太陽能電池畢業(yè)論文

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1、南昌大學 畢 業(yè) 論 文 題 目： 高效太陽能電池前景展望 專 業(yè)： 光伏材料加工與應用技術(shù) 班 級： 自　　　考 準考證號： 056910100158 學生姓名： 郝 瑞 平 院 　系：江西太陽能科技職業(yè)學院光伏材料系 指導教師： 張 培 明 日 期： 2012年4月11日

2、 摘 要 為了應對能源危機和環(huán)境污染，新能源已是全球關注的焦點，太陽能因其清潔環(huán)保尤其備受關注。近幾年太陽能電池產(chǎn)業(yè)以平均年增長率為30%的速度飛速發(fā)展。擺在人們面前的課題是如何進一步提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本使太陽能電池的成本降低到與常規(guī)能源發(fā)電相當?shù)乃?。近幾年，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)以倍增速度快速發(fā)展，一舉成為全球最大的太陽能電池生產(chǎn)國。然而就目前我國的太陽能應用市場發(fā)展明顯滯后國外，影響太陽能電池推廣應用除了政策的原因外，主要是因為它的成本太高。因此，進一步降低制造成本是太陽能電池得以大規(guī)模應用的關鍵。業(yè)內(nèi)人士表示，提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是降低成本的有效途徑之一

3、，據(jù)了解，轉(zhuǎn)換效率提高1%，成本會降低7%。 綜上所訴提高太陽能電池效率是光伏行業(yè)迅速取代傳統(tǒng)能源的必勝法寶，因此本文從太陽能電池的種類、制造工藝、光伏發(fā)電中能量損失分析提升效率途徑和將來的發(fā)展方向。也從材料的微觀結(jié)構(gòu)入手論述了材料的光生載流子復合壽命、p-n結(jié)數(shù)目、溫度和光強等因素對光生伏特效應的影響，從而為提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率提供可行的理論依據(jù)。 本文根據(jù)對近幾年光伏材料的發(fā)展和重要性作出分析和研究，并對高效太陽能電池的主要發(fā)展方向進行研究，指導我們將來在研究中應從事的方向。 關鍵詞：太陽能電池 高效電池 轉(zhuǎn)換效率 疊層電池 聚光太陽能電池

4、 緒 論 2 1.晶體硅太陽能電池的發(fā)展及其前景展望 3 2.太陽能電池分類介紹及其應用現(xiàn)狀 4 2.1硅太陽電池 4 2.2多元化合物薄膜太陽能電池 4 2.3聚合物多層修飾電極型太陽能電池 4 2.4納米晶體太陽能電池 5 2.5有機太陽能電池 5 3.制約高效太陽能電池發(fā)展的因素 5 3.1光伏發(fā)電中的能量損失分析 5 3.2 影響太陽能電池效率的因素 6 3.3結(jié) 論 7 4.高效疊層太陽能電池的前景展望 8 4.1疊層太陽能電池優(yōu)勢介紹 8 4.2疊層太陽能電池的原理 8 4.3制備方法 9 4.4疊層太陽能電池

5、分類介紹 9 4.4.1多元化合物層疊太陽能電池 9 4.4.2非晶硅層疊太陽能電池 9 4.4.3染料敏化層疊太陽能電池 10 4.5高效疊層太陽能電池總結(jié)和展望 10 5. 高效聚光型太陽能系統(tǒng)（CPV）前景展望 11 5.1聚光型太陽能系統(tǒng)（CPV）原理及其構(gòu)造 11 5.2聚光型太陽能系統(tǒng)配置要求分析 12 5.3高效聚光太陽能電池的前景展望 12 6.高效太陽能電池總結(jié)及展望 13 參考文獻 14 致 謝 15 緒 論 人類社會進入21世紀，正面臨著化石燃料短缺和生態(tài)環(huán)境污染的嚴重局面。大力

