太阳能电池关于温度的综述

E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 1 / 39关于硅和砷化镓太阳能电池组件在热性能方面的综述摘要 ：本综述总结了近年来在结晶和非晶硅太阳能电池组件领域获得的温度性能。 它给出了一个通用的结果分析和评论的应用程序构建集成光伏 (PV)热系统 , 将光能转化成电能 , 热能等。 空气冷却和水冷却以及“混合式”光伏热太阳能收集器也被提及到。 本文还包括非晶硅太阳能模块在塑料薄膜 , 薄膜太阳能电池等方面的灵活应用以及对将来这方面的展望。其主要包括对光伏模块传热机制的实验结果的分析。关键词：太阳能电池；光伏；太阳能；能量转换；混合系统目录1. 介绍﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 408 1.1 ． 太阳能电池早期研究的回顾﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 408 1.2 ．半导体硅和砷化镓的温度上限﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 410 2. 高温太阳能电池和组件的影响：理论背景﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 411 2.1. 热对硅太阳能电池的输出参数的影响﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 411 2.2. 硅太阳能电池的温度系数﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 411 2.2.1 ． 短路电流﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 411 E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 2 / 392.2.2. 暗电流﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 412 2.2.3. 开路电压﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 412 2.2.4. 输出功率﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 412 2.3. 照明光源对输出参数的影响﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 413 3. 光伏热电混合太阳能系统﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 413 3.1. 空气冷却﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 414 3.2. 水冷却﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 414 3.2.1. 冷却组件中的输出温度﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 414 3.2.2. 基于单晶硅太阳能电池利用高分子吸收板制成的光伏热吸收器﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ﹒﹒ ﹒﹒ ﹒﹒ ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 414 3.2.3. 光伏组件的传热机制﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 417 4. 光伏建筑一体化系统﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 417 4.1. 光伏建筑一体化通风结构﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 419 4.2. 塑料薄膜非晶硅太阳能电池组件集成到建筑板材﹒﹒﹒ 420 4.2.1. 