一种螺旋丝状集成的立体吸光太阳电池.PDF

中国科学 E 辑:技术科学 2007 年 第37 卷 第3 期: 392~401 SCIENCE IN CHINA PRESS 一种螺旋丝状集成的立体吸光太阳电池 * 刘 勇 沈 辉 邓幼俊 ( 中山大学光电材料与技术国家重点实验室, 太阳能系统研究所, 广州 510275) 摘要 介绍一种新的螺旋丝状光阳极集成的立体吸光太阳电池, 并在太阳模拟 器和自然光下考察了它的性能. 结果表明, 螺旋丝状的光阳极可以从空间各个方 向吸光, 具有被动式跟踪阳光的优点, 对太阳方位角和遮阴不敏感, 增大了吸收 散射光和周围环境反射光的面积. 与三明治结构的染料敏化太阳电池相比, 在封 装工艺上更具优势. 关键词 太阳电池 二氧化钛 染料敏化 纳米晶 光电转换效率 自 1954 年硅太阳电池 [1]被发明以来, 随后发展的各种材料制备的太阳电池 [2~5]如砷化 镓、铜铟镓锡、碲化镉、非晶硅及染料敏化太阳电池等都采用平面结构. 平面结构太阳电池的 缺点是无法跟踪太阳入射光, 而一天中太阳的高度角和方位角不断地变化, 除在正午时太阳 的入射光可以垂直照射到太阳电池平面上, 其他时间太阳光都是斜射到太阳电池平面上, 使 [6] 平面结构的太阳电池在接收阳光时造成“cosine”能量损失 . 在自然界长期进化中, 植物采取了各种利用阳光的合理方式, 如向日葵可以随太阳方位 角变化自动将叶面朝向太阳入射光, 主动式地跟踪太阳以接收更多阳光进行光合作用. 带跟 踪系统的太阳电池也能够通过跟踪太阳入射光来提高发电量, 但存在机械和自动控制装置的 初期投资及运行时电机耗能问题. 许多针叶植物(如松树等)采取了针叶来合理利用太阳光, 并有合理的叶序排列, 针叶在小 枝上以多排螺旋上升排列, 植物学家通常称这种螺旋线为斜列线, 并通过数学上证明螺旋线 是分形曲线 [7]. 针叶的立体吸光结构可以在 360°范围对称吸光, 无论太阳的直射光从任何一 个方位角和高度角入射, 都会被针叶的半个侧圆柱面接收, 这样不用消耗额外的能量就可以 被动式地跟踪阳光的角度. 相对于平面结构, 针叶背面的侧圆柱面又可以多吸收来自天空的 散射光及地面和周围环境的漫反射光. 染料敏化太阳电池由于其简单的制作工艺、极其低廉的成本和较高的光电转换效率而成 为科学研究的热点. 本文以染料敏化太阳电池的原理 [5,8]为基础, 提出了一种新的螺旋丝状集 成的立体吸光太阳电池( 以下简称立体吸光电池), 模仿松树针叶利用阳光的方式, 被动式地跟 收稿日期: 2005-12-01; 接受日期: 2006-09-11 国家十五攻关项目(批准号: 2004BA411A09)和广东省科技计划项目(批准号: 2004资助 * 联系人, E-mail: shenhui1956@163.com 第 3 期 刘 勇等: 一种螺旋丝状集成的立体吸光太阳电池 393 踪