清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文第II頁目錄1.緒論 11.1課題研究背景 11.2太太陽能的的特點(diǎn)及及優(yōu)勢(shì) 11.3太太陽能電電池的分分類和研研究進(jìn)展展 21.3.11按材材料分類類 31.3.22按形形態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)分類 71.4本本文研究究的主要要內(nèi)容 82.太陽陽能電池池基本知知識(shí) 92.1太太陽能電電池原理理及結(jié)構(gòu)構(gòu) 92.1.11太陽陽能電池池基本原原理 92.1.22太陽陽能電池池基本結(jié)結(jié)構(gòu) 102.2太太陽能電電池主要要特性 112.2.11光譜譜響應(yīng)特特性 112.2.22伏安安特性 122.2.33溫度度特性 132.2.44太陽陽能電池池主要參參數(shù) 142.3太太陽能電電池等效效電路和和效率分分析 152.3.11太陽陽能電池池等效電電路 152.3.22影響響太陽能能電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率的因素素 172.3.33提高高太陽能能電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率的各種種技術(shù) 182.4本本章小結(jié)結(jié) 223.聚光光高效太太陽能電電池研究究 233.1聚聚光光伏伏技術(shù)的的發(fā)展 233.2各各種聚光光太陽能能電池 233.2.11平面面結(jié)聚光光硅太陽陽能電池池 243.2.22垂直直結(jié)聚光光硅太陽陽能電池池 243.2.33聚光光砷化鎵鎵太陽能能電池 273.3各各種聚光光器在太太陽能電電池中的的應(yīng)用 283.4本本章小結(jié)結(jié) 294.菲涅涅爾透鏡鏡太陽能能聚光器器研究 304.1菲菲涅爾透透鏡原理理及特點(diǎn)點(diǎn) 304.1.11菲涅涅爾透鏡鏡的光學(xué)學(xué)原理 304.1.22菲涅涅爾透鏡鏡的特點(diǎn)點(diǎn)及影響響因素 324.2用用于聚光光太陽能能電池的的柱面菲菲涅爾透透鏡 334.2.11線聚聚焦透鏡鏡的光學(xué)學(xué)效率分分析 334.2.22柱面面菲涅爾爾透鏡 344.3本本章小結(jié)結(jié) 385.總結(jié)結(jié) 39參考文獻(xiàn)：： 40致謝 422清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文第59頁共42頁 1緒論論1.1課題研研究背景景自自人類社社會(huì)誕生生以來，能能源一直直是人類類生存和和發(fā)展的的重要物物質(zhì)基礎(chǔ)礎(chǔ)。隨著著社會(huì)的的發(fā)展，能能源在社社會(huì)發(fā)展展中的重重要性越越來越突突出，尤尤其是近近年來各各國日益益呈現(xiàn)出出來的能能源危機(jī)機(jī)問題，更更加明顯顯地把能能源置于于社會(huì)發(fā)發(fā)展的首首要地位位。隨著著化石能能源的逐逐步消耗耗以及化化石能源源的開發(fā)發(fā)和利用用所造成成的環(huán)境境污染和和生態(tài)破破壞問題題日益嚴(yán)嚴(yán)重，開開發(fā)和利利用能夠夠支撐人人類社會(huì)會(huì)可持續(xù)續(xù)發(fā)展的的新能源源和可再再生能源源成為人人類急切切需要解解決的問問題。新新能源與與可再生生能源是是指除常常規(guī)化石石能源和和大中型型水力發(fā)發(fā)電、核核裂變發(fā)發(fā)電之外外的生物物質(zhì)能、太太陽能、風(fēng)風(fēng)能、小小水電、地地?zé)崮芤砸约昂Ｑ笱竽艿纫灰淮文茉丛?。諾貝貝爾獎(jiǎng)獲獲得者美美國RiiceUniiverrsitty的Smaalleey教授授曾經(jīng)指指出，在在未來的的50年里里，人類類面臨著著隨之而而來的110大問問題中，能能源問題題排在首首位。目目前人類類使用的的能源中中，化石石能源占占90％以以上。而而到211世紀(jì)中中葉，其其比例將將減少到到人類使使用能源源的一半半，達(dá)到到其極值值，之后后核能和和可再生生能源將將占主導(dǎo)導(dǎo)地位。到到21000年時(shí)時(shí)，可再再生能源源將占人人類使用用能源的的l/3以上[11]。新新能源和和可再生生能源的的開發(fā)利利用不僅僅可以解解決目前前世界能能源緊張張的問題題，還可可以解決決與能源源利用相相關(guān)的環(huán)環(huán)境污染染問題，促促進(jìn)社會(huì)會(huì)和經(jīng)濟(jì)濟(jì)可持續(xù)續(xù)性發(fā)展展。研究究和實(shí)踐踐表明，新新能源和和可再生生能源資資源豐富富、分布布廣泛、可可以再生生且不污污染環(huán)境境，是國國際社會(huì)會(huì)公認(rèn)的的理想替替代能源源[2]]。在在諸多可可再生能能源中，包包括太陽陽能、風(fēng)風(fēng)能、潮潮汐能、地地?zé)崮堋錃淠芎蜕镔|(zhì)能能，太陽陽能所蘊(yùn)蘊(yùn)藏的能能量是所所有其他他可再生生能源能能量總和和的上千千倍,因因此發(fā)展展太陽能能潛力巨巨大。太太陽能作作為新能能源和可可再生能能源的一一種，因因其清潔潔環(huán)保，永永不衰竭竭的特點(diǎn)點(diǎn)，受到到世界各各國的青青睞。太太陽能是是21世世紀(jì)最有有潛力的的能源，太太陽能產(chǎn)產(chǎn)業(yè)是新新興的朝朝陽行業(yè)業(yè)，具有有較高的的投資價(jià)價(jià)值。充充分開發(fā)發(fā)利用太太陽能，對(duì)對(duì)于節(jié)約約常規(guī)能能源、保保護(hù)自然然環(huán)境、促促進(jìn)經(jīng)濟(jì)濟(jì)發(fā)展都都有極為為重要的的現(xiàn)實(shí)意意義和深深遠(yuǎn)的歷歷史意義義[3]]。1.2太陽能能的特點(diǎn)點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)勢(shì)太太陽能是是一種能能量巨大大的可再再生能源源，據(jù)估估算，太太陽能傳傳送到地地球上的的能源，每每40秒鐘鐘就有相相當(dāng)于2210億億桶石油油的能量量傳送到到地球，相相當(dāng)于全全球一天天所消耗耗的能源源。在目目前的幾幾種新能能源技術(shù)術(shù)中，太太陽能以以其突出出的優(yōu)勢(shì)勢(shì)被定位位為最具具前景的的未來能能源，有有無盡的的潛力。在在常規(guī)能能源供給給緊張和和環(huán)保壓壓力不斷斷增大的的背景下下，世界界上許多多國家掀掀起了開開發(fā)利用用太陽能能的熱潮潮，使太太陽能的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域不斷斷拓展，己己滲透到到人們生生活的每每一個(gè)角角落。太太陽能的的優(yōu)點(diǎn)主主要有以以下幾個(gè)個(gè)方面::((I)來來源充足足:太陽陽光普照照大地，無無論陸地地或海洋洋，無論論高山或或島嶼，都都處處皆皆有，可可直接開開發(fā)和利利用，且且勿須開開采和運(yùn)運(yùn)輸。((2)沒沒有污染染:開發(fā)發(fā)利用太太陽能不不會(huì)污染染環(huán)境。它它是最清清潔的能能源之一一，在環(huán)環(huán)境污染染越來越越嚴(yán)重的的今天，這這一點(diǎn)是是極其寶寶貴的。((3)能能量巨大大:每年年到達(dá)地地球表面面上的太太陽輻射射能約相相當(dāng)于1130萬萬億噸標(biāo)標(biāo)煤,其其總量屬屬現(xiàn)今世世界上可可以開發(fā)發(fā)的最大大能源。((4)可可長久使使用:根根據(jù)目前前太陽產(chǎn)產(chǎn)生的核核能速率率估算，氫氫的貯量量足夠維維持上百百億年，而而地球的的壽命也也約為幾幾十億年年，從這這個(gè)意義義上講，可可以說太太陽的能能量是用用之不竭竭的。目目前太陽陽能利用用的方式式有：太太陽能光光伏發(fā)電電，太陽陽能熱利利用，太太陽能動(dòng)動(dòng)力利用用，太陽陽能光化化學(xué)利用用，太陽陽能生物物利用和和太陽能能光-光光利用。其其中太陽陽能光伏伏發(fā)電以以其優(yōu)異異的特性性近年來來在全世世界范圍圍得到了了快速發(fā)發(fā)展，被被認(rèn)為是是當(dāng)前世世界上最最具發(fā)展展前景的的新能源源技術(shù)，各各發(fā)達(dá)國國家均投投入巨資資競相研研究開發(fā)發(fā)，并積積極推進(jìn)進(jìn)產(chǎn)業(yè)化化進(jìn)程，大大力開拓拓太陽能能光伏發(fā)發(fā)電的市市場應(yīng)用用?；谝陨仙戏N種優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，太太陽能的的相關(guān)應(yīng)應(yīng)用也是是十分廣廣泛，它它的應(yīng)用用領(lǐng)域有有：太陽陽能集熱熱器、太太陽能熱熱力發(fā)電電、太陽陽能光伏伏發(fā)電、太太陽能海海水掙化化、太陽陽能空調(diào)調(diào)、太陽陽能電動(dòng)動(dòng)車、太太陽能建建筑、太太陽能照照明燈、太太陽能灶灶、太陽陽能水泵泵系統(tǒng)等等，其中中不少應(yīng)應(yīng)用是利利用太陽陽能電池池把太陽陽能轉(zhuǎn)化化為電能能加以應(yīng)應(yīng)用的。太太陽能電電池又稱稱太陽能能晶片或或光電池池，是一一種利用用太陽光光直接發(fā)發(fā)電的光光電半導(dǎo)導(dǎo)體薄片片[4]]。它只只要被光光照到，瞬瞬間就可可輸出電電壓及電電流。太太陽能電電池在物物理學(xué)上上稱為太太陽能光光伏，簡簡稱光伏伏。太陽陽能電池池具有重重量輕、能能經(jīng)受外外部空間間的各種種復(fù)雜的的環(huán)境的的考驗(yàn)、性性能穩(wěn)定定、靈敏敏度及光光電轉(zhuǎn)換換效率高高、使用用壽命長長等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，使得得它在現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活活中得到到越來越越多的應(yīng)應(yīng)用。