无定形硅薄膜太阳能电池 （ a-Si ： H） ﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 421 5. 结论﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 422 参考文献﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 423 E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 3 / 391．介绍近年来 , 环境问题已经成为世界范围内日益严重的问题。应对这些问题 , 聚光太阳能电池已经成为一个洁净的能量来源。在计划未来扩大光伏 (PV)发电的过程中 , 最重要的是要仔细选择半导体材料。这个非常重要的材料选择不仅是最大的可实现的效率 , 但同时也要兼顾经济和生态方面的考虑。晶体硅和砷化镓太阳能电池被看做是最有前途的光伏技术这是由于其低制造和材料成本排在第一位和其排在第二的优良的性能表现。砷化镓太阳能电池是高转化效率的设备但由于其过多地在地面的大面积应用使得成本变得非常昂贵。砷化镓太阳能电池的转化效率已超过 30%,但砷元素却潜在着剧毒性。随着外界对砷化镓太阳能电池的关注日益增加， 使得最近在使用砷化镓太阳能电池时加上了集中器系统的地面应用 [2] 。但在砷化镓太阳能电池的最佳区域浓度水平下 1000个太阳的测距仅从 0.5 平方毫米变化到 1平方毫米 [39] 。硅是最常见的半导体材料并且这项技术对于硅的处理是非常完善的。世界上超过 80%的太阳能电池和模块的生产目前都基于切片的单晶和E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 4 / 39多晶硅电池 , 所以评估主要集中在硅。只有 13.23%的非晶硅 ( 一个si),0.39% 的镉碲化物 (CdTe)和 0.18%的铜铟联硒化物 (CIS) 被用在2001年的世界电池 / 组件生产。 [40] 本文综述了温度对晶体硅和非晶硅太阳能电池以及模块性能的影响并利用新技术来提高传热。为了考虑太阳能电池的温度稳定性和模块在高温状态下的表现 , 对基本半导体材料 (硅和砷化镓 ) 所能承受的温度上限进行了分析。理论背景和实验数据 , 其中包括 : 开路电压、 填充因子 (FF) 和输出功率 [35] 作为主要热影响光电管的参数而被提及。正如被报道的最先进的研究趋势通过使用一个“混合式”光伏热(PV / T) 太阳能收集器结合建筑同时产生电和热水。这种类型的 PV / T收集器同时生成热能、 电能。 它是光伏建筑一体化设备 , 是在这个世纪被认为在电的生产方面带来实质性贡献。对于这个应用 , 薄膜非晶硅技术被列为低成本的选择。低温系数的非晶太阳能电池能够在不通风的情况下集成到建筑物的外墙和屋顶还能够获得高能源的收益产出。 太阳能模块在塑料薄膜作为玻璃少光伏太阳能系统下探讨了未来在这个方面的评论。1.1太阳能电池早期研究的回顾E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 5 / 39当前太阳能电池是基于基本的物理现象 , 首先发现光伏效应这一现象可以追溯到 19世纪。在 1839年 , 埃德蒙 Bequerel 观察到当金属板( 白金或银 ) 沉浸在一个相配的溶液中 ( 电解质 ) 并将其暴露在光下 ,会产生微弱的电压和电流——就是光伏效应。后来在 1878年 , 亚当斯和 Day[1], 在接着 [55] 史密斯的工作即研究硒的光电导性 , 发表了第一篇报告直接将光伏效应归因于固体。 在 1954年 , 查宾 , 福勒和皮尔森在贝尔电话实验室开发了一种硅太阳能电池 [9], 当把它放置在光下可以产生大量的电流和电压。 这种太阳能电池的效率大约是当时辐照度条件下的 6%。自 1950年代中期以来 , 光伏发展迅速。 在 1958年 , 生产了第一个真正的有影响力的太阳能电池板 , 我所提供的卫星先锋硅太阳能电池面板实现了对空间的应用。 这个电源是在兆瓦级工作状态下持续为这个卫星提供了六年的能量。 技术和产业广阔的发展从 mW级电力来源生产线每年超过 10兆瓦容量对于陆地需求 (1997年 )[44] 和预测将产生 15 - 20 MW/年 (2000 - 2015 年期间 ) [31] 。在过去的 20年里一直都在强调了研究新的半导体材料 , 开发新型设备和设计新的和更加有效的结构。 一个光伏设备的效率被定义为从入射光子 ( 阳光 ) 中所能够获得的有效能量的计算关系 [14] 。 