高效太阳能电池.docx
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高效太阳能电池
12
4.5
高效叠层太阳能电池总结和展望
叠层太阳能电池的设计难题在于要寻找两种晶格匹配良好的半导体晶体，
其
禁带宽度将引起高效率的能量转换。
此外，
在理想的情况下，
电池导带的最上层
应该有与底层价带大约相同的能量，
这使得顶端半导体的电子被太阳光激发后能
够很容易的从导带进入底部半导体晶格的孔（价带）
，电子在价带上又被不同波
长的太阳光激发。
这样一来，两部分的电池一起工作，像两个串连的蓄电池，并
且总功率与两个电池的功率总和相等。
但是，
如果在接合处价带和导带没有被正
确的匹配，
当电子流过时就会因为由此产生的电阻造成功率损耗。
例如，
高效率
的
GaAs/Ge
叠层电池早在
1987
年就已制备出来，结果证明由于电流不匹配而不
能应用。
可用可行性分析方法或泊松比和连续性方程设计叠层电池的电流匹配。
另外就是实际应用中叠层电池的稳定性问题。
新型叠层式染料敏化太阳能电池有光电转换效率高、
价格低、
制备工艺简单
并且易于大规模生产的特点。
解决现有太阳能电池效率低、
成本高，
制备工艺复
杂的问题。
虽然短期内，
硅类太阳能电池在市场占有主要比例，
但是在不久的将
来，随着科技的进一步发展，染料敏化叠层太阳能电池有十分广阔的应用前景。
5.
高效聚光型太阳能系统（
CPV
）前景展望
对光伏转换来说，
针对如上提到的光强和太阳能电池对太阳光的有效收集利
用问题，那么“太阳能聚光”是一个重要的研究课题。
光伏转换发电的成本主要
取决于太阳能电池的制造成本，
尤其是半导体材料的成本，
很清楚，
如果用较廉
价的聚光透镜或反射镜来代替昂贵的太阳能电池大幅减少太阳能电池元件的使
用数量，就可以大大降低成本，聚光比可以达到几百倍。
聚光太阳能电池是
[
聚光型太阳能电池
]+[
高聚光镜面菲涅尔透镜
]+[
太阳光
追踪器的组合，
利用菲涅尔透镜把太阳光聚焦到面积更小但效率更高的多结太阳
能电池上，
高精度的自动追日跟踪技术提升了系统的发电量，
显著提高太阳能电
池芯片的使用率使其太阳能能量转换效率可达
31%
～
40.7%
。
聚光型太阳能电池
主要材料是
[
砷化镓
]（GaAs）
，也就是三五族
（III-V）
材料，一般硅晶材料只能够
吸收太阳光谱中
400
～
1100nm
波长之能量，
而聚光型不同于硅晶太阳能技术，
透
13
过多接面化合物半导体可吸收较宽广之太阳光谱能量，目前以发展出三接面
InGaP/GaAs/Ge
的聚光型太阳电池可大幅提高转换效率，
三接面聚光型太阳电池
可吸收
300
～
1900nm
波长之能量相对其转换效率可大幅提升。
5.1
聚光型太阳能系统（
CPV
）原理及其构造
基本原理：
CPV
通过聚光的方式把一定面积上的光通过聚光系统会聚在一
个狭小的区域（焦斑）
，太阳能电池仅需焦斑面积的大小即可，从而大幅减少了
太阳能电池的用量。
同样条件下，倍率越高，所需太阳能电池面积越小。
高倍率
CPV
采用
GaAs
等三五族化合物电池，
CPV
系统转换效率达到
28
％，较硅基太阳
能电池和薄膜太阳能电池高出不少。
CPV
系统模组主要由太阳能电池、高聚光镜面菲涅尔透镜等光学聚光元件、
太阳光追踪器组成。
应用菲涅尔透镜的作用就是将光线从相对较大的区域面积转
换成相当小的面积上，这种透镜也被称做集光器或聚光器。
在太阳聚光领域，
菲涅尔透镜是聚光太阳能系统
（
CPV）
中重要的光学部件之
一。
太阳菲涅尔透镜聚光镜就是透镜的焦点刚好落在太阳能芯片上。
当透镜面垂
直面向太阳时，
光线将会被聚焦在电池片上，
汇聚了更多的能量，
因而需要较小
的电池片面积，大大节约了成本。
应用菲涅尔透镜能够将太阳光聚焦到入光面
1/10
至
1/1000
甚至更小的接收
面（高性能电池片）上，比传统平板光伏（
FPV）
发电效率提高
30
％以上，满足
太阳能聚光发电（
CPV）
和聚热系统（
TPV）
中高能量高温需求。
5.2
聚光型太阳能系统配置要求分析
聚光型太阳能电池可通过使用透镜将光聚集到狭小的面积上来提高发电效
率。
不过因聚光引起的温度上升会损伤太阳能电池单元及发电系统，
因此往往必
须要抑制聚光率才可以。
聚光型太阳电池假如使用聚光倍率为
1000
倍的透镜时，
单位模块的太阳能电池单元的成本可降至结晶硅类电池单元的
1/10
左右，而所
需的面积仅硅晶圆的
1/2.5
，
另外聚光型太阳能电池必须要在位于透镜焦点附近
时才能发挥功能，
因此为使模块总是朝向太阳的方位，
必须搭配使用太阳追踪系
14
统，
此设计虽然可以提高转换效率，
但却存在透镜、
聚光发热释放槽以及太阳光
追踪系统的重量及体积较大等问题，因此不适于装在日式住宅的屋顶使用。
聚光型太阳能电池的温度随聚光倍率增加而上升，进而影响电池的运作特
性，温度愈高则效率愈差。
为了改善太阳能电池的散热状况，并提升转换效率，
目前各科研院所在投入新的基板材料研发，
提出以铜作为基板的解决方案。
相较
于玻璃、
GaAs
、矽晶等材料，铜的坚定性
（firmness）
最高、成本低，也可以做到
最薄，而且热传导性最佳，可以改善太阳能电池的热稳定性。
菲涅尔透镜作为聚光光伏系统中重要的光学器件，
其性能优劣直接影响着
CPV
系统的聚光率的高低。
从光学效果上来讲，
要求有尽量高的光线透过率、
能量汇
聚率及较高的聚光倍数。
从耐候性能上来说，
因为在户外使用，
要求能抵挡外界
环境的侵蚀，以及具有较强的抗冻耐热能力，保证在户外长时间正常工作。