1.3太陽能能電池的的分類和和研究進(jìn)進(jìn)展太太陽能電電池是一一種利用用光伏效效應(yīng)將太太陽光直直接轉(zhuǎn)變變成電能能的半導(dǎo)導(dǎo)體器件件，使用用時(shí)無大大氣和放放射性污污染，且且太陽能能是取之之不盡、用用之不竭竭的能源源，因而而受到國國內(nèi)外普普遍重視視。太陽能光伏伏發(fā)電是是太陽能能開發(fā)和和利用的的一個(gè)重重要領(lǐng)域域。自從從19554年美美國科學(xué)學(xué)家恰賓賓和皮爾爾松[55]在美美國貝爾爾實(shí)驗(yàn)室室研制成成功實(shí)用用型單晶晶硅太陽陽能電池池以來，太太陽能電電池進(jìn)入入實(shí)用階階段。220世紀(jì)紀(jì)60年代代，供空空間應(yīng)用用的電池池設(shè)計(jì)成成熟；770年代代初，硅硅電池的的轉(zhuǎn)換效效率大大大提高，太太陽能電電池開始始應(yīng)用于于地面；；80年代代至900年代，由由于各國國政府的的重視，太太陽能電電池進(jìn)入入高速發(fā)發(fā)展階段段。進(jìn)入80年年代后期期，隨著著太陽能能電池成成本不斷斷下降，世世界光伏伏產(chǎn)品市市場進(jìn)入入高速發(fā)發(fā)展。119811年，世世界太陽陽能電池池的產(chǎn)量量為6MMW，19994年達(dá)達(dá)到700MW，19997年年更是達(dá)達(dá)到1222MWW，至19998年年已達(dá)至至1577．4MWW，這期期間的平平均增長長速度為為25％。從從19999年的的2000MW到到20004年的的12660MWW，平均均年增長長率超過過30％，20004年年在20003年年的基礎(chǔ)礎(chǔ)上猛增增69％。根根據(jù)美國國世界觀觀察所的的報(bào)告預(yù)預(yù)測(cè)，太太陽能電電池產(chǎn)業(yè)業(yè)將與通通訊行業(yè)業(yè)一起成成為發(fā)展展最快的的產(chǎn)業(yè)，到到21世紀(jì)紀(jì)中葉，光光伏發(fā)電電量將占占到世界界總發(fā)電電量的11/5[6,,7]。目目前，太太陽能電電池的應(yīng)應(yīng)用已從從軍事領(lǐng)領(lǐng)域、航航天領(lǐng)域域進(jìn)入工工業(yè)、農(nóng)農(nóng)業(yè)、商商業(yè)、通通信、家家用電器器以及公公用設(shè)施施等部門門，尤其其可以方方便地在在邊遠(yuǎn)地地區(qū)、高高山、沙沙摸、海海島和農(nóng)農(nóng)村使用用，可節(jié)節(jié)省造價(jià)價(jià)很貴的的輸電線線路。但但是在目目前階段段，其成成本仍然然較高，發(fā)發(fā)出1kkw電需需要投資資上萬美美元，經(jīng)經(jīng)濟(jì)上的的限制了了其大規(guī)規(guī)模使用用[8]]。從從長遠(yuǎn)來來看，隨隨著太陽陽能電池池制造技技術(shù)的改改進(jìn)以及及新的光光-電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換裝置置的發(fā)明明，各國國對(duì)環(huán)境境的保護(hù)護(hù)和對(duì)再再生清潔潔能源的的巨大需需求，太太陽能電電池仍將將是利用用太陽輻輻射能比比較切實(shí)實(shí)可行的的方法，可可為人類類未來大大規(guī)模地地利用太太陽能開開辟廣闊闊的前景景。目目前，太太陽能電電池的種種類十分分多，按按材料分分一般主主要有單單晶硅電電池、多多晶硅電電池、非非晶硅電電池、化化合物電電池、有有機(jī)電池池和染料料敏化電電池等。為為了提高高效率降降低成本本，通過過技術(shù)改改進(jìn)按形形態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)分主要要有疊層層電池、薄薄膜電池池和聚光光電池等等。然而而綜合考考慮材料料的價(jià)格格、環(huán)境境保護(hù)以以及轉(zhuǎn)換換效率等等因素，以以硅為原原材料的的電池是是太陽能能電池最最重要的的成員。1.3.11按按材料分分類(1)單晶晶硅太陽陽能電池池硅硅是一種種良好的的半導(dǎo)體體材料，禁禁帶寬度度為1.1eVV，是間間接遷移移型半導(dǎo)導(dǎo)體，因因儲(chǔ)量豐豐富，且且晶硅性性能穩(wěn)定定、無毒毒，因此此成為太太陽能電電池研究究開發(fā)、生生產(chǎn)和應(yīng)應(yīng)用中的的主體材材料。單單晶硅太太陽能電電池是開開發(fā)最早早也是最最快的一一種太陽陽能電池池，它的的構(gòu)造和和生產(chǎn)工工藝已定定型，產(chǎn)產(chǎn)品已廣廣泛用于于空間和和地面。這這種太陽陽能電池池以高純純的單晶晶硅棒為為原料，純純度要求求99.9999％。單單晶硅太太陽能電電池的基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)為N+/P型型，多以以P型單晶晶硅片作作為基片片，電阻阻率的范范圍為11-3，具有有比較高高的轉(zhuǎn)換換效率，規(guī)規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)的電池池組件的的效率可可達(dá)到112％-l6％，而而實(shí)驗(yàn)室室記錄的的最高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率為244.4％[9]]。單晶晶硅太陽陽能電池池的顏色色多為黑黑色或灰灰色，其其光學(xué)、電電學(xué)、力力學(xué)性能能均勻一一致，適適合于切切成小片片制作小小型光電電產(chǎn)品。從從目前來來看，單單晶硅電電池已十十分成熟熟，效率率高,壽壽命長，性性價(jià)比好好，是目目前最受受重視的的太陽能能電池。(2)多晶晶硅太陽陽能電池池多多晶硅是是單質(zhì)硅硅的一種種形態(tài)。熔熔融的單單質(zhì)硅在在過冷條條件下凝凝固時(shí)，硅硅原子以以金剛石石晶格形形態(tài)排列列成許多多晶核，如如這些晶晶核長成成晶面取取向不同同的晶粒粒，則這這些晶粒粒結(jié)合起起來，就就結(jié)晶成成多晶硅硅。多晶晶硅可作作拉制單單晶硅的的原料。多多晶硅太太陽能電電池具有有獨(dú)特的的優(yōu)勢(shì),,與單晶晶硅相比比，多晶晶硅半導(dǎo)導(dǎo)體材料料的價(jià)格格比較低低廉,相相應(yīng)的電電池單元元成本低低，非常常具有競競爭優(yōu)勢(shì)勢(shì)。但是是由于多多晶硅材材料存在在較多的的晶間界界而有較較多缺點(diǎn)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換換效率不不夠高，實(shí)實(shí)驗(yàn)室的的最高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率為200.3％[100]。多多晶硅太太陽能電電池的基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)為N+/P型型,以PP型單晶晶硅片作作為基片片，電阻阻率的范范圍為00.5～2。在制制作多晶晶硅電池池時(shí)，原原料高純純硅不是是拉成單單晶，而而是熔化化后澆鑄鑄成正方方形硅碇碇，可以以節(jié)省原原料和能能源。由由于多晶晶硅太陽陽能電池池性能穩(wěn)穩(wěn)定適合合于建設(shè)設(shè)光伏電電站，也也可用作作光伏建建筑材料料。(3)非晶晶硅太陽陽能電池池非非晶硅是是一種直直接能帶帶半導(dǎo)體體，它的的結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)部有許許多所謂謂的“懸鍵”，也就就是沒有有和周圍圍的硅原原子成鍵鍵的電子子，這些些電子在在電場作作用下就就可以產(chǎn)產(chǎn)生電流流，并不不需要聲聲子的幫幫助。因因而非晶晶硅可以以做得很很薄，還還有制作作成本低低的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)。非非晶硅太太陽能電電池的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率和穩(wěn)定定性都不不夠好，對(duì)對(duì)其研究究開始于于20世紀(jì)紀(jì)70年代代初。非非晶硅的的可見光光吸收系系數(shù)比單單晶硅大大，是單單晶硅的的40倍。1微米厚厚的非晶晶硅薄膜膜，可以以吸引大大約900％有用用的太陽陽光能。但但是，非非晶硅太太陽能電電池的穩(wěn)穩(wěn)定性較較差，從從而影響響了它的的迅速發(fā)發(fā)展。非非晶硅及及其合金金的光暗暗電導(dǎo)率率隨著光光照時(shí)間間的加長長而減少少，經(jīng)過過1700?C～2000?C的退火火處理，又又可以恢恢復(fù)到光光照之前前的值。這這一現(xiàn)象象首先由由Staaebller和和Wroonskki發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，被稱稱為S--W效應(yīng)應(yīng)[111]。SS-W效效應(yīng)使非非晶硅太太陽能電電池的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率由于光光照時(shí)間間加長而而衰退，長長期以來來成為非非晶硅太太陽能電電池應(yīng)用用的主要要障礙。目目前非晶晶硅太陽陽能電池池存在的的問題是是光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率偏低，國國際先進(jìn)進(jìn)水平為為10％左左右，且且不夠穩(wěn)穩(wěn)定，常常有轉(zhuǎn)換換效率衰衰降的現(xiàn)現(xiàn)象。所所以尚未未大量用用于大型型太陽能能電源，而而多半用用于弱光光電源，如如袖珍式式電子計(jì)計(jì)算器、電電子鐘表表及復(fù)印印機(jī)等方方面。