提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵技術(shù)

1、 . . . 目錄1.緒論11.1 課題研究背景11.2 太陽(yáng)能的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)11.3 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)和研究進(jìn)展21.3.1 按材料分類(lèi)31.3.2 按形態(tài)結(jié)構(gòu)分類(lèi)71.4 本文研究的主要容82. 太陽(yáng)能電池基本知識(shí)92.1 太陽(yáng)能電池原理與結(jié)構(gòu)92.1.1 太陽(yáng)能電池基本原理92.1.2 太陽(yáng)能電池基本結(jié)構(gòu)102.2 太陽(yáng)能電池主要特性112.2.1 光譜響應(yīng)特性112.2.2 伏安特性122.2.3 溫度特性132.2.4 太陽(yáng)能電池主要參數(shù)142.3 太陽(yáng)能電池等效電路和效率分析152.3.1 太陽(yáng)能電池等效電路152.3.2 影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素172.3.3 提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)

2、換效率的各種技術(shù)182.4 本章小結(jié)223. 聚光高效太陽(yáng)能電池研究233.1 聚光光伏技術(shù)的發(fā)展233.2 各種聚光太陽(yáng)能電池233.2.1 平面結(jié)聚光硅太陽(yáng)能電池243.2.2 垂直結(jié)聚光硅太陽(yáng)能電池243.2.3 聚光砷化鎵太陽(yáng)能電池273.3 各種聚光器在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用283.4 本章小結(jié)294. 菲涅爾透鏡太陽(yáng)能聚光器研究304.1 菲涅爾透鏡原理與特點(diǎn)304.1.1 菲涅爾透鏡的光學(xué)原理304.1.2 菲涅爾透鏡的特點(diǎn)與影響因素324.2 用于聚光太陽(yáng)能電池的柱面菲涅爾透鏡334.2.1 線聚焦透鏡的光學(xué)效率分析334.2.2 柱面菲涅爾透鏡344.3 本章小結(jié)385. 總結(jié)3

3、9參考文獻(xiàn)：40致4242 / 441 緒論1.1 課題研究背景 自人類(lèi)社會(huì)誕生以來(lái)，能源一直是人類(lèi)生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的發(fā)展，能源在社會(huì)發(fā)展中的重要性越來(lái)越突出，尤其是近年來(lái)各國(guó)日益呈現(xiàn)出來(lái)的能源危機(jī)問(wèn)題，更加明顯地把能源置于社會(huì)發(fā)展的首要地位。隨著化石能源的逐步消耗以與化石能源的開(kāi)發(fā)和利用所造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問(wèn)題日益嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)和利用能夠支撐人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源成為人類(lèi)急切需要解決的問(wèn)題。新能源與可再生能源是指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外的生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、小水電、地?zé)崮芤耘c海洋能等一次能源。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者美國(guó)Rice Unive

4、rsity的Smalley教授曾經(jīng)指出，在未來(lái)的50年里，人類(lèi)面臨著隨之而來(lái)的10大問(wèn)題中，能源問(wèn)題排在首位。目前人類(lèi)使用的能源中，化石能源占90以上。而到21世紀(jì)中葉，其比例將減少到人類(lèi)使用能源的一半，達(dá)到其極值，之后核能和可再生能源將占主導(dǎo)地位。到2100年時(shí)，可再生能源將占人類(lèi)使用能源的l/3以上1。 新能源和可再生能源的開(kāi)發(fā)利用不僅可以解決目前世界能源緊的問(wèn)題，還可以解決與能源利用相關(guān)的環(huán)境污染問(wèn)題，促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展。研究和實(shí)踐表明，新能源和可再生能源資源豐富、分布廣泛、可以再生且不污染環(huán)境，是國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的理想替代能源2 。在諸多可再生能源中，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)?/p>

5、能、氫能和生物質(zhì)能，太陽(yáng)能所蘊(yùn)藏的能量是所有其他可再生能源能量總和的上千倍,因此發(fā)展太陽(yáng)能潛力巨大。太陽(yáng)能作為新能源和可再生能源的一種，因其清潔環(huán)保，永不衰竭的特點(diǎn)，受到世界各國(guó)的青睞。太陽(yáng)能是21世紀(jì)最有潛力的能源，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)是新興的行業(yè)，具有較高的投資價(jià)值。充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能，對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、保護(hù)自然環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義3。1.2 太陽(yáng)能的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì) 太陽(yáng)能是一種能量巨大的可再生能源，據(jù)估算，太陽(yáng)能傳送到地球上的能源，每40秒鐘就有相當(dāng)于210億桶石油的能量傳送到地球，相當(dāng)于全球一天所消耗的能源。在目前的幾種新能源技術(shù)中，太陽(yáng)能以其突出的優(yōu)勢(shì)被定位為最

6、具前景的未來(lái)能源，有無(wú)盡的潛力。 在常規(guī)能源供給緊和環(huán)保壓力不斷增大的背景下，世界上許多國(guó)家掀起了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮，使太陽(yáng)能的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，己滲透到人們生活的每一個(gè)角落。 太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面: (I)來(lái)源充足:太普照，無(wú)論陸地或海洋，無(wú)論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開(kāi)發(fā)和利用，且勿須開(kāi)采和運(yùn)輸。 (2)沒(méi)有污染:開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能不會(huì)污染環(huán)境。它是最清潔的能源之一，在環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)是極其寶貴的。 (3)能量巨大:每年到達(dá)地球表面上的太陽(yáng)輻射能約相當(dāng)于130萬(wàn)億噸標(biāo)煤,其總量屬現(xiàn)今世界上可以開(kāi)發(fā)的最大能源。 (4)可長(zhǎng)久使用:根據(jù)目前太陽(yáng)產(chǎn)生的核能速率估算，氫

7、的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個(gè)意義上講，可以說(shuō)太陽(yáng)的能量是用之不竭的。 目前太陽(yáng)能利用的方式有：太陽(yáng)能光伏發(fā)電，太陽(yáng)能熱利用，太陽(yáng)能動(dòng)力利用，太陽(yáng)能光化學(xué)利用，太陽(yáng)能生物利用和太陽(yáng)能光-光利用。其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電以其優(yōu)異的特性近年來(lái)在全世界圍得到了快速發(fā)展，被認(rèn)為是當(dāng)前世界上最具發(fā)展前景的新能源技術(shù)，各發(fā)達(dá)國(guó)家均投入巨資競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)，并積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，大力開(kāi)拓太陽(yáng)能光伏發(fā)電的市場(chǎng)應(yīng)用。 基于以上種種優(yōu)點(diǎn)，太陽(yáng)能的相關(guān)應(yīng)用也是十分廣泛，它的應(yīng)用領(lǐng)域有：太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能熱力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能海水掙化、太陽(yáng)能空調(diào)、太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)、太陽(yáng)能建筑、太陽(yáng)能照明燈、

