42.9%累积效率太阳能电池模块综述

1、42.9合计效率太阳能电池模块合计效率太阳能电池模块（文献调研）（文献调研）林 峰时间：2008年9月2日 一、项目介绍二、模块架构三、光学系统四、电池设计和计算结果五、总结梗概梗概超高效率太阳能电池（超高效率太阳能电池（VHESCVHESC）项目）项目介绍介绍 由University of Delaware，DARPA，NREL，Purdue University，Geogia Institute of Technology，BP Solar，Optical Research Association等多家大学、公司、科研机构合作。 目的是开发用于便携用途的，效率超过50%的光伏模块。 太阳能

2、电池设计中直接集成光学组件设计前人不曾涉及。 综合设计中牵扯光学、互联、和电池设计等方面同时进行。 模块设计的优势：理论效率提高；新的架构可以避开目前材料/成本之间的矛盾；材料质量不理想时仍然可以获得较高效率；缩小光谱不匹配对效率的影响因素；材料选择的灵活性。超高效率太阳能电池项目超高效率太阳能电池项目介绍介绍续续 集成的光学/太阳能电池模块使得提高产品转化效率，同时保持较低的单位面积生产成本成为可能，所以拓展了高性能太阳能电池的应用领域。 基本思路：电池分别设计（光学设计）优化组装。1、首先利用已有的技术分别对高、中、低能量太阳辐射设计相应的电池单元。例如III-V族多结电池对应高、低能量；

3、硅基电池对应中间能量。2、通过优化模块架构和光学组件降低成本因素。模块架构模块架构综述综述 模块架构的主导思想：“先分再合”，即使用“平行”的或称“平面”的聚光系统和分光元件，将入射太阳光谱分成若干子光谱，针对每个子谱使用不同的光学组件和光伏元件。模块架构模块架构光伏元件光伏元件 分光原理的使用使光伏器件材料的选择更为灵活。 单元电池元件可以只为相对应的谱段优化。 对材料晶格匹配、电流匹配等要求降低。 各个单元电池不必须级联在一起，降低了光谱匹配的要求。 每个单元电池可以连接独立的电压总线，所以也不需要tunnel结，从而大大简化了电池材料工艺。 模块架构模块架构平面光学系统平面光学系统 包含

4、非成像聚光单元和分光单元。 因为是为便携用途设计，不需要太阳跟踪机制，所以所有光学元件都是固定的（static concentrator）。 “平面”光学系统单元电池不是垂直于入射光线分布的。 若干子光学模块可以组合成阵列。整个模块效率包含两部分：1、光学系统效率：到达单元电池的太阳光占所有入射光的比例。2、所有单元电池的效率之和。实验原型模块（实验原型模块（POC）的光学系统）的光学系统 光学系统是基于非对称、非成像的光学元件组装成系统阵列。 整个集成的光学系统没有可动组件。Front Lens：非球面聚光镜。Hollow Pyramid Concentrator：倒梯形中空聚光波导。Sec

5、ondary Concentrator：只会聚1.4eV到2.4eV（mid-energy）的光子。Dichroic Prism：双色分光棱镜，分出1.4eV以上的光线。Silicon Low-E SC，Mid-E SC：分别和Dichroic Prisim，Secondary Concentrator连接。实验原型模块（实验原型模块（POC）的光学系统）的光学系统POC原型包含22组单元模块。母板上包含Silicon SC，两块子板上包含Mid-E SC。铝制垫圈用来对准组件和散热。每个单元模块有自己独立的Front Lens。每两个模块分享一组Dichroic Prism。除了Dichro

6、ic Prism用BK7玻璃，其余光学元件都是用低成本塑料制作。整个POC原型厚度控制在11mm，易于和其它系统组合。光学系统性能光学系统性能 光学系统的透射效率（Transmission Efficiency）决定于所有光学器件的AR层和材料的反射率和透射率。 通过计算，在假设入射光为AM1.5G时，T.E.93%。Solar Cell的设计和试验结果的设计和试验结果 分光光学系统的采用，使SC材料的选择和设计大大简化。 传统的级联多结电池需要考虑晶格、电流匹配等若干问题，材料选择域受到限制。 平面模块中重点强调SC对应谱段上的性能，可以分别设计。 实际设计中，可以选取相应谱段已有的最佳材料

7、。2.4eV：InGaN；1.4 1.9eV：GaInP/GaAs；1.12eV：Silicon；2.4 eV：InGaN Solar CellIII-Nitride SC包含一个低带隙的InGaN层，夹在由顶层的p-和底层n型GaN材料构成的PN结中间。开路电压Voc达到2.4V，理想因子FF为78%。短路电流密度Jsc主要受到顶层p- GaN和Ni金属接触的肖特基势垒。采用全覆盖、半透明的顶层电极降低影响（30-50ohm）。 III-Nitride材料的优势：2.4eV以上可以找到直接带隙材料；迁移率高，提高电流收集；压电常数大，利于控制表面复合。1.4-1.9 eV：GaInP/GaA

8、s Solar Cell采用两节级联结构。虽然分立连接（并联）两个电池可以不受最小电流影响，但其生产成本实际比两级级联的产品高。这里选用市售效率最高的级联电池。20X聚光时效率达到31.7%。1.12 eV：Silicon Solar Cell Silicon SC技术成熟、成本低：材料减薄、表面钝化等技术降低成本。采用晶体硅/非晶硅异质结减少表面复合。顶部的III-V SC正好可以过滤短波光线，防止非晶硅中的吸收。1.0 eV：GaInAsP/GaInAs Solar Cell底层SC包括两个独立连接的GaInAsP/GaInAs电池（三端连接）。可以分别测量。不需要tunnel结，降低材料生长难度。通过降低最低能量的subcell的带隙。可以分别优化各个subcell效率。比如两级subcell（0.92eV、0.69eV）可实现20X聚光下6.2%的合计效率。模块的理论累积效率模块的理论累积效率GaInP/GaAs = 31.7%Silicon （通过GaAs过滤） 5% GaInAsP/GaInAs （通过Si过滤） 6.2%合计：42.9%总结总结 把光学组件和Solar Cell