，因为平面结电池总有一个薄层电阻的存在，它是难以克服的。因此只有从电池的基本结构上进行改变，才能解决这个问题。垂直结电池是解决这一问题的有效途径之一。这种电池的PN结垂直于电池光照面，光生电流并不沿PN结平面流动，而是直接被电极所收集，这就克服了串联电阻的主要部分薄层电阻的影响。所以，这种电池有极小的串联电阻，可以工作在高达1000个太阳的光强下。1多层垂直结硅太阳能电池EMVJ图31典型的EMVJ太阳能电池的结构图1电池的基本结构和主要制造工艺EMVJ电池通常采用较高电阻率的直拉或者区熔单晶片制成，电阻率范围1050的N型或者P型硅单晶片，晶向为110。利用各向异性的腐蚀方法，在110面CM上腐蚀出一系列垂直于表面的槽，槽的底部都具有V型结构。槽的宽度通常为1020，两个槽间的中心距为200250。电池基体厚度的选择必须和电池基体电阻率M相适应，才能使电池获得高的收集效率。EMVJ电池可采用大规模集成电路工艺来制造。通常在较大的硅片上制成大量的垂直结，根据所需尺寸切割成小片。其关键制造工艺是垂直结的腐蚀。如我们需要制造NPP结的EMVJ电池，首先用氧化的办法在P型110单晶硅片上生成一层二氧化硅膜，然后用光刻的办法将需要腐蚀垂直槽部分的二氧化硅膜去掉，再按硅的各向异性腐蚀的原理，用氢氧化钾、氢氧化钠或联氨腐蚀，按照要求，制成一系列具有一定宽度和深度的槽。接着就可以用扩散的方法或者合金法在前面生成NP结，在背面生成PP结。用电镀的方法在背面和垂直槽的壁上生成金镍接触。金镍层的厚度由电池的工作光强以及垂直槽之间的距离确定，一般为几个微米。EMVJ电池的制造工艺比较简单，按照上面的说明只需要一块掩模就可以制成电池，多次套刻。决定电性能的关键是应当采用尽可能低的制造温度，以保持基体具有足够高的少子寿命。2电性能EMVJ电池在聚光条件下具有突出的优点。由于电流无需通过电阻较高的扩散层。电池的串联电阻极小，随着光强的提高，电池效率也增加，这是平面结聚光硅太阳能电池难以实现的。2V型槽多结聚光硅太阳能电池VGMJ电池的效率与电池基体少子的寿命有重要关系，因此，电池采用较高电阻率的基体和低温制造工艺。为提高电池的电性能，通常采用场助工艺。为提高电池的工作寿命，常常在基体表面覆盖上一块膨胀系数和硅接近的玻璃。图32是典型的VGMJ电池的结构图。图32VGMJ电池结构图VGMJ电池的数值要比平面结NIP电池更高。这是由于VGMJ电池具有比平面OCV结电池大的光照面积和电池体积比，在相对小的体积内具有较高的光生载流子浓度，这就减小了饱和电流密度对开路电压的影响。VGMJ电池的结构决定了它具有较大的短路电流密度。一是电池光照面无栅线，这就提高了电池的有效光照面积，二是电池背面NI结PI结对光子的反射作用，实际上提高了电池的有效光学厚度，使电池的基体收集效率提高。3垂直结聚光硅太阳能电池的优点1电池具有非常小的串联电阻，可以在1000个太阳的光强下工作。2对聚光系统的均匀性要求可以降低，有利于降低系统的成本。3可以在大的硅片上制造很多单个电池，利用合理的方法切成适当的尺寸，有利于大量生产。4垂直结太阳能电池的开路电压要比平面结电池的高一些。5采用特殊的结构提高了电池的收集效率，使它具有比平面结电池更高的短路电流。6配合光热的综合利用，可以使整个系统的成本进一步降低。323聚光砷化镓太阳能电池在聚光方阵中采用砷化镓GAAS电池是降低成本的另一个途径。GAAS的禁带宽度为14，与硅相比，其禁带宽度与太阳光谱更匹配，是一种较理想的制造高效率太EV阳能电池的材料。其次，GAAS的温度特性较好。在一定的温度范围内，太阳能电池的效率随温度的变化呈线性关系，温度的升高会引起开路电压下降，短路电流稍有上升，电池转换效率下降。GAAS电池效率的温度系数大约是023/C，而SI电池的温度系数大约是048/C，200高温时，GAAS电池还能工作，而SI电池光电转换效率几乎为零26。因此，砷化镓电池可以在很高的光强下工作，如超过1000个太阳，开路电压要比硅太阳能电池高约1V。图33是典型的聚光砷化镓太阳能电池的结构示意图。图33砷化镓太阳能电池结构图窗口材料砷化镓铝，砷化镓电池的窗口材料通常采用液相外延的工艺