6、發(fā)展可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展的道路，已逐漸成為人們的共識。根據(jù)世界能源發(fā)展的走勢預測，石油，天然氣和煤炭等化石燃料資源的開采峰值在2020年--2030年之間，據(jù)樂觀估計石油還可開采40--100年、煤炭可使用200--500年、鈾還可開采65年左右、天然氣能滿足58年的需求。 人們對安全、清潔、高效能源的需求日益增加。為此，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”開發(fā)太陽能資源尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。我國76%的國土光照充沛，光能資源分布較為均勻，與水電、風電、核電等相比太陽能發(fā)電沒有任何排放和噪聲，應用技術(shù)成熟，安全可靠。 作為清潔能源的太陽能其發(fā)展瓶頸就是如何降低成本提高效率，為了提高太陽

7、能的轉(zhuǎn)換效率，滿足人類的能源供應，世界各國在研究太陽能光伏系統(tǒng)中都投入了大量的人力與物力。我國對太陽能光伏發(fā)電的研究尚處于世界初級水平，產(chǎn)品的性能還有待提高，為迎接未來能源短缺帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，我們應該加大對太陽能光伏系統(tǒng)的研究，以滿足人類未來對能源的需求。 本文從理論出發(fā)，闡述了太陽能光伏電池的發(fā)電原理及其分類，通過分析影響太陽能電池效率各因素結(jié)合科研實際，簡單闡提高述硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的有效途徑。對未來太陽能電池發(fā)展方向進行分析展望，為將來太陽能電池產(chǎn)業(yè)化大眾化奠定基礎。 1.晶體硅太陽能電池的發(fā)展及其前景展望 晶體硅太陽能電池的發(fā)展

8、可劃分為三個階段（如圖1所示），每一階段效率的提升都是因為新技術(shù)的引入。 圖1電池效率發(fā)展路程圖 1954年貝爾實驗室Chapin等人開發(fā)出效率為6%的單晶硅太陽能電池到1960年為第一發(fā)展階段，導致效率提升的主要技術(shù)是硅材料的制備工藝日趨完善、硅材料的質(zhì)量不斷提高使得電池效率穩(wěn)步上升，這一期間電池效率在15%。1972年到1985年是第二個發(fā)展階段，背電場電池（BSF）技術(shù)、“淺結(jié)”結(jié)構(gòu)、絨面技術(shù)、密柵金屬化是這一階段的代表技術(shù)，電池效率提高到17%，電池成本大幅度下降。1985年后是電池發(fā)展的第三階段，光伏科學家探索了各種各樣的電池新技術(shù)、金屬化材料和結(jié)構(gòu)來改進電池性能提高

9、其光電轉(zhuǎn)換效率，表面與體鈍化技術(shù)、Al/P吸雜技術(shù)、選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)等。許多新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的電池在此階段相繼出現(xiàn)，如效率達24.4%鈍化發(fā)射極和背面點接觸（PERL）電池。目前相當多的技術(shù)、材料和設備正在逐漸突破實驗室的限制而應用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)當中來。 　 太陽能光伏發(fā)電在不遠的將來會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30％以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應中的占比也將達到10％以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50％以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20％以上；到21世

10、紀末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80％以上，太陽能發(fā)電將占到60％以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領域重要的戰(zhàn)略地位。由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊。 2.太陽能電池分類介紹及其應用現(xiàn)狀 太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶體太陽能電池、有機太陽能電池，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的在應用中居主導地位。 2.1硅太陽電池 太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，

11、規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%。在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，但是唯一缺點是單晶硅成本價格較高。 多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電池市場上占據(jù)主導地位。 非晶硅薄膜太陽能電池成本低，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。 2.2多元化合物薄膜太陽能電池 　　多元化合物

12、薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。 2.3聚合物多層修飾電極型太陽能電池 　 以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實用意義的產(chǎn)品，還有待于進一步研究探索。 2.4納米晶體太陽能電池 　 納米晶體化學能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的

13、性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能達到20年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。 2.5有機太陽能電池 　 有機太陽能電池是由有機材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。大家對有機太陽能電池不熟悉，這是情理中的事。如今產(chǎn)業(yè)化的太陽能電池里，95％以上是硅基的，而剩下的不到5％也是由其它無機材料制成的。所以有機材料電池尚處于研究階段。 3.制約高效太陽能電池發(fā)展的因素 現(xiàn)在光伏市場快速增長，光伏行業(yè)前途變得更加明朗，因此更多的注意電池制造的整體經(jīng)濟性變得更加重要。眾所周知，制約太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的因素有好多，

