太阳电池及其应用 第七章全文 聚光太阳电池和聚光系统 20121224.doc

第七章 聚光太阳电池和聚光系统 在人类文明发展史上，聚光器的应用是很早的。在我国古代，很早就对聚光器进行了多种研究。在这方面有文字记载者首推《墨经》，《墨经》成书于公元前五世纪到三世纪，其中对凹面镜成像做了详细的描述，这是至今还在使用的反射式聚光器的基础。《墨经》里的八条光学原理，对光学现象做了比较完整的叙述，这比希腊欧几里德反射定律的记载要早100余年。《考工记》是我国一部最早记载古代工艺的书，成书于公元前四世纪。书中记有“金锡半谓之鉴燧之齐”这就是说，铜、锡各半的合金所做的凹镜可作为取火的工具，这里说的“鉴燧”，正是青铜凹面镜聚光器。在《淮南子》（公元前二世纪）中记有“阳燧见日而燃为火”，对凹镜聚光取火作用说得更具体了。《博物志》（公元三世纪）中记有“削冰命园，举以向日，以艾承其影，则得火”。这是最早利用透镜汇聚日光的记载。西方国家在十三世纪才开始用金属制备凹面镜，十六世纪才开始制作透镜。 今天，聚光器已经有很大的发展，形式繁多，各具特色，在人们的生产和生活各个领域中发挥着作用。聚光器应用于太阳电池的尝试开始于本世纪六十年代初，到七十年代中期，硅太阳电池的工艺日趋成熟，产量大幅度增加，太阳电池从空间应用转向大规模的地面应用，降低硅太阳电池成本成为当务之急。作为降低成本的方法之一，人们对聚光器在太阳电池上的应用——聚光太阳电池方阵进行了广泛的研究。经过短短的几年，已经研制出许多种适宜在会聚的阳光下工作的聚光太阳电池，并已建成10kW的聚光太阳电池方阵，而且在继续安装功率更大的聚光太阳电池方阵。 聚光太阳电池方阵之所以能降低成本，是在于通过聚光器，使大面积聚光器上接受的太阳光会聚在一个较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”。位于“焦斑”或“焦带”处的太阳电池得到较多的光能，使每一片电池能输出更多的电能。这就弥补了太阳辐射能流密度低的不足，使太阳电池的潜力得到了发挥。只要有高聚光倍数的聚光器，一片聚光电池输出功率相当于几片、几十片乃至更多片的常规电池的输出功率，这实际上相当于用廉价的光学材料代替昂贵的半导体材料，因而大大降低发点费用。当然，这里要有一整套包括聚光器、散热器、跟踪器及机械传动机构的聚光系统。在获得相同的功率下，这些器件加起来的费用一般大大低于不采用聚光技术所需的电池费用，所以采用聚光系统在经济上是合算的。由于采用的系统不同，降低成本的幅度也不相同。据目前估计，它比非聚光系统的成本可降低80%以上。1980年，美国聚光太阳电池方阵材料成本已降到每平方米110美元左右，或者每瓦为1美元。 § 7.1 聚光硅太阳电池 聚光电池是聚光电池方阵的关键部分，它的性能决定了整个方阵的性能。近几年来，研制成功的聚光硅太阳电池可以在几十个到一千个太阳①下工作。在如此高的光强下，电池扩散层、基区的载流子的扩散迁移和复合发生很大的变化，这就使得聚光太阳电池的Voc、Jsc、FF、Rs等不同于常规太阳电池的参数。这样给制造和测试电池也带来了新的问题。 聚光硅太阳电池的发展较快，目前已有好几种电池投入了使用，并有不少新的电池结构正在研制。 电池的输出功率与光强成比例增加。一个面积为4cm2的常规电池，在一个太阳下的输出功率约为40mW；同样面积的聚光电池，如工作在100个太阳下，则可输出约4W。电池的效率也有所提高。在高光强下平面结聚光硅太阳电池的最高效率已接近20%，垂直结聚光硅太阳电池和砷化镓聚光太阳电池的效率已超过20%，而一个太阳下常规硅太阳电池的最高效率尚未达到20%。 各种聚光太阳电池都可以用常规太阳电池的工艺来制造，但电池的结构有明显的区别，主要表现在太阳电池的基体电阻率，p-n结深，栅线构造等方面。垂直结聚光太阳电池的结构更不同于常规太阳电池。 ———————————————————————— ① 本章所提一个太阳，指光强为100mW/cm2的太阳光。 § 7.1.1 输出功率与效率 聚光硅太阳电池和常规硅太阳电池一样，其输出功率和效率可按下列二式计算： P=VocJscFF η=P/Pin 影响聚光太阳电池P的主要因素是Jsc，其次是Voc和FF。由于在高光强下工作，聚光太阳电池的工作温度较高，所以各项电性能参数的温度系数也很重要。光强和温度都要影响太阳电池的电性能。本节首先讨论光强对Jsc、FF的影响，及温度对电池性能的影响。下节讨论硅带对Voc的影响。 场助效应对聚光电池Jsc的影响 一般情况下聚光电池的Jsc与光强关系为正比关系。但在高光强下还有场助效应。场助效应是由于基区中出现强大的光生电流，这个电流在基区产生一个促使基区中光生少子流向p-n结的电场，因而有利于收集效率的提高。场助效应与集体掺杂浓度有关，掺杂浓度低时，它的影响较大；反之则小。这个关系几乎是呈线性的[1]。如