8、太陽(yáng)能灶、太陽(yáng)能水泵系統(tǒng)等，其中不少應(yīng)用是利用太陽(yáng)能電池把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能加以應(yīng)用的。 太陽(yáng)能電池又稱太陽(yáng)能晶片或光電池，是一種利用太直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片4。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓與電流。太陽(yáng)能電池在物理學(xué)上稱為太陽(yáng)能光伏，簡(jiǎn)稱光伏。太陽(yáng)能電池具有重量輕、能經(jīng)受外部空間的各種復(fù)雜的環(huán)境的考驗(yàn)、性能穩(wěn)定、靈敏度與光電轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使得它在現(xiàn)實(shí)生活中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。 1.3 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)和研究進(jìn)展 太陽(yáng)能電池是一種利用光伏效應(yīng)將太直接轉(zhuǎn)變成電能的半導(dǎo)體器件，使用時(shí)無(wú)大氣和放射性污染，且太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的能源，因而受到國(guó)外普遍重視。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是太陽(yáng)

9、能開(kāi)發(fā)和利用的一個(gè)重要領(lǐng)域。自從1954年美國(guó)科學(xué)家恰賓和皮爾松5在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功實(shí)用型單晶硅太陽(yáng)能電池以來(lái)，太陽(yáng)能電池進(jìn)入實(shí)用階段。20世紀(jì)60年代，供空間應(yīng)用的電池設(shè)計(jì)成熟；70年代初，硅電池的轉(zhuǎn)換效率大大提高，太陽(yáng)能電池開(kāi)始應(yīng)用于地面；80年代至90年代，由于各國(guó)政府的重視，太陽(yáng)能電池進(jìn)入高速發(fā)展階段。進(jìn)入80年代后期，隨著太陽(yáng)能電池成本不斷下降，世界光伏產(chǎn)品市場(chǎng)進(jìn)入高速發(fā)展。1981年，世界太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量為6MW，1994年達(dá)到70MW，1997年更是達(dá)到122MW，至1998年已達(dá)至1574MW，這期間的平均增長(zhǎng)速度為25。從1999年的200MW到2004年的1260MW

10、，平均年增長(zhǎng)率超過(guò)30，2004年在2003年的基礎(chǔ)上猛增69。根據(jù)美國(guó)世界觀察所的報(bào)告預(yù)測(cè)，太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)將與通訊行業(yè)一起成為發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)，到21世紀(jì)中葉，光伏發(fā)電量將占到世界總發(fā)電量的1/56,7。 目前，太陽(yáng)能電池的應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)入工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、通信、家用電器以與公用設(shè)施等部門(mén)，尤其可以方便地在邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙摸、海島和農(nóng)村使用，可節(jié)省造價(jià)很貴的輸電線路。但是在目前階段，其成本仍然較高，發(fā)出1kw電需要投資上萬(wàn)美元，經(jīng)濟(jì)上的限制了其大規(guī)模使用8。 從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著太陽(yáng)能電池制造技術(shù)的改進(jìn)以與新的光-電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，各國(guó)對(duì)環(huán)境的保護(hù)和對(duì)再生清潔能源的巨大需求，太陽(yáng)能

11、電池仍將是利用太陽(yáng)輻射能比較切實(shí)可行的方法，可為人類(lèi)未來(lái)大規(guī)模地利用太陽(yáng)能開(kāi)辟?gòu)V闊的前景。 目前，太陽(yáng)能電池的種類(lèi)十分多，按材料分一般主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、化合物電池、有機(jī)電池和染料敏化電池等。為了提高效率降低成本，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)按形態(tài)結(jié)構(gòu)分主要有疊層電池、薄膜電池和聚光電池等。然而綜合考慮材料的價(jià)格、環(huán)境保護(hù)以與轉(zhuǎn)換效率等因素，以硅為原材料的電池是太陽(yáng)能電池最重要的成員。1.3.1 按材料分類(lèi)(1)單晶硅太陽(yáng)能電池 硅是一種良好的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為1.1eV，是間接遷移型半導(dǎo)體，因儲(chǔ)量豐富，且晶硅性能穩(wěn)定、無(wú)毒，因此成為太陽(yáng)能電池研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中的主體材料。 單晶

12、硅太陽(yáng)能電池是開(kāi)發(fā)最早也是最快的一種太陽(yáng)能電池，它的構(gòu)造和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。這種太陽(yáng)能電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求99.999。單晶硅太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)為N+/P型，多以P型單晶硅片作為基片，電阻率的圍為1-3，具有比較高的轉(zhuǎn)換效率，規(guī)模生產(chǎn)的電池組件的效率可達(dá)到12-l6，而實(shí)驗(yàn)室記錄的最高轉(zhuǎn)換效率為24.49。單晶硅太陽(yáng)能電池的顏色多為黑色或灰色，其光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能均勻一致，適合于切成小片制作小型光電產(chǎn)品。從目前來(lái)看，單晶硅電池已十分成熟，效率高,壽命長(zhǎng)，性價(jià)比好，是目前最受重視的太陽(yáng)能電池。 (2)多晶硅太陽(yáng)能電池 多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單

13、質(zhì)硅在過(guò)冷條件下凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來(lái)，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅可作拉制單晶硅的原料。 多晶硅太陽(yáng)能電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),與單晶硅相比，多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉,相應(yīng)的電池單元成本低，非常具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但是由于多晶硅材料存在較多的晶間界而有較多缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率不夠高，實(shí)驗(yàn)室的最高轉(zhuǎn)換效率為20.310。多晶硅太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)為N+/P型,以P型單晶硅片作為基片，電阻率的圍為0.52。在制作多晶硅電池時(shí)，原料高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形硅碇，可以節(jié)省原料和能源。由于多晶硅太陽(yáng)能電池性能穩(wěn)定適合于建設(shè)光伏

14、電站，也可用作光伏建筑材料。(3)非晶硅太陽(yáng)能電池 非晶硅是一種直接能帶半導(dǎo)體，它的結(jié)構(gòu)部有許多所謂的“懸鍵”，也就是沒(méi)有和周?chē)墓柙映涉I的電子，這些電子在電場(chǎng)作用下就可以產(chǎn)生電流，并不需要聲子的幫助。因而非晶硅可以做得很薄，還有制作成本低的優(yōu)點(diǎn)。 非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性都不夠好，對(duì)其研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代初。非晶硅的可見(jiàn)光吸收系數(shù)比單晶硅大，是單晶硅的40倍。1微米厚的非晶硅薄膜，可以吸引大約90有用的太能。但是，非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性較差，從而影響了它的迅速發(fā)展。非晶硅與其合金的光暗電導(dǎo)率隨著光照時(shí)間的加長(zhǎng)而減少，經(jīng)過(guò)170C200C的退火處理，又可以恢復(fù)到光照之前的值

15、。這一現(xiàn)象首先由Staebler和Wronski發(fā)現(xiàn)，被稱為S-W效應(yīng)11。S-W效應(yīng)使非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率由于光照時(shí)間加長(zhǎng)而衰退，長(zhǎng)期以來(lái)成為非晶硅太陽(yáng)能電池應(yīng)用的主要障礙。 目前非晶硅太陽(yáng)能電池存在的問(wèn)題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國(guó)際先進(jìn)水平為10左右，且不夠穩(wěn)定，常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象。所以尚未大量用于大型太陽(yáng)能電源，而多半用于弱光電源，如袖珍式電子計(jì)算器、電子鐘表與復(fù)印機(jī)等方面。估計(jì)效率衰降問(wèn)題克服后，非晶硅太陽(yáng)能電池將促進(jìn)太陽(yáng)能利用的大發(fā)展，因?yàn)樗杀镜?，質(zhì)量輕，應(yīng)用更為方便，它可以與房屋的屋面結(jié)合構(gòu)成住戶的獨(dú)立電源。(4)化合物太陽(yáng)能電池 化合物太陽(yáng)能電池包括三五族化合物電池和二六