14、本節(jié)就從如下幾個方面淺談影響太陽能光伏效應效率的因素以及太陽能發(fā)電中能量損失分析，概括總結(jié)以便于接下來進一步研究高效太陽能電池的前景展望方向。 3.1光伏發(fā)電中的能量損失分析 光可分為不同波長，由于射到電池的光的光子能量范圍很廣，因此有些光子沒有足夠的能量來形成電子空穴對，它們只是穿過電池，但其他一些光子的能量卻很強。只有達到一定的能量——單位為電子伏特（eV），由電池材料（對于晶體硅，約為1.1eV）決定——才能使電子逸出。我們將這個能量值稱為材料的帶隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，則多余的能量會損失掉（除非光子的能量是所需能量的兩倍，并且可以創(chuàng)建多組電子空穴對，但這種效應并不重要

15、）。僅這兩種效應就會造成電池中70%左右的輻射能損失。為何我們不選擇一種帶隙很低的材料，以便利用更多的光子？遺憾的是，帶隙還決定了電場強度（電壓），如果帶隙過低，那么在增大電流（通過吸收更多電子）的同時，也會損失一定的電壓。請記住，功率是電壓和電流的乘積。最優(yōu)帶隙能量必須能平衡這兩種效應，對于由單一材料制成的電池，這個值約為1.4ev。 此外還有其他能量損失。電子必須通過外部電路從電池的一側(cè)流到另一側(cè)。我們可以在電池底部鍍上一層金屬，以保證良好的導電性。但如果我們將電池頂部完全鍍上金屬，光子將無法穿過不透光導體，這樣就會喪失所有電流（在某些電池中，只有上表面而非所有位置使用了透明導體）。如

16、果我們只在電池的兩側(cè)設置觸點，則電子需要經(jīng)過很長一段距離（對于電子而言）才能抵達接觸點。要知道，硅是半導體，它傳輸電流的性能沒有金屬那么好。它的內(nèi)部電阻（稱為串聯(lián)電阻）相當高，而高電阻意味著高損耗。為了最大限度地降低這些損耗，電池上覆有金屬接觸網(wǎng)，它可縮短電子移動的距離，同時只覆蓋電池表面的一小部分。即使是這樣，有些光子也會被網(wǎng)格阻止，網(wǎng)格不能太小，否則它自身的電阻就會過高。 3.2 影響太陽能電池效率的因素 (1)材料能帶寬度 開路電壓Voc隨能帶寬度eg的增大而增大，但另一方面，短路電流密度jsc隨能帶寬度eg的增大而減小。結(jié)果是可期望在某一個確定的eg處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。

17、 (2)溫度 隨溫度的增加，效率η下降。isc對溫度t很敏感，溫度還對voc起主要作用。對于si，溫度每增加1℃，voc下降室溫值的0.4％，η也因而降低約同樣的百分數(shù)。例如，一個硅電池在20℃時的效率為20％，當溫度升到120℃時，效率僅為12％。又如gaas電池，溫度每升高1℃，Voc降低1.7mv或降低0.2％。即溫度高了，電池的開路電壓與電流都會降低，即電池的轉(zhuǎn)換效率會降低。 (3)光生載流子復合壽命 對于太陽電池的半導體而言，光生載流子的復合壽命越長，短路電流Isc會越大。在間接帶隙半導體材料如si中，距離p-n結(jié)100μm處也能產(chǎn)生相當多的載流子，如果這些位置的光生

18、載流子壽命能大于lμs，就可以被p-n結(jié)收集，從而輸送到外電路。載流子的長壽命也會減小暗電流并增大voc。達到長壽命的關鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過程中，要避免形成復合中心。 (4)光強 將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。設想光強被濃縮了x倍，單位電池面積的輸入功率和isc都將增加x倍，同時voc也隨著增加(kt／q)lnx倍。因而輸出功率的增加將大大超過x倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了。 (5)金屬柵線和光反射 在前表面上的金屬柵線不能透過陽光，為了使isc最大，金屬柵線占有的面積應最小。為了使rs減小，一般是使金屬柵線做成又密又細