5.3
高效聚光太阳能电池的前景展望
不同的太阳能发电技术有不同的使用领域，
各种光伏技术将长期共存于不同
的细分市场，
CPV
技术主要应用于大规模光伏电站和太阳辐照强烈的地区。
目前
从太阳能电池产量来看，
晶硅电池仍占据主导地位，
2009
年晶硅电池占
78%
左右
的市场份额，薄膜电池
22%
的市场份额。
但随着聚光光伏技术进步和效率提升，
建设成本将不断降低，聚光太阳能系统将是太阳能发电的又一重要选择。
聚光光伏太阳能将传统的太阳能光电技术与大规模聚热太阳能发电厂结合了
起来，能够极大地强化太阳能生产。
CPV
技术通过透镜或镜面将接收到的太阳能
放大成百上千倍，
然后将放大的能量聚焦于效率极高的小光电池上，
极大程度的
提高太阳能电池的转换效率。
通过放大太阳能，
该技术有效地减少了光电池中半
导体材料的用量，降低了光伏发电的成本。
6.
高效太阳能电池总结及展望
经过如上论述从增加
p-n
结制造叠层太阳能电池拓宽吸收光谱，
最大限度地
将光能变成电能，
提高了太阳能电池的能量转换效率；
另一方面使用较廉价的聚
光透镜代替昂贵的太阳能电池大幅减少太阳能电池元件的使用数量，
就可以大大
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降低成本，显著提高太阳能电池芯片的使用率使其太阳能能量转换效率可达
31%
～
40.7%
。
这两项技术在提高太阳能电池效率同时降低电池制造成本，
为未来
太阳能发电取代传统能源奠定一定基础，指导我们将来从事和研究方向。
由于笔者能力有限，
所以在研究论述中还存在一些不足，
有些问题没能够彻
底坚决。
例如：
叠层太阳能电池的设计中未能找到最适合的两种晶格匹配良好的
半导体晶体；
聚光光伏系统需要对太阳能跟踪，
而太阳能跟踪器的精度聚光比的
增加而增加，
对太阳能电池需要一个较贵的组件、
较好的设计及低价的冷却系统
未能进行详尽阐述。
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张德
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［
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N
］
16
致
谢
本论文是在张老师的悉心指导下完成的。
老师渊博的专业知识，
严谨的治学
态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高
风范，
朴实无华、
平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅是我树立了远大的学
术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与人处事的道路。
本论文从选题到完成，
每一步都是在张老师的指导下完成了，
倾注了老师大量的
心血。
在此，谨向张老师表示崇高的敬意和衷心的感谢
!
在论文即将完成之际，
我的心情无法平静，
从开始进入课题到论文的顺利完
成，有多少可敬的师长、同学、朋友给
Whenyouareoldandgreyandfullofsleep,
Andnoddingbythefire,takedownthisbook,
Andslowlyread,anddreamofthesoftlook
Youreyeshadonce,andoftheirshadowsdeep;
Howmanylovedyourmomentsofgladgrace,
Andlovedyourbeautywithlovefalseortrue,
Butonemanlovedthepilgrimsoulinyou,
Andlovedthesorrowsofyourchangingface;
Andbendingdownbesidetheglowingbars,
Murmur,alittlesadly,howlovefled
Andpaceduponthemountainsoverhead
Andhidhisfaceamidacrowdofstars.
Thefurthestdistanceintheworld
Isnotbetweenlifeanddeath
ButwhenIstandinfrontofyou
Yetyoudon'tknowthat
Iloveyou.
Thefurthestdistanceintheworld
IsnotwhenIstandinfrontofyou
Yetyoucan'tseemylove
Butwhenundoubtedlyknowingthelovefromboth
Yetcannotbetogether.
Thefurthestdistanceintheworld
Isnotbeingapartwhilebeinginlove
ButwhenIplainlycannotresisttheyearning
Yetpretendingyouhaveneverbeeninmyheart.
Thefurthestdistanceintheworld
Isnotstrugglingagainstthetides
Butusingone'sindifferentheart
Todiganuncrossableriver
Fortheonewholovesyou.
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