16、族化合物電池。三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等；二六族化合物電池主要CaS/CulnSe電池、CAS/CdTe電池等。在三五族化合物太陽(yáng)能電池中，GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá)28；GaAs是二元化合物，Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品，非常稀少珍貴；As不是稀有元素，有毒。GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池，這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以與較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感。由于具有這些特點(diǎn)，所以GaAs化合物材料也適合于制造高效單結(jié)電池。GaAs化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是GaAs材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了用GaA

17、s電池的普與。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用了聚光系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于采用價(jià)格較低的塑料透鏡和金屬外殼，并且改進(jìn)了電池性能，因而深受廣大用戶青睞。(5)有機(jī)太陽(yáng)能電池 有機(jī)太陽(yáng)能電池具有柔韌性和成本低廉的優(yōu)勢(shì)，是近年出現(xiàn)的新型太陽(yáng)能電池。與結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜、成本高昂、光電壓受光強(qiáng)影響波動(dòng)大的傳統(tǒng)半導(dǎo)體固體太陽(yáng)能電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池制備工藝簡(jiǎn)單，可采用真空蒸鍍或涂敷的方法制備成膜，且可以制備在可彎曲折疊的襯底上形成柔性太陽(yáng)能電池。有機(jī)物太陽(yáng)能電池材料的分子結(jié)構(gòu)還可以自行設(shè)計(jì)合成。材料選擇余地大，加工容易，毒性小，成本低，可制造面積大，在太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)引起了科學(xué)家的極大關(guān)注。美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校的諾貝爾獎(jiǎng)

18、得主物理學(xué)教授Alan Heeger和同事 Kwanghee Lee，以與一個(gè)國(guó)科學(xué)家小組。利用新的技術(shù)，完全在溶液中合成出一種效率更高的級(jí)聯(lián)有機(jī)太陽(yáng)能電池，將有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率提高到了6.5，已經(jīng)接近7的商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。由于電池以塑料為主要材料，因此成本比采用多晶硅為材料的普通太陽(yáng)能電池低得多。除提高太陽(yáng)能電池效率外，新技術(shù)還能降低制造成本12。(6)染料敏化太陽(yáng)能電池 染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池是最近二十幾年發(fā)展起來(lái)的一種基于植物葉綠素光合作用原理研制出的太陽(yáng)能電池。這是一種使用寬禁帶半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池，寬帶隙半導(dǎo)體有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性和光化學(xué)穩(wěn)定性，不過(guò)本身捕獲太的能力非常差，但將適當(dāng)?shù)?/p>

19、染料吸附到半導(dǎo)體表面上，借助于染料對(duì)可見(jiàn)光的強(qiáng)吸收，可以將半導(dǎo)體的光譜響應(yīng)拓寬到可見(jiàn)區(qū)，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的染料敏化作用，而載有染料的半導(dǎo)體稱為染料敏化半導(dǎo)體電極。 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)最近取得較大進(jìn)展。面積(100)DSSC轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到6。這類(lèi)電池所用主要材料為導(dǎo)電玻璃和Ti0，來(lái)源比較豐富，電池制造工藝也比較簡(jiǎn)單，具有較大的潛在價(jià)格優(yōu)勢(shì)。但是這類(lèi)電池的轉(zhuǎn)換效率還有待進(jìn)一步提高，電池運(yùn)行的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步經(jīng)受考驗(yàn)9。下圖分別為傳統(tǒng)染料敏化太陽(yáng)能電池（圖1.1）和高性能有機(jī)染料敏化太陽(yáng)能電池（圖1.2）。圖1.1傳統(tǒng)染料敏化太陽(yáng)能電池 圖1.2 高性能有機(jī)染料敏化太陽(yáng)能電池 1.

20、3.2 按形態(tài)結(jié)構(gòu)分類(lèi)(1)疊層太陽(yáng)能電池 疊層太陽(yáng)能電池是由兩種或兩種以上不同帶隙的電池有機(jī)地疊加組合而成。一般而言，頂部電池的材料具有較寬的帶隙，適于吸收能量較大的太能，而底部電池的材料帶隙較窄，適于吸收能量較小的太能。因此，在單結(jié)的基礎(chǔ)上，疊層太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率較高。(2)薄膜太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)薄膜化，是當(dāng)前國(guó)際上研發(fā)的主要方向之一。如采用直接從硅熔體中拉出厚度在100的晶體硅帶。人們也在研究利用液相或氣相沉積，如化學(xué)氣相沉積的方法制備晶體硅薄膜作為太陽(yáng)能電池材料。這時(shí)可以采用成本較低的冶金硅或者其它廉價(jià)基體材料，如玻璃、石墨和瓷等。在廉價(jià)襯底上采用低溫制備技術(shù)沉積半導(dǎo)體薄膜的

21、光伏器件，材料與器件制備可同時(shí)完成，工藝技術(shù)簡(jiǎn)單，便于大面積連續(xù)化生產(chǎn),制備能耗低，可以縮短回收期。在不用晶體硅作為基底材料的襯底上氣相沉積得到的多晶硅轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到12以上。(3)聚光太陽(yáng)能電池 聚光太陽(yáng)能電池是降低太陽(yáng)能電池系統(tǒng)整體造價(jià)的一種措施。它通過(guò)聚光器使較大面積的會(huì)聚在一個(gè)較小的圍，加大光強(qiáng)，克服太陽(yáng)輻射能流密度低的缺陷，提高光電轉(zhuǎn)換效率，因此可以用較小面積的太陽(yáng)能電池獲得較高的電能輸出。假設(shè)太陽(yáng)輻射為lkW平方米，如果用普通太陽(yáng)能硅電池提供l0W的輸出功率，則需要10平方分米，價(jià)值400元的電池?，F(xiàn)在我們?cè)?平方分米、價(jià)值40元的太陽(yáng)能電池上放置一個(gè)面積為15平方分米價(jià)值20元的

22、聚光透鏡，也可以實(shí)現(xiàn)lOW功率的輸出。在使用聚光器將太陽(yáng)濃縮15倍后照射到太陽(yáng)能電池上，提供lOW功率所需成本由400元降低到60元，經(jīng)濟(jì)性可見(jiàn)一斑。國(guó)際上大力開(kāi)展聚光太陽(yáng)能電池的研究，一方面能減少昂貴的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池片的用量，另一方面可有效提高單位電池面積的輸出功率，是極具潛力的太陽(yáng)能光伏發(fā)電新技術(shù)。 聚光太陽(yáng)能電池突破了普通太陽(yáng)能電池高成本的制約因素，為太陽(yáng)能電池的普與開(kāi)辟了一條新的道路。1.4 本文研究的主要容 我國(guó)地域廣闊，人口眾多，7000萬(wàn)人生活在無(wú)電地區(qū)，而且我國(guó)廣大西部太照充足，因此太陽(yáng)能光伏發(fā)電在我國(guó)的發(fā)展前景非常好，太陽(yáng)能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中效率較低，10-20可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，其?/p>

