1、空間電池和聚光電池,概述,各代太陽(yáng)能技術(shù)簡(jiǎn)介 空間電池 GaInP2/GaAs/Ge級(jí)聯(lián)電池 聚光電池 聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的組成部件 聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)意義,各代太陽(yáng)能電池介紹,單晶硅太陽(yáng)能電池,多晶硅太陽(yáng)能電池,第一代太陽(yáng)電池,第二代太陽(yáng)電池,非晶硅薄膜、銅銦錫(CIGS)、碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)能電池,第三代太陽(yáng)能電池,硅響應(yīng)部分,多結(jié)化合物半導(dǎo)體光伏電池（MTJ光伏電池） 采用三個(gè)不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成PN結(jié)： 每個(gè)PN結(jié)具有不同的禁帶寬度 頂電池 1.9 eV 中電池 1.4 eV 底電池 0.7 eV 不同的電池吸收太陽(yáng)光譜中不同的部分,從而提高整個(gè)電池的轉(zhuǎn)換效率,中國(guó)太陽(yáng)能資源,

2、1平方公里土地所接受的太陽(yáng)能功率 約為 10億瓦特 = 1座核電站,P型晶體硅經(jīng)過(guò)摻雜磷可得N型硅，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處就會(huì)形成一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)光線照射太陽(yáng)電池表面時(shí)，在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過(guò)程的的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程，其原理如圖所示。,太陽(yáng)能電池發(fā)電原理,空間太陽(yáng)能電池的發(fā)展 1958年3月，美國(guó)的先鋒1號(hào)“Vanguard”衛(wèi)星上首次安裝了太陽(yáng)電池帆板進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)。在隨后的25年中，幾乎所有衛(wèi)星都是由單晶硅太陽(yáng)電池供電，電池的光電轉(zhuǎn)換效率從5%提高到了18%。 直到1983年

3、，GaAs電池才首次在航天器上使用。,理想太陽(yáng)能電池材料需要具備： 能帶在1.1eV1.7eV之間(對(duì)應(yīng)光波長(zhǎng)范圍0.731.13m) 直接能帶半導(dǎo)體 組成材料無(wú)毒性 可利用薄膜沉積技術(shù)且可大面積制備 有良好的光電轉(zhuǎn)換效率 具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性,GaAs材料的主要特點(diǎn)： 帶隙寬度為1.42eV（300K） 帶隙寬度與太陽(yáng)光譜匹配 耐高溫性能好 抗輻照性能強(qiáng) 多結(jié)疊層太陽(yáng)電池的材料 光吸收系數(shù)高,GaInP2/GaAs/Ge級(jí)聯(lián)電池,GaInP2/GaAs級(jí)聯(lián)電池是1985年以后才興起的一種空間用高效電池，GalnP2/GaAs/Ge級(jí)聯(lián)電池則是以鍺單晶為襯底，兼顧GaInP2/GaAs電池和GaAs

4、/Ge電池的優(yōu)點(diǎn)。 SpeetrolabInC.的P.K.ehiang從1990年開(kāi)始研制GaInP2 /GaAs/Ge 多結(jié)級(jí)聯(lián)電池，到1993年有了突破。他們?cè)?.62cm2的Ge襯底上用MOCVD技術(shù)制備了效率為23.3%，Voc=2.572mV的電池，且均勻性非常好。,ASEC在這方面也取得了很好成績(jī)，他們已制得效率為21.3%的電池，在三顆衛(wèi)星上使用: (i)NASA SSTI“Clerk”和“Lervis”(1996年發(fā)射)，其中“Clerk”準(zhǔn)備安裝0.5m2面積的GaInP2 /GaAs/Ge電池和21m2面積的GaAs電池，總功率83W。 (ii)NASA TRACE(199

5、8年發(fā)射)。 (iii)Phillips Lab Mightsat(1996年發(fā)射)，6塊板，108個(gè)4cm2面積的GaInP2 /GaAs/Ge雙結(jié)電池(效率為21.5%)。,GaInP2 /GaAs/Ge電池結(jié)構(gòu)圖,BSF層的作用,(a)加速光生少子輸運(yùn)，增加光電流 (b)由于少子復(fù)合下降而減少了暗電流，背電場(chǎng)可把向背表面運(yùn)動(dòng)的光生少子反射回去重新被收集 (C)增加開(kāi)路電壓 (d)改善金屬半導(dǎo)體接觸，減小串聯(lián)電阻，整個(gè)電池的填充因子也得到改善。,GaInP2/GaAs/Ge級(jí)聯(lián)電池結(jié)構(gòu)的MOCVD生長(zhǎng),MOCVD裝置示意圖,GaAs/Ge底電池結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)研究,在N2氣氛下裝入反應(yīng)室，抽真空

6、充H2交換6次準(zhǔn)備生長(zhǎng)。在外延生長(zhǎng)開(kāi)始前，先對(duì)Ge單晶進(jìn)行預(yù)處理，去除表面尚存的氧化層，在高溫700 下燒H2，同時(shí)通入AsH3，10分鐘后，降溫到過(guò)渡層生長(zhǎng)溫度為400-450 ，生長(zhǎng)完過(guò)渡層，升溫到被表面電場(chǎng)(BSF)層和基區(qū)的生長(zhǎng)溫度600，生長(zhǎng)GaAs的BSF層和基區(qū)，然后生長(zhǎng)GaAs發(fā)射區(qū)和AlGaAs窗口層，最后生長(zhǎng)GaAs帽子層。,隧道結(jié)的生長(zhǎng)研究,GaAs隧道結(jié)單層摻雜生長(zhǎng)溫度500一600，石墨襯底托旋轉(zhuǎn)速度100轉(zhuǎn)/分鐘。因?yàn)镚alnP2/GaAs/Ge級(jí)聯(lián)電池隧道結(jié)的厚度在15-20nm之間，故采用低速生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率約5nm/min。,頂電池的生長(zhǎng)研究,GaInP2作為一

