提高太阳电池的转换效率的途径

提高太阳电池转换效率的途径【摘要】太阳能作为一种新能源和可再生能源，因其清洁环保，永不衰竭的特点，已经成为21世纪最有潜力的能源。提高太阳能电池光电转换效率一直是人们研究的重点。本文结合太阳电池的原理、结构、运行条件等，从太阳能电池的结构设计，生产工艺，新型电池材料开发等方面，系统论述了提高电池光电转换效率的途径。【关键词】转换效率；多晶硅薄膜；减反射损失；级联太阳电池；高聚光结构引言近几年来，随着石油，煤、天然气等矿物能源的逐步消耗，世界各国已经明显地将能源置于社会发展的首要地位。我国剩余可采资源保证度只有 129.7年。此外，传统能源的开发利用造成的环境污染问题和生态破坏问题也逐渐显现。太阳光是取之不尽、用之不竭的清洁能源,在外太空探测的过程中，太阳能是航天器能获得的唯一的可再生能源。自2O世纪80年代以来光伏产业得到了迅速发展，全球光伏市场每年以30～4O%的速度持续高速增长。我国广大西部太阳光照充足，人口众多，7000万人生活在无电地区，因此太阳能光伏发电在我国的发展前景非常好。目前太阳能的转换效率仅有10％-20％，其余均以热能形式散发。本文主要从太阳电池的原理、结构、生产制备、运行条件等诸多方面，论述了提高太阳能电池光电转换效率的几种方法。太阳能电池基本知识介绍2.1 工作原理太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应 "，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。当掺入少量杂质元素磷后，会多余一个价电子，成为自由电子，形成型半导体。半导体硅中掺有+3价杂质元素硼之后，会多余一个空穴，产生P型半导体。若把这两种半导体结合，在两种半导体的交界面区域里会形成PN结。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在P—N结两端便产生了电动势，这种现象就是上面所说的“光生伏打效应’’。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，这就是太阳能电池的基本原理。如图1所示。图1太阳能电池发电原理2.2 发电系统光伏发电是指利用光伏电池方阵将太阳光辐射能量转化为电能的直接发电方式，光伏发电系统是由光伏电池方阵、控制器和电能存储和变换环节构成的发电与电能变换系统。光伏电池方阵产生的电能经过电缆、控制器、储能等环节与以储存和转换，转换为负载所能使用的电能。其构成如图2所示。蓄电池

直流负太阳能电池直流—交流交流负控制器方阵图2光伏发电系统组成示意图2.3 太阳能电池分类2.3.1按材料分类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。硅是一种良好的半导体材料，禁带宽度 1.12eV。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，多晶硅半导体材料的价格相对于单晶硅比较低廉,相应的电池单元成本低，因此多晶硅太阳能电池非常具有竞争优势。但是由于多晶硅材料存在较多的晶间界而有较多缺点，转换效率不如单晶硅太阳能电池高。目前，松下开发的面积超过 100cm2的实用级别晶体硅太阳电池单体已经实现了24.7%这一世界最高的单体转换效率。晶体硅太阳电池单体的理论效率为 29%，但在实用级别，25%~26%已经是极限。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大，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，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。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。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。染料敏化太阳能电池的结构是在玻璃或塑料基底上覆盖一层二氧化钛，染料敏化吸附在二氧化钛层上形成低价的染料薄膜。