23、能量以散熱的形式損失掉了，所以我國(guó)應(yīng)加大在太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域的投資力度，進(jìn)行高效率低成本太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi)發(fā)。 提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率，降低成本，關(guān)鍵是提高太陽(yáng)能的利用率，而聚光太陽(yáng)能電池能有效提高電池轉(zhuǎn)換效率和降低成本，其中聚光器的設(shè)計(jì)和跟蹤技術(shù)是該類(lèi)電池在研究中要解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文主要對(duì)電池聚光系統(tǒng)中的聚光器進(jìn)行研究。主要完成如下工作：(1)掌握太陽(yáng)能電池基本工作原理、基本結(jié)構(gòu)與主要特性。 (2)分析太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率與影響因素。(3)研究提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率主要技術(shù)。2 太陽(yáng)能電池基本知識(shí)2.1 太陽(yáng)能電池原理與結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)把太直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固體器

24、件，即主要利用了PN結(jié)的光伏效應(yīng)。 半導(dǎo)體硅是+4價(jià)元素，有4個(gè)價(jià)電子。當(dāng)摻入少量雜質(zhì)元素磷后，若干個(gè)硅原子中會(huì)有一個(gè)被+5價(jià)的磷原子替代，這時(shí)它就多余一個(gè)價(jià)電子，成為自由電子，這種有多余自由電子的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體硅中摻有+3價(jià)雜質(zhì)元素硼之后，同樣會(huì)出現(xiàn)一個(gè)硅原子被硼原子替代的情況。由于硼是三價(jià)的，這時(shí)它就缺少一個(gè)價(jià)電子，即多余一個(gè)空穴，這種有多余空穴的半導(dǎo)體叫做P型半導(dǎo)體。當(dāng)一塊硅片一面制成N型半導(dǎo)體，另一面制成P型半導(dǎo)體時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電

25、子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由N指向P的“建電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了一個(gè)特殊的薄層，這個(gè)薄層叫做耗盡層，即空間電荷區(qū)。太陽(yáng)能電池就跟半導(dǎo)體的這種結(jié)構(gòu)有關(guān)。2.1.1 太陽(yáng)能電池基本原理圖2.1 太陽(yáng)能電池發(fā)電原理 當(dāng)有適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射到p-n結(jié)上后，由于光伏效應(yīng)而在勢(shì)壘區(qū)兩邊產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)。如圖2.1，設(shè)入射光垂直p-n結(jié)結(jié)面。如果結(jié)較淺，光子將進(jìn)入p-n結(jié)結(jié)區(qū)，甚至更深入到半導(dǎo)體部。能量大于禁帶寬度的光子，由本征吸收在結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在光激發(fā)下多數(shù)載流子濃度一般改變較小，而少數(shù)載流子濃度卻變化很大，因此主要分析光生少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)

26、。 p-n結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在的較強(qiáng)建電場(chǎng)(自n區(qū)指向p區(qū))的作用，各自向相反方向運(yùn)動(dòng)；p區(qū)的電子穿過(guò)p-n結(jié)進(jìn)入n區(qū)；n區(qū)的空穴進(jìn)入p區(qū)，使p端電勢(shì)升高，n端電勢(shì)降低，于是在p-n結(jié)兩端形成了光生電動(dòng)勢(shì)，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于在p-n結(jié)兩端加正向電壓，產(chǎn)生正向電流。 在p-n結(jié)開(kāi)路的情況下，光生電流和正向電流相等時(shí)，p-n結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)（p區(qū)相對(duì)于n區(qū)是正的），即光電池的開(kāi)路電壓。如將p-n結(jié)與電路接通源，只要光照不停止，就會(huì)有源源不斷的電流通過(guò)電路，p-n結(jié)起了電源的作用。這就是光電池的基本原理。2.1.2 太陽(yáng)

27、能電池基本結(jié)構(gòu)典型的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。硅的PN接合處，被夾在上、下兩個(gè)金屬接觸層之間。上金屬接觸層是柵格狀的，以容許光線射到PN接合之上。PN接合的項(xiàng)部有一層防反射薄層以減少?gòu)墓饬恋墓璞砻娣瓷涑鰜?lái)的光線。這就是太陽(yáng)能板的表面看起來(lái) 很暗淡的原因。圖2.2 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖2.2 太陽(yáng)能電池主要特性 太陽(yáng)能電池的特性可大致分為：光伏器件特性，如光譜特性、照度特性，半導(dǎo)體器件特性，如輸出特性、溫度特性、二極管特性等。太陽(yáng)能電池的輸出特性通常是指伏安特性曲線(包括開(kāi)路電壓、短路電流、填充因子)。 以下就太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)特性、伏安特性、溫度特性與主要參數(shù)作簡(jiǎn)單介紹。2.2.1 光譜響

28、應(yīng)特性光譜響應(yīng)表示不同波長(zhǎng)的光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的能力。也就是說(shuō)，在照射激發(fā)作用下，太陽(yáng)能電池所收集到的光生電流與到電池表面上的入射波長(zhǎng)有著直接的關(guān)系。光譜特性的測(cè)量是用一定強(qiáng)度的單色光照射太陽(yáng)能電池，測(cè)量此時(shí)的短路電流Isc；然后依次改變單色光的波長(zhǎng)，再重新測(cè)量電流。光譜響應(yīng)曲線有時(shí)候稱為量子效率(外量子效率)曲線，也可以用收集效率(量子效率)曲線來(lái)表示。二者并不一致，一般來(lái)說(shuō)，量子效率(外量子效率)是指入射多少光子產(chǎn)生多少電子的比率，即入射到電池上的每個(gè)光子產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)或少數(shù)載流子的數(shù)目，而收集效率(量子效率)是指吸收多少光子產(chǎn)生多少電子的比率，即在電池中被吸收的每個(gè)光子產(chǎn)生的電子空

29、穴對(duì)或少數(shù)載流子的數(shù)目。能量轉(zhuǎn)換效率是輸入多少的光能夠產(chǎn)生多少電能的比率數(shù)。由于入射的光子不一定都被吸收，產(chǎn)生的電子不一定都產(chǎn)生電能，因此一般而言，量子效率最高，而能量轉(zhuǎn)換效率最低，但它們都是可以測(cè)量或計(jì)算的。在太陽(yáng)能電池中，只有那些能量大于其材料禁帶寬度的光子才能在被吸收時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，而那些能量小于禁帶寬度的光子即使被吸收也不能產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(它們只是使材料變熱)。這就是說(shuō)，材料對(duì)光的吸收存在一個(gè)截止頻率（長(zhǎng)波限）。并且當(dāng)禁帶寬度增加時(shí)，被材料吸收的總太陽(yáng)能就越來(lái)越少。 對(duì)太陽(yáng)輻射光線來(lái)說(shuō)，能得到最好工作性能的半導(dǎo)體材料，其截止波長(zhǎng)應(yīng)在0.8以上，包括從紅色到紫色全部可見(jiàn)光。每種太陽(yáng)

