提高太阳能电池转换效率的关键技术

1、目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc17318 1.绪论 PAGEREF _Toc17318 1 HYPERLINK l _Toc26478 1.1 课题研究背景 PAGEREF _Toc26478 1 HYPERLINK l _Toc24828 1.2 太阳能的特点及优势 PAGEREF _Toc24828 1 HYPERLINK l _Toc29271 1.3 太阳能电池的分类和研究进展 PAGEREF _Toc29271 2 HYPERLINK l _Toc32290 1.3.1 按材料分类 PAGEREF _Toc32290 3 HYPERLINK l

2、 _Toc11605 1.3.2 按形态结构分类 PAGEREF _Toc11605 7 HYPERLINK l _Toc12658 1.4 本文研究的要紧内容 PAGEREF _Toc12658 8 HYPERLINK l _Toc5036 2. 太阳能电池差不多知识 PAGEREF _Toc5036 9 HYPERLINK l _Toc30270 2.1 太阳能电池原理及结构 PAGEREF _Toc30270 9 HYPERLINK l _Toc29690 2.1.1 太阳能电池差不多原理 PAGEREF _Toc29690 9 HYPERLINK l _Toc1753 2.1.2 太阳

3、能电池差不多结构 PAGEREF _Toc1753 10 HYPERLINK l _Toc29877 2.2 太阳能电池要紧特性 PAGEREF _Toc29877 11 HYPERLINK l _Toc6059 2.2.1 光谱响应特性 PAGEREF _Toc6059 11 HYPERLINK l _Toc2394 2.2.2 伏安特性 PAGEREF _Toc2394 12 HYPERLINK l _Toc1032 2.2.3 温度特性 PAGEREF _Toc1032 13 HYPERLINK l _Toc18040 2.2.4 太阳能电池要紧参数 PAGEREF _Toc18040

4、14 HYPERLINK l _Toc17066 2.3 太阳能电池等效电路和效率分析 PAGEREF _Toc17066 15 HYPERLINK l _Toc12990 2.3.1 太阳能电池等效电路 PAGEREF _Toc12990 15 HYPERLINK l _Toc26357 2.3.2 阻碍太阳能电池转换效率的因素 PAGEREF _Toc26357 17 HYPERLINK l _Toc26025 2.3.3 提高太阳能电池转换效率的各种技术 PAGEREF _Toc26025 18 HYPERLINK l _Toc23925 2.4 本章小结 PAGEREF _Toc239

5、25 22 HYPERLINK l _Toc2191 3. 聚光高效太阳能电池研究 PAGEREF _Toc2191 23 HYPERLINK l _Toc17715 3.1 聚光光伏技术的进展 PAGEREF _Toc17715 23 HYPERLINK l _Toc13595 3.2 各种聚光太阳能电池 PAGEREF _Toc13595 23 HYPERLINK l _Toc5338 3.2.1 平面结聚光硅太阳能电池 PAGEREF _Toc5338 24 HYPERLINK l _Toc17515 3.2.2 垂直结聚光硅太阳能电池 PAGEREF _Toc17515 24 HYPE

6、RLINK l _Toc29113 3.2.3 聚光砷化镓太阳能电池 PAGEREF _Toc29113 27 HYPERLINK l _Toc31866 3.3 各种聚光器在太阳能电池中的应用 PAGEREF _Toc31866 28 HYPERLINK l _Toc4137 3.4 本章小结 PAGEREF _Toc4137 29 HYPERLINK l _Toc13688 4. 菲涅尔透镜太阳能聚光器研究 PAGEREF _Toc13688 30 HYPERLINK l _Toc28645 4.1 菲涅尔透镜原理及特点 PAGEREF _Toc28645 30 HYPERLINK l _

7、Toc7996 4.1.1 菲涅尔透镜的光学原理 PAGEREF _Toc7996 30 HYPERLINK l _Toc7248 4.1.2 菲涅尔透镜的特点及阻碍因素 PAGEREF _Toc7248 32 HYPERLINK l _Toc20217 4.2 用于聚光太阳能电池的柱面菲涅尔透镜 PAGEREF _Toc20217 33 HYPERLINK l _Toc6081 4.2.1 线聚焦透镜的光学效率分析 PAGEREF _Toc6081 33 HYPERLINK l _Toc16341 4.2.2 柱面菲涅尔透镜 PAGEREF _Toc16341 34 HYPERLINK l

