【正文】 0年的基礎(chǔ)上猛增 69％。自從 1954年美國科學(xué)家恰賓和皮爾松 [5]在美國貝爾實驗室研制成功實用型單晶硅太陽能電池以來，太陽能電池進入實用階段。太陽能電池在物理學(xué)上稱為太陽能光伏，簡稱光伏。其中太陽能光伏發(fā)電以其優(yōu)異的特性近年來在全世界范圍得到了快速發(fā)展，被認為是當(dāng)前世界上最具發(fā)展前景的新能源技術(shù)，各發(fā)達國家均投入巨資競相研究開發(fā)，并積極推進產(chǎn)業(yè)化進程，大力開拓太陽能光 伏發(fā)電的市場應(yīng)用。它是最清潔的能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的。在目前的幾種新能源技術(shù)中，太陽能以其突出的優(yōu)勢被定位為最具前景的未來能源，有無盡清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 2 頁 共 42 頁 的潛力。 太陽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，受到世界各國的青睞。到 2100年時，可再生能源將占人類使用能源的 l/3以上 [1]。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、太陽能、風(fēng)能、小水電、地?zé)崮芤约昂Ｑ竽艿纫淮文茉?。清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 I 頁 共 II 頁 目錄 .................................................................. 1 課題研究背景 ....................................................... 1 太陽能的特點及優(yōu)勢 ................................................. 1 太陽能電池的分類和研究進展 ......................................... 2 按材料分類 ....................................................... 3 按形態(tài)結(jié)構(gòu)分類 ................................................... 7 本文研究的主要內(nèi)容 ................................................. 8 2. 太陽能電池基本知識 .................................................. 9 太陽能電池原理及結(jié)構(gòu) ............................................... 9 太陽能電池基本原理 ............................................... 9 太陽能電池基本結(jié)構(gòu) .............................................. 10 太陽能電 池主要特性 ................................................ 11 光譜響應(yīng)特性 .................................................... 11 伏安特性 ........................................................ 12 溫度特性 ........................................................ 13 太陽能電池主要 參數(shù) .............................................. 14 太陽能電池等效電路和效率分析 ...................................... 15 太陽能電池等效電路 .............................................. 15 影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素 .................................... 17 提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的各種技術(shù) ................................ 18 本章小結(jié) .......................................................... 22 3. 聚光高效太陽能電池研究 ............................................. 23 聚光光伏技術(shù)的發(fā)展 ................................................ 23 各種聚光太陽能電池 ................................................ 23 平面結(jié)聚光硅太陽能電池 .......................................... 24 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 II 頁 共 II 頁 垂直結(jié)聚光硅太陽能電池 .......................................... 24 聚光砷化鎵太陽能電池 ............................................ 27 各種聚光器在太陽能電池中的應(yīng)用 .................................... 28 本章小結(jié) .......................................................... 29 4. 菲涅爾透鏡太陽能聚光器研究 ......................................... 30 菲涅爾透鏡原理及特點 .............................................. 30 菲涅爾透鏡的光學(xué)原理 ............................................ 30 菲涅爾透鏡的特點及影響因素 ...................................... 32 用于聚光太陽能電池的柱面菲涅爾透鏡 ................................ 33 線聚焦透鏡的光學(xué)效率分析 ........................................ 33 柱面菲涅爾透鏡 .................................................. 34 本章小結(jié) .......................................................... 38 5. 總結(jié) ............................................................... 39 參 考文獻： ............................................................ 40 致謝 .................................................................. 42 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 1 頁 共 42 頁 1 緒論 課題研究背景 自人類社會誕生以來，能源一直是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。諾貝爾獎獲得者美國 Rice University的 Smalley教授曾經(jīng)指出，在未來的 50年里，人類面臨著隨之而來的 10大問題中，能源問題排在首位。 