30、能電池對(duì)太線都有其自己的光譜響應(yīng)曲線，它表示電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度(光電轉(zhuǎn)換能力)。太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)特性在很大程度上依賴于太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料的特性、結(jié)的深度和光學(xué)涂層。使用濾光膜和玻璃蓋片可以進(jìn)一步改善光譜響應(yīng)。太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)隨著溫度和輻照度損失而變化。2.2.2 伏安特性 太陽(yáng)能電池在短路條件下的工作電流稱為短路光電流（），短路光電流等于光子轉(zhuǎn)換成電子-空穴對(duì)的絕對(duì)數(shù)量。此時(shí)，電池輸出的電壓為零。太陽(yáng)能電池在開(kāi)路條件下的輸出電壓稱為開(kāi)路光電壓()，此時(shí)，電池的輸出電流為零。具有PN結(jié)的太陽(yáng)能電池在不受光照時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)二極管，外加電壓和電流的關(guān)系曲線叫作光電池的暗特性

31、曲線，如圖2.3中所示的曲線。在一定的光照下，可以得出端電壓和電路過(guò)負(fù)載的工作電流的關(guān)系曲線，叫作光電池的伏安特性曲線，如圖2.3所示的曲線。其中，表示最大功率點(diǎn)電壓，表示最大功率點(diǎn)電流，為最大功率點(diǎn)功率，表示為：。在一定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽(yáng)能電池有唯一的最大輸出功率點(diǎn)，太陽(yáng)能電池只有工作在最大功率點(diǎn)才會(huì)使其輸出的功率最大。 圖2.3 太陽(yáng)能電池在無(wú)光照和光照下的電流-電壓曲線在一定的光照下，光生電流IL是一個(gè)常量。這兩條曲線在第四象限所包圍的區(qū)域就是太陽(yáng)能電池的輸出功率區(qū)域。把曲線上下翻轉(zhuǎn)，平移坐標(biāo)軸位置，即可以得到通常使用的伏安特性曲線，如圖2.4所示。曲線在I 軸上的截距為短路電流，

32、在V 軸上的截距為開(kāi)路電壓。圖2.4中的虛線表示在一定的負(fù)載電阻時(shí)的關(guān)系，稱為負(fù)載線。負(fù)載電阻R為某一值時(shí)的直線與特性曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)為使用這個(gè)負(fù)載電阻時(shí)的端電壓V 和電流 I。 圖2.4 太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線2.2.3 溫度特性 太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓隨著溫度的上升而下降，大體上溫度每上升1，電壓下降2-2.3；短路電流則隨著溫度的上升而微微地上升；電池的輸出功率P則隨著溫度的上升而下降，每升高1，約損失0.35-0.45。溫度對(duì)太陽(yáng)能電池的影響：載流子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的增高而增大，所以少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度也隨著溫度的升高稍有增大，因此，光生電流也隨著溫度的升高有所提高。但是I 隨溫度的升高

33、指數(shù)增大，而隨溫度的升高急劇下降。當(dāng)溫度升高時(shí)，I-U曲線形狀改變，填充因子下降，故轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。圖2.5和圖2.6是太陽(yáng)能電池在一樣日照下不同溫度的輸出特性曲線和常溫下不同日照的輸出特性曲線。圖2.5不同溫度下的輸出特性曲線圖2.6不同日照下的輸出特性曲線由特性曲線可知，效率隨著照度的上升而上升，因此可以通過(guò)提高電池單位面積上的照度來(lái)提高電池效率，即使用聚光技術(shù)。效率又隨著溫度的上升而下降，即太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換率具有負(fù)的溫度系數(shù)。所以在應(yīng)用時(shí)，如果使用聚光器，則聚光器的聚光倍數(shù)不能過(guò)大，以免造成結(jié)溫過(guò)高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池。此外，在聚光電池系統(tǒng)中應(yīng)加有相應(yīng)的電池冷卻裝置。2

34、.2.4 太陽(yáng)能電池主要參數(shù) 不論是一般的化學(xué)電池還是太陽(yáng)能電池，其輸出特性一般都是用如圖2.3所示的伏安特性曲線來(lái)表示，短路電流，開(kāi)路電壓，最大輸出功率是它的主要輸出參數(shù)。轉(zhuǎn)換效率和填充因子是衡量電池品質(zhì)的主要參數(shù)。(1)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率是指電池受光照時(shí)的最大輸出功率與照射到電池上的入射光的功率的比值，用式子表示為： (2.1)式中，和分別為光伏陣列最大電流(A)和最大電壓(V)。光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率是衡量電池質(zhì)量和技術(shù)水平的重要參數(shù)，它與電池的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)特性、材料特性、工作溫度和環(huán)境溫度變化等有關(guān)。在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨光強(qiáng)的增加而增加。對(duì)于一個(gè)給定的功率輸出，電池

35、的轉(zhuǎn)換效率決定了所需的電池板的數(shù)量，所以電池達(dá)到盡可能高的轉(zhuǎn)換效率是極其重要的。而這個(gè)結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過(guò)加裝聚光器來(lái)加強(qiáng)光照強(qiáng)度，從而減少光伏電池的使用，降低光伏發(fā)電的成本。(2)填充因子又稱曲線因子，即光伏電池最大功率與開(kāi)路電壓Voc 和短路電流Isc乘積的比值，用符號(hào)FF表示： (2.2)填充因子是評(píng)價(jià)光伏電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。影響填充因子的因素是多方面的，它既和電池材料的PN結(jié)曲線因子常數(shù)、串聯(lián)電阻，并聯(lián)電阻等部參數(shù)有關(guān)，還與光伏電池的工作溫度、光照強(qiáng)度等外部條件有關(guān)。一般<l，它的值越高，表明光伏電池輸出特性越近于矩形，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高13-

36、15。2.3 太陽(yáng)能電池等效電路和效率分析2.3.1 太陽(yáng)能電池等效電路太陽(yáng)能電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個(gè)電流隨著光強(qiáng)的增加而增大，當(dāng)接受的光強(qiáng)度一定時(shí)，可以將電池看作恒流電源。太陽(yáng)能電池可看作PN結(jié)型二極管，在光的照射下產(chǎn)生正向偏壓，所以在PN結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可等效為電流源和一個(gè)理想二極管的并聯(lián)電路。但是在實(shí)際的太陽(yáng)能電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以與材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過(guò)它們時(shí)，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)表示；同時(shí)，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過(guò)負(fù)載的電流短路，這種作用

37、可用一個(gè)并聯(lián)電阻來(lái)等效表示16。此時(shí)的等效電路可用圖2.7來(lái)描述，太陽(yáng)能電池的輸出電流I 可表示為： (2.3)式中，為光生電流(A)；為二極管的反向飽和電流(A)；為太陽(yáng)能電池輸出電壓(V)；為單位電荷(1.6lO-19 k庫(kù)侖)；為玻耳茲曼常數(shù)(1.3810-23 JK)；為絕對(duì)溫度(K)；為二極管指數(shù)。 圖 2.7 太陽(yáng)能電池等效電路當(dāng)太陽(yáng)能電池兩端開(kāi)路時(shí)，即負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，電池的輸出電流為零，此時(shí)的電壓為電池的開(kāi)路電壓。在式(2.3)中，令，則有： (2.4) (2.5)式(2.5)表明，開(kāi)路電壓不受串聯(lián)電阻的影響，但與并聯(lián)電阻有關(guān)?？梢钥闯?，減小時(shí)，會(huì)隨之減小。太陽(yáng)能電池兩端短路