19、的形狀。因為有太陽光反射的存在，不是全部光線都能進入硅中。 (6)增加p-n結(jié)數(shù)目 　　開路電壓V0隨反向飽和電流I0的減小而增大，而Eg的增大使I0迅速減小，所以V0隨Eg的增加而增加。Eg的增加，太陽光中能量大于Eg的光子數(shù)減少，所以閉路電流Is減小，則一定存在著一個最佳的Eg使得能量轉(zhuǎn)換效率最高。 　　增加p-n結(jié)數(shù)目相當于電池的串聯(lián)，多層p-n結(jié)電池各層材料應使其各自不同的禁帶寬度匹配可見光中不同的頻段，增大了電池對光子的響應范圍，形成更多的電子空穴對，增加了電池效率。 3.3結(jié) 論 經(jīng)過以上所述分析，通過改善如下幾個途徑可以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

20、（1）增加p-n結(jié)數(shù)目、將太陽光聚焦于太陽電池均有助于提高電池效率。 （2）金屬柵線和光反射、溫度、光生載流子復合壽命、材料能帶寬度等各項技術(shù)合理控制可以提高太陽能電池的效率。 接下來我們主要從增加p-n結(jié)數(shù)和將太陽光聚焦于太陽電池這兩個方面來對高效太陽能電池發(fā)展進行分析展望，以便指導未來高效太陽能電池研究工作方向。 4.高效疊層太陽能電池的前景展望 如上所訴影響高效太陽能電池的發(fā)展的因素有好多，但是如果單一的改善金屬柵線減少光反射、光生載流子復合壽命等因素提高效率潛力有限，故而目前單結(jié)太陽能電池效率有限。要使效率實質(zhì)的改進，需要有突破，為此我們研究了兩結(jié)和三結(jié)疊層結(jié)構(gòu)，即將具有不同光

21、吸收特性的多個電池疊在一起。這一方法可以在現(xiàn)有材料和工藝條件下過的更好的特性。多層結(jié)構(gòu)的有點在于：1）有可能在很寬的光譜范圍分別吸收光，能更有效地利用光；2）有可能得到更高的開路電壓；3）有可能在某種程度上抑制由在用非晶硅基材料時觀察到的光退化現(xiàn)象引起的電池性能的衰退。 4.1疊層太陽能電池優(yōu)勢介紹 一種提高效率的方法是使用兩層或者多層具有不同帶隙的不同材料。帶隙較高的材料放在表面，吸收較高能量的光子；而帶隙較低的材料放在下方，吸收較低能量的光子。這項技術(shù)可大大提高效率。疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)可以拓寬吸收光譜，最大限度地將光能變成電能，提高了太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，這類太陽能電池是目前研究的

22、熱點。　 4.2疊層太陽能電池的原理 　　由于太陽光光譜的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導體材料都只能吸收其中能量比其禁帶寬度值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能；而高能光子超出禁帶寬度寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負載，變成有效電能。因此對于單結(jié)太陽能電池，即使是晶體材料制成的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般也只有25%左右。 太陽光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按禁帶寬度從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光

23、被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進去讓較窄禁帶寬度材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣結(jié)構(gòu)的電池就是疊層太陽能電池。 4.3制備方法 　　疊層太陽能電池可以通過機械堆疊法來制備，先制備出兩個獨立的太陽能電池，一個是高帶寬的，一個則是低帶寬的，然后把高帶寬的堆疊在低帶寬的電池上面。黃素梅、孫卓等發(fā)明了一種高效疊層太陽能電池的制備方法，頂層和底層共用同一塊玻璃基板，從頂層太陽電池引出一對電極，同時從底層太陽電池引出另一對電極，構(gòu)成4個終端結(jié)構(gòu)的疊層太陽能電池。實現(xiàn)對太陽能電池的最佳匹配，極大地提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，提高太陽能電池的質(zhì)量和性能。 4.4