估估計(jì)效率率衰降問問題克服服后，非非晶硅太太陽能電電池將促促進(jìn)太陽陽能利用用的大發(fā)發(fā)展，因因?yàn)樗沙杀镜?，質(zhì)質(zhì)量輕，應(yīng)應(yīng)用更為為方便，它它可以與與房屋的的屋面結(jié)結(jié)合構(gòu)成成住戶的的獨(dú)立電電源。(4)化合合物太陽陽能電池池化化合物太太陽能電電池包括括三五族族化合物物電池和和二六族族化合物物電池。三三五族化化合物電電池主要要有GaaAs電電池、IInP電電池、GGaSbb電池等等；二六六族化合合物電池池主要CCaS//CullnSee電池、CCAS//CdTTe電池池等。在在三五族族化合物物太陽能能電池中中，GaaAs電電池的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率最高，可可達(dá)288％；GaaAs是是二元化化合物，Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品，非常稀少珍貴；As不是稀有元素，有毒。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(qiáng)，對(duì)熱不敏感。由于具有這些特點(diǎn)，所以GaAs化合物材料也適合于制造高效單結(jié)電池。GaAs化合物太陽能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是GaAs材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。為了解決這個(gè)問題，采用了聚光系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于采用價(jià)格較低的塑料透鏡和金屬外殼，并且改進(jìn)了電池性能，因而深受廣大用戶青睞。(5)有機(jī)機(jī)太陽能能電池有有機(jī)太陽陽能電池池具有柔柔韌性和和成本低低廉的優(yōu)優(yōu)勢(shì)，是是近年出出現(xiàn)的新新型太陽陽能電池池。與結(jié)結(jié)構(gòu)工藝藝復(fù)雜、成成本高昂昂、光電電壓受光光強(qiáng)影響響波動(dòng)大大的傳統(tǒng)統(tǒng)半導(dǎo)體體固體太太陽能電電池相比比，有機(jī)機(jī)太陽能能電池制制備工藝藝簡單，可可采用真真空蒸鍍鍍或涂敷敷的方法法制備成成膜，且且可以制制備在可可彎曲折折疊的襯襯底上形形成柔性性太陽能能電池。有有機(jī)物太太陽能電電池材料料的分子子結(jié)構(gòu)還還可以自自行設(shè)計(jì)計(jì)合成。材材料選擇擇余地大大，加工工容易，毒毒性小，成成本低，可可制造面面積大，在在太陽能能電池產(chǎn)產(chǎn)業(yè)引起起了科學(xué)學(xué)家的極極大關(guān)注注。美國加州大大學(xué)圣芭芭芭拉分分校的諾諾貝爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)得主物物理學(xué)教教授AllanHeeegerr和同事事KwwanggheeeLeee，以及及一個(gè)韓韓國科學(xué)學(xué)家小組組。利用用新的技技術(shù)，完完全在溶溶液中合合成出一一種效率率更高的的級(jí)聯(lián)有有機(jī)太陽陽能電池池，將有有機(jī)太陽陽能電池池的效率率提高到到了6..5％，已已經(jīng)接近近7％的商商業(yè)化標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。由由于電池池以塑料料為主要要材料，因因此成本本比采用用多晶硅硅為材料料的普通通太陽能能電池低低得多。除除提高太太陽能電電池效率率外，新新技術(shù)還還能降低低制造成成本[112]。(6)染料料敏化太太陽能電電池染染料敏化化納米晶晶太陽能能電池是是最近二二十幾年年發(fā)展起起來的一一種基于于植物葉葉綠素光光合作用用原理研研制出的的太陽能能電池。這這是一種種使用寬寬禁帶半半導(dǎo)體材材料的太太陽能電電池，寬寬帶隙半半導(dǎo)體有有較高的的熱力學(xué)學(xué)穩(wěn)定性性和光化化學(xué)穩(wěn)定定性，不不過本身身捕獲太太陽光的的能力非非常差，但但將適當(dāng)當(dāng)?shù)娜玖狭衔降降桨雽?dǎo)體體表面上上，借助助于染料料對(duì)可見見光的強(qiáng)強(qiáng)吸收，可可以將半半導(dǎo)體的的光譜響響應(yīng)拓寬寬到可見見區(qū)，這這種現(xiàn)象象稱為半半導(dǎo)體的的染料敏敏化作用用，而載載有染料料的半導(dǎo)導(dǎo)體稱為為染料敏敏化半導(dǎo)導(dǎo)體電極極。染染料敏化化太陽能能電池((DSSSC)最近取取得較大大進(jìn)展。面面積(1100))DSSSC轉(zhuǎn)換換效率已已達(dá)到66％。這這類電池池所用主主要材料料為導(dǎo)電電玻璃和和Ti00，來源源比較豐豐富，電電池制造造工藝也也比較簡簡單，具具有較大大的潛在在價(jià)格優(yōu)優(yōu)勢(shì)。但但是這類類電池的的轉(zhuǎn)換效效率還有有待進(jìn)一一步提高高，電池池運(yùn)行的的穩(wěn)定性性還需要要進(jìn)一步步經(jīng)受考考驗(yàn)[99]。下下圖分別別為傳統(tǒng)統(tǒng)染料敏敏化太陽陽能電池池（圖11.1）和和高性能能有機(jī)染染料敏化化太陽能能電池（圖圖1.22）。圖1.1傳傳統(tǒng)染料料敏化太太陽能電電池圖1..2高高性能有有機(jī)染料料敏化太太陽能電電池1.3.22按按形態(tài)結(jié)結(jié)構(gòu)分類類(1)疊層層太陽能能電池疊疊層太陽陽能電池池是由兩兩種或兩兩種以上上不同帶帶隙的電電池有機(jī)機(jī)地疊加加組合而而成。一一般而言言，頂部部電池的的材料具具有較寬寬的帶隙隙，適于于吸收能能量較大大的太陽陽光能，而而底部電電池的材材料帶隙隙較窄，適適于吸收收能量較較小的太太陽光能能。因此此，在單單結(jié)的基基礎(chǔ)上，疊疊層太陽陽能電池池的轉(zhuǎn)換換效率較較高。(2)薄膜膜太陽能能電池太太陽能電電池實(shí)現(xiàn)現(xiàn)薄膜化化，是當(dāng)當(dāng)前國際際上研發(fā)發(fā)的主要要方向之之一。如如采用直直接從硅硅熔體中中拉出厚厚度在1100的的晶體硅硅帶。人人們也在在研究利利用液相相或氣相相沉積，如如化學(xué)氣氣相沉積積的方法法制備晶晶體硅薄薄膜作為為太陽能能電池材材料。這這時(shí)可以以采用成成本較低低的冶金金硅或者者其它廉廉價(jià)基體體材料，如如玻璃、石石墨和陶陶瓷等。在在廉價(jià)襯襯底上采采用低溫溫制備技技術(shù)沉積積半導(dǎo)體體薄膜的的光伏器器件，材材料與器器件制備備可同時(shí)時(shí)完成，工工藝技術(shù)術(shù)簡單，便便于大面面積連續(xù)續(xù)化生產(chǎn)產(chǎn),制備備能耗低低，可以以縮短回回收期。在在不用晶晶體硅作作為基底底材料的的襯底上上氣相沉沉積得到到的多晶晶硅轉(zhuǎn)換換效率也也達(dá)到112％以以上。(3)聚光光太陽能能電池聚聚光太陽陽能電池池是降低低太陽能能電池系系統(tǒng)整體體造價(jià)的的一種措措施。它它通過聚聚光器使使較大面面積的陽陽光會(huì)聚聚在一個(gè)個(gè)較小的的范圍內(nèi)內(nèi)，加大大光強(qiáng)，克克服太陽陽輻射能能流密度度低的缺缺陷，提提高光電電轉(zhuǎn)換效效率，因因此可以以用較小小面積的的太陽能能電池獲獲得較高高的電能能輸出。假假設(shè)太陽陽輻射為為lkWW／平方方米，如如果用普普通太陽陽能硅電電池提供供l0W的輸出出功率，則則需要110平方方分米，價(jià)價(jià)值4000元的的電池?，F(xiàn)現(xiàn)在我們們?cè)?平方分分米、價(jià)價(jià)值400元的太太陽能電電池上放放置一個(gè)個(gè)面積為為15平方方分米價(jià)價(jià)值200元的聚聚光透鏡鏡，也可可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)lOWW功率的的輸出。在在使用聚聚光器將將太陽濃濃縮155倍后照照射到太太陽能電電池上，提提供lOOW功率率所需成成本由4400元元降低到到60元，經(jīng)經(jīng)濟(jì)性可可見一斑斑。國際際上大力力開展聚聚光太陽陽能電池池的研究究，一方方面能減減少昂貴貴的半導(dǎo)導(dǎo)體太陽陽能電池池片的用用量，另另一方面面可有效效提高單單位電池池面積的的輸出功功率，是是極具潛潛力的太太陽能光光伏發(fā)電電新技術(shù)術(shù)。聚聚光太陽陽能電池池突破了了普通太太陽能電電池高成成本的制制約因素素，為太太陽能電電池的普普及開辟辟了一條條新的道道路。1.4本文研研究的主主要內(nèi)容容我我國地域域廣闊，人人口眾多多，70000萬萬人生活活在無電電地區(qū)，而而且我國國廣大西西部太陽陽光照充充足，因因此太陽陽能光伏伏發(fā)電在在我國的的發(fā)展前前景非常常好，太太陽能在在轉(zhuǎn)換過過程中效效率較低低，100％-200％可轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)殡婋娔?，其其余能量量以散熱熱的形式式損失掉掉了，所所以我國國應(yīng)加大大在太陽陽能光伏伏發(fā)電領(lǐng)領(lǐng)域的投投資力度度，進(jìn)行行高效率率低成本本太陽能能電池的的研究和和開發(fā)。提提高太陽陽能電池池轉(zhuǎn)換效效率，降降低成本本，關(guān)鍵鍵是提高高太陽能能的利用用率，而而聚光太太陽能電電池能有有效提高高電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率和降低低成本，其其中聚光光器的設(shè)設(shè)計(jì)和跟跟蹤技術(shù)術(shù)是該類類電池在在研究中中要解決決的關(guān)鍵鍵技術(shù)。本本文主要要對(duì)電池池聚光系系統(tǒng)中的的聚光器器進(jìn)行研研究。主主要完成成如下工工作：((1)掌掌握太陽陽能電池池基本工工作原理理、基本本結(jié)構(gòu)及及主要特特性。((2)分分析太陽陽能電池池轉(zhuǎn)換效效率及影影響因素素。(3)研究究提高太太陽能電電池轉(zhuǎn)換換效率主主要技術(shù)術(shù)。