38、即負(fù)載阻抗為零時(shí)，電池電壓V 為零時(shí)，此時(shí)的電流為短路電流。在式(2.3)中令，得： (2.6)考慮到一般情況下Rs<<Rsh，可化為： (2.7)式(2.7)表明，短路電流基本與并聯(lián)電阻無(wú)關(guān)，但受串聯(lián)電阻的影響，隨著的增大，短路電流會(huì)減小。通常，在現(xiàn)代太陽(yáng)能電池中，的值一般很大，故式(2.3)中的最后一項(xiàng)通常忽略不計(jì)，這時(shí)式(2.3)變成： (2.8)當(dāng)參數(shù)，確定之后，根據(jù)上式可以確定太陽(yáng)能電池的輸出特性。2.3.2 影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素前面所敘述的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的理論值都是在理想狀況下得到的。而太陽(yáng)能電池在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于存在各種附加的能量損失，實(shí)際效率比理論極

39、限效率要低。以PN結(jié)硅電池為例，下面我們來(lái)分析影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素。(1)光生電流的光學(xué)損失太陽(yáng)能電池的效率損失中，有三種是屬于光學(xué)損失，其主要影響是降低了光生電流值。反射損失就是從空氣(或真空)入射到半導(dǎo)體材料的光的反射。以硅為例，在工作圍的太陽(yáng)能光譜中，超過(guò)30的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅電池表面一般會(huì)涂上減反射膜SiN。柵指電極遮光損失就是定義為柵指電極遮光面積在太陽(yáng)能總面積中所占的百分比。對(duì)一般電池來(lái)說(shuō)，約為4-15。透射損失就是如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出，這決定了半導(dǎo)體材料的最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的

40、厚。(2)光生載流子的收集效率由于材料的缺陷等原因，所產(chǎn)生的電子與空穴等載流子發(fā)生再結(jié)合作用，使部分載流子消失掉。光照射PN結(jié)激發(fā)出來(lái)的電子-空穴對(duì)不一定會(huì)全部被PN結(jié)的自建電場(chǎng)所分離。我們把受激產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)目與被PN結(jié)勢(shì)壘所分離的電子-空穴對(duì)數(shù)目之比叫做收集效率。半導(dǎo)體中電場(chǎng)產(chǎn)生的偏移效應(yīng)和電荷濃度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致電子-空穴的移動(dòng)。過(guò)剩載流子是超過(guò)熱平衡狀態(tài)存在的載流子，通常在某個(gè)時(shí)間常數(shù)下，具有返回平衡狀態(tài)的傾向。人們把這個(gè)時(shí)間常數(shù)叫做過(guò)剩載流子壽命。因此，在電子-空穴對(duì)從產(chǎn)生的地方分別向PN兩層移動(dòng)所需要的時(shí)間比過(guò)剩載流子壽命還要長(zhǎng)的情況下，電荷將不會(huì)被PN結(jié)勢(shì)壘所分離，對(duì)

41、光生電壓的產(chǎn)生沒(méi)有貢獻(xiàn)。這樣，收集效率就由過(guò)剩載流子的壽命和PN結(jié)的位置來(lái)決定。(3)影響開(kāi)路電壓的實(shí)際因素決定開(kāi)路電壓大小的主要物理過(guò)程是半導(dǎo)體的復(fù)合。半導(dǎo)體復(fù)合率越高，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度越短，也就越低。在P-Si襯底中，影響非平衡少子總復(fù)合率的三種復(fù)合機(jī)理是：復(fù)合中心復(fù)合、俄歇復(fù)合與直接輻射復(fù)合?？倧?fù)合率主要取決于三種復(fù)合中復(fù)合率最大的一個(gè)。對(duì)于高質(zhì)量的硅單晶，當(dāng)摻雜濃度高于1017時(shí)，則俄歇復(fù)合產(chǎn)生影響，使少子壽命降低。通常，電池表面還存在表面復(fù)合，也會(huì)降低值。(4)輻射效應(yīng) 應(yīng)用在衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池受到太空中高能離子輻射，產(chǎn)生缺陷，使電池輸出功率下降，影響其使用壽命。(5)電極接觸不良或設(shè)計(jì)

42、不合理使串聯(lián)電阻增加，不能有效地收集載流子。2.3.3 提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的各種技術(shù) 針對(duì)2.3.2節(jié)分析的影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素，我認(rèn)為有以下幾種提高其轉(zhuǎn)換效率的方法，見(jiàn)表2.1。 表2.1太陽(yáng)能損失原因以與防止技術(shù)損失原因防止技術(shù)表面光反射1、采用減反射膜2、表面進(jìn)行凹凸處理3、合理設(shè)計(jì)電極載流子再結(jié)合1、加一層鈍化膜層2、控制雜質(zhì)濃度3、加背面場(chǎng)4、合理設(shè)計(jì)電極光透射1、在底電極上加一層金屬反射層2、進(jìn)行凹凸處理串聯(lián)電阻合理設(shè)計(jì)電極(1)減反射損失技術(shù) 為了減少太的反射損失，一般采用下面兩種技術(shù)：1)采用減反射膜。常用減反射膜有含氧量為1-2的硅氧化物(SiO)與鈦氧化物(Ti

43、O)等。單獨(dú)采用一層反射膜效果不好，為此，大多采用二層減反射膜，如由Ti02和MgF2所組成的減反射膜或由SiN和Si02所組成的減反射膜等。經(jīng)減反射處理過(guò)的太陽(yáng)膜或由SiN和Si02所組成的減反射膜等。經(jīng)減反射處理過(guò)的太陽(yáng)能電池表面，有很好的減反射效果。2)采用凹凸結(jié)構(gòu)。如表面用腐蝕等方法處理成具有很多金字塔型的絨面狀結(jié)構(gòu)或具有倒金字塔型的溝槽結(jié)構(gòu)，或具有V型的溝槽結(jié)構(gòu)。把太陽(yáng)表面處理成凹凸結(jié)構(gòu)時(shí)的光的入射路徑示于圖2.8。由該圖可見(jiàn)，各種方向入射的太經(jīng)過(guò)多次反射后都能進(jìn)入到太陽(yáng)能電池中去，從而增加入射的太量。采用這種結(jié)構(gòu)，其光反射損失有的甚至可減到5左右。未經(jīng)過(guò)處理的光滑硅表面，反射率一般