实验中常见E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 6 / 39的方法是获得通过光伏作用生成的电流 - 电压 I eUT的特点并确定最大功率点 [62] 。在实验过程中主要的影响因素有 : 一个设备 ( 单元或模块 ), 一个环境条件 ( 温度 ), 一个光源 ( 标准光谱 ), 一个实验程序。E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 7 / 39相关术语：c 光在真空中的速度 (m/s) Q S 收集器储存的能量（ J）cp 定压热比 (Jkg -1 K-1 ) QT 储蓄槽所收集的总能量（ J）e 元电荷 (C) QU 从收集器中输出的有效能量（ J）E 辐射强度（ W/m2） Ra 瑞利数EF 费米能级能量 (eV) S 表面积（ m2）Eg 禁带宽度 (Ev) SC 太阳能电池的总面积（ m2）eT 热力学有效的能源或 excelgy(J) T 温度（ K）FF 填充因子 （ %） U 电压， 总热量的流失系数 （ Wm-2k-1）g 太阳能增益系数 Uoc 开路电压 (V) h 普朗克常数（ J） ，传热系数 (Wm-2K-1) va 空气的平均流动速度（ m/s）I 电流（ A） v W 风速（ m/s）I MPP 最大功率点的电流（ A） 希腊符号：I SC 短路电流（ A） β 温度效率系数I S0 暗饱和电流（ A） Ф 平板倾斜角（ o）JS0 暗饱和电流密度 (Am-2 ) ε 发射有效系数JS0 短路电流密度（ mA/cm2） σ 斯蒂芬 - 玻耳兹曼常数k 布朗克系数（ J/K） η 转换效率m 理想因子 η PV 光电转换效率me 电子的有效质量（ Kg） η T 集热器热效率mh 空穴的有效质量 (Kg) λ 波长 （ m） , 导热系数 （ Wm-1K-1）mde 电子密度状态的有效质量 τ 透射率 (%) mdh 空穴密度状态下的有效质量 τ α 发送吸收因子m0 自由电子的质量（ Kg） ρ 质量密度（ kgm-3）n 电子在传导带中的浓度（ m-3 ） 下标：ni 本征载流子浓度（ m-3）E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 8 / 39这个单元或模块在实验中是一个给定的参数。 这里重点强调的是， 这个单元或者模块是只被当做串联光伏装置使用。 关于考虑其他的连接方式的如并联，混合连接等以及其所导致的实验结果都可以在文献【 32】中可以找到，也不必对材料的热性能进行分析。例如像温度这样的环境条件是也应该明确的包含在保准条件之内， 这个 P-N结温度就应该在当光伏器件测试时明确规定。 [5] 在大多数的情况下， 它能够测精确测量的情况下， 当只有一个表面被加热时，应在模块两侧同时测量温度， 因为两个表面的温差在 10℃左右。 由于电池效率对于温度特别的敏感， 所以控制温度是十分有必要的。 光伏电池在光不断的照射下，温度不断上升如图 1所示。标准光谱性能测量：空间： 空气质量为零或 AM 0（相当于在太空中 1367 W/M2的辐照度）地面： AM1.5（大于 48.198度的太阳角该设备正常工作）全球（ 1000 W/M2，直接照射和漫反射之和 [6] ） （图 2）E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 9 / 39图 1. 不同的光照时间下光伏电池的温度特性 （ 103X103mm2） :Tu-光伏电池上表面温度， Td- 光伏电池下表面温度 ,(a) 是在 618W/m2的光照强度下 ,(b) 是在 756W/m2 的光照强度下 [46]. 为了进行比较，请参照图 2（来源于 [32] ） . 1.2 半导体硅和砷化镓的温度上限半导体，正如其名字所暗示的那样，其电阻率是介于导体和绝缘体之间的一种材料。这些介于中间的属性是由其特殊的晶格连接和电子结构的特殊化所造成的， 事实上它与金属导体是不同的， 半导体同时具有有正极（空穴）和负极（电子）来导电，其密度可以通过控制纯晶体在生长过程中所掺杂的化学杂质来控制。为简单起见，本文的讨论将限于硅（ Si ） , 砷化镓（ GaAs） , 重要E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 10 / 39的半导体材料 , 以及现如今最重要的太阳能电池，因为这些例子能够有效地说明主要的概念。 