电池透过吸收薄膜中的光子来发电：当染料分子吸收光子时，受到激发的分子把电子注人到钛中，并由钛使其传输到负极。2.3.2按形态结构分类主要有叠层电池、薄膜电池和聚光电池等。这三类太阳能电池都是通过技术改进，以降低成本提高效率。2.4 太阳能电池的性能参数（1）PN结光照下的电流-电压特性具有PN结的太阳能电池在不受光照时，相当于一个二极管。在没有光照的条件下，给 PN结两端加上反偏电压时形成的电流叫做暗电流。光生电流是 PN结在光照时产生载流子而形成的电流。太阳能电池在无光照和光照下的电流-电压曲线如图3所示。由短路电流与饱和暗电流及正向偏压表示的太阳电池光生电流方程为：I(V) ISC I0[exp(qV kT) 1]。式中ISC和I0分别表示短路电流和总电流。图3暗电流与太阳电池的光生电流的变化曲线 图4太阳电池的伏安外特性曲线（2）伏安特性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，太阳能电池只有工作在最大功率点才会使其输出的功率最大。如图4所示。伏安特性测量电路图见图5。图5太阳能电池外特性测量等效电路3）太阳能电池主要参数太阳能电池的光电转换效率是指电池受光照时的最大输出功率Pm与照射到电池上的入射光的功率 Pin的比值，用式子表示为：Pm VmIm100%Pin Pin式中，Im和Vm分别为光伏阵列最大电流 (A)和最大电压(V)。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。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：PmVmImFFVocIscVocISC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不仅与电池材料的PN结曲线因子常数、串联电阻Rs，并联电阻Rsh等内部参数有关，还受光伏电池的工作温度、光照强度等外部条件影响。一般FF<l，它的值越高，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。影响太阳能电池效率的因素由前面的公式可知影响电池片的转换效率的主要电性能参数有：开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF。太阳电池发电过程是在太阳光的作用下，在太阳电池内发生光生伏打效应完成的，太阳电池的输出电流由吸收太阳光所产生的电子空穴对的数量所决定；输出电压则主要由半导体材料的禁带宽度大小所决定。所以要提高太阳电池的转换效率， 必须保证有更多的太阳光入射到太阳电池中去， 同时不让由光伏效应所产生的电子和空穴由于再结合而消失掉，而且要把电子和空穴两种载流子有效地分别收集到正负电极中击。 太阳电池转换效率损失的主要原因包括电学损失和光学损失。3.1 电学损失造成电学损失的主要原因是：载流子损失和欧姆损失。载流子损失。由于电池材料的缺陷等原因，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。一般而言，载流子寿命越长，转化效率η越高。结区太厚或掺杂浓度过高，都会导致载流子被中和，从而降低载流子寿命。载流子的寿命与复合率的倒数呈正比。载流子复合的基本机制以下有四种。<1>带间复合：它是光吸收的逆过程，多数载流子的浓度越高，电子与空穴相遇并复合的可能性越大。影响因素主要是掺杂密度和间隙半导体种类。<2>俄歇复合：电子与空穴复合时将多余的能量传给导带中的另一个电子或价带中的另一个空穴，获得能量的载流子再以声子的形式将其能量释放出来。影响因素主要是掺杂元素浓度。<3>陷阱复合：杂质或缺陷在禁带内形成能带，起到载流子产生与复合的台阶作用，这类杂质与缺陷称为载流子产生-复合中心（又称为陷阱），该复合机制就是通过复合中心（陷阱）进行的复合。在轻掺杂的Si中占优势。<4>表面复合：表面复合机制主要有表面悬挂键、材料加工的表面损伤、表面吸收的杂质。欧姆损失光生电流在电池中的传输过程中，由于太阳电池内部的串联电阻转化为热能造成的损失称为欧姆损失。