8、_Toc4677 4.3 本章小结 PAGEREF _Toc4677 38 HYPERLINK l _Toc1311 5. 总结 PAGEREF _Toc1311 39 HYPERLINK l _Toc20356 参考文献： PAGEREF _Toc20356 40 HYPERLINK l _Toc9002 致谢 PAGEREF _Toc9002 421 绪论1.1 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进展的重要物质基础。随着社会的进展，能源在社会进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进展的首要地位。随着化石能源的逐步消

9、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峻，开发和利用能够支撑人类社会可持续进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Rice University的Smalley教授曾经指出，在以后的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

10、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能够解决目前世界能源紧张的问题，还能够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进展。研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、能够再生且不污染环境，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,因此进展太阳能潜力巨大。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

11、阳能，关于节约常规能源、爱护自然环境、促进经济进展都有极为重要的现实意义和深远的历史意义3。1.2 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以后能源，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。 太阳能的优点要紧有以下几个方面: (I)来源充足:太阳光普照大地，不管陆地或海洋，不管高山或岛

12、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:开发利用太阳能可不能污染环境。它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严峻的今天，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能够开发的最大能源。 (4)可长久使用:依照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，从那个意义上讲，能够讲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

13、世界范围得到了快速进展，被认为是当前世界上最具进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，其中许多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

14、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。 1.3 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有用型单晶硅太阳能电池以来，太阳能电池进入有用时期。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；8

15、0年代至90年代，由于各国政府的重视，太阳能电池进入高速进展时期。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进展。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。依照美国世界观看所的报告预测，太阳能电池产业将与通讯行业一起成为进展最快的产业，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

16、入工业、农业、商业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其能够方便地在边远地区、高山、沙摸、海岛和农村使用，可节约造价专门贵的输电线路。然而在目前时期，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，各国对环境的爱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，可为人类以后大规模地利用太阳能开发宽敞的前景。 目前，太阳能电池的种类十分多，按材料分一般要紧有单晶硅电池、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

17、形态结构分要紧有叠层电池、薄膜电池和聚光电池等。然而综合考虑材料的价格、环境爱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。1.3.1 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1.1eV，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99.999。单晶硅太阳能电池的差不多结构为N+/P型，多以P型单晶硅片作为基片，电阻率的范围为1-3，

18、具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可达到12-l6，而实验室记录的最高转换效率为24.49。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

19、电池单元成本低，特不具有竞争优势。然而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20.310。多晶硅太阳能电池的差不多结构为N+/P型,以P型单晶硅片作为基片，电阻率的范围为0.52。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方形硅碇，能够节约原料和能源。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”，也确实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能够产生电流，并不需要声子的关心。因而非晶硅能够做得专门薄，还有制作

20、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。非晶硅的可见光汲取系数比单晶硅大，是单晶硅的40倍。1微米厚的非晶硅薄膜，能够吸引大约90有用的太阳光能。然而，非晶硅太阳能电池的稳定性较差，从而阻碍了它的迅速进展。非晶硅及其合金的光暗电导率随着光照时刻的加长而减少，通过170C200C的退火处理，又能够恢复到光照之前的值。这一现象首先由Staebler和Wronski发觉，被称为S-W效应11。S-W效应使非晶硅太阳能电池的转换效率由于光照时刻加长而衰退，长期以来成为非晶硅太阳能电池应用的要紧障碍。 目前非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率偏低

21、，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。因此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。可能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进展，因为它成本低，质量轻，应用更为方便，它能够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。三五族化合物电池要紧有GaAs电池、InP电池、GaSb电池等；二六族化合物电池要紧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

22、物，Ga是其它产品的副产品，特不稀少宝贵；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汲取效率，抗辐照能力强，对热不敏感。由于具有这些特点，因此GaAs化合物材料也适合于制造高效单结电池。GaAs化合物太阳能电池尽管具有诸多优点，然而GaAs材料的价格不菲，因而在专门大程度上限制了用GaAs电池的普及。为了解决那个问题，采纳了聚光系统，该系统由于采纳价格较低的塑料透镜和金属外壳，同时改进了电池性能，因而深受宽敞用户青睐。(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