新能源和可再生能源的開發(fā)利用不僅可以解決目前世界能源緊張的問題，還可以解決與能源利用相關(guān)的環(huán)境污染問題，促進社會和經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展。太陽能是 21世紀最有潛力的能源，太陽能產(chǎn)業(yè)是新興的朝陽行業(yè)，具有較高的投資價值。 在常 規(guī)能源供給緊張和環(huán)保壓力不斷增大的背景下，世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能的熱潮，使太陽能的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，己滲透到人們生活的每一個角落。 (3)能量巨大 :每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當(dāng)于 130萬億噸標煤 ,其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。 基于以上種種優(yōu)點，太陽能的相關(guān)應(yīng)用也是十分廣泛，它的應(yīng)用領(lǐng)域有：太陽能集熱器、太陽能熱力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、太陽能海水掙化、太陽能空調(diào)、太陽能電動車、太陽能建筑、太陽能照明燈、太陽能灶、太陽能水泵系統(tǒng)等，其中不少應(yīng)用是利用太陽能電池把太陽能轉(zhuǎn)化為電能加以應(yīng)用的。太陽能電池具有重量輕、能經(jīng)受外部空間的各種 復(fù)雜的環(huán)境的考驗、性能穩(wěn)定、靈敏度及光電轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長等優(yōu)點，使得它在現(xiàn)實生活中得到越來越多的應(yīng)用。 20世紀 60年代，供空間應(yīng)用的電池設(shè) 計成熟； 70年代初，硅電池的轉(zhuǎn)換效率大大提高，太陽能電池開始應(yīng)用于地面； 80年代至 90年代，由于各國政府的重視，太陽能電池進入高速發(fā)展階段。根據(jù)美國世界觀察 所的報告預(yù)測，太陽能電池產(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世紀中葉，光伏發(fā)電量將占到世界總發(fā)電量的 1/5[6,7]。 目前，太陽能電池的種類十分多，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、有機電池和染料敏化電池等。 單晶硅太陽能電池是開發(fā)最早也是最快的一種太陽能電池，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。從目前來看，單晶硅電池已十分成熟，效率高 ,壽命長，性價比好，是目前最受重視的太陽能電池。 多晶硅太陽能電池具有獨特的優(yōu)勢 ,與單晶硅相比，多晶硅半導(dǎo)體材料的價格比較低廉 ,相應(yīng)的電池單元成本低，非常具有競爭優(yōu)勢。由于多晶硅太陽能電 池性能穩(wěn)定適合于建設(shè)光伏電站，也可用作光伏建筑材料。非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大，是單晶硅的 40倍。這一現(xiàn)象首先由 Staebler和Wronski發(fā)現(xiàn)，被稱為 SW效應(yīng) [11]。估計效率衰降問題克服后，非晶硅太陽能電池將促進太陽能利用的大發(fā)展，因為它成本低，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)成住戶的獨立電源。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)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感。 (5)有機太陽能電池 有機太陽能電池具有柔韌性和成本低廉的優(yōu)勢，是近年出現(xiàn)的新型太陽能電池。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 6 頁 共 42 頁 美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校的諾貝爾獎得主物理學(xué)教授 Alan Heeger和同事 Kwanghee Lee，以及一個韓國科學(xué)家小組。 (6)染料敏化太陽能電池 染料敏化納米晶太陽能電池是最近二十幾年發(fā)展起來的一種基于植物葉綠素光合作用原理研制出的太陽能電池。這類電池所用主要材料為導(dǎo)電玻璃和 Ti02 ，來源比較豐富，電池制造工藝也比較簡單，具有較大的潛在價格優(yōu)勢。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陽光能，而底部電池的材料帶隙較窄，適于吸收能量較小的太陽光能。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能電池材料。 (3)聚光太陽能電池 聚光太陽能電池是降低太陽能電池系統(tǒng)整體造價的一種措施。在使用聚光器將太陽濃縮15倍后照射到太陽能電池上，提供 lOW功率所需成本由 400元降低到 60元，經(jīng)濟性可見一斑。 提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率，降低成本，關(guān)鍵是提高太陽能的利用率，而聚光太陽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)計和跟蹤技術(shù)是該類電池在研究中要解決的關(guān)鍵技術(shù)。 (3)研究提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率主要技術(shù)。半導(dǎo)體硅中摻有 +3價雜質(zhì)元素硼之后，同樣會出現(xiàn)一個硅原子被硼原子替代的情況。 N區(qū)的電子會擴散到 P區(qū)， P區(qū)的空穴會擴散到 N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由 N指向 P的“內(nèi)建電場”，從而阻止擴散進行。如圖 ，設(shè)入射光垂直 pn結(jié)結(jié)面。 pn 結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在的較強內(nèi)建電場 (自 n 區(qū)指向 p 區(qū) )的作用，各自向相反方向運動； p區(qū)的電子穿過 pn結(jié)進入 n區(qū)； n區(qū)的空穴進入 p 區(qū)，使 p端電勢升高， n 端電勢降低，于是在 pn 結(jié)兩端形成了光生電動勢，這就是 pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)。這就是光電池的基本原理 。 PN接合的項部有一層防反射薄層．以減少從光亮的硅表面反射出來的光線。 以下就太陽能電池的光譜響應(yīng)特性、伏安特性、溫度特性及主要參數(shù)作簡單介紹。 光譜響應(yīng)曲線有時候稱為量子效率 (外量子效率 )曲線，也可以用收集效率 (內(nèi)量子效率 )曲線來表示。在太陽能電池中，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產(chǎn)生電子 空穴對，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 (它們只是使材料變熱 )。每種太陽能電池對太陽光線都有其自己的光譜響應(yīng)曲線，它表示電池對不同波長的光的靈敏度 (光電轉(zhuǎn)換能力 )。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 12 頁 共 42 頁 伏安特 性 太陽能電池在短路條件下的工作電流稱為短路光電流（ scI ） ，短路光電流等于光子轉(zhuǎn)換成電子 空穴對的絕對數(shù)量。在一定的光照下，可以得出端電壓和電路中通過負載的工作電流的關(guān)系曲線，叫作光電池的伏安特性