【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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，以及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，這種作用可用一個(gè)并聯(lián)電阻來(lái)等效表示[16]。，太陽(yáng)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(yáng)能電池輸出電壓(V)；為單位電荷( k庫(kù)侖)；為玻耳茲曼常數(shù)( J／K)；為絕對(duì)溫度(K)；為二極管指數(shù)。 圖 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()中，令，則有： () ()式()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)?？梢钥闯觯?減小時(shí)， 會(huì)隨之減小。太陽(yáng)能電池兩端短路即負(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()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(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()中的最后一項(xiàng)通常忽略不計(jì)，這時(shí)式()變成： ()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。 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，在工作范圍內(nèi)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(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)生的電子及空穴等載流子發(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)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PSi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)合及直接輻射復(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)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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的各種技術(shù) ，我認(rèn)為有以下幾種提高其轉(zhuǎn)換效率的方法。 損失原因防止技術(shù)表面光反射采用減反射膜表面進(jìn)行凹凸處理合理設(shè)計(jì)電極載流子再結(jié)合加一層鈍化膜層控制雜質(zhì)濃度加背面場(chǎng)合理設(shè)計(jì)電極 光透射在底電極上加一層金屬反射層進(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) 為了減少太陽(yáng)光的反射損失，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12的硅氧化物(SiO)與鈦氧化物(TiO)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)。由該圖可見(jiàn)，各種方向入射的太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)多次反射后都能進(jìn)入到太陽(yáng)能電池中去，從而增加入射的太陽(yáng)光量。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，反射率一般高達(dá)30％左右[17]。① 金字塔型絨面結(jié) ②倒金字塔型溝槽結(jié)構(gòu)② V型溝槽結(jié)構(gòu) ④在溝槽結(jié)構(gòu)中的反射原理 太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)以及減反射原理(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)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內(nèi)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)為電池表面所占的面積越小，太陽(yáng)光利用率越高。但電極的表面積越小，電極內(nèi)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陽(yáng)光，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)的太陽(yáng)光，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)。我認(rèn)為把太陽(yáng)能電池及蓄電池分成若干個(gè)小組，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內(nèi)阻。提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)很多。 傳統(tǒng)充電連接方法 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)。 本章小結(jié) 本章從PN結(jié)說(shuō)起，主要介紹了太陽(yáng)能電池的原理、結(jié)構(gòu)、主要特性及等效電路，主要特性包括光譜響應(yīng)特性、伏安特性、溫度特性以及太陽(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，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)換效率及影響因素，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]。現(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。 聚光光伏技術(shù)的發(fā)展2000年，Swansont[22]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，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陽(yáng)光會(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]。 各種聚光太陽(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。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。平面結(jié)聚光硅電池類似于常規(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)。 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