23、构工艺复杂、成本高昂、光电压受光强阻碍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，可采纳真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜，且能够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能够自行设计合成。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Alan Heeger和同事 Kwanghee Lee，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6.5，差不多接近7的商业化标准。由于电

24、池以塑料为要紧材料，因此成本比采纳多晶硅为材料的一般太阳能电池低得多。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进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，只是本身捕获太阳光的能力特不差，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汲取，能够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(1

25、00)DSSC转换效率已达到6。这类电池所用要紧材料为导电玻璃和Ti0，来源比较丰富，电池制造工艺也比较简单，具有较大的潜在价格优势。然而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。下图分不为传统染料敏化太阳能电池（图1.1）和高性能有机染料敏化太阳能电池（图1.2）。 图1.1传统染料敏化太阳能电池 图1.2 高性能有机染料敏化太阳能电池 1.3.2 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，适于汲取能量较大的太阳光能，而底部电池的材料带隙较窄，适于汲取能量较小

26、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要紧方向之一。如采纳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，如化学气相沉积的方法制备晶体硅薄膜作为太阳能电池材料。这时能够采纳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。在廉价衬底上采纳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，能够缩短回收期。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

27、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，因此能够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，假如用一般太阳能硅电池提供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，也能够实现lOW功率的输出。在使用聚光器将太阳浓缩15倍后照耀到太阳能电池上，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

28、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一般太阳能电池高成本的制约因素，为太阳能电池的普及开发了一条新的道路。1.4 本文研究的要紧内容 我国地域宽敞，人口众多，7000万人生活在无电地区，而且我国宽敞西部太阳光照充足，因此太阳能光伏发电在我国的进展前景特不行，太阳能在转换过程中效率较低，10-20可转变为电能，其余能量以散热的形式损失掉了，因此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

29、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。本文要紧对电池聚光系统中的聚光器进行研究。要紧完成如下工作： (1)掌握太阳能电池差不多工作原理、差不多结构及要紧特性。 (2)分析太阳能电池转换效率及阻碍因素。(3)研究提高太阳能电池转换效率要紧技术。2 太阳能电池差不多知识2.1 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，即要紧利用了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

30、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专门的薄层，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，就形成了一个专门的薄层，那个薄层叫做耗尽层，即空间电荷区。太阳能电

31、池就跟半导体的这种结构有关。2.1.1 太阳能电池差不多原理 图2.1 太阳能电池发电原理 当有适当波长的光照耀到p-n结上后，由于光伏效应而在势垒区两边产生了电动势。如图2.1，设入射光垂直p-n结结面。假如结较浅，光子将进入p-n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，由本征汲取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专门大，因此要紧分析光生少数载流子的运动。 p-n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p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升

32、高，n端电势降低，因此在p-n结两端形成了光生电动势，这确实是p-n结的光生伏特效应。由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压，产生正向电流。 在p-n结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p-n结两端建立起稳定的电动势（p区相关于n区是正的），即光电池的开路电压。如将p-n结与电路接通源，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这确实是光电池的差不多原理。2.1.2 太阳能电池差不多结构典型的太阳能电池的结构如图2.2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

33、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。这确实是太阳能板的表面看起来 专门暗淡的缘故。 图2.2 太阳能电池结构图2.2 太阳能电池要紧特性 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、温度特性及要紧参数作简单介绍。2.2.1 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。也确实是讲，在阳光照耀激发作用下，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

34、系。光谱特性的测量是用一定强度的单色光照耀太阳能电池，测量现在的短路电流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，也能够用收集效率(内量子效率)曲线来表示。二者并不一致，一般来讲，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)是指汲取多少光子产生多少电子的比率，即在电池中被汲取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汲取，产生的电子不一定都产生电能，因此一般而

35、言，内量子效率最高，而能量转换效率最低，但它们差不多上能够测量或计算的。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汲取时产生电子-空穴对，而那些能量小于禁带宽度的光子即使被汲取也不能产生电子-空穴对(它们只是使材料变热)。这确实是讲，材料对光的汲取存在一个截止频率（长波限）。同时当禁带宽度增加时，被材料汲取的总太阳能就越来越少。 对太阳辐射光线来讲，能得到最好工作性能的半导体材料，其截止波长应在0.8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)。太阳能电池的光谱响应特性在专门大程度上依靠于