24、疊層太陽能電池分類介紹 4.4.1多元化合物層疊太陽能電池 多元化合物太陽能電池指不是用單一元素半導體材料制成的太陽能電池?，F(xiàn)在各國研究的多元化合物太陽能電池品種繁多，但絕大多數(shù)尚未工業(yè)化生產(chǎn)。半導體化合物GaAs，CdTe，Cu(In, Ga)Se2(CIGS)的禁帶寬度接近于光伏電池所要求的最佳禁帶寬度，它們具有高的光電轉(zhuǎn)化效率，又有較低的制作成本，可以用來制造薄膜疊層太陽能電池。 4.4.2非晶硅層疊太陽能電池 在硅系列電池中，非晶硅（a-Si）對陽光的吸收系數(shù)最高，活性層只需要1μm 厚，材料的需求大大減少。但是也有不少缺點：隨光照時間增加效率反而衰退；禁帶寬度為1.7 eV，

25、對長波區(qū)域不敏感。研究證實，疊層太陽能電池可有效提高非晶硅的穩(wěn)定性，使室外陽光下照射1年的效率衰退率從單結(jié)的25%--35%下降到20%以下。 4.4.3染料敏化層疊太陽能電池 染料敏化疊層太陽能電池由兩個光電池組成，前面的電池吸收太陽光中的高能紫外和藍光，利用納米晶金屬氧化物薄膜來產(chǎn)生電子--空穴對。波長在綠光到紅光之間的光被Grtzel 敏化二氧化鈦電池吸收， 這兩個電池連接起來提供電壓。染料敏化太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率主要與敏化劑吸收太陽光譜的能力有關，為了提高光譜效應，在電池的兩個不同層上用不同的敏化劑染料。 疊層式染料敏化太陽能電池其特征在于，頂部的電池與底部的電池的光陽極分別

26、吸附具有相同結(jié)構(gòu)或不同結(jié)構(gòu)，不同光譜響應范圍且有互補性質(zhì)的染料；兩個太陽能電池的光陽極結(jié)構(gòu)為在基板上載有一層導電膜和半導體薄膜及染料，對向電極為帶有導電性的基板，在兩個電極之間介入電解質(zhì)。 4.5高效疊層太陽能電池總結(jié)和展望 　　疊層太陽能電池的設計難題在于要尋找兩種晶格匹配良好的半導體晶體，其禁帶寬度將引起高效率的能量轉(zhuǎn)換。此外，在理想的情況下，電池導帶的最上層應該有與底層價帶大約相同的能量，這使得頂端半導體的電子被太陽光激發(fā)后能夠很容易的從導帶進入底部半導體晶格的孔（價帶），電子在價帶上又被不同波長的太陽光激發(fā)。這樣一來，兩部分的電池一起工作，像兩個串連的蓄電池，并且總功率與兩個電池的

27、功率總和相等。但是，如果在接合處價帶和導帶沒有被正確的匹配，當電子流過時就會因為由此產(chǎn)生的電阻造成功率損耗。例如，高效率的GaAs/Ge疊層電池早在1987年就已制備出來，結(jié)果證明由于電流不匹配而不能應用?？捎每尚行苑治龇椒ɑ虿此杀群瓦B續(xù)性方程設計疊層電池的電流匹配。另外就是實際應用中疊層電池的穩(wěn)定性問題。 　　新型疊層式染料敏化太陽能電池有光電轉(zhuǎn)換效率高、價格低、制備工藝簡單并且易于大規(guī)模生產(chǎn)的特點。解決現(xiàn)有太陽能電池效率低、成本高，制備工藝復雜的問題。雖然短期內(nèi)，硅類太陽能電池在市場占有主要比例，但是在不久的將來，隨著科技的進一步發(fā)展，染料敏化疊層太陽能電池有十分廣闊的應用前景。 5.