GaAs 具有闪锌矿的晶体的晶格结构，闪锌矿的结构和金刚石的结构十分的接近。硅有四个电子分布在最外层的电子轨道中，在金刚石的结晶体中， 每个原子都位于正四面体的中心， 与处在正四面的体每个角的其他四个临近的原子构成共价键。由于，所有的电子都参与了边界的形成所以材料应该是绝缘的。然而有少数比较异常的电子打破原有的束缚而成为自由移动的电子所需要的能量： 1.1 电子伏特 Si 和 1.4 电子伏特的 GaAs在室温下。因此，即使在室温下也会有大量原子从他们的父原子中挣脱束缚逃离，而所逃离的原子数的增加速度与温度之间的关系如式（ 1.2 ） 。在纯半导体中，存在的空穴和电子对数目总是相等，而所得到的导电特性被称作固有的导电性，用来与掺杂了杂质的电导率进行区别。现在，当我们把纯半导体的中的电子和空穴加热至其温度的上极限时，我们就更加接近半导体低温性能的最基本的原理了。在一个本征半导体，如硅，在导带中的电子数目是始终等于在价带中的空穴的数目， 因为电子和空穴是成对产生的， 由光子或通过热E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 11 / 39激发（见图 3） [3] ：在本征半导体的费米能级在带间隙中心 EF=1/2Eg，在低温下和稍微上升的温度下，因为 Mh>me ( 见表 1) hF gem1 3E ( ) E + ln2 4 mT kT (1.1) me和 mh分别为电子和空穴的有效质量。从根本上来讲，固有电荷产生温度依赖性的这一现象的最根本的原因是在热量的激发下， 价带的电子能量被激发到能越过导带与价带之间的能量障碍的一个高能量状态之下， 而越到导带的电子数目和留在价带的空穴数目相等。确定本征载流子浓度最简单方法是导带中电子数目 （ n） 和价带中数目相等的空穴数 (p) 相乘即可。E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 12 / 39图 2 ： AM0和标准为 AMI.5 两种情况下全球普照量和直接照射量的地面太阳光谱的比较 [32] 。图 3：由于受到热或者吸收光子而激发形成电子 - 空穴的示意图。2 exp gi C VEn p n N NkT (1.2) E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 13 / 39其中 NC和 NV分别是导带和价带的有效质量， ni 是本征载流子的浓度， k 是波兹曼常数，或者根据阿什克罗夫特 [4] ：3 4 3 4 3 219 30 0( ) 2.5 exp 10 cm300 2gde dhi E Tm m Tn T m m K kT（ 1.3 ）其中 mde 和 mdh 分别是稳态下电子和空穴的有效质量， m0是自由电子的质量， Eg（ T）是禁带宽，其线性近似于：( ) 300 300gg g dEE T E K T KdT (1.4) 通过计算式 （ 1.3 ） 可以计算出在室温下 ni 温度特性的典型值如表1 所示。从表 1 我们可与观察到当 Eg从 1.12ev 增加到 1,43ev 时， ni 迅速下降。在一个具有较强的禁带宽的晶体中，例如金刚石（ Eg<5ev） ，在室温条件的热激发状态下基本上是没有载流子产生的。 绝缘体和半导体之间的本质区别实际上仅仅是由于有那么 2 或 3 个具有完全不一样的电子特性这一个原因导致材料间的尽带宽度不同。表 1 硅和砷化镓所含的载流子浓 [34] E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 14 / 39晶体 3n ( 300 )( )i T K cm0demm 0dhmm , 300 ( )gE K eV硅92.5 10 0.33 0.521.12 砷化镓66 10 0.067 0.51.43 表 2 硅和砷化镓的上限温度晶体 ( )iT K ( )g iE T ( / )gdE eV KdT3i in T cm硅 620 1.05 42.3 10 63151 10砷化镓 790 1.22 44.3 10 63 151 10使用式子 （ 1.3 ）和（ 1.4 ） 以及 si 和 GaAs的材料参数 （见表 1）计算，我们发现钛的理论温度上限下， ni 的达到了 1015/cm-3 范围内 .因此， 从本征区所能够显示的起点就可以看出在硅和砷化镓太阳能电池中掺杂少量的钛可以降低其晶体的上限温度。