【正文】 SiN和 Si02所組成的減反射膜等。經(jīng)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(jīng)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(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)。把太陽表面處理成凹凸結(jié)構(gòu)時的光的入射路徑示于圖 。由該圖可見，各種方向入射的太陽光經(jīng)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(jié)構(gòu)，其光反射損失有的甚至可減到 5％左右。未經(jīng)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(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 圖 太陽能電池的結(jié)構(gòu)以及減反射原理 (2)減少載流子損失技術(shù) 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(shè)計電極 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 20 頁 共 42 頁 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)在底層上加一個背面電場。 加有鈍化層、雜質(zhì)控制層、背面電場的高效太陽能電池的結(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，可加速載流子的輸運過程，減少載流子的再結(jié)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(zhì)濃度梯度的太陽能電池。雜質(zhì)濃度梯度可以通過蒸鋁燒結(jié)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(jié)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(zhuǎn)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(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)計和精細制作電極是減少電池內(nèi)部電阻、提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的另一個有效途徑。一般認(rèn)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(nèi)部的電阻越大，使電池的轉(zhuǎn)換效率反而降低。過去認(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(guān)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(rèn)為可根據(jù)其電流密度分布，設(shè)計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)上進一步提高。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 21 頁 共 42 頁 (5)多層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)，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(zhuǎn)換效率。多層結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換效率。 多層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)太陽能電池 [20]。 (6)充電連接方法的改進 傳統(tǒng)的充電連接方法把太陽能電池與蓄電池全部串聯(lián)起來如圖 。我認(rèn)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(nèi)阻，提高充電效率如圖 。提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)很多。 圖 傳統(tǒng)充電連接方法 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 22 頁 共 42 頁 圖 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(zhì)量，或采用聚光等方法。但無論 哪種技術(shù)，若單獨采用，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能電池的轉(zhuǎn)換效率，必須同時采用多種技術(shù)。 本章小結(jié) 本章從 PN結(jié)說起，主要介紹了太陽能電池的原理、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、溫度特性以及太陽能電池主要參數(shù)。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(shù)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(chǔ)上分析了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率及影響 因素，提出并 研究了幾種提高太陽能電池裝換效率的技術(shù)。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 23 頁 共 42 頁 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]。現(xiàn)有太陽能光電池的發(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：一是光電轉(zhuǎn)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(guān)鍵技術(shù)之一為研究適合在太陽能收集應(yīng)用中的聚光器。 聚光光伏技術(shù)的發(fā)展 2020年， Swansont[22]在對聚光電池的市場分析基礎(chǔ)上提出兩個目前最有前景的應(yīng)用，一個是有電網(wǎng)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。 2020年 IEEE公布的聚光太陽電池組件的標(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)更好的進入市場， 促進聚光光伏技術(shù)的進一步發(fā)展。 