2太陽陽能電池池基本知知識(shí)2.1太陽能能電池原原理及結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能能電池是是利用半半導(dǎo)體材材料的光光伏效應(yīng)應(yīng)把太陽陽光直接接轉(zhuǎn)換成成電能的的一種固固體器件件，即主主要利用用了PNN結(jié)的光光伏效應(yīng)應(yīng)。半半導(dǎo)體硅硅是+44價(jià)元素素，有44個(gè)價(jià)電電子。當(dāng)當(dāng)摻入少少量雜質(zhì)質(zhì)元素磷磷后，若若干個(gè)硅硅原子中中會(huì)有一一個(gè)被++5價(jià)的的磷原子子替代，這這時(shí)它就就多余一一個(gè)價(jià)電電子，成成為自由由電子，這這種有多多余自由由電子的的半導(dǎo)體體叫做NN型半導(dǎo)導(dǎo)體。半半導(dǎo)體硅硅中摻有有+3價(jià)雜雜質(zhì)元素素硼之后后，同樣樣會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)一個(gè)硅硅原子被被硼原子子替代的的情況。由由于硼是是三價(jià)的的，這時(shí)時(shí)它就缺缺少一個(gè)個(gè)價(jià)電子子，即多多余一個(gè)個(gè)空穴，這這種有多多余空穴穴的半導(dǎo)導(dǎo)體叫做做P型半導(dǎo)導(dǎo)體。當(dāng)一塊硅片片一面制制成N型半導(dǎo)導(dǎo)體，另另一面制制成P型半導(dǎo)導(dǎo)體時(shí)，在在兩種半半導(dǎo)體的的交界面面區(qū)域里里會(huì)形成成一個(gè)特特殊的薄薄層，界界面的PP型一側(cè)側(cè)帶負(fù)電電，N型一側(cè)側(cè)帶正電電。這是是由于PP型半導(dǎo)導(dǎo)體多空空穴，NN型半導(dǎo)導(dǎo)體多自自由電子子，出現(xiàn)現(xiàn)了濃度度差。NN區(qū)的電電子會(huì)擴(kuò)擴(kuò)散到PP區(qū)，P區(qū)的空空穴會(huì)擴(kuò)擴(kuò)散到NN區(qū)，一一旦擴(kuò)散散就形成成了一個(gè)個(gè)由N指向P的“內(nèi)建電電場”，從而而阻止擴(kuò)擴(kuò)散進(jìn)行行。達(dá)到到平衡后后，就形形成了一一個(gè)特殊殊的薄層層，這個(gè)個(gè)薄層叫叫做耗盡盡層，即即空間電電荷區(qū)。太太陽能電電池就跟跟半導(dǎo)體體的這種種結(jié)構(gòu)有有關(guān)。2.1.11太太陽能電電池基本本原理圖圖2.11太太陽能電電池發(fā)電電原理當(dāng)有適當(dāng)當(dāng)波長的的光照射射到p--n結(jié)上上后，由由于光伏伏效應(yīng)而而在勢(shì)壘壘區(qū)兩邊邊產(chǎn)生了了電動(dòng)勢(shì)勢(shì)。如圖圖2.11，設(shè)入入射光垂垂直p--n結(jié)結(jié)結(jié)面。如如果結(jié)較較淺，光光子將進(jìn)進(jìn)入p--n結(jié)結(jié)結(jié)區(qū)，甚甚至更深深入到半半導(dǎo)體內(nèi)內(nèi)部。能能量大于于禁帶寬寬度的光光子，由由本征吸吸收在結(jié)結(jié)的兩邊邊產(chǎn)生電電子-空空穴對(duì)。在在光激發(fā)發(fā)下多數(shù)數(shù)載流子子濃度一一般改變變較小，而而少數(shù)載載流子濃濃度卻變變化很大大，因此此主要分分析光生生少數(shù)載載流子的的運(yùn)動(dòng)。p-n結(jié)結(jié)兩邊的的光生少少數(shù)載流流子受結(jié)結(jié)勢(shì)壘區(qū)區(qū)內(nèi)存在在的較強(qiáng)強(qiáng)內(nèi)建電電場(自自n區(qū)指指向p區(qū)區(qū))的作作用，各各自向相相反方向向運(yùn)動(dòng)；；p區(qū)的的電子穿穿過p--n結(jié)進(jìn)進(jìn)入n區(qū)區(qū)；n區(qū)區(qū)的空穴穴進(jìn)入pp區(qū)，使使p端電電勢(shì)升高高，n端端電勢(shì)降降低，于于是在pp-n結(jié)結(jié)兩端形形成了光光生電動(dòng)動(dòng)勢(shì)，這這就是pp-n結(jié)結(jié)的光生生伏特效效應(yīng)。由由于光照照在p--n結(jié)兩兩端產(chǎn)生生光生電電動(dòng)勢(shì)，相相當(dāng)于在在p-nn結(jié)兩端端加正向向電壓，產(chǎn)產(chǎn)生正向向電流。在p-nn結(jié)開路路的情況況下，光光生電流流和正向向電流相相等時(shí)，pp-n結(jié)結(jié)兩端建建立起穩(wěn)穩(wěn)定的電電動(dòng)勢(shì)（pp區(qū)相對(duì)對(duì)于n區(qū)區(qū)是正的的），即即光電池池的開路路電壓。如如將p--n結(jié)與與電路接接通源，只只要光照照不停止止，就會(huì)會(huì)有源源源不斷的的電流通通過電路路，p-n結(jié)結(jié)起了電電源的作作用。這這就是光光電池的的基本原原理。2.1.22太太陽能電電池基本本結(jié)構(gòu)典型的太陽陽能電池池的結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖22.2所所示。硅硅的PNN接合處處，被夾夾在上、下下兩個(gè)金金屬接觸觸層之間間。上金金屬接觸觸層是柵柵格狀的的，以容容許光線線射到PPN接合合之上。PN接合的項(xiàng)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。這就是太陽能板的表面看起來很暗淡的原因。圖2.2太陽陽能電池池結(jié)構(gòu)圖圖2.2太陽能能電池主主要特性性太太陽能電電池的特特性可大大致分為為：光伏伏器件特特性，如如光譜特特性、照照度特性性，半導(dǎo)導(dǎo)體器件件特性，如如輸出特特性、溫溫度特性性、二極極管特性性等。太太陽能電電池的輸輸出特性性通常是是指伏安安特性曲曲線(包括開開路電壓壓、短路路電流、填填充因子子)。以以下就太太陽能電電池的光光譜響應(yīng)應(yīng)特性、伏伏安特性性、溫度度特性及及主要參參數(shù)作簡簡單介紹紹。2.2.11光光譜響應(yīng)應(yīng)特性光譜響應(yīng)表表示不同同波長的的光子產(chǎn)產(chǎn)生電子子-空穴穴對(duì)的能能力。也也就是說說，在陽陽光照射射激發(fā)作作用下，太太陽能電電池所收收集到的的光生電電流與到到電池表表面上的的入射波波長有著著直接的的關(guān)系。光光譜特性性的測(cè)量量是用一一定強(qiáng)度度的單色色光照射射太陽能能電池，測(cè)測(cè)量此時(shí)時(shí)的短路路電流IIsc；然然后依次次改變單單色光的的波長，再再重新測(cè)測(cè)量電流流。光譜響應(yīng)曲曲線有時(shí)時(shí)候稱為為量子效效率(外量子子效率))曲線，也也可以用用收集效效率(內(nèi)量子子效率))曲線來來表示。二二者并不不一致，一一般來說說，量子子效率((外量子子效率))是指入入射多少少光子產(chǎn)產(chǎn)生多少少電子的的比率，即即入射到到電池上上的每個(gè)個(gè)光子產(chǎn)產(chǎn)生的電電子-空空穴對(duì)或或少數(shù)載載流子的的數(shù)目，而而收集效效率(內(nèi)量子子效率))是指吸吸收多少少光子產(chǎn)產(chǎn)生多少少電子的的比率，即即在電池池中被吸吸收的每每個(gè)光子子產(chǎn)生的的電子空空穴對(duì)或或少數(shù)載載流子的的數(shù)目。能能量轉(zhuǎn)換換效率是是輸入多多少的光光能夠產(chǎn)產(chǎn)生多少少電能的的比率數(shù)數(shù)。由于于入射的的光子不不一定都都被吸收收，產(chǎn)生生的電子子不一定定都產(chǎn)生生電能，因因此一般般而言，內(nèi)內(nèi)量子效效率最高高，而能能量轉(zhuǎn)換換效率最最低，但但它們都都是可以以測(cè)量或或計(jì)算的的。在太太陽能電電池中，只只有那些些能量大大于其材材料禁帶帶寬度的的光子才才能在被被吸收時(shí)時(shí)產(chǎn)生電電子-空空穴對(duì)，而而那些能能量小于于禁帶寬寬度的光光子即使使被吸收收也不能能產(chǎn)生電電子-空空穴對(duì)((它們只只是使材材料變熱熱)。這就就是說，材材料對(duì)光光的吸收收存在一一個(gè)截止止頻率（長長波限）。并并且當(dāng)禁禁帶寬度度增加時(shí)時(shí)，被材材料吸收收的總太太陽能就就越來越越少。對(duì)對(duì)太陽輻輻射光線線來說，能能得到最最好工作作性能的的半導(dǎo)體體材料，其其截止波波長應(yīng)在在0.88以上，包包括從紅紅色到紫紫色全部部可見光光。每種種太陽能能電池對(duì)對(duì)太陽光光線都有有其自己己的光譜譜響應(yīng)曲曲線，它它表示電電池對(duì)不不同波長長的光的的靈敏度度(光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換能力力)。太陽陽能電池池的光譜譜響應(yīng)特特性在很很大程度度上依賴賴于太陽陽能電池池的設(shè)計(jì)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)、材料料的特性性、結(jié)的的深度和和光學(xué)涂涂層。使使用濾光光膜和玻玻璃蓋片片可以進(jìn)進(jìn)一步改改善光譜譜響應(yīng)。太太陽能電電池的光光譜響應(yīng)應(yīng)隨著溫溫度和輻輻照度損損失而變變化。2.2.22伏伏安特性性太太陽能電電池在短短路條件件下的工工作電流流稱為短短路光電電流（），短路路光電流流等于光光子轉(zhuǎn)換換成電子子-空穴穴對(duì)的絕絕對(duì)數(shù)量量。