44、高達(dá)30左右17。 金字塔型絨面結(jié) 倒金字塔型溝槽結(jié)構(gòu) V型溝槽結(jié)構(gòu) 在溝槽結(jié)構(gòu)中的反射原理圖2.8 太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)以與減反射原理(2)減少載流子損失技術(shù) 減少載流子損失，主要是防止載流子的再結(jié)合損失。通常采用以下三種方法：1)加一層鈍化層；2)控制雜質(zhì)濃度；3)在底層上加一個(gè)背面電場(chǎng)。加有鈍化層、雜質(zhì)控制層、背面電場(chǎng)的高效太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)中鈍化層可以使電池表面的缺陷結(jié)構(gòu)鈍化，從而減少載流子的再結(jié)合。電池底層上采用高濃度摻雜法形成一背面電場(chǎng)，可加速載流子的輸運(yùn)過(guò)程，減少載流子的再結(jié)合。背面電場(chǎng)電池指在基區(qū)底部即電池背面附近，具有基體雜質(zhì)濃度梯度的太陽(yáng)能電池。雜質(zhì)濃度梯度可以通過(guò)蒸鋁燒結(jié)或硼擴(kuò)

45、散的方法建立18。目前高效率電池一般都具有背面電場(chǎng)。(3)減少光透射損失在太陽(yáng)能電池中，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的入射光一般都能透射到電池的深層底電極，要充分利用這種長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，最好在底電極處再加一層反射率高的金屬層。用ITO作底電極上的反射層，效果很好。過(guò)去常規(guī)電池使用的鋁電極是用ITO膠燒結(jié)法制成的。這時(shí)可形成鋁的擴(kuò)散層，這種鋁擴(kuò)散對(duì)提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率很有利，在保留原鋁擴(kuò)散層的條件下去掉合金層，換成ITO電極層，結(jié)果它不僅能起電極作用，還能起反射層的作用，使轉(zhuǎn)換效率在原來(lái)的基礎(chǔ)上又提高了 19。(4)減少串聯(lián)電阻損失合理設(shè)計(jì)和精細(xì)制作電極是減少電池部電阻、提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的另一個(gè)有效途徑。一般認(rèn)

46、為電池表面所占的面積越小，太利用率越高。但電極的表面積越小，電極部的電阻越大，使電池的轉(zhuǎn)換效率反而降低。過(guò)去認(rèn)為電池表面的電流密度是均勻的，所以單純從電阻與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系中優(yōu)化電極形狀，沒(méi)有考慮到太陽(yáng)能電池表面的電流密度大小與電極形狀之間的關(guān)系。夏普公司采用計(jì)算機(jī)模擬方法求出了電極表面上的電流密度分布，發(fā)現(xiàn)電池表面各處的電流密度分布是不均勻的。我認(rèn)為可根據(jù)其電流密度分布，設(shè)計(jì)有利于收集載流子的電極形狀，并采用激光加工技術(shù)，使電極面積細(xì)微化，既增加入射光面積，又提高載流子收集效率，并使電池轉(zhuǎn)換效率在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。(5)多層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池把多個(gè)具有不同光譜靈敏度特性的太陽(yáng)能電池堆集起來(lái)所

47、組成的太陽(yáng)能電池叫作多層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池。這種太陽(yáng)能電池，把禁帶寬度寬的材料所制成的太陽(yáng)能電池放在入射光的一側(cè)，先讓它吸收短波長(zhǎng)的光，然后再制成用禁帶寬度較窄的材料所組成的太陽(yáng)能電池，讓它吸收由前半部透射出來(lái)的長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，這樣可以充分地利用入射太，提高其轉(zhuǎn)換效率。多層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池能更有效地利用各種波長(zhǎng)的太，從而提高電池轉(zhuǎn)換效率。多層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，除了上述的無(wú)定形硅太陽(yáng)能電池以外，還有由單晶硅和無(wú)定形硅或由單晶硅和砷化鎵太陽(yáng)能電池所組成的多層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池 20。(6)充電連接方法的改進(jìn)傳統(tǒng)的充電連接方法把太陽(yáng)能電池與蓄電池全部串聯(lián)起來(lái)如圖2.9所示。我認(rèn)為把太陽(yáng)能電池與蓄電池分成若干個(gè)小組，

48、先串聯(lián)各個(gè)小組后再并聯(lián)，改進(jìn)后的這種聯(lián)接方法的好處是可降低充電回路的阻，提高充電效率如圖2.10所示。提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)很多。 圖2.9 傳統(tǒng)充電連接方法 圖2.10 改進(jìn)的充電連接方法除上述五種方法外，還可通過(guò)提高原材料的純度和質(zhì)量，或采用聚光等方法。但無(wú)論哪種技術(shù)，若單獨(dú)采用，所提高的轉(zhuǎn)換效率幅度都是很有限的。所以要想較大幅度地提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，必須同時(shí)采用多種技術(shù)。2.4 本章小結(jié) 本章從P-N結(jié)說(shuō)起，主要介紹了太陽(yáng)能電池的原理、結(jié)構(gòu)、主要特性與等效電路，主要特性包括光譜響應(yīng)特性、伏安特性、溫度特性以與太陽(yáng)能電池主要參數(shù)。在介紹溫度特性時(shí)，電池效率隨著照度的上升而上升，

49、隨著溫度的上升而下降，由此提出采用聚光技術(shù)提高電池效率，同時(shí)需要良好的冷卻裝置。在介紹等效電路時(shí)，給出了開(kāi)路電壓和短路電流的計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上分析了太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率與影響因素，提出并研究了幾種提高太陽(yáng)能電池裝換效率的技術(shù)。3 聚光高效太陽(yáng)能電池研究開(kāi)發(fā)新能源和可再生清潔能源是全世界面臨的共同課題，在新能源中，光伏發(fā)電倍受矚目，但由于過(guò)高的成本，目前還未能充分進(jìn)入市場(chǎng)21?，F(xiàn)有太陽(yáng)能光電池的發(fā)電模式中，多數(shù)采用方位固定的大面積的平板式光電轉(zhuǎn)化模式，它存在著兩大缺點(diǎn)：一是光電轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)電能力差；二是成本價(jià)格居高不下，與常規(guī)電能相比缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，這些限制了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展。在緒

50、論中已提到，聚光太陽(yáng)能電池可以有效地降低太陽(yáng)能電池發(fā)電成本。對(duì)于聚光太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，其關(guān)鍵技術(shù)之一為研究適合在太陽(yáng)能收集應(yīng)用中的聚光器。3.1 聚光光伏技術(shù)的發(fā)展2000年，Swansont22在對(duì)聚光電池的市場(chǎng)分析基礎(chǔ)上提出兩個(gè)目前最有前景的應(yīng)用，一個(gè)是有電網(wǎng)支持要求潔凈能源的中型系統(tǒng)，另一個(gè)是與柴油發(fā)電機(jī)組成混合系統(tǒng)，如大型的水泵站、軍事基地、島嶼等，并且指出與非聚光系統(tǒng)相比，聚光系統(tǒng)具有更低的成本、更高的效率、更容易回收等優(yōu)點(diǎn)。2001年IEEE公布的聚光太陽(yáng)電池組件的標(biāo)準(zhǔn)23，提高了聚光電池組件的可靠性，這將有利于聚光光伏系統(tǒng)更好的進(jìn)入市場(chǎng)，促進(jìn)聚光光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。2002年5月

