【文章內容簡介】 電池看作恒流電源。太陽能電池可看作PN結型二極管，在光的照射下產生正向偏壓，所以在PN結為理想狀態(tài)的情況下，可等效為電流源和一個理想二極管的并聯(lián)電路。但是在實際的太陽能電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經負載的電流經過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻來表示；同時，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，使一部分本該通過負載的電流短路，這種作用可用一個并聯(lián)電阻來等效表示[16]。，太陽能電池的輸出電流I 可表示為： ()式中，為光生電流(A)；為二極管的反向飽和電流(A)；為太陽能電池輸出電壓(V)；為單位電荷( k庫侖)；為玻耳茲曼常數( J／K)；為絕對溫度(K)；為二極管指數。 圖 太陽能電池等效電路當太陽能電池兩端開路時，即負載阻抗為無窮大時，電池的輸出電流為零，此時的電壓為電池的開路電壓。在式()中，令，則有： () ()式()表明，開路電壓不受串聯(lián)電阻的影響，但與并聯(lián)電阻有關?？梢钥闯?， 減小時， 會隨之減小。太陽能電池兩端短路即負載阻抗為零時，電池電壓V 為零時，此時的電流為短路電流。在式()中令，得： ()考慮到一般情況下RsRsh，可化為： ()式()表明，短路電流基本與并聯(lián)電阻無關，但受串聯(lián)電阻的影響，隨著 的增大，短路電流會減小。通常，在現(xiàn)代太陽能電池中，的值一般很大，故式()中的最后一項通常忽略不計，這時式()變成： ()當參數， ，確定之后，根據上式可以確定太陽能電池的輸出特性。 影響太陽能電池轉換效率的因素前面所敘述的太陽能電池轉換效率的理論值都是在理想狀況下得到的。而太陽能電池在光電轉換過程中，由于存在各種附加的能量損失，實際效率比理論極限效率要低。以PN結硅電池為例，下面我們來分析影響太陽能電池轉換效率的主要因素。(1)光生電流的光學損失太陽能電池的效率損失中，有三種是屬于光學損失，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)入射到半導體材料的光的反射。以硅為例，在工作范圍內的太陽能光譜中，超過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能總面積中所占的百分比。對一般電池來說，約為415％。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，這決定了半導體材料的最小厚度。間接帶隙半導體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。(2)光生載流子的收集效率由于材料的缺陷等原因，所產生的電子及空穴等載流子發(fā)生再結合作用，使部分載流子消失掉。光照射PN結激發(fā)出來的電子空穴對不一定會全部被PN結的自建電場所分離。我們把受激產生的電子空穴對數目與被PN結勢壘所分離的電子空穴對數目之比叫做收集效率。半導體中電場產生的偏移效應和電荷濃度梯度產生的擴散效應導致電子空穴的移動。過剩載流子是超過熱平衡狀態(tài)存在的載流子，通常在某個時間常數下，具有返回平衡狀態(tài)的傾向。人們把這個時間常數叫做過剩載流子壽命。因此，在電子空穴對從產生的地方分別向PN兩層移動所需要的時間比過剩載流子壽命還要長的情況下，電荷將不會被PN結勢壘所分離，對光生電壓的產生沒有貢獻。這樣，收集效率就由過剩載流子的壽命和PN結的位置來決定。(3)影響開路電壓的實際因素決定開路電壓大小的主要物理過程是半導體的復合。半導體復合率越高，少子擴散長度越短，也就越低。在PSi襯底中，影響非平衡少子總復合率的三種復合機理是：復合中心復合、俄歇復合及直接輻射復合。總復合率主要取決于三種復合中復合率最大的一個。對于高質量的硅單晶，當摻雜濃度高于1017時，則俄歇復合產生影響，使少子壽命降低。通常，電池表面還存在表面復合，也會降低值。(4)輻射效應 應用在衛(wèi)星上的太陽能電池受到太空中高能離子輻射，產生缺陷，使電池輸出功率下降，影響其使用壽命。