空间电池和聚光电池

1、概述n各代太阳能技术简介n空间电池nGaInP2/GaAs/Ge级联电池n聚光电池n聚光跟踪发电系统的组成部件n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单晶硅太阳能电池多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Solar Spectrum0.000.250.500.751.001.251.501.752.00050010001500200025003000Wavelength (nm)Spectral Irradiance (W m-2 nm-1)UnusedGaInPGeGa

2、As硅响应部分多结化合物半导体光伏电池多结化合物半导体光伏电池（MTJ光伏电池）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 顶电池顶电池 1.9 eV 中电池中电池 1.4 eV 底电池底电池 0.7 eV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1平方公里土地所接受的太阳能功率平方公里土地所接受的太阳能功率 约为约为 10亿瓦特亿瓦特 = 1座核电站座核电站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

3、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。能带在1.1eV1.7eV之间(对应光波长范围0.731.13m)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：材料的主要特点：带隙宽度为1.42eV（300K）带隙宽度与太阳

4、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)

5、NASA SSTI“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)NASA TRACE(1998年发射)。(iii)Phillips Lab Mightsat(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(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

6、接触，减小串联电阻，整个电池的填充因子也得到改善。MOCVD装置示意图在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。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，

7、故采用低速生长，生长速率约5nm/min。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 (Co

8、ncentration photovoltaic，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 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。 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

9、。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，温度每升高具体以硅太阳能电池为例，温度每升高1其输出功率下降其输出功率下降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接收器模组发电系统随着聚光技术的成熟和产业规模化，随着聚光技术的成熟和产业规模化， CPVCPV成本将低于硅基和成本将低于硅基和薄膜太阳能技术，在薄膜太阳能技术，在20122012年达到或接近平价上网的水平年达到或接近平价上网的水平26 在