此時(shí)時(shí)，電池池輸出的的電壓為為零。太太陽能電電池在開開路條件件下的輸輸出電壓壓稱為開開路光電電壓()，此此時(shí)，電電池的輸輸出電流流為零。具具有PNN結(jié)的太太陽能電電池在不不受光照照時(shí)，相相當(dāng)于一一個(gè)二極極管，外外加電壓壓和電流流的關(guān)系系曲線叫叫作光電電池的暗暗特性曲曲線，如如圖2.3中中所示的的曲線。在在一定的的光照下下，可以以得出端端電壓和和電路中中通過負(fù)負(fù)載的工工作電流流的關(guān)系系曲線，叫叫作光電電池的伏伏安特性性曲線，如如圖2.3所所示的曲曲線。其其中，表表示最大大功率點(diǎn)點(diǎn)電壓，表示最大功率點(diǎn)電流，為最大功率點(diǎn)功率，表示為：。在一定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽能電池有唯一的最大輸出功率點(diǎn)，太陽能電池只有工作在最大功率點(diǎn)才會(huì)使其輸出的功率最大。圖2..3太陽能能電池在在無光照照和光照照下的電電流-電電壓曲線線在一定的光光照下，光光生電流流IL是一個(gè)個(gè)常量。這這兩條曲曲線在第第四象限限所包圍圍的區(qū)域域就是太太陽能電電池的輸輸出功率率區(qū)域。把把曲線上上下翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，平移移坐標(biāo)軸軸位置，即即可以得得到通常常使用的的伏安特特性曲線線，如圖圖2.4所所示。曲曲線在II軸上上的截距距為短路路電流，在在V軸上上的截距距為開路路電壓。圖圖2.4中中的虛線線表示在在一定的的負(fù)載電電阻時(shí)的的關(guān)系，稱稱為負(fù)載載線。負(fù)負(fù)載電阻阻R為某一一值時(shí)的的直線與與特性曲曲線的交交點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)為使用用這個(gè)負(fù)負(fù)載電阻阻時(shí)的端端電壓VV和電電流II。圖2.4太陽能能電池的的伏安特特性曲線線2.2.33溫溫度特性性太太陽能電電池的開開路電壓壓隨著溫溫度的上上升而下下降，大大體上溫溫度每上上升1℃，電壓壓下降22-2.3；短路路電流則則隨著溫溫度的上上升而微微微地上上升；電電池的輸輸出功率率P則隨著著溫度的的上升而而下降，每每升高11℃，約損損失0.35％--0.45％。溫溫度對(duì)太太陽能電電池的影影響：載載流子的的擴(kuò)散系系數(shù)隨溫溫度的增增高而增增大，所所以少數(shù)數(shù)載流子子的擴(kuò)散散長度也也隨著溫溫度的升升高稍有有增大，因因此，光光生電流流也隨著著溫度的的升高有有所提高高。但是是I隨溫溫度的升升高指數(shù)數(shù)增大，而而隨溫度度的升高高急劇下下降。當(dāng)當(dāng)溫度升升高時(shí)，I-U曲線形狀改變，填充因子下降，故轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。圖2.5和圖2.6是太陽能電池在相同日照下不同溫度的輸出特性曲線和常溫下不同日照的輸出特性曲線。圖2.5不不同溫度度下的輸輸出特性性曲線圖2.6不不同日照照下的輸輸出特性性曲線由特性曲線線可知，效效率隨著著照度的的上升而而上升，因因此可以以通過提提高電池池單位面面積上的的照度來來提高電電池效率率，即使使用聚光光技術(shù)。效效率又隨隨著溫度度的上升升而下降降，即太太陽能電電池轉(zhuǎn)換換率具有有負(fù)的溫溫度系數(shù)數(shù)。所以以在應(yīng)用用時(shí)，如如果使用用聚光器器，則聚聚光器的的聚光倍倍數(shù)不能能過大，以以免造成成結(jié)溫過過高使電電池轉(zhuǎn)換換率下降降甚至損損害電池池。此外外，在聚聚光電池池系統(tǒng)中中應(yīng)加有有相應(yīng)的的電池冷冷卻裝置置。2.2.44太太陽能電電池主要要參數(shù)不不論是一一般的化化學(xué)電池池還是太太陽能電電池，其其輸出特特性一般般都是用用如圖22.3所所示的伏伏安特性性曲線來來表示，短短路電流流，開路路電壓，最最大輸出出功率是是它的主主要輸出出參數(shù)。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率和填充充因子是是衡量電電池品質(zhì)質(zhì)的主要要參數(shù)。(1)光伏伏電池的的光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率是指電電池受光光照時(shí)的的最大輸輸出功率率與照射射到電池池上的入入射光的的功率的的比值，用用式子表表示為：：((2.11)式中，和分分別為光光伏陣列列最大電電流(AA)和最最大電壓壓(V))。光伏電池的的光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率是衡量量電池質(zhì)質(zhì)量和技技術(shù)水平平的重要要參數(shù)，它它與電池池的結(jié)構(gòu)構(gòu)、結(jié)構(gòu)構(gòu)特性、材材料特性性、工作作溫度和和環(huán)境溫溫度變化化等有關(guān)關(guān)。在溫溫度恒定定的情況況下，電電池的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率會(huì)隨光光強(qiáng)的增增加而增增加。對(duì)對(duì)于一個(gè)個(gè)給定的的功率輸輸出，電電池的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率決定了了所需的的電池板板的數(shù)量量，所以以電池達(dá)達(dá)到盡可可能高的的轉(zhuǎn)換效效率是極極其重要要的。而而這個(gè)結(jié)結(jié)論就為為提高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率提供了了一種途途徑：可可以通過過加裝聚聚光器來來加強(qiáng)光光照強(qiáng)度度，從而而減少光光伏電池池的使用用，降低低光伏發(fā)發(fā)電的成成本。(2)填充充因子又稱曲線因因子，即即光伏電電池最大大功率與與開路電電壓Voc和短路路電流IIsc乘積積的比值值，用符符號(hào)FFF表示：：((2.22)填充因子是是評(píng)價(jià)光光伏電池池性能優(yōu)優(yōu)劣的一一個(gè)重要要參數(shù)。影影響填充充因子的的因素是是多方面面的，它它既和電電池材料料的PNN結(jié)曲線線因子常常數(shù)、串串聯(lián)電阻阻，并聯(lián)聯(lián)電阻等等內(nèi)部參參數(shù)有關(guān)關(guān)，還與與光伏電電池的工工作溫度度、光照照強(qiáng)度等等外部條條件有關(guān)關(guān)。一般般<l，它它的值越越高，表表明光伏伏電池輸輸出特性性越近于于矩形，電電池的光光電轉(zhuǎn)換換效率越越高[113-115]。2.3太陽陽能電池池等效電電路和效效率分析析2.3.11太太陽能電電池等效效電路太陽能電池池受光的的照射便便產(chǎn)生電電流。這這個(gè)電流流隨著光光強(qiáng)的增增加而增增大，當(dāng)當(dāng)接受的的光強(qiáng)度度一定時(shí)時(shí)，可以以將電池池看作恒恒流電源源。太陽陽能電池池可看作作PN結(jié)型型二極管管，在光光的照射射下產(chǎn)生生正向偏偏壓，所所以在PPN結(jié)為為理想狀狀態(tài)的情情況下，可可等效為為電流源源和一個(gè)個(gè)理想二二極管的的并聯(lián)電電路。但但是在實(shí)實(shí)際的太太陽能電電池中，由由于電池池表面和和背面的的電極和和接觸，以以及材料料本身具具有一定定的電阻阻率，流流經(jīng)負(fù)載載的電流流經(jīng)過它它們時(shí)，必必然引起起損耗，在在等效電電路中可可將它們們的總效效果用一一個(gè)串聯(lián)聯(lián)電阻來來表示；；同時(shí)，由由于電池池邊沿的的漏電，在在電池的的微裂痕痕、劃痕痕等處形形成的金金屬橋漏漏電等，使使一部分分本該通通過負(fù)載載的電流流短路，這這種作用用可用一一個(gè)并聯(lián)聯(lián)電阻來來等效表表示[116]。此此時(shí)的等等效電路路可用圖圖2.7來來描述，太太陽能電電池的輸輸出電流流I可表表示為：：((2.33)式中，為光光生電流流(A))；為二極極管的反反向飽和和電流((A)；；為太陽陽能電池池輸出電電壓(VV)；為單位位電荷((1.6lOO-199k庫侖)；為玻耳耳茲曼常常數(shù)(11.38110-223JJ／K)；為絕對(duì)對(duì)溫度((K)；；為二極極管指數(shù)數(shù)。圖22.7太陽陽能電池池等效電電路當(dāng)太陽能電電池兩端端開路時(shí)時(shí)，即負(fù)負(fù)載阻抗抗為無窮窮大時(shí)，電電池的輸輸出電流流為零，此此時(shí)的電電壓為電電池的開開路電壓壓。在式式(2.33)中，令令，則有有：((2.44)(22.5))式(2.55)表明，開開路電壓壓不受串串聯(lián)電阻阻的影響響，但與與并聯(lián)電電阻有關(guān)關(guān)。可以以看出，減小時(shí)，會(huì)隨之減小。太陽能電池池兩端短短路即負(fù)負(fù)載阻抗抗為零時(shí)時(shí)，電池池電壓VV為零零時(shí)，此此時(shí)的電電流為短短路電流流。在式式(2.33)中令，得得：((2.66)考慮到一般般情況下下Rs<<Rsh，可可化為：：(22.7))式(2.77)表明，短短路電流流基本與與并聯(lián)電電阻無關(guān)關(guān)，但受受串聯(lián)電電阻的影影響，隨隨著的增大大，短路路電流會(huì)會(huì)減小。通常，在現(xiàn)現(xiàn)代太陽陽能電池池中，的的值一般般很大，故故式(22.3)中的最最后一項(xiàng)項(xiàng)通常忽忽略不計(jì)計(jì)，這時(shí)時(shí)式(22.3)變成：：(22.8))當(dāng)參數(shù)，，，確定之之后，根根據(jù)上式式可以確確定太陽陽能電池池的輸出出特性。