51、，首次太陽(yáng)能聚光發(fā)電國(guó)際會(huì)議的召開(kāi)24，表明光伏聚光系統(tǒng)作為很有潛力的一項(xiàng)技術(shù)，已經(jīng)引起更多人的關(guān)注。近年來(lái)，日本、美國(guó)等國(guó)企業(yè)紛紛展示新型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。夏普公司利用鏡頭將太會(huì)聚在超高效太陽(yáng)能電池上，其超高效太陽(yáng)能電池能效是目前硅電池的2倍。美國(guó)能源設(shè)備公司Solfocus也推出一種新的聚光器。另外,波音公司的子公司Spectrolab正在為一些集光器系統(tǒng)工程生產(chǎn)100多萬(wàn)個(gè)超高效太陽(yáng)能電池，其中在澳大利亞的一項(xiàng)工程目標(biāo)是為3500戶居民供電，該公司還曾為美國(guó)宇航局的火星探測(cè)器提供長(zhǎng)效的太陽(yáng)能光伏電池。這些技術(shù)工程的開(kāi)發(fā)進(jìn)展再次讓人們看到太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的美好前景25。3.2 各種

52、聚光太陽(yáng)能電池目前，聚光太陽(yáng)能電池主要有聚光硅太陽(yáng)能電池和聚光砷化鎵太陽(yáng)能電池兩大類(lèi)。按照結(jié)構(gòu)分，聚光硅太陽(yáng)能電池可以分為平面結(jié)聚光硅電池和垂直結(jié)聚光硅電池兩類(lèi)。平面結(jié)聚光硅電池類(lèi)似于常規(guī)電池，是當(dāng)前普遍使用的聚光電池。它的應(yīng)用光強(qiáng)為幾十個(gè)到100個(gè)太陽(yáng)。垂直結(jié)聚光硅電池具有更優(yōu)越的性能，它可以工作在更高的光強(qiáng)。3.2.1 平面結(jié)聚光硅太陽(yáng)能電池平面結(jié)聚光硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)基本上類(lèi)似于常規(guī)電池，其基體電阻率和柵線結(jié)構(gòu)的特殊性使聚光電池具有了更好的效率。(1)電池的基體電阻率基體電阻率對(duì)于聚光電池的性能具有十分重要的影響。電池工作在很高的光強(qiáng)下，高密度的電流要流過(guò)基體，必然要產(chǎn)生較高的電壓降，它

53、要影響電池的輸出。聚光電池設(shè)計(jì)時(shí)必須使這種影響盡可能的小，通常這種損失應(yīng)當(dāng)?shù)陀?。采用低電阻率的基體材料是減小這種損失的有效方法。(2)特殊的柵線結(jié)構(gòu)聚光硅太陽(yáng)能電池的柵線結(jié)構(gòu)是影響電池的實(shí)際輸出和使用壽命的關(guān)鍵因素之一。柵線形狀可以是梳狀的，也可以是放射狀的。其電阻的計(jì)算方法和常規(guī)電池一樣。柵線占電池面積的比例應(yīng)隨著工作光強(qiáng)的增加而增大。這是由于高密度的電流流過(guò)柵線，它們的電阻變得重要起來(lái)。常規(guī)電池柵線約占電池面積的5-7，那么工作在幾十個(gè)太陽(yáng)至幾百個(gè)太陽(yáng)的聚光硅太陽(yáng)電池柵線就要占電池面積的10左右。電池串聯(lián)電阻的接觸電阻部分不但與接觸材料、制造工藝有關(guān)，而且和柵線的周長(zhǎng)成反比，這是因?yàn)闁啪€

54、的總周長(zhǎng)越長(zhǎng)，越能克服電流群聚，減少接觸電阻。因此，在柵線面積不變的情況下，盡可能地增加?xùn)啪€的數(shù)量，就有利于提高電池的性能。聚光電池的柵線結(jié)構(gòu)和常規(guī)電池的區(qū)別是柵線的厚度。典型聚光硅太陽(yáng)能電池的柵線占電池面積10，其厚度約為10，當(dāng)電池工作在100個(gè)太陽(yáng)時(shí)，流過(guò)柵線的電流密度可以達(dá)到2.4×104/。這樣大的電流密度要引起合金化效應(yīng)以與電遷移效應(yīng)，使金屬變質(zhì)，增加接觸電阻。增加?xùn)啪€的厚度是克服這些影響的有效手段。3.2.2 垂直結(jié)聚光硅太陽(yáng)能電池前面討論的平面結(jié)聚光硅太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，在幾十個(gè)到100個(gè)太陽(yáng)的光強(qiáng)下具有較好的性能。但是，如果繼續(xù)提高工作光強(qiáng)，對(duì)串聯(lián)電阻的影

55、響將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，使聚光電池的效率嚴(yán)重下降。增加?xùn)啪€占電池的面積，也不能解決這一問(wèn)題，因?yàn)槠矫娼Y(jié)電池總有一個(gè)薄層電阻的存在，它是難以克服的。因此只有從電池的基本結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改變，才能解決這個(gè)問(wèn)題。垂直結(jié)電池是解決這一問(wèn)題的有效途徑之一。這種電池的P-N結(jié)垂直于電池光照面，光生電流并不沿P-N結(jié)平面流動(dòng)，而是直接被電極所收集，這就克服了串聯(lián)電阻的主要部分-薄層電阻的影響。所以，這種電池有極小的串聯(lián)電阻，可以工作在高達(dá)1000個(gè)太陽(yáng)的光強(qiáng)下。(1)多層垂直結(jié)硅太陽(yáng)能電池(EMVJ)圖3.1 典型的EMVJ太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)圖1)電池的基本結(jié)構(gòu)和主要制造工藝EMVJ電池通常采用較高電阻率的直拉或者區(qū)熔單

56、晶片制成，電阻率圍10-50的N型或者P型硅單晶片，晶向?yàn)?110)。利用各向異性的腐蝕方法，在(110)面上腐蝕出一系列垂直于表面的槽，槽的底部都具有V型結(jié)構(gòu)。槽的寬度通常為10-20，兩個(gè)槽間的中心距為200-250。電池基體厚度的選擇必須和電池基體電阻率相適應(yīng)，才能使電池獲得高的收集效率。EMVJ電池可采用大規(guī)模集成電路工藝來(lái)制造。通常在較大的硅片上制成大量的垂直結(jié)，根據(jù)所需尺寸切割成小片。其關(guān)鍵制造工藝是垂直結(jié)的腐蝕。如我們需要制造N+-P-P+結(jié)的EMVJ電池，首先用氧化的辦法在P型(110)單晶硅片上生成一層二氧化硅膜，然后用光刻的辦法將需要腐蝕垂直槽部分的二氧化硅膜去掉，再按硅的各向異性腐蝕的原理，用氫氧化鉀、氫氧化鈉或聯(lián)氨腐蝕，按照要求，制成一系列具有一定寬度和深度的槽。接著就可以用擴(kuò)散的方法或者合金法在前面生成N+-P結(jié)，在背面生成P-P+結(jié)。用電鍍的方法在背面和垂直槽的壁上生成金-鎳接觸。金-鎳層的厚度由電池的工作光強(qiáng)以與垂直槽之間的距離確定，一般為幾個(gè)微米。EMVJ電池的