7、種重要的寬帶半導(dǎo)體材料，一方面作為發(fā)光材料應(yīng)用在發(fā)光二極管(LED)和激光器上，另一方面又成為多結(jié)級(jí)聯(lián)電池較為理想的窗口層和頂電池材料。我們采用自制的低壓MOCVD設(shè)備，以TMG，TMI和PH3為源，以通過(guò)把管提純的H2作為載氣，以Ge單晶為襯底進(jìn)行GalnP2的外延生長(zhǎng)，襯底托盤(pán)轉(zhuǎn)速80一120轉(zhuǎn)/分。,NREL公司GaInP2/GaAs雙結(jié)太陽(yáng)能電池,NREL公司改進(jìn)型GaInP2/GaAs雙結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)參數(shù),GaInP2/GaAs雙結(jié)太陽(yáng)能電池,太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)的引入,目前應(yīng)用于地面發(fā)電系統(tǒng)的GaAs基太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)大多都采用聚光系統(tǒng)，聚光型太陽(yáng)能 (Concentration pho

8、tovoltaic，簡(jiǎn)稱CPV)技術(shù)通過(guò)透鏡或鏡面將接收到的太陽(yáng)能放大成百上千倍，然后將放大的能量聚焦于效率極高的小光電池上。,CPV系統(tǒng)實(shí)物圖(左)及CPV系統(tǒng)原理圖(右),聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)組成,聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的組成部件, 電池片 砷化鎵(GaAs)的發(fā)展?jié)摿?砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比，它具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。因此，廣泛應(yīng)用于高頻及無(wú)線通訊中制做IC器件。, 聚光器 聚光器組件的作用是提高太陽(yáng)能電池表面的入射光輻射強(qiáng)度，從而提高單位面積太陽(yáng)能電池的輸出功率。,聚光器原理 費(fèi)涅爾透鏡是一種折射式聚光器，它

9、是由平凸透鏡演變而來(lái)的。從圖(a)可知，當(dāng)太陽(yáng)光垂直平凸透鏡時(shí)，第一個(gè)界面(平面)不改變光的傳播方向，第二個(gè)界面(曲面)才會(huì)改變光的方向，使入射光會(huì)聚。把平凸透鏡的曲面分成許多個(gè)小單元，由于每個(gè)小單元可近十地看作為平面(如圖(b)，這樣圖中畫(huà)有陰影線的部分變成了直角小棱鏡。把許許多多直角小棱鏡平版化(在一塊平板上加工制成)，便構(gòu)成了費(fèi)涅爾透鏡(也稱平板透鏡)，見(jiàn)圖(c)。,費(fèi)涅爾透鏡演化示意圖,（三）散熱器 散熱裝置主要作用是為太陽(yáng)能電池降溫，太陽(yáng)能電池的最佳工作溫度是在25左右，而聚光器在提高光強(qiáng)的同時(shí)由于能流密度增大也使太陽(yáng)能電池表面的溫度升高了很多。 具體以硅太陽(yáng)能電池為例，溫度每升高1

10、其輸出功率下降0.35%0.45%。,（四）跟蹤器 追蹤裝置的主要作用是保證太陽(yáng)電池組件表面與入射陽(yáng)光垂直，延長(zhǎng)太陽(yáng)能電池組件的直接輻照時(shí)間，提高其單位時(shí)間發(fā)電量。追蹤裝置能保證聚光電池工作于最佳狀態(tài)。,世界聚光太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率,CPV 發(fā)電系統(tǒng)集成,接收器,模組,發(fā)電系統(tǒng),CPV 成本趨勢(shì),隨著聚光技術(shù)的成熟和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?CPV成本將低于硅基和薄膜太陽(yáng)能技術(shù)，在2012年達(dá)到或接近平價(jià)上網(wǎng)的水平,26,聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)意義 在各國(guó)政府的大力支持下,以及光伏市場(chǎng)的需求和聚光光伏技術(shù)迅猛提高的趨勢(shì)下,高效、低廉、可靠、穩(wěn)定的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化。在只要我們抓住有利時(shí)機(jī),瞄準(zhǔn)國(guó)際光伏電池新材料及器件研究的前沿,積極引進(jìn)和開(kāi)發(fā)成熟砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，就能在聚光光伏技術(shù)及應(yīng)用方面取得原創(chuàng)性的、突破性的進(jìn)展。,參考文獻(xiàn) 1.劉祖明，涂潔磊等.中國(guó)第六屆光伏會(huì)議文集，2000.266一268. 2.陳哲良.太陽(yáng)能光電技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及前景(摘錄)，物理電源信息，1999(3)1一3 3.太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)及其在我國(guó)的發(fā)展前景分析(httP:刀 4.王永東、崔容強(qiáng)等.空間太陽(yáng)電