2.3.22影影響太陽陽能電池池轉(zhuǎn)換效效率的因因素前面所敘述述的太陽陽能電池池轉(zhuǎn)換效效率的理理論值都都是在理理想狀況況下得到到的。而而太陽能能電池在在光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換過程程中，由由于存在在各種附附加的能能量損失失，實(shí)際際效率比比理論極極限效率率要低。以以PN結(jié)硅硅電池為為例，下下面我們們來分析析影響太太陽能電電池轉(zhuǎn)換換效率的的主要因因素。(1)光生生電流的的光學(xué)損損失太陽能電池池的效率率損失中中，有三三種是屬屬于光學(xué)學(xué)損失，其其主要影影響是降降低了光光生電流流值。反反射損失失就是從從空氣((或真空空)入射到到半導(dǎo)體體材料的的光的反反射。以以硅為例例，在工工作范圍圍內(nèi)的太太陽能光光譜中，超超過300％的光光能被裸裸露的硅硅表面反反射掉了了，因而而硅電池池表面一一般會(huì)涂涂上減反反射膜SSiN。柵柵指電極極遮光損損失就是是定義為為柵指電電極遮光光面積在在太陽能能總面積積中所占占的百分分比。對(duì)對(duì)一般電電池來說說，約為為4-115％。透射損失就就是如果果電池厚厚度不足足夠大，某某些能量量合適能能被吸收收的光子子可能從從電池背背面穿出出，這決決定了半半導(dǎo)體材材料的最最小厚度度。間接接帶隙半半導(dǎo)體要要求材料料的厚度度比直接接帶隙的的厚。(2)光生生載流子子的收集集效率由于材料的的缺陷等等原因，所所產(chǎn)生的的電子及及空穴等等載流子子發(fā)生再再結(jié)合作作用，使使部分載載流子消消失掉。光光照射PPN結(jié)激激發(fā)出來來的電子子-空穴穴對(duì)不一一定會(huì)全全部被PPN結(jié)的的自建電電場所分分離。我我們把受受激產(chǎn)生生的電子子-空穴穴對(duì)數(shù)目目與被PPN結(jié)勢(shì)勢(shì)壘所分分離的電電子-空空穴對(duì)數(shù)數(shù)目之比比叫做收收集效率率。半導(dǎo)導(dǎo)體中電電場產(chǎn)生生的偏移移效應(yīng)和和電荷濃濃度梯度度產(chǎn)生的的擴(kuò)散效效應(yīng)導(dǎo)致致電子--空穴的的移動(dòng)。過過剩載流流子是超超過熱平平衡狀態(tài)態(tài)存在的的載流子子，通常常在某個(gè)個(gè)時(shí)間常常數(shù)下，具具有返回回平衡狀狀態(tài)的傾傾向。人人們把這這個(gè)時(shí)間間常數(shù)叫叫做過剩剩載流子子壽命。因因此，在在電子--空穴對(duì)對(duì)從產(chǎn)生生的地方方分別向向PN兩層層移動(dòng)所所需要的的時(shí)間比比過剩載載流子壽壽命還要要長的情情況下，電電荷將不不會(huì)被PPN結(jié)勢(shì)勢(shì)壘所分分離，對(duì)對(duì)光生電電壓的產(chǎn)產(chǎn)生沒有有貢獻(xiàn)。這這樣，收收集效率率就由過過剩載流流子的壽壽命和PPN結(jié)的的位置來來決定。(3)影響響開路電電壓的實(shí)實(shí)際因素素決定開路電電壓大小小的主要要物理過過程是半半導(dǎo)體的的復(fù)合。半半導(dǎo)體復(fù)復(fù)合率越越高，少少子擴(kuò)散散長度越越短，也也就越低低。在PP-Si襯底底中，影影響非平平衡少子子總復(fù)合合率的三三種復(fù)合合機(jī)理是是：復(fù)合合中心復(fù)復(fù)合、俄俄歇復(fù)合合及直接接輻射復(fù)復(fù)合?？偪倧?fù)合率率主要取取決于三三種復(fù)合合中復(fù)合合率最大大的一個(gè)個(gè)。對(duì)于于高質(zhì)量量的硅單單晶，當(dāng)當(dāng)摻雜濃濃度高于于10177時(shí)，則則俄歇復(fù)復(fù)合產(chǎn)生生影響，使使少子壽壽命降低低。通常常，電池池表面還還存在表表面復(fù)合合，也會(huì)會(huì)降低值值。(4)輻射射效應(yīng)應(yīng)應(yīng)用在衛(wèi)衛(wèi)星上的的太陽能能電池受受到太空空中高能能離子輻輻射，產(chǎn)產(chǎn)生缺陷陷，使電電池輸出出功率下下降，影影響其使使用壽命命。(5)電極極接觸不不良或設(shè)設(shè)計(jì)不合合理使串串聯(lián)電阻阻增加，不不能有效效地收集集載流子子。2.3.33提提高太陽陽能電池池轉(zhuǎn)換效效率的各各種技術(shù)術(shù)針針對(duì)2.3.2節(jié)節(jié)分析的的影響太太陽能電電池轉(zhuǎn)換換效率的的因素，我我認(rèn)為有有以下幾幾種提高高其轉(zhuǎn)換換效率的的方法，見見表2.1。表2.1太陽能能損失原原因以及及防止技技術(shù)損失原因防止技術(shù)表面光反射射1、采用減減反射膜膜2、表面進(jìn)進(jìn)行凹凸凸處理3、合理設(shè)設(shè)計(jì)電極極載流子再結(jié)結(jié)合1、加一層層鈍化膜膜層2、控制雜雜質(zhì)濃度度3、加背面面場4、合理設(shè)設(shè)計(jì)電極極光透射射1、在底電電極上加加一層金金屬反射射層2、進(jìn)行凹凹凸處理理串聯(lián)電阻合理設(shè)計(jì)電電極(1)減反反射損失失技術(shù)為為了減少少太陽光光的反射射損失，一一般采用用下面兩兩種技術(shù)術(shù)：1)采用減減反射膜膜。常用用減反射射膜有含含氧量為為1-2的硅氧氧化物((SiOO)與鈦氧氧化物((TiOO)等。單單獨(dú)采用用一層反反射膜效效果不好好，為此此，大多多采用二二層減反反射膜，如如由Tii02和MgFF2所組成成的減反反射膜或或由SiiN和Si002所組成成的減反反射膜等等。經(jīng)減減反射處處理過的的太陽膜膜或由SSiN和和Si002所組成成的減反反射膜等等。經(jīng)減減反射處處理過的的太陽能能電池表表面，有有很好的的減反射射效果。2)采用凹凹凸結(jié)構(gòu)構(gòu)。如表表面用腐腐蝕等方方法處理理成具有有很多金金字塔型型的絨面面狀結(jié)構(gòu)構(gòu)或具有有倒金字字塔型的的溝槽結(jié)結(jié)構(gòu)，或或具有VV型的溝溝槽結(jié)構(gòu)構(gòu)。把太太陽表面面處理成成凹凸結(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)的的光的入入射路徑徑示于圖圖2.8。由由該圖可可見，各各種方向向入射的的太陽光光經(jīng)過多多次反射射后都能能進(jìn)入到到太陽能能電池中中去，從從而增加加入射的的太陽光光量。采采用這種種結(jié)構(gòu)，其其光反射射損失有有的甚至至可減到到5％左右右。未經(jīng)經(jīng)過處理理的光滑滑硅表面面，反射射率一般般高達(dá)330％左左右[117]。金字塔型絨絨面結(jié)②倒金字字塔型溝溝槽結(jié)構(gòu)構(gòu)V型溝槽槽結(jié)構(gòu)④在溝槽槽結(jié)構(gòu)中中的反射射原理圖2.8太陽能能電池的的結(jié)構(gòu)以以及減反反射原理理(2)減少少載流子子損失技技術(shù)減減少載流流子損失失，主要要是防止止載流子子的再結(jié)結(jié)合損失失。通常常采用以以下三種種方法：：11)加一一層鈍化化層；22)控制制雜質(zhì)濃濃度；33)在底底層上加加一個(gè)背背面電場場。加有鈍化層層、雜質(zhì)質(zhì)控制層層、背面面電場的的高效太太陽能電電池的結(jié)結(jié)構(gòu)中鈍鈍化層可可以使電電池表面面的缺陷陷結(jié)構(gòu)鈍鈍化，從從而減少少載流子子的再結(jié)結(jié)合。電電池底層層上采用用高濃度度摻雜法法形成一一背面電電場，可可加速載載流子的的輸運(yùn)過過程，減減少載流流子的再再結(jié)合。背背面電場場電池指指在基區(qū)區(qū)底部即即電池背背面附近近，具有有基體雜雜質(zhì)濃度度梯度的的太陽能能電池。雜雜質(zhì)濃度度梯度可可以通過過蒸鋁燒燒結(jié)或硼硼擴(kuò)散的的方法建建立[118]。目目前高效效率電池池一般都都具有背背面電場場。(3)減少少光透射射損失在太陽能電電池中，波波長較長長的入射射光一般般都能透透射到電電池的深深層底電電極，要要充分利利用這種種長波長長的光，最最好在底底電極處處再加一一層反射射率高的的金屬層層。用IITO作作底電極極上的反反射層，效效果很好好。過去常規(guī)電電池使用用的鋁電電極是用用ITOO膠燒結(jié)結(jié)法制成成的。這這時(shí)可形形成鋁的的擴(kuò)散層層，這種種鋁擴(kuò)散散對(duì)提高高太陽能能電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率很有利利，在保保留原鋁鋁擴(kuò)散層層的條件件下去掉掉合金層層，換成成ITOO電極層層，結(jié)果果它不僅僅能起電電極作用用，還能能起反射射層的作作用，使使轉(zhuǎn)換效效率在原原來的基基礎(chǔ)上又又提高了了[199]。(4)減少少串聯(lián)電電阻損失失合理設(shè)計(jì)和和精細(xì)制制作電極極是減少少電池內(nèi)內(nèi)部電阻阻、提高高太陽能能電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率的另一一個(gè)有效效途徑。一一般認(rèn)為為電池表表面所占占的面積積越小，太太陽光利利用率越越高。但但電極的的表面積積越小，電電極內(nèi)部部的電阻阻越大，使使電池的的轉(zhuǎn)換效效率反而而降低。過過去認(rèn)為為電池表表面的電電流密度度是均勻勻的，所所以單純純從電阻阻與轉(zhuǎn)換換效率的的關(guān)系中中優(yōu)化電電極形狀狀，沒有有考慮到到太陽能能電池表表面的電電流密度度大小與與電極形形狀之間間的關(guān)系系。夏普普公司采采用計(jì)算算機(jī)模擬擬方法求求出了電電極表面面上的電電流密度度分布，發(fā)發(fā)現(xiàn)電池池表面各各處的電電流密度度分布是是不均勻勻的。