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1、 39 2009 年 12 月光 源 与 照 明2009 年第 4 期提高太阳能电池效率的主要措施庾莉萍影响太阳能电池效率主要有电学损失和光学损失。光学损失主要是表面反射、遮挡损失和电池材料本身的光谱效应特性。电量转换损失来源包括载流子损失和欧姆损失。太阳光之所以有很少的百分比转换为电能，原因归结于不管是哪一种材料的太阳能电池都不能将全部的太阳光转换为电流。晶体硅太阳电池的光谱敏感最大值没有与太阳辐射的强度最大值完全重合。在光能临界值之上一个光量子只产生一个电子空穴对，余下的能量又被转换为未利用的热量。由于光的反射，阳光中的一部分不能进入电池中。随温度升高，在 P-N 结附近的厚度减少，从而电

2、池的转换效率就会下降，所以电池的转换效率在冬季要高于炎热的夏天。目前提高太阳能电池效率的措施有如下几个方面。寻找光电转换新材料研究人员发现,像氮化铟这类半导体，它的禁带比原先认为的明显要小,低于 0.7 eV。这一发现表明,以含有铟、镓和氮的合金为基础的光电池将对所有太阳光谱的辐射从近红外到紫外都灵敏。利用这种合金可以研制比较廉价的太阳能电池板,而且新型太阳能电池板将比现有的更结实和更高效。有关人员指出,用氮化铟和氮化镓双层制成的多级太阳能电池可以达到理论极限最大效率的 50%,为此,一层需要调整到 1.7 eV 的禁带,而另一层需调整到 1.1 eV 的禁带。如果能制成层数很多的太阳能电池,

3、在每层中都具有自己的禁带,则太阳能电池的最大理论效率可达到 70%以上。美国物理学家和工程师共同组成的麻省理工学院研究小组，成功地在构成太阳能电池的超薄硅薄膜的正面增加了一种增透膜，并在背面增加了由多层反射膜和衍射光栅组合成的精细结构。在硅薄膜中传输距离越长意味着光能被吸收的几率越高，被吸收的光能将促使薄膜中的自由电子形成电流。此举够让照射进薄膜的光更长时间地在薄膜内反射，以便有充足的时间让光能吸收并转换成电能，导致太阳能电池的电能输出提高了 50%。近期，科学家正在研究一种新型金属纳米颗粒材料，与传统的光学材料相比，这种物质能更好地捕获太阳光能量。这种纳米金杯状物主要在两个方向上与光线发生相

4、互作用：上下的轴向方向以及左右的横向方向。横向的作用方式更强烈，其相互作用存在强烈的散射共振。这种人造“超介质”杯状物质犹如一个三维纳米天线，比天然物质更有优势，具有很好的结构特性。这种特性能产生独特、有趣的光学效应。因此科学家们对这种物质非常感兴趣。这种物质的主要组成成分就是一些细小、杯状的纳米材料，纳米杯束可以将来自任意方向的光精确投射到一个特定的位点。根据美国俄勒冈州立大学(OregonStateUniversity)和波特兰州立大学(Portland State University)的研究人员实验证实，一种名为“硅藻”(diatom)的微小海藻有助于使染料敏化太阳能电池(dye-se

5、nsitized solarcell)的电力输出提高三倍。通过捕捉住外覆硅藻层的薄膜太阳能电池纳米小孔中的光线，这种电池可获取更多的入射光子，因而大幅提高了发电效率。在系统中，光子在硅藻外壳形成的小孔内弹跳，这可使其能源效率提升较传统系统的三倍。染料敏化太阳能电池的结构是在玻璃或塑料基底上覆盖一层二氧化钛，染料敏化吸附在二氧化钛层上形成低价的染料薄膜。电池透过吸收薄膜中的光子来发电：当染料分子吸收光子时，受到激发的分子把电子注入到钛中，并由钛使其传输到负极。太阳能电池加工工艺革新一般工业晶体硅太阳能电池的光电转换效率为14%16%,而采用新的激光加工技术能提高太阳能电池的光电转换效率。德国某研

6、究所的研究人员已经研制出一种制造太阳能电池的加工工艺,即背交叉单次蒸发(RISE)工艺。辅以激光加工技术,用该工艺制造的背接触式硅太阳能电池的光电转换效率达到22%。激光加工技术是 RISE加工程序中最关键的技术。目前,很多厂家都利用激光加工技术生产硅太阳能电池。如采用激光刻槽埋栅极技术,也就是说利用激光技术在硅表面上刻槽,然后填入金属,以起到前表面电接触栅极的作用。与标准的前表面镀敷金属层相比,这种技术的优点能减少屏蔽损耗。另外一种被称之为发射区围壁导通(emitter wrapthrough)技术。用激光在硅晶片上钻通孔,高掺杂壁将发射区前表面的电流传导到背表面的金属接触层,因而能进一步降