28、 高效聚光型太陽能系統(tǒng)（CPV）前景展望 對光伏轉(zhuǎn)換來說，針對如上提到的光強和太陽能電池對太陽光的有效收集利用問題，那么“太陽能聚光”是一個重要的研究課題。光伏轉(zhuǎn)換發(fā)電的成本主要取決于太陽能電池的制造成本，尤其是半導體材料的成本，很清楚，如果用較廉價的聚光透鏡或反射鏡來代替昂貴的太陽能電池大幅減少太陽能電池元件的使用數(shù)量，就可以大大降低成本，聚光比可以達到幾百倍。 聚光太陽能電池是[聚光型太陽能電池]+[高聚光鏡面菲涅爾透鏡]+[太陽光追蹤器的組合，利用菲涅爾透鏡把太陽光聚焦到面積更小但效率更高的多結(jié)太陽能電池上，高精度的自動追日跟蹤技術(shù)提升了系統(tǒng)的發(fā)電量，顯著提高太陽能電池芯片的使用率使

29、其太陽能能量轉(zhuǎn)換效率可達31%～40.7%。聚光型太陽能電池主要材料是[砷化鎵](GaAs)，也就是三五族(III-V)材料，一般硅晶材料只能夠吸收太陽光譜中400～1100nm波長之能量，而聚光型不同于硅晶太陽能技術(shù)，透過多接面化合物半導體可吸收較寬廣之太陽光譜能量，目前以發(fā)展出三接面InGaP/GaAs/Ge的聚光型太陽電池可大幅提高轉(zhuǎn)換效率，三接面聚光型太陽電池可吸收300～1900nm波長之能量相對其轉(zhuǎn)換效率可大幅提升。 5.1聚光型太陽能系統(tǒng)（CPV）原理及其構(gòu)造 基本原理： CPV通過聚光的方式把一定面積上的光通過聚光系統(tǒng)會聚在一個狹小的區(qū)域（焦斑），太陽能電池僅需焦斑面積

30、的大小即可，從而大幅減少了太陽能電池的用量。同樣條件下，倍率越高，所需太陽能電池面積越小。高倍率CPV采用GaAs等三五族化合物電池，CPV系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達到28％，較硅基太陽能電池和薄膜太陽能電池高出不少。 CPV 系統(tǒng)模組主要由太陽能電池、高聚光鏡面菲涅爾透鏡等光學聚光元件、太陽光追蹤器組成。應用菲涅爾透鏡的作用就是將光線從相對較大的區(qū)域面積轉(zhuǎn)換成相當小的面積上，這種透鏡也被稱做集光器或聚光器。 在太陽聚光領域，菲涅爾透鏡是聚光太陽能系統(tǒng)（CPV)中重要的光學部件之一。太陽菲涅爾透鏡聚光鏡就是透鏡的焦點剛好落在太陽能芯片上。當透鏡面垂直面向太陽時，光線將會被聚焦在電池片上，匯聚了更多的能

31、量，因而需要較小的電池片面積，大大節(jié)約了成本。 應用菲涅爾透鏡能夠?qū)⑻柟饩劢沟饺牍饷?/10至1/1000甚至更小的接收面（高性能電池片）上，比傳統(tǒng)平板光伏（FPV)發(fā)電效率提高30％以上，滿足太陽能聚光發(fā)電（CPV)和聚熱系統(tǒng)（TPV)中高能量高溫需求。 5.2聚光型太陽能系統(tǒng)配置要求分析 聚光型太陽能電池可通過使用透鏡將光聚集到狹小的面積上來提高發(fā)電效率。不過因聚光引起的溫度上升會損傷太陽能電池單元及發(fā)電系統(tǒng)，因此往往必須要抑制聚光率才可以。聚光型太陽電池假如使用聚光倍率為1000倍的透鏡時，單位模塊的太陽能電池單元的成本可降至結(jié)晶硅類電池單元的1/10左右，而所需的面積僅硅晶圓的

32、1/2.5，另外聚光型太陽能電池必須要在位于透鏡焦點附近時才能發(fā)揮功能，因此為使模塊總是朝向太陽的方位，必須搭配使用太陽追蹤系統(tǒng)，此設計雖然可以提高轉(zhuǎn)換效率，但卻存在透鏡、聚光發(fā)熱釋放槽以及太陽光追蹤系統(tǒng)的重量及體積較大等問題，因此不適于裝在日式住宅的屋頂使用。 聚光型太陽能電池的溫度隨聚光倍率增加而上升，進而影響電池的運作特性，溫度愈高則效率愈差。為了改善太陽能電池的散熱狀況，并提升轉(zhuǎn)換效率，目前各科研院所在投入新的基板材料研發(fā)，提出以銅作為基板的解決方案。相較于玻璃、GaAs、矽晶等材料，銅的堅定性(firmness)最高、成本低，也可以做到最薄，而且熱傳導性最佳，可以改善太陽能電池的熱