在硅的极限温度 620K和砷化镓的极限温度 790K（见表 2） 之下，整个晶体内部发生改变， 那些常见的半导体器件如太阳能电池或者其他的半导体二极管都会停止运作。 但是， 这意味着在许多的高温环境E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 15 / 39下砷化镓太阳能电池优于硅太阳能电池， 例如在外太空靠近太阳的区域， 由于温度太高足以使得硅太阳能电池无法工作。 在钛的合适温度范围内， 可以通过掺杂钛在这样的温度范围内来控制载流子的浓度的而这项技术是非常独特的，并且能够被太阳能技术所掌握。结论 ：用具有更宽的禁带宽度的半导体材料，如 GaAs能够在温度适应性有所扩展的太阳能电池设备。例如：在外太空的运用。2. 温度对太阳能电池和组件的影响：理论背景2.1 热对硅太阳能电池的输出参数的影响温度对电流，电压，以及太阳能电池的输出功率这些影响因素都被考虑在内。半导体材料最重要的物理属性是随着温度的变化： 如式子 （ 1.4 ）所示，温度升高，禁带宽度降低，而少数载流子的寿命增加，温度升高同样也会导致太阳能电池 p-n 结内部的电势电压降低，并且p-n 结对自由电子和空穴的分离能力也下降。2.2 硅太阳能电池的温度系数2.2.1 短路电流增强光生电流的这些变化导致太阳能电池的短路电流（ scI ）微弱的增加。 [42] 。E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 16 / 39短路电流（ scI ）随温度的变化1 0.003%/KscscdII dT然而，根据 Green 的研究，对于单晶硅在 298K条件下的测量， 温度与短路电流之间存在着 0.006%/K 的变化关系 . 如果温度每升高 50K，其短路电流（光生电流）大约增加 2%。单晶硅的短路电流的温度系数 [46] 与 Van Dyk[60] 的结果十分的接近： 0.04%K，然而对于非晶硅的系数 [27] ： 0.09%/K. 2.2.2. 暗饱和电流随着温度的升高，禁带宽度降低，使得尽可能多的电子通过热活化克服禁带宽度，增加了暗饱和电流（ 0sI ）因此可得 [3] ：0 ( ) expgsEI TkT （ 2.1 ）当硅结在理想条件： T0=300K,Eg=1.12eV 下，暗饱和电流的系数可通过式子 (2.1) 计算得：0001 14.5%/gsT TSEdI KI dT kT （ 2.2 ）E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 17 / 392.2.3. 开路电压温度与太阳能电池开路电压之间的关系是：00 00 031 lngoc oc ocE T kT TU T U T U Te T e T （ 2.3 ）当太阳能电池工作的时候，假设 T0=300K，温度升高 40K,则 T=340K: 0ln 0.125T T ，而0(3 / ) ln 10TkT e mVT 可被忽略，因此，我们可以通过（ 2.3 ）的计算得到一个近似的线性函数式：( ) (300 ) ( 300 )oc ocU T U K constT K （ 2.4 ）ocU 随着温度变化的关系式可根式子（ 2.3 ）计算的：（ 2.5 ）对于典型的硅太阳能电池， 假设T0=300K,Eg0=1.21ev,Uoc(T0)=0.55V, 我们根据式子 （ 2.5 ） 可得随着温度上升， 在 25℃下测得开路电压降低的幅度为 / 2.45 /ocdU dT mV K或 -0.4%/K 。 这个数值和 Gree 的研究结果保持一致。 当砷化镓以金属气相扩展的方式形成砷化镓铝 / 砷化镓单结太阳能电池，其开路电压的温度系数就是： -1.6MV/K[50]. 0 003g ococ E U TdU kdT T eE. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 18 / 392.2.4. 输出功率由于温度对太阳能电池的显著影响，造成太阳能电池或模块随着温度的升高在其最大输出功率处（ Pmax）的整体性下降。由于暗电流指数随温度的变化，从而使得温度对开路电压 Uoc 形成了显著的影响[46] 。图 4：单晶硅太阳能电池在不同温度： 20,4,0,60,80 ℃下的输出功率与输出电压，以及温度与最大输出功率 Pmax的关系 [47] 。