我我認(rèn)為可可根據(jù)其其電流密密度分布布，設(shè)計(jì)計(jì)有利于于收集載載流子的的電極形形狀，并并采用激激光加工工技術(shù)，使使電極面面積細(xì)微微化，既既增加入入射光面面積，又又提高載載流子收收集效率率，并使使電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率在原有有的基礎(chǔ)礎(chǔ)上進(jìn)一一步提高高。(5)多層層結(jié)構(gòu)太太陽能電電池把多個(gè)具有有不同光光譜靈敏敏度特性性的太陽陽能電池池堆集起起來所組組成的太太陽能電電池叫作作多層結(jié)結(jié)構(gòu)太陽陽能電池池。這種種太陽能能電池，把把禁帶寬寬度寬的的材料所所制成的的太陽能能電池放放在入射射光的一一側(cè)，先先讓它吸吸收短波波長的光光，然后后再制成成用禁帶帶寬度較較窄的材材料所組組成的太太陽能電電池，讓讓它吸收收由前半半部透射射出來的的長波長長的光，這這樣可以以充分地地利用入入射太陽陽光，提提高其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率。多層層結(jié)構(gòu)太太陽能電電池能更更有效地地利用各各種波長長的太陽陽光，從從而提高高電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率。多層結(jié)構(gòu)太太陽能電電池，除除了上述述的無定定形硅太太陽能電電池以外外，還有有由單晶晶硅和無無定形硅硅或由單單晶硅和和砷化鎵鎵太陽能能電池所所組成的的多層結(jié)結(jié)構(gòu)太陽陽能電池池[20]。(6)充電電連接方方法的改改進(jìn)傳統(tǒng)的充電電連接方方法把太太陽能電電池與蓄蓄電池全全部串聯(lián)聯(lián)起來如如圖2.9所所示。我我認(rèn)為把把太陽能能電池及及蓄電池池分成若若干個(gè)小小組，先先串聯(lián)各各個(gè)小組組后再并并聯(lián)，改改進(jìn)后的的這種聯(lián)聯(lián)接方法法的好處處是可降降低充電電回路的的內(nèi)阻，提提高充電電效率如如圖2.10所示示。提高高太陽能能電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率的技術(shù)術(shù)很多。圖22.9傳統(tǒng)充充電連接接方法圖圖2.10改改進(jìn)的充充電連接接方法除上述五種種方法外外，還可可通過提提高原材材料的純純度和質(zhì)質(zhì)量，或或采用聚聚光等方方法。但但無論哪哪種技術(shù)術(shù)，若單單獨(dú)采用用，所提提高的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率幅度都都是很有有限的。所所以要想想較大幅幅度地提提高太陽陽能電池池的轉(zhuǎn)換換效率，必必須同時(shí)時(shí)采用多多種技術(shù)術(shù)。2.4本章小小結(jié)本章從PP-N結(jié)結(jié)說起，主主要介紹紹了太陽陽能電池池的原理理、結(jié)構(gòu)構(gòu)、主要要特性及及等效電電路，主主要特性性包括光光譜響應(yīng)應(yīng)特性、伏伏安特性性、溫度度特性以以及太陽陽能電池池主要參參數(shù)。在在介紹溫溫度特性性時(shí)，電電池效率率隨著照照度的上上升而上上升，隨隨著溫度度的上升升而下降降，由此此提出采采用聚光光技術(shù)提提高電池池效率，同同時(shí)需要要良好的的冷卻裝裝置。在在介紹等等效電路路時(shí)，給給出了開開路電壓壓和短路路電流的的計(jì)算公公式，在在此基礎(chǔ)礎(chǔ)上分析析了太陽陽能電池池的轉(zhuǎn)換換效率及及影響因因素，提提出并研究了幾種種提高太太陽能電電池裝換換效率的的技術(shù)。3聚光光高效太太陽能電電池研究究開發(fā)新能源源和可再再生清潔潔能源是是全世界界面臨的的共同課課題，在在新能源源中，光光伏發(fā)電電倍受矚矚目，但但由于過過高的成成本，目目前還未未能充分分進(jìn)入市市場[21]?，F(xiàn)現(xiàn)有太陽陽能光電電池的發(fā)發(fā)電模式式中，多多數(shù)采用用方位固固定的大大面積的的平板式式光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化模式式，它存存在著兩兩大缺點(diǎn)點(diǎn)：一是是光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率低，發(fā)發(fā)電能力力差；二二是成本本價(jià)格居居高不下下，與常常規(guī)電能能相比缺缺乏競爭爭力，這這些限制制了太陽陽能光伏伏發(fā)電系系統(tǒng)的大大規(guī)模發(fā)發(fā)展。在在緒論中中已提到到，聚光光太陽能能電池可可以有效效地降低低太陽能能電池發(fā)發(fā)電成本本。對(duì)于于聚光太太陽能電電池來說說，其關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)之一為為研究適適合在太太陽能收收集應(yīng)用用中的聚聚光器。3.1聚光光光伏技術(shù)術(shù)的發(fā)展展2000年年，Swwanssontt[22]在對(duì)對(duì)聚光電電池的市市場分析析基礎(chǔ)上上提出兩兩個(gè)目前前最有前前景的應(yīng)應(yīng)用，一一個(gè)是有有電網(wǎng)支支持要求求潔凈能能源的中中型系統(tǒng)統(tǒng)，另一一個(gè)是與與柴油發(fā)發(fā)電機(jī)組組成混合合系統(tǒng)，如如大型的的水泵站站、軍事事基地、島島嶼等，并并且指出出與非聚聚光系統(tǒng)統(tǒng)相比，聚聚光系統(tǒng)統(tǒng)具有更更低的成成本、更更高的效效率、更更容易回回收等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。220011年IEEEE公布布的聚光光太陽電電池組件件的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)[23]，提提高了聚聚光電池池組件的的可靠性性，這將將有利于于聚光光光伏系統(tǒng)統(tǒng)更好的的進(jìn)入市市場，促促進(jìn)聚光光光伏技技術(shù)的進(jìn)進(jìn)一步發(fā)發(fā)展。220022年5月，首首次太陽陽能聚光光發(fā)電國國際會(huì)議議的召開開[244]，表表明光伏伏聚光系系統(tǒng)作為為很有潛潛力的一一項(xiàng)技術(shù)術(shù)，已經(jīng)經(jīng)引起更更多人的的關(guān)注。近年來，日日本、美美國等國國企業(yè)紛紛紛展示示新型太太陽能光光伏發(fā)電電系統(tǒng)。夏夏普公司司利用鏡鏡頭將太太陽光會(huì)會(huì)聚在超超高效太太陽能電電池上，其其超高效效太陽能能電池能能效是目目前硅電電池的22倍。美美國能源源設(shè)備公公司Soolfoocuss也推出出一種新新的聚光光器。另另外,波波音公司司的子公公司Sppecttrollab正正在為一一些集光光器系統(tǒng)統(tǒng)工程生生產(chǎn)1000多萬萬個(gè)超高高效太陽陽能電池池，其中中在澳大大利亞的的一項(xiàng)工工程目標(biāo)標(biāo)是為335000戶居民民供電，該該公司還還曾為美美國宇航航局的火火星探測(cè)測(cè)器提供供長效的的太陽能能光伏電電池。這這些技術(shù)術(shù)工程的的開發(fā)進(jìn)進(jìn)展再次次讓人們們看到太太陽能光光伏發(fā)電電系統(tǒng)發(fā)發(fā)展的美美好前景景[255]。3.2各種聚聚光太陽陽能電池池目前，聚光光太陽能能電池主主要有聚聚光硅太太陽能電電池和聚聚光砷化化鎵太陽陽能電池池兩大類類。按照照結(jié)構(gòu)分分，聚光光硅太陽陽能電池池可以分分為平面面結(jié)聚光光硅電池池和垂直直結(jié)聚光光硅電池池兩類。平平面結(jié)聚聚光硅電電池類似似于常規(guī)規(guī)電池，是是當(dāng)前普普遍使用用的聚光光電池。它它的應(yīng)用用光強(qiáng)為為幾十個(gè)個(gè)到1000個(gè)太太陽。垂垂直結(jié)聚聚光硅電電池具有有更優(yōu)越越的性能能，它可可以工作作在更高高的光強(qiáng)強(qiáng)。3.2.11平平面結(jié)聚聚光硅太太陽能電電池平面結(jié)聚光光硅太陽陽能電池池的結(jié)構(gòu)構(gòu)基本上上類似于于常規(guī)電電池，其其基體電電阻率和和柵線結(jié)結(jié)構(gòu)的特特殊性使使聚光電電池具有有了更好好的效率率。(1)電池池的基體體電阻率率基體電阻率率對(duì)于聚聚光電池池的性能能具有十十分重要要的影響響。電池池工作在在很高的的光強(qiáng)下下，高密密度的電電流要流流過基體體，必然然要產(chǎn)生生較高的的電壓降降，它要要影響電電池的輸輸出。聚聚光電池池設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)必須使使這種影影響盡可可能的小小，通常常這種損損失應(yīng)當(dāng)當(dāng)?shù)陀?2％。采采用低電電阻率的的基體材材料是減減小這種種損失的的有效方方法。(2)特殊殊的柵線線結(jié)構(gòu)聚光硅太陽陽能電池池的柵線線結(jié)構(gòu)是是影響電電池的實(shí)實(shí)際輸出出和使用用壽命的的關(guān)鍵因因素之一一。柵線線形狀可可以是梳梳狀的，也也可以是是放射狀狀的。其其電阻的的計(jì)算方方法和常常規(guī)電池池一樣。柵柵線占電電池面積積的比例例應(yīng)隨著著工作光光強(qiáng)的增增加而增增大。這這是由于于高密度度的電流流流過柵柵線，它它們的電電阻變得得重要起起來。常常規(guī)電池池柵線約約占電池池面積的的5-77％，那那么工作作在幾十十個(gè)太陽陽至幾百百個(gè)太陽陽的聚光光硅太陽陽電池柵柵線就要要占電池池面積的的10％左左右。電電池串聯(lián)聯(lián)電阻的的接觸電電阻部分分不但與與接觸材材料、制制造工藝藝有關(guān)，而而且和柵柵線的周周長成反反比，這這是因?yàn)闉闁啪€的的總周長長越長，越越能克服服電流群群聚，減減少接觸觸電阻。