太阳电池的串联电阻主要是硅片体电阻，扩散方块电阻，栅线电阻和烧结后的接触电阻等组成。因此要提高硅片质量；采用基体电阻符合要求的硅片；要求金属栅窄和厚；减少对光的遮档；控制好扩散温度和时间；电极的欧姆接触良好等都可以减小串联电阻。3.2 光学损失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0.8 m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)，例如长波长的光容易投射刊电池底电极处，被底电极吸收转换成热而损失掉。光学损失主要分为反射损失、栅指电极遮光损失、透射损失这三种。由于电池表面上的光反射作用，使得太阳光不能全部都入射到太阳电池中。金属汇流主线与栅线因其不透光，也会占据一定的受光表面积，造成栅指电极遮光损失。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，这就是透射损失。间接带隙半导体要求材料的厚度要比直接带隙的厚。改善太阳能电池效率的途径4.1 寻找合适的材料研究人员发现，像氮化铟这类半导体，它的禁带比原先认为的明显要小， 低于0．7eV。这一发现表明，以含有铟、镓和氮的合金为基础的光电池将对所有太阳光谱的辐射——从近红外到紫外都灵敏。利用这种合金可以研制比较廉价的太阳能电池板，而且新型太阳能电池板将比现有的更结实和更高效。有关人员指出，用氮化铟和氮化镓双层制成的多级太阳能电池可以达到理论极限最大效率的50％，为此，一层需要调整到1．7eV的禁带，而另一层需调整到1．1eV的禁带。如果能制成层数很多的太阳能电池，在每层中都具有自己的禁带，则太阳能电池的最大理论效率可达到70％以上。根据美国俄勒冈州立大学(OregonStateUniversity)和波特兰州立大学(PortlandStateUniversity)的研究人员实验证实，一种名为“硅藻”(diatom)的微小海藻有助于使染料敏化太阳能电池(dye—sensitizedsolarcel1)的电力输出提高三倍。通过捕捉住外覆硅藻层的薄膜太阳能电池纳米小孔中的光线，这种电池可获取更多的人射光子，因而大幅提高了发电效率。在系统中，光子在硅藻外壳形成的小孔内弹跳，这可使其能源效率提升较传统系统的三倍。4.2 减少反射损失可以采用对光照面使用减反射膜，表面蚀刻减少反射，增加光在电池中的光路以及背反射膜等措施。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1-2的硅氧化物(SiOx)与钛氧化物(TiOx)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能电池表面，有很好的减反射效果。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6。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。金字塔型绒面结② 倒金字塔型沟槽结构V型沟槽结构④ 在沟槽结构中的反射原理图6太阳能电池的结构以及减反射原理4.3 表面钝化技术采取有效的表面钝化方法 , 可以显著提高各种半导体器件的电学性能。 存在于多晶 Si薄膜晶粒间界中的悬挂键和缺陷态 , 会在晶粒间界处引入缺陷能级。由于它们可以与晶粒之间发生电荷交换 , 起着一种有效的复合中心作用 ,因而会使多晶 Si薄膜的载流子寿命和迁移率大大降低 , 从而严重影响薄膜太阳电池的转换效率。目前,主要有两种方法可用于多晶 Si 薄膜太阳电池的钝化, 一种是在表面生长高质量的介质膜层 , 使其同时达到表面钝化和减少表面反射的效果 , 其中SiNx膜就是一种典型的表面钝化层 ,J.Y.Lee 等人的研究证实, 当单独采用SiO2膜和SiNx膜进行钝化时,其载流子寿命分别为 306μs和898μs, 而当采用SiO2/SiNx复合层进行钝化时,其载流子寿命可达1361μs,因此大幅度提高了多晶Si薄膜太阳电池的性能,其开路电压为0.675V,短路电流密度为35.1mA/cm2。另一种是采用原子 H的引入, 使其饱和多晶 Si薄膜中晶粒间界的悬挂键等缺陷, 可以有效地钝化多晶 Si薄膜的表面和抑制膜层中缺陷的产生 ,通过减少界面复合以达到提高载流子寿命的目的。 