如图 4 所示，随着温度的变化，最大输出功率的下降符合戴克的理论即为 0.65%/K[60] ，而根据这一理论，晶体光伏电池的输出功率随着温度的增加以 0.4%/k[24] 速率而下降，因此，在使用光伏组件时，温度被认为在影响电池输出参数 scI ， ocU ， Pmax中比辐射对输出参数的影响更大。 但在设计太阳能发电系统时， 太阳的辐射作用占据了E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 19 / 39主要的被考虑的地位，而温度却往往被忽视 [60] 。一个多晶硅太阳能电池（ 50 50 2mm ）和一块单晶硅太阳能电池（ 103x103 2mm ）所测得的系数可以在参考文献 [46] 中得到：/ 2.2ocdU dT 和 2.1 /mV K 然而它们却比理论值 2.4 /mV K 稍微的低了一点。当太阳能光伏电池及其组件的温度升高时， 所有的系数都表现出为相反的效果。图 5：图 5 中表示的是一个由 72 块单晶硅组成的太阳能电池在 25℃到60℃之间，光照强度在 830W/m2的条件下，其中一个单晶硅电池中温度对电流 - 电压关系的影响 [45] 。E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 20 / 39结论 . 当光伏组件的温度每升高 35K， 其将损失高达 23%的潜在电力输出， 为了消除在使用硅太阳能电池时温度的升高对光伏组件输出效率的负面影响，对模块的冷却时有必要的。2.3 照明光源对输出参数的影响热光伏电池就是利用光伏电池将热量以辐射的方式转化为电能的一种技术。有人发现， 用 Yb2O3制造的照明发射器照到电池上所产生的短路电流比标准 AM1.5照明条件下产生的短路电流增大了许多。用 Yb2O3 制造的照明发射器以 150W/m2的辐射功率照射在电池表面。该发射器在最大辐射 λ =980nm波段内表现出了 300nm宽的峰值辐射， 而在整个光谱范围 （ 400,2000nm） 内， 总共辐射出 45W的能量。估计这个发射器在峰值时温度最高达到 1500K.图 3 所示为 Solartec在 AM1.5 的光照条件下硅太阳能电池的电器参数 .Solatec 的太阳能电池是一种市售太阳能单晶硅电池。 PIS 就是建立并一个高效率的硅太阳电池并优化其热光伏系统中的使用。填充因子：maxsc ocPFFSJ UE. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 21 / 39从表 3 的结果中可以看出，由于光伏电池的串联，填充因子会随着Yb2O3集中了相对强的光照强度而降低。用 Yb2O3代替 AM1.5的标准光照， 在当光照强度超出 （光源） %50时， 输出功率比原来增加了 1.7倍。 因为 Yb2O3的主要辐射部分更靠近太阳能电池的禁带宽度， 所以短路电流比辐射功率增加的多。3. 太阳能 - 热能混合式太阳能系统太阳能是最重要的可再生能源之一。 太阳能的应用方式可以大致分为两类：热系统（ T）就是把太阳能转化成热能。光伏系统（ PV）就是将太阳能转化为电能。上述的转化中最重要的组成部分就是太阳能收集系统。通常情况下，这些系统中 T 和 PV都是独立使用的。但即便是现在的太阳能（ T）系统中，在其收集系统中循环的工作电流通常是来自于公共电网或者直流电池。运用“混合” PV/T 系统，也就是通常所说的PV/T 系统，可以消除电力来源需求的这一问题。这种类型的 PV/T收集器可以同时产生热能和电能。 通常使用空气冷却或者水冷却的方式对混合 PV/T 系统的平板式收集器进行冷却。表 3 E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 22 / 39硅太阳能电池的 I-U 测量结果：商用 Solartec 太阳能电池和 PSI太阳能电池。光 伏 电池ILL照 明条件JSC(Ma/cm2) Uoc(Mv) Pmax/S(Mw/cm2) FF(%) T( ℃) Solartec AM1.5 34.5 607 16.3 77.8 25 Solartec Yb2O3 64.4 622 30.0 74.9 28 PSI AM1.5 37.5 647 18.9 77.9 25 PSI Yb2O3 115.8 661 51.3 67.0 32 3.1. 空气冷却让空气通过两块金属平板之间，利用空气对收集器进行冷却，如图 6 所示，其中被涂黑的上层平板粘贴这 PV电池。