(5)電極接觸不良或設計不合理使串聯(lián)電阻增加，不能有效地收集載流子。 提高太陽能電池轉換效率的各種技術 ，我認為有以下幾種提高其轉換效率的方法。 損失原因防止技術表面光反射采用減反射膜表面進行凹凸處理合理設計電極載流子再結合加一層鈍化膜層控制雜質濃度加背面場合理設計電極 光透射在底電極上加一層金屬反射層進行凹凸處理串聯(lián)電阻合理設計電極 (1)減反射損失技術 為了減少太陽光的反射損失，一般采用下面兩種技術：1)采用減反射膜。常用減反射膜有含氧量為12的硅氧化物(SiO)與鈦氧化物(TiO)等。單獨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。經減反射處理過的太陽膜或由SiN和Si02所組成的減反射膜等。經減反射處理過的太陽能電池表面，有很好的減反射效果。2)采用凹凸結構。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構或具有倒金字塔型的溝槽結構，或具有V型的溝槽結構。由該圖可見，各種方向入射的太陽光經過多次反射后都能進入到太陽能電池中去，從而增加入射的太陽光量。采用這種結構，其光反射損失有的甚至可減到5％左右。未經過處理的光滑硅表面，反射率一般高達30％左右[17]。① 金字塔型絨面結 ②倒金字塔型溝槽結構② V型溝槽結構 ④在溝槽結構中的反射原理 太陽能電池的結構以及減反射原理(2)減少載流子損失技術 減少載流子損失，主要是防止載流子的再結合損失。通常采用以下三種方法： 1)加一層鈍化層； 2)控制雜質濃度； 3)在底層上加一個背面電場。加有鈍化層、雜質控制層、背面電場的高效太陽能電池的結構中鈍化層可以使電池表面的缺陷結構鈍化，從而減少載流子的再結合。電池底層上采用高濃度摻雜法形成一背面電場，可加速載流子的輸運過程，減少載流子的再結合。背面電場電池指在基區(qū)底部即電池背面附近，具有基體雜質濃度梯度的太陽能電池。雜質濃度梯度可以通過蒸鋁燒結或硼擴散的方法建立[18]。目前高效率電池一般都具有背面電場。(3)減少光透射損失在太陽能電池中，波長較長的入射光一般都能透射到電池的深層底電極，要充分利用這種長波長的光，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。過去常規(guī)電池使用的鋁電極是用ITO膠燒結法制成的。這時可形成鋁的擴散層，這種鋁擴散對提高太陽能電池轉換效率很有利，在保留原鋁擴散層的條件下去掉合金層，換成ITO電極層，結果它不僅能起電極作用，還能起反射層的作用，使轉換效率在原來的基礎上又提高了 [19]。(4)減少串聯(lián)電阻損失合理設計和精細制作電極是減少電池內部電阻、提高太陽能電池轉換效率的另一個有效途徑。一般認為電池表面所占的面積越小，太陽光利用率越高。但電極的表面積越小，電極內部的電阻越大，使電池的轉換效率反而降低。過去認為電池表面的電流密度是均勻的，所以單純從電阻與轉換效率的關系中優(yōu)化電極形狀，沒有考慮到太陽能電池表面的電流密度大小與電極形狀之間的關系。夏普公司采用計算機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。我認為可根據其電流密度分布，設計有利于收集載流子的電極形狀，并采用激光加工技術，使電極面積細微化，既增加入射光面積，又提高載流子收集效率，并使電池轉換效率在原有的基礎上進一步提高。(5)多層結構太陽能電池把多個具有不同光譜靈敏度特性的太陽能電池堆集起來所組成的太陽能電池叫作多層結構太陽能電池。這種太陽能電池，把禁帶寬度寬的材料所制成的太陽能電池放在入射光的一側，先讓它吸收短波長的光，然后再制成用禁帶寬度較窄的材料所組成的太陽能電池，讓它吸收由前半部透射出來的長波長的光，這樣可以充分地利用入射太陽光，提高其轉換效率。多層結構太陽能電池能更有效地利用各種波長的太陽光，從而提高電池轉換效率。多層結構太陽能電池，除了上述的無定形硅太陽能電池以外，還有由單晶硅和無定形硅或由單晶硅和砷化鎵太陽能電池所組成的多層結構太陽能電池 [20]。(6)充電連接方法的改進。