2020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(shù)，已經(jīng)引起更多人的關(guān)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(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多萬個超高效太陽能電池，其中在澳大利亞的一項工程目標(biāo)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(shù)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(jié)構(gòu)分，聚光硅太陽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。清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 24 頁 共 42 頁 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)用光強為幾十個到 100個太陽。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。 平面結(jié)聚光硅太陽能電池 平面結(jié) 聚光硅太陽能電池的結(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(chǎn)生較高的電壓降，它要影響電池的輸出。聚光電池設(shè)計時必須使這種影響盡可能的小，通常這種損失應(yīng)當(dāng)?shù)陀?2％。采用低電阻率的基體材料是減小這種損失的有效方法。 (2)特殊的柵線結(jié)構(gòu) 聚光硅太陽能電池的柵線結(jié)構(gòu)是影響電池的實際輸出和使用壽命的關(guān)鍵因素之一。柵線形狀可以是梳狀的，也可以是放射 狀的。其電阻的計算方法和常規(guī)電池一樣。柵線占電池面積的比例應(yīng)隨著工作光強的增加而增大。這是由于高密度的電流流過柵線，它們的電阻變得重要起來。常規(guī)電池柵線約占電池面積的 57％，那么工作在幾十個太陽至幾百個太陽的聚光硅太陽電池柵線就要占電池面積的 10％左右。電池串聯(lián)電阻的接觸電阻部分不但與接觸材料、制造工藝有關(guān)，而且和柵線的周長成反比，這是因為柵線的總周長越長，越能克服電流群聚，減少接觸電阻。因此，在柵線面積不變的情況下，盡可能地增加?xùn)啪€的數(shù)量，就有利于提高電池的性能。 聚光電池的柵線結(jié)構(gòu)和常規(guī)電池的區(qū)別是柵 線的厚度。典型聚光硅太陽能電池的柵線占電池面積 10％，其厚度約為 10 m? ，當(dāng)電池工作在 100個太陽時，流過柵線的電流密度可以達到 104A / 2cm 。這樣大的電流密度要引起合金化效應(yīng)以及電遷移效應(yīng)，使金屬變質(zhì)，增加接觸電阻。增加?xùn)啪€的厚度是克服這些影響的有效手段。 垂直結(jié)聚光硅太陽能電池 前面討論的平面結(jié)聚光硅太陽能電池結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，在幾十個到 100個太陽的光強下具有較好的性能。但是，如果繼續(xù)提高工作光強，對串聯(lián)電阻的影響將會越來越嚴(yán)重，使聚光電池的效率嚴(yán)重下降。增加?xùn)啪€占電池的面積，也不能解決這一問題，清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 25 頁 共 42 頁 因為平面結(jié)電池總有一個薄層電阻的存在，它是難以克服的。因此只有從電池的基本結(jié)構(gòu)上進行改變，才能解決這個問題。垂直結(jié)電池是解決這一問題的有效途徑之一。這種電池的 PN結(jié)垂直于電池光照面，光生電流并不沿 PN結(jié)平面流動，而是直接被電極所收集，這就克服了串聯(lián)電阻的主要 部分 薄層電阻的影響。所以，這種電池有極小的串聯(lián)電阻，可以工作在高達 1000個太陽的光強下。 (1)多層垂直結(jié)硅太陽能電池 (EMVJ) 圖 典型的 EMVJ太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖 1)電池的基本結(jié)構(gòu)和主要制造工藝 EMVJ 電池通常采用較高電阻率的直拉或者區(qū)熔單晶片制成，電阻率范圍 1050 cm?? 的 N 型或者 P 型硅單晶片，晶向為 (110)。利用各向異性的腐蝕方法，在 (110)面上腐蝕出一系列垂直于表面的槽，槽的底部都具有 V型 結(jié)構(gòu)。槽的寬度通常為 1020m? ，兩個槽間的中心距為 200250 m? 。電池基體厚度的選擇必須和電池基體電阻率相適應(yīng)，才能使電池獲得高的收集效率 。 EMVJ電池可采用大規(guī)模集成電路工藝來制造。通常在較大的硅片上制成大量的垂直結(jié)，根據(jù)所需尺寸切割成小片。其關(guān)鍵制造工藝是垂直結(jié)的腐蝕。如我們需要制造 N+PP+結(jié)的 EMVJ電池，首先用氧化的辦法在 P型 (110)單晶硅片上生成一層二氧化硅膜，然后用光刻的辦法將需要腐蝕垂直槽部分的二氧化硅膜去掉，再按硅的各向異性腐蝕的原理，用氫氧化鉀、氫氧化鈉或聯(lián)氨腐蝕，按照要求，制成一系列具有一定寬度和深度的槽。清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 26 頁 共 42 頁 接著就可以用擴散的方法或者合金法在前面生成 N+P結(jié)，在背面生成 PP+結(jié)。用電鍍的方法在背面和垂直槽的壁上生成金 鎳接觸。金 鎳層的厚度由電池的工作光強以及垂直槽之間的距離確定，一般為幾個微米。 EMVJ電池的制造工藝比較簡單，按照上面的說明只需要一塊掩模就可以制成電池，多次套刻。決定電性能的關(guān)鍵是應(yīng)當(dāng)采用盡可 能低的制造溫度，以保持基體具有足夠高的少子壽命。 2)電性能 EMVJ電池在聚光條件下具有突出的優(yōu)點。由于電流無需通過電阻較高的擴散層。電池的串聯(lián)電阻極小，隨著光強的提高，電池效率也增加，這是平面結(jié)聚光硅太陽能電池難以實現(xiàn)的。 (2)V型槽多結(jié)聚光硅太陽能電池 (VGMJ) 電池的效率與電池基體少子的壽命有重要關(guān)系，因此，電池采用較高電阻率的基體和低溫制造工藝。為提高電池的電性能，通常采用場助工藝。為提高電池的工作壽命，常常在基體表面覆蓋上一塊膨脹系數(shù)和硅接近的玻璃。圖 3． 2是典型的 VGMJ電池的結(jié)構(gòu)圖。 圖 3． 2 VGMJ電池結(jié)構(gòu)圖 VGMJ電池的 ocV 數(shù)值要比平面結(jié) N+iP+電池更高。這是由于 VGMJ電池具有比平面結(jié)電池大的光照面積和電池體積比，在相對小的體積內(nèi)具有較高的光生載流子濃度，這就減小了飽和電流密度對開路電壓的影響。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 27 頁 共 42 頁 VGMJ電池的結(jié)構(gòu)決定了它具有較大的短路電流密度。一是電池光照面無柵線，這就提高了電池的有效光照面積，二是電 池背面 N+i結(jié) P+i結(jié)對光子的反射作用，實際上提高了電池的有效光學(xué)厚度，使電池的基體收集效率提高。 (3)垂直結(jié)聚光硅太陽能電池的優(yōu)點 1)電池具有非常小的串聯(lián)電阻，可以在 1000個太陽的光強下工作。 2)對聚光系統(tǒng)