因因此，在在柵線面面積不變變的情況況下，盡盡可能地地增加?xùn)艝啪€的數(shù)數(shù)量，就就有利于于提高電電池的性性能。聚光電池的的柵線結(jié)結(jié)構(gòu)和常常規(guī)電池池的區(qū)別別是柵線線的厚度度。典型型聚光硅硅太陽能能電池的的柵線占占電池面面積100％，其其厚度約約為100，當(dāng)電電池工作作在1000個(gè)太太陽時(shí)，流流過柵線線的電流流密度可可以達(dá)到到2.4×104/。這樣樣大的電電流密度度要引起起合金化化效應(yīng)以以及電遷遷移效應(yīng)應(yīng)，使金金屬變質(zhì)質(zhì)，增加加接觸電電阻。增增加?xùn)啪€線的厚度度是克服服這些影影響的有有效手段段。垂直結(jié)聚聚光硅太太陽能電電池前面討論的的平面結(jié)結(jié)聚光硅硅太陽能能電池結(jié)結(jié)構(gòu)簡單單、制造造方便，在在幾十個(gè)個(gè)到1000個(gè)太太陽的光光強(qiáng)下具具有較好好的性能能。但是是，如果果繼續(xù)提提高工作作光強(qiáng)，對(duì)對(duì)串聯(lián)電電阻的影影響將會(huì)會(huì)越來越越嚴(yán)重，使使聚光電電池的效效率嚴(yán)重重下降。增增加?xùn)啪€線占電池池的面積積，也不不能解決決這一問問題，因因?yàn)槠矫婷娼Y(jié)電池池總有一一個(gè)薄層層電阻的的存在，它它是難以以克服的的。因此此只有從從電池的的基本結(jié)結(jié)構(gòu)上進(jìn)進(jìn)行改變變，才能能解決這這個(gè)問題題。垂直直結(jié)電池池是解決決這一問問題的有有效途徑徑之一。這這種電池池的P--N結(jié)垂垂直于電電池光照照面，光光生電流流并不沿沿P-N結(jié)平面面流動(dòng)，而而是直接接被電極極所收集集，這就就克服了了串聯(lián)電電阻的主主要部分分-薄層層電阻的的影響。所所以，這這種電池池有極小小的串聯(lián)聯(lián)電阻，可可以工作作在高達(dá)達(dá)10000個(gè)太太陽的光光強(qiáng)下。(1)多層層垂直結(jié)結(jié)硅太陽陽能電池池(EMMVJ))圖3.1典型的的EMVVJ太陽陽能電池池的結(jié)構(gòu)構(gòu)圖1)電池的的基本結(jié)結(jié)構(gòu)和主主要制造造工藝EMVJ電電池通常常采用較較高電阻阻率的直直拉或者者區(qū)熔單單晶片制制成，電電阻率范范圍100-500的N型或者者P型硅單單晶片，晶晶向?yàn)?(1100)。利利用各向向異性的的腐蝕方方法，在在(1110)面面上腐蝕蝕出一系系列垂直直于表面面的槽，槽槽的底部部都具有有V型結(jié)構(gòu)構(gòu)。槽的的寬度通通常為110-20，兩兩個(gè)槽間間的中心心距為2200--2500。電池池基體厚厚度的選選擇必須須和電池池基體電電阻率相相適應(yīng)，才才能使電電池獲得得高的收收集效率率。EMVJ電電池可采采用大規(guī)規(guī)模集成成電路工工藝來制制造。通通常在較較大的硅硅片上制制成大量量的垂直直結(jié)，根根據(jù)所需需尺寸切切割成小小片。其其關(guān)鍵制制造工藝藝是垂直直結(jié)的腐腐蝕。如如我們需需要制造造N+-P-P+結(jié)的EMMVJ電電池，首首先用氧氧化的辦辦法在PP型(1110)單單晶硅片片上生成成一層二二氧化硅硅膜，然然后用光光刻的辦辦法將需需要腐蝕蝕垂直槽槽部分的的二氧化化硅膜去去掉，再再按硅的的各向異異性腐蝕蝕的原理理，用氫氫氧化鉀鉀、氫氧氧化鈉或或聯(lián)氨腐腐蝕，按按照要求求，制成成一系列列具有一一定寬度度和深度度的槽。接接著就可可以用擴(kuò)擴(kuò)散的方方法或者者合金法法在前面面生成NN+-P結(jié)，在在背面生生成P-P+結(jié)。用用電鍍的的方法在在背面和和垂直槽槽的壁上上生成金金-鎳接接觸。金金-鎳層層的厚度度由電池池的工作作光強(qiáng)以以及垂直直槽之間間的距離離確定，一一般為幾幾個(gè)微米米。EMVJ電電池的制制造工藝藝比較簡簡單，按按照上面面的說明明只需要要一塊掩掩模就可可以制成成電池，多多次套刻刻。決定定電性能能的關(guān)鍵鍵是應(yīng)當(dāng)當(dāng)采用盡盡可能低低的制造造溫度，以以保持基基體具有有足夠高高的少子子壽命。2)電性能能EMVJ電電池在聚聚光條件件下具有有突出的的優(yōu)點(diǎn)。由由于電流流無需通通過電阻阻較高的的擴(kuò)散層層。電池池的串聯(lián)聯(lián)電阻極極小，隨隨著光強(qiáng)強(qiáng)的提高高，電池池效率也也增加，這這是平面面結(jié)聚光光硅太陽陽能電池池難以實(shí)實(shí)現(xiàn)的。(2)V型型槽多結(jié)結(jié)聚光硅硅太陽能能電池((VGMMJ)電池的效率率與電池池基體少少子的壽壽命有重重要關(guān)系系，因此此，電池池采用較較高電阻阻率的基基體和低低溫制造造工藝。為為提高電電池的電電性能，通通常采用用場助工工藝。為為提高電電池的工工作壽命命，常常常在基體體表面覆覆蓋上一一塊膨脹脹系數(shù)和和硅接近近的玻璃璃。圖33．2是典型型的VGGMJ電電池的結(jié)結(jié)構(gòu)圖。圖圖3．2VGMMJ電池池結(jié)構(gòu)圖圖VGMJ電電池的數(shù)值要要比平面面結(jié)N++-i-P+電池更更高。這這是由于于VGMMJ電池池具有比比平面結(jié)結(jié)電池大大的光照照面積和和電池體體積比，在在相對(duì)小小的體積積內(nèi)具有有較高的的光生載載流子濃濃度，這這就減小小了飽和和電流密密度對(duì)開開路電壓壓的影響響。VVGMJJ電池的的結(jié)構(gòu)決決定了它它具有較較大的短短路電流流密度。一一是電池池光照面面無柵線線，這就就提高了了電池的的有效光光照面積積，二是是電池背背面N++-i結(jié)P+-i結(jié)對(duì)光光子的反反射作用用，實(shí)際際上提高高了電池池的有效效光學(xué)厚厚度，使使電池的的基體收收集效率率提高。(3)垂直直結(jié)聚光光硅太陽陽能電池池的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)1)電池具具有非常常小的串串聯(lián)電阻阻，可以以在10000個(gè)個(gè)太陽的的光強(qiáng)下下工作。2)對(duì)聚光光系統(tǒng)的的均勻性性要求可可以降低低，有利利于降低低系統(tǒng)的的成本。3)可以在在大的硅硅片上制制造很多多單個(gè)電電池，利利用合理理的方法法切成適適當(dāng)?shù)某叱叽纾杏欣诖蟠罅可a(chǎn)產(chǎn)。4)垂直結(jié)結(jié)太陽能能電池的的開路電電壓要比比平面結(jié)結(jié)電池的的高一些些。5)采用特特殊的結(jié)結(jié)構(gòu)提高高了電池池的收集集效率，使使它具有有比平面面結(jié)電池池更高的的短路電電流。6)配合光光熱的綜綜合利用用，可以以使整個(gè)個(gè)系統(tǒng)的的成本進(jìn)進(jìn)一步降降低。3.2.33聚聚光砷化化鎵太陽陽能電池池在聚光方陣陣中采用用砷化鎵鎵(GaaAs))電池是是降低成成本的另另一個(gè)途途徑。GGaAss的禁帶帶寬度為為1.4，與硅硅相比，其其禁帶寬寬度與太太陽光譜譜更匹配配，是一一種較理理想的制制造高效效率太陽陽能電池池的材料料。其其次，GGaAss的溫度度特性較較好。在在一定的的溫度范范圍內(nèi)，太太陽能電電池的效效率隨溫溫度的變變化呈線線性關(guān)系系，溫度度的升高高會(huì)引起起開路電電壓下降降，短路路電流稍稍有上升升，電池池轉(zhuǎn)換效效率下降降。GaaAs電電池效率率的溫度度系數(shù)大大約是--0.23％//?C，而Sii電池的的溫度系系數(shù)大約約是-00.48％/?C，2000℃高溫時(shí)時(shí)，GaaAs電電池還能能工作，而而Si電池池光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率幾乎為為零[226]。因因此，砷砷化鎵電電池可以以在很高高的光強(qiáng)強(qiáng)下工作作，如超超過10000個(gè)個(gè)太陽，開開路電壓壓要比硅硅太陽能能電池高高約1VV。圖3．3是典型型的聚光光砷化鎵鎵太陽能能電池的的結(jié)構(gòu)示示意圖。圖3.3砷化鎵鎵太陽能能電池結(jié)結(jié)構(gòu)圖窗口材料砷砷化鎵鋁鋁，砷化化鎵電池池的窗口口材料通通常采用用液相外外延的工工藝制成成，它的的厚度要要影響陽陽光中光光子的穿穿透，過過后的AAIGaaAs層層導(dǎo)致較較低的收收集效率率。所以以工作在在低光強(qiáng)強(qiáng)下的砷砷化鎵電電池通常常采用較較薄的AA1GaaAs層層(1)，以減減少光吸吸收。但但是工作作在高光光強(qiáng)下的的砷化鎵鎵電池必必須考慮慮到另一一個(gè)重要要的因素素，即盡盡可能使使電池具具有極小小的串聯(lián)聯(lián)電阻。AIGaAs層以及P型砷化鎵的厚度是決定串聯(lián)電阻的主要部分一薄層電阻的主要因素。因此，適當(dāng)提高A1GaAs層的厚度是提高電池性能的方法之一。3.3各種聚聚光器在在太陽能能電池中中的應(yīng)用用聚光器是是聚光系系統(tǒng)的主主要組成成部分，也也是聚光光太陽能能電池研研究的關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)之一，研研制太陽陽能利用用中的聚聚光器對(duì)對(duì)提高太太陽能電電池的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率具有重重大意義義。聚光光器應(yīng)用用于太陽陽能電池池的嘗試試開始于于20世紀(jì)紀(jì)60年代代初，為為了不斷斷降低硅硅太陽能能電池的的成本，人人們對(duì)聚聚光器在在太陽能能電池上上的應(yīng)用用進(jìn)行了了廣泛的的研究。用用于聚光光太陽能能電池方方陣的聚聚光器種種類很多多，以光光學(xué)原理理的不同同可分為為折射式式聚光器器、反射射式聚光光器、熒熒光聚光光器、熱熱光伏聚聚光器和和全息聚聚光器等等。折射射聚光器器的元件件可以是是菲涅爾爾或普通通透鏡。反反射聚光光器包括括平板、拋拋物槽、組組合拋物物面等，用用在光伏伏反射聚聚光器中中兩種