我認為把太陽能電池及蓄電池分成若干個小組，先串聯(lián)各個小組后再并聯(lián)，改進后的這種聯(lián)接方法的好處是可降低充電回路的內阻。提高太陽能電池轉換效率的技術很多。 傳統(tǒng)充電連接方法 改進的充電連接方法除上述五種方法外，還可通過提高原材料的純度和質量，或采用聚光等方法。但無論哪種技術，若單獨采用，所提高的轉換效率幅度都是很有限的。所以要想較大幅度地提高太陽能電池的轉換效率，必須同時采用多種技術。 本章小結 本章從PN結說起，主要介紹了太陽能電池的原理、結構、主要特性及等效電路，主要特性包括光譜響應特性、伏安特性、溫度特性以及太陽能電池主要參數。在介紹溫度特性時，電池效率隨著照度的上升而上升，隨著溫度的上升而下降，由此提出采用聚光技術提高電池效率，同時需要良好的冷卻裝置。在介紹等效電路時，給出了開路電壓和短路電流的計算公式，在此基礎上分析了太陽能電池的轉換效率及影響因素，提出并研究了幾種提高太陽能電池裝換效率的技術。3 聚光高效太陽能電池研究開發(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，但由于過高的成本，目前還未能充分進入市場[21]?，F(xiàn)有太陽能光電池的發(fā)電模式中，多數采用方位固定的大面積的平板式光電轉化模式，它存在著兩大缺點：一是光電轉換效率低，發(fā)電能力差；二是成本價格居高不下，與常規(guī)電能相比缺乏競爭力，這些限制了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展。在緒論中已提到，聚光太陽能電池可以有效地降低太陽能電池發(fā)電成本。對于聚光太陽能電池來說，其關鍵技術之一為研究適合在太陽能收集應用中的聚光器。 聚光光伏技術的發(fā)展2000年，Swansont[22]在對聚光電池的市場分析基礎上提出兩個目前最有前景的應用，一個是有電網支持要求潔凈能源的中型系統(tǒng)，另一個是與柴油發(fā)電機組成混合系統(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。2001年IEEE公布的聚光太陽電池組件的標準[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)更好的進入市場，促進聚光光伏技術的進一步發(fā)展。2002年5月，首次太陽能聚光發(fā)電國際會議的召開[24]，表明光伏聚光系統(tǒng)作為很有潛力的一項技術，已經引起更多人的關注。近年來，日本、美國等國企業(yè)紛紛展示新型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。夏普公司利用鏡頭將太陽光會聚在超高效太陽能電池上，其超高效太陽能電池能效是目前硅電池的2倍。美國能源設備公司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100多萬個超高效太陽能電池，其中在澳大利亞的一項工程目標是為3500戶居民供電，該公司還曾為美國宇航局的火星探測器提供長效的太陽能光伏電池。這些技術工程的開發(fā)進展再次讓人們看到太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的美好前景[25]。 各種聚光太陽能電池目前，聚光太陽能電池主要有聚光硅太陽能電池和聚光砷化鎵太陽能電池兩大類。按照結構分，聚光硅太陽能電池可以分為平面結聚光硅電池和垂直結聚光硅電池兩類。平面結聚光硅電池類似于常規(guī)電池，是當前普遍使用的聚光電池。它的應用光強為幾十個到100個太陽。垂直結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。 平面結聚光硅太陽能電池平面結聚光硅太陽能電池的結構基本上類似于常規(guī)電池，其基體電阻率和柵線結構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下，高密度的電流要流過基體，必然要產生較高的電壓降，它要影響電池的輸出。聚光電池設計時必須使這種影響盡可能的小，通常這種損失應當低于2％。采用低電阻率的基體