36、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能够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。2.2.2 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转换成电子-空穴对的绝对数量。现在，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()，现在，电池的输出电流为零。具有PN结的太阳能电池在不受光照时，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2.3中所示的曲线。在一定的光照下，能够得出端电压和电路中通过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2

37、.3所示的曲线。其中，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：。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。 图2.3 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确实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，即能够得到通常使用的伏安特性曲线，如图2.4所示。曲线在I 轴上的截距为短路电流，在V 轴上的截距为开路电压。图2.4中的虚线表示在一定的负载电阻时的关系，称为负载线。负载电阻R为某一值时的直线与特性曲线的

38、交点坐标为使用那个负载电阻时的端电压V 和电流 I。 图2.4 太阳能电池的伏安特性曲线2.2.3 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，电压下降2-2.3；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则随着温度的上升而下降，每升高1，约损失0.35-0.45。温度对太阳能电池的阻碍：载流子的扩散系数随温度的增高而增大，因此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。然而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，I-U 曲线形状改变，填充因子下降，故转换效率随温度的增加而降低。图2.5和

39、图2.6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2.5不同温度下的输出特性曲线图2.6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，因此能够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。因此在应用时，假如使用聚光器，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。2.2.4 太阳能电池要紧参数 不论是一般的化学电池依旧太阳能电池，其输出特性一般差不多上用如图2.3所示的伏安特性曲线来表

40、示，短路电流，开路电压，最大输出功率是它的要紧输出参数。转换效率和填充因子是衡量电池品质的要紧参数。(1)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耀到电池上的入射光的功率的比值，用式子表示为： (2.1)式中，和分不为光伏阵列最大电流(A)和最大电压(V)。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。关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，因此电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。而那个结论就为提高转换效率提供了一种途

41、径：能够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： (2.2)填充因子是评价光伏电池性能优劣的一个重要参数。阻碍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，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13-15。2.3 太阳能电池等效电路和效率分析2.3.1 太阳能电池等效电路太阳能电池受光的照耀便产生电流。那个电流随着光强的增

42、加而增大，当同意的光强度一定时，能够将电池看作恒流电源。太阳能电池可看作PN结型二极管，在光的照耀下产生正向偏压，因此在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。然而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，流经负载的电流通过它们时，必定引起损耗，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，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。现在的等效电路可用图2.7来描述，太阳能电池的输出电流I 可表示为： (2.3)式中，为光生

43、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(V)；为单位电荷(1.6lO-19 k库仑)；为玻耳兹曼常数(1.3810-23 JK)；为绝对温度(K)；为二极管指数。 图 2.7 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，现在的电压为电池的开路电压。在式(2.3)中，令，则有： (2.4) (2.5)式(2.5)表明，开路电压不受串联电阻的阻碍，但与并联电阻有关。能够看出， 减小时， 会随之减小。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，现在的电流为短路电流。在式(2.3)中令，得： (2.6)考虑到一般情况下RsRs

44、h，可化为： (2.7)式(2.7)表明，短路电流差不多与并联电阻无关，但受串联电阻的阻碍，随着 的增大，短路电流会减小。通常，在现代太阳能电池中，的值一般专门大，故式(2.3)中的最后一项通常忽略不计，这时式(2.3)变成： (2.8)当参数， ，确定之后，依照上式能够确定太阳能电池的输出特性。2.3.2 阻碍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差不多上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，下面我们来分析阻碍太阳能电池转换效率的要紧因素。(1)光生电流的光学损失太阳能电池的效率损

45、失中，有三种是属于光学损失，其要紧阻碍是降低了光生电流值。反射损失确实是从空气(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。栅指电极遮光损失确实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。对一般电池来讲，约为4-15。透射损失确实是假如电池厚度不足够大，某些能量合适能被汲取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缘故，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流子消逝掉

46、。光照耀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，通常在某个时刻常数下，具有返回平衡状态的倾向。人们把那个时刻常数叫做过剩载流子寿命。因此，在电子-空穴对从产生的地点分不向PN两层移动所需要的时刻比过剩载流子寿命还要长的情况下，电荷将可不能被PN结势垒所分离，对光生电压的产生没有贡献。如此，收集效率就由过剩载流子的寿命和PN结的位置来决定。(3)阻碍开路电压的实际因素决