7、低屏蔽照明太 阳 能 40 2009 年第 4 期2009 年 12 月光 源 与 照 明损耗,提高光电转换效率。据美国“技术评论”网站报道，麻省理工学院（MIT）科学家萨克斯等，发明了一项技术，可以制备很细的银丝其直径只有太阳能电池通常使用的银丝的五分之一，而且提高了导电率。银丝越细，制造成本就越低。同普通银丝相比，细银丝可以更紧密地排列，彼此的间隔更小，这使得银丝采集电流的效率更高。再通过一套宽平的金属条来汇集细银丝传来的电流。通常，这些金属条会阻碍光线进入太阳能电池，从而使电池效率下降。但萨克斯通过蚀刻金属条表面，使其变得像多面镜一样，从而获得了与在硅板表面增加纹理一样的效果。虽然这道工

8、艺步骤会使生产成本增加，但银的用量减少了，两者可以抵消。最大功率点跟踪最 大 功 率 跟 踪(maximu power point tracking，MPPT）是并网发电中的一项重要的关键技术，是指控制改变太阳电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上，根据太阳电池的特性，目前实现的跟踪方法主要有恒压法、功率匹配电路、曲线拟合技术、微扰观察法和增量电导法。这里只介绍恒压法。因为太阳电池在不同光照条件下的最大功率点的电压相差不大，近似为恒定。这种方法的误差很大，但是容易实现，成本较低。控制器确定MPPT的最常用算法是干扰电池板的工作电压，并检测输出。算法要在 MPPT 点周围留出

9、一个足够大的振荡范围，避免当天空掠过云彩时控制器对本地电源发出错误的扰动。扰动和检测算法的效率并不高，这是由于在每个周期内输出点都会偏离 MPPT。可以采用增量感应算法作为替代，这种方法可以很好地解决由于振荡导致的低效率，但又会设定一个本地峰值而不是真实的 MPPT，从而引发其他问题。将这两种算法结合起来，可以保持增量感应算法的高效率，同时又可以以一定间隔在很大范围内扫描，避免选择本地的峰值。聚光技术使用聚光光学元件形成聚光光伏电池，极大提高光电转换效率、减小电池使用面积，同时由于小尺寸电池可以利用现有集成电路制作工艺来加工，从而使太阳能光伏发电总体成本大幅度降低。聚光是降低光伏电池利用总成本

10、的一种措施。通过聚光器使较大面积的阳光聚在一个较小的范围内形成“焦斑”或“焦带”，并将光伏电池置于“焦斑”或“焦带”上，以增加光强，克服太阳辐射能密度低的缺陷，获得更多的电能输出。未来的发电模式应该是“价廉物美的聚光光学元件+高转化效率光伏电池”。进入 90 年代后，聚光光伏发电系统开始慢慢被商业应用，并形成了一些有影响力的公司。美国某公司研发的集成高效率聚光硅光伏电池发电系统(IHCPV)，已经应用到很多场所。该系统的核心技术是：10 mm点接触绒面硅光伏电池的光电转换效率高达 2527；所使用的聚光式菲涅耳透镜由普通丙烯酸塑料模压制成，制造简单，价格便宜。因此，集成高聚光光伏技术是现有实用

11、的各种光伏技术中发电成本最低的一种。德国某公司于 2008 年进行聚光光伏系统模型试验，其聚光系统采用的是 FLATCON 聚光模块，实质上就是由玻璃注塑成型的菲涅尔透镜，聚光比为 500，采用了电路板工艺和绝缘玻璃技术，使成本效益相对合算并且多年内系统仍可保持性能稳定可靠，示范模型的效率高于 27。上海市照明学会学术报告会上海市照明学会学术委员会于2009 年12月10 日在科学会堂举办了学术报告，约有 50 余人参加会议。会议由学术委员会专家、复旦大学朱绍龙教授主持，邀请了复旦大学资深专家教授向会员们作学术交流报告。首先由多年来从事等离子体物理研究工作的复旦大学光源与照明工程系、电光源研究所所长梁荣庆教授作了LED 固体照明现状与未来的报告；其次由复旦大学电光源研究所副教授孙耀杰博士作了题为LED 驱动相关技术讨论的报告；最后由复旦大学电光源研究所张善端教授作 准分子紫外光源的特性、应用和研究开发的报告。这次会议为照明学会会员搭建了学术交流平台，使会员们及时掌握当前科研动态，充电更新理论知识，与会代表对这次学术交流活动给予了高度的评价。编辑部