33、穩(wěn)定性。 菲涅爾透鏡作為聚光光伏系統(tǒng)中重要的光學器件，其性能優(yōu)劣直接影響著CPV系統(tǒng)的聚光率的高低。從光學效果上來講，要求有盡量高的光線透過率、能量匯聚率及較高的聚光倍數(shù)。從耐候性能上來說，因為在戶外使用，要求能抵擋外界環(huán)境的侵蝕，以及具有較強的抗凍耐熱能力，保證在戶外長時間正常工作。 5.3高效聚光太陽能電池的前景展望 不同的太陽能發(fā)電技術(shù)有不同的使用領域，各種光伏技術(shù)將長期共存于不同的細分市場，CPV技術(shù)主要應用于大規(guī)模光伏電站和太陽輻照強烈的地區(qū)。目前從太陽能電池產(chǎn)量來看，晶硅電池仍占據(jù)主導地位，2009年晶硅電池占78%左右的市場份額，薄膜電池22%的市場份額。但隨著聚光光伏技術(shù)

34、進步和效率提升，建設成本將不斷降低，聚光太陽能系統(tǒng)將是太陽能發(fā)電的又一重要選擇。 聚光光伏太陽能將傳統(tǒng)的太陽能光電技術(shù)與大規(guī)模聚熱太陽能發(fā)電廠結(jié)合了起來，能夠極大地強化太陽能生產(chǎn)。CPV技術(shù)通過透鏡或鏡面將接收到的太陽能放大成百上千倍，然后將放大的能量聚焦于效率極高的小光電池上，極大程度的提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。通過放大太陽能，該技術(shù)有效地減少了光電池中半導體材料的用量，降低了光伏發(fā)電的成本。 6.高效太陽能電池總結(jié)及展望 經(jīng)過如上論述從增加p-n結(jié)制造疊層太陽能電池拓寬吸收光譜，最大限度地將光能變成電能，提高了太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率；另一方面使用較廉價的聚光透鏡代替昂貴的太陽能電

35、池大幅減少太陽能電池元件的使用數(shù)量，就可以大大降低成本，顯著提高太陽能電池芯片的使用率使其太陽能能量轉(zhuǎn)換效率可達31%～40.7%。這兩項技術(shù)在提高太陽能電池效率同時降低電池制造成本，為未來太陽能發(fā)電取代傳統(tǒng)能源奠定一定基礎，指導我們將來從事和研究方向。 由于筆者能力有限，所以在研究論述中還存在一些不足，有些問題沒能夠徹底堅決。例如：疊層太陽能電池的設計中未能找到最適合的兩種晶格匹配良好的半導體晶體；聚光光伏系統(tǒng)需要對太陽能跟蹤，而太陽能跟蹤器的精度聚光比的增加而增加，對太陽能電池需要一個較貴的組件、較好的設計及低價的冷卻系統(tǒng)未能進行詳盡闡述。 參考文獻

36、 ［1］太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告［R］ ［2］ 張德.光生伏特效應.材料物理［M］.2011 第1版 ［3］信息產(chǎn)業(yè)部電子科技委《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究》課題組中國集成電路 第6期［J］ ［4］中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告［R］ ［5］太陽能光伏發(fā)電材料技術(shù)發(fā)展分析［A］ ［6］各國賽跑發(fā)展領軍光伏材料市場［N］ ［7］疊層太陽能電池研究進展和發(fā)展趨勢報告［R］ ［8］《面向2049年北京的城市發(fā)展》［J］ ［8］太陽能光伏發(fā)電材料技術(shù)發(fā)展分析［N］ 致 謝 本論文是在張老師的悉心指導下完成的。老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不僅是我樹立了遠大的學術(shù)目標、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與人處事的道路。本論文從選題到完成，每一步都是在張老師的指導下完成了，傾注了老師大量的心血。在此，謹向張老師表示崇高的敬意和衷心的感謝! 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！謝謝你們！ 17