47、定开路电压大小的要紧物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，也就越低。在P-Si衬底中，阻碍非平衡少子总复合率的三种复合机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率要紧取决于三种复合中复合率最大的一个。关于高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于1017时，则俄歇复合产生阻碍，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。(4)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，阻碍其使用寿命。(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。2.3.3 提高太阳能电池转换效率的各种技术 针对2.3.2节分析

48、的阻碍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2.1。 表2.1太阳能损失缘故以及防止技术 损失缘故防止技术表面光反射1、采纳减反射膜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、操纵杂质浓度3、加背面场4、合理设计电极 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 (1)减反射损失技术 为了减少太阳光的反射损失，一般采纳下面两种技术：1)采纳减反射膜。常用减反射膜有含氧量为1-2的硅氧化物(SiO)与钛氧化物(TiO)等。单独采纳一层反射膜效果不行，为此，大多采纳二层减反射膜，如由Ti02和MgF2所组成的减反射

49、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，有专门好的减反射效果。2)采纳凹凸结构。如表面用腐蚀等方法处理成具有专门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2.8。由该图可见，各种方向入射的太阳光通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。采纳这种结构，其光反射损失有的甚至可减到5左右。未通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

50、理图2.8 太阳能电池的结构以及减反射原理(2)减少载流子损失技术 减少载流子损失，要紧是防止载流子的再结合损失。通常采纳以下三种方法： 1)加一层钝化层； 2)操纵杂质浓度； 3)在底层上加一个背面电场。加有钝化层、杂质操纵层、背面电场的高效太阳能电池的结构中钝化层能够使电池表面的缺陷结构钝化，从而减少载流子的再结合。电池底层上采纳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。杂质浓度梯度能够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

51、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，效果专门好。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专门有利，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

52、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，因此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。夏普公司采纳计算机模拟方法求出了电极表面上的电流密度分布，发觉电池表面各处的电流密度分布是不均匀的。我认为可依照其电流密度分布，设计有利于收集载流子的电极形状，并采纳激光加工技术，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

53、料所制成的太阳能电池放在入射光的一侧，先让它汲取短波长的光，然后再制成用禁带宽度较窄的材料所组成的太阳能电池，让它汲取由前半部透射出来的长波长的光，如此能够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2.9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

54、路的内阻，提高充电效率如图2.10所示。提高太阳能电池转换效率的技术专门多。 图2.9 传统充电连接方法 图2.10 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，或采纳聚光等方法。但不管哪种技术，若单独采纳，所提高的转换效率幅度差不多上专门有限的。因此要想较大幅度地提高太阳能电池的转换效率，必须同时采纳多种技术。2.4 本章小结 本章从P-N结讲起，要紧介绍了太阳能电池的原理、结构、要紧特性及等效电路，要紧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要紧参数。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，由此提出采纳聚光技术提高电池效率

55、，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阻碍因素，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，多数采纳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进展。在绪论中已提到，聚光太阳能电池能够有效地降低太阳能电池发电

56、成本。关于聚光太阳能电池来讲，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。3.1 聚光光伏技术的进展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，同时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进展。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

57、统作为专门有潜力的一项技术，差不多引起更多人的关注。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进展的美好前景25。3.2 各种聚光太阳能电池目前，聚光太阳能电池要紧有聚光硅

58、太阳能电池和聚光砷化镓太阳能电池两大类。按照结构分，聚光硅太阳能电池能够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，它能够工作在更高的光强。3.2.1 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差不多上类似于常规电池，其基体电阻率和栅线结构的专门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关于聚光电池的性能具有十分重要的阻碍。电池工作在专门高的光强下，高密度的电流要流过基体，必定要产生较高的电压降，它要阻碍电池的输出。聚光电池设计时必须使这种

59、阻碍尽可能的小，通常这种损失应当低于2。采纳低电阻率的基体材料是减小这种损失的有效方法。(2)专门的栅线结构聚光硅太阳能电池的栅线结构是阻碍电池的实际输出和使用寿命的关键因素之一。栅线形状能够是梳状的，也能够是放射状的。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5-7，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

60、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不是栅线的厚度。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，流过栅线的电流密度能够达到2.4104/。如此大的电流密度要引起合金化效应以及电迁移效应，使金属变质，增加接触电阻。增加栅线的厚度是克服这些阻碍的有效手段。 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。然而，假如接着提高工作光强，对串联电阻的阻碍将会越来越严峻，使聚光电池的效率严峻下降。增加栅线占电池的面积