H.Morikawa等人采用区熔再结晶技术制备了高效率多晶 Si薄膜太阳电池, 并利用 H+注入实现了对薄膜中缺陷进行钝化。结果证实, 与不采用H+钝化相比, 太阳电池的转换效率提高了 2%,其值可达13.1%,该太阳电池的开路电压为 5.26V, 短路电流为 3.43A, 填充因子为0.70。4.4 减少透射损失美国物理学家和工程师共同组成的麻省理工学院研究小组，成功地在构成太阳能电池的超薄硅薄膜的正面增加了一种增透膜，并在背面增加了由多层反射膜和衍射光栅组合成的精细结构。在硅薄膜中传输距离越长意味着光能被吸收的几率越高，被吸收的光能将促使薄膜中的自由电子形成电流。此举够让照射进薄膜的光更长时间地在薄膜内反射，以便有充足的时间让光能吸收并转换成电能，导致太阳能电池的电能输出提高了50％4.5 设计p-i-n结构由于单p-n结的膜层较薄,所以对阳光中的红外光吸收特性较差,尤其是对于间接带隙的Si材料而言更是如此。为了克服这一不足,人们发展了各种方法增加光吸收,借以改善多晶Si薄膜的光伏特性,其中,采用p-i-n结构就是一种行之有效的方法。在这种结构中,由于i层的加入,可以显著提高p-n界面电荷载流子的收集效率 , 并使其有效迁移率进一步增加 , 从而使太阳电池的开路电压和短路电流等特性参数大幅度提高。 K.Yamamoto等人利用 PECVD方法在玻璃衬底上制备了 p-i-n 多晶Si薄膜太阳电池, 其中的i 层是2μm厚的多晶Si薄膜, 它充当着一个“陷光”作用的有源区 , 有效地改善了电池的光生载流子收集特性, 获得了开路电压为 0.539V、短路电流密度为 25.8mA/cm2和本征效率为10.7%的光伏性能。T.Matsui等人利用表面织构的ZnO/Ag/SnO2/玻璃作为衬底,以SiH4作为反应气体,采用超高频等离子体化学气相沉积(VHF-PECVD)方法分别制作了单结和具有p-i-n结构的多晶Si薄膜太阳电池。结果发现,当在n区和p区之间加入一个层厚为2.5~3μm的本征多晶Si薄膜后,其转换效率为8.22%,这意味着该太阳电池具有0.517V的开路电压、22.4mA/cm2的短路电流密度和0.71的填充因子,而单结太阳电池的转换效率仅为7.37%。4.6 采用纳米结构采用多量子阱和量子点等纳米结构作为本征层 , 以改善其光生载流子收集效率和光激发特性是一个可行的选择。 据报道, 某些半导体材料的量子点 , 在被来自于光谱末端的蓝光和紫外光线等高能光子轰击时 , 能释放出两个以上的光子。虽然目前人们所研制的纳米结构太阳电池的转换效率比较低 , 但理论估计,如果进一步调整量子点的界面特性和改进点与点之间的电子传输过程,那么基于量子点技术的光伏器件,最高效率可达42%,此值远高于晶体硅太阳能电池理论上31%的效率。L.Raniero等人以nc-Si:H为本征层制作了纳米构太阳能电池,获得了0.95V的开路电压、14.96mA/cm2的短路电流密度、0.67的填充因子和9.52%的转换效率。4.7 级联太阳电池级联太阳电池就是把不同光谱响应的半导体材料制成的子电池集成到一起，充分利用太阳光谱的各段波长。太阳能辐照可以通过多结电池技术提高利用率，如图7所示由GalnP／Ga(In)As／Ge组成的三结电池，是目前已经使用的一种级联太阳电池，产品应用于空间和地面聚光光伏系统 ，但是，这种三结电池结构不能充分利用太阳光中880nm以外的红外部分。希望在GaAs和Ge之问再加入另一级带隙宽度1．0eV左右的子电池，构成四结级联电池，由于材料等限制，四结级联电池远低于预期的水平。因此人们把注意力更多地转向其他技术途径，探索五结、六结级联电池的可行性。高于5．2v的开路电压，但是，五结和六结整体级联电池的光电转换效率还远低于GalnP／Ga(In)As／Ge三结电池。G.Z.等人以纳米Si薄膜(nc-Si:H)为本征层,制备了αYue-Si:Hi/nc-Si:H/nc-Si:H三结太阳电池由于这样的电池结构把不同禁带宽度的材料有效地组合在一起,提高了电池的光谱响应范围,同时又减少了电池的光致衰退效应,从而使其具有较高的转换效率(13.2%)和较低的输出功率衰减特性。图7太阳能辐照可以通过多结电池技术提高利用率4.8 增加导电通路通过增加新的导电通路，减少遮光损失，可以大幅降低电量转换损失。一般单晶硅太阳电池的光电转换效率为14％～16％，而采用新的激光加工技术能提高太阳电池的光电转换效率。太阳电池电极的制作过程是太阳电池制造中非常重要的环节，该过程采用的金属化工艺的优劣，决定了遮光面积、串联电阻损失。由新南威尔士大学开发的埋栅太阳电池 (BCSC)工艺就是其中一种，它使用激光或机械的方法，在氮化物或氧化物保护的轻扩散表面切割形成沟槽， 这些沟槽经过腐蚀和清洗后，再进行一次特别重掺杂，然后通过自对准电镀技术，镀镍、铜和一薄层银实现金属化。这种结构的栅线宽度仅为 15～20m，而刻槽的深、宽比可达到 5：1。这样和常规的制栅技术相比，遮光面积减小，栅线本身的电阻也减小，栅线与重掺杂沟槽区的低接触电阻， 可以使太阳电池得到更大的填充因子。另外，沟槽区的重掺杂形成电极钝化，因而得到较高的方块电阻，从而得到更高的电压，电池的开路电压可以达到 700mV。AdventSolar 公司则采用一种发射区卷包技术。用激光在硅晶片上钻打通孔，高掺杂壁将前表面的电流传导到背表面的背电极层，因而能进一步降低屏蔽损耗，提高光电转换效率。4.9 钢网印刷制备电极使用钢网印刷电池正电极的串联电阻，避免了普遍尼龙网布网印刷的电极细栅易形成起伏称为“蜂”和“谷”的缺点，从而降低了串联电阻。采用特制不锈钢网布，细栅部分100％开孔，栅线线宽50um，网版寿命可达6万次，且能实现高度均匀、高的高宽比的栅线；与普遍尼龙网布网印刷的电极相比，钢网印刷的串联电阻有了明显下降，降低了12％，太阳电池的转换效率提高了0．12％。4.10高聚光结构高聚光结构就是使用聚光光学元件与太阳电池一起形成聚光太阳电池，可以极大地提高光电转换效率并使用小面积的太阳电池，通过聚光器使较大面积的阳光聚在较小的范围内形成“焦斑”或“焦带”，并将太阳电池置于“焦斑”或“焦带”上，以增加光强，克服太阳辐射能密度低的缺陷，获得更多的电能输出。因此有人预见，未来的发电模式应该是“价廉物美的聚光光学元件+高转换效率太阳电池”。美国某公司研发的集成高效率聚光硅光伏电池发电系统(IHCPV)，已经应用到很多场所。该系统的核心技术是：10mln点接触绒面硅光伏电池的光电转换效率高达25％～27％所使用的聚光式菲涅耳透镜由普通丙烯酸塑料模压制成，制造简单，价格便宜。因此，集成高聚光光伏技术是现有实用的各种光伏技术中发电成本最低的一种。德国某公司于2008年进行聚光光伏系统模型试验，其聚光系统采用的是FLATCON聚光模块，实质上就是由玻璃注塑成型的菲涅尔透镜，聚光比为500，采用了电路板工艺和绝缘玻璃技术，使成本效益相对算并且多年内系统仍可保持性能稳定可靠，示范模型的效率高于27％。4.11最大功率点跟踪最大功率跟踪(maximupowerpointtracking，MPPT)是并网发电中的一项重要的关键技术，是指控制改变太阳电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上，根据太阳电池的特性，目前实现的跟踪方法主要有恒压法、功率匹配电路、曲线拟合技术、微扰观察法和增量电导法。4.12 转动式太阳能光电板由于地球的公转和自转，太阳能光电板在一天中每个时段所能接收的最大太阳光因而不同，无法保持在最大值，因此可以设计出随着太阳的方向、角度而转动的太阳能光电板，比固定式太阳能光电板更有效地接收太阳光，达到最大的发电效益。目前，保定科诺伟业控制设备有限公司自主研发的l0MW“向日葵”式双轴、单轴跟踪式太阳能光伏发电站已经问世。这种光伏发电站的太阳能电池板就像向日葵一样随着太阳的移动而转变方向。通过实时跟踪太阳转动．增强了太阳辐射的接收量。在适合的纬度能使发电量提高20％至40％。在无人值守的光伏电站中也能够可靠地工作。4.13二次制结技术通过二次恒定源扩散和恒量扩散制作n+P型硅太阳电池的新工艺,可以减缓高浓度浅结磷扩所造成的硅表面晶格损伤。与常规的一次制结工艺相比，由于死层范围缩小，相对光谱响应增加，所制作的太阳电池短路电流Isc提高了约0．7％，开路电压Uoc也有明显改善，光电转换效