被用来将电池粘贴在吸收板上的材料必须是个导热材料和绝缘材料。 太阳能电池既可以做成圆形也可以做成矩形。 矩形的电池可以尽可能的盖住整个吸收板区域。 黑色的单晶硅太阳能电池也是一个很E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 23 / 39好地吸热面板。图 6 中所示的结构和 Bhargava 等人提出的非常相似[5] 。Garg 等人 [19] 首先提出了对 PV/T 平板收集器的空气冷却的模拟仿真研究。 Prakash[43] 和 Sopian[57] 对这种类型的结构进行了模拟研究。 Sopian 分析了单通道（图 6）和双通道空气冷（图 7 所示）却对收集器的性能影响。在这个结构中，空气先进入由玻璃盖板和上层金属板构成的通道，然后由下面的通道流出。总的来说，这种布置使得上吸收板的热量被带走， 而减少了收集器的热损失。 如图 6 中被涂黑并用来粘贴太阳能电池的金属板和电池表面的透明盖板把电池整个包裹起来， 让电池与空气流无法接触，要不然的话，电池将会被损坏。3.2. 水冷却冷却水的进口温度通常是 293K， 而出口温度呈线性增加。 PV/T 太阳能系统的输出功率是关于周围的辐射度和光伏组件温度的函数。 输出功率不仅取决于热辐射强度， 也取决于光谱辐射量和组件的电子临界点。 温度可以用 Pt100 铂热电偶进行测量， 而辐照度可以用日光照射强度计和结晶硅 ESTI 传感器进行记录。用来做平板的水冷却实验的单晶硅太阳能电池组件的型号为E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 24 / 39ASE-100DGL-SM，产自德国，这个太阳能组件能够在 333K（无冷却）和 293K 水冷却的工作条件下实现自我适应。实验时辐射度为E=840W/m2,引入填充因子 FF，整个 PV的转换效率为：sc( ocpvI UFFES）热收集器的热效率为：( )p av out inTmc m T TES其中avm 水的平均流量pc 比热mS 组件的表面积（20.88mS m ）E 辐射度PV/T 系统总的能量转化效率/PV T PV T从实验中可得： 62.7%T从表 4 中数据可得到，通过冷却将温度从 60 减少到 25℃，可得到结果：电力输出功率上升 23%，E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 25 / 39PV转化效率 η PV提高 3%，综合效率 Η PV/T提高 3%。结果显示，在相同的条件下综合系统的综合效率比热电系统分开的集热器的转化效率提高了大约 13%。光热收集器的效率一般都在 ηT～ 60%范围内。从热力学观点来看，热能转换和光电转换是两种完全不同的能源抓换方式，所以它们之间很难比较。热力学中的有效能源或者 ?被定义为下面的等式：1 10 00T T pT pT Tmce mc dT T dTT其中 T1 和 T0 分别是热介质和周围环境的温度， m和 cp 分别是质量和比热。从理论上来说， ? 就是部分热能转化为机械能。显然，? 值小于热能值，并随着温度的上升其值接近总的能量值。例如，假设用谁做热传导介质， 当水温在 40～ 120℃范围内时， 仅仅只有 2.3 ～13.2%的热能转化为机械能。 、从另一方面来看， 全部的光伏能都被转化成了机械能。因此，如果有更多地阳光照射到光伏电池上，它们将被转化成更高品质的能量，其次，还可以把温水加热到热水。E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 26 / 39先如今的单晶硅和薄膜化的单结太阳能电池的最高的光电转化率只有 33%而不是热力学角度所说的 93%。假设在热源温度为 6000K（太阳）和散热器温度为 300K 的条件下， 由卡诺循环效率 η =（ 1-Tsink/Tsource ） 可知， 其效率在 100-95%之间，从卡诺效率的条件限制中，假设光子又重新回到了太阳，而这个过程是可逆的，并且光子发生亏损，效率才可以达到 93.3%。低维结构和新特点的结构为高效率提供了保证。现如今的大多数太阳能电池都是基于第一代单晶硅片技术， 只能达到 500MW/year的发电量。 而在过去的 16 年里， 太阳能电池产业似乎已经进入以薄膜电池为首的第二代太阳能电池技术了， 这期间已经有 CdS,a-Si（非晶硅） ， CuInSe2,CIS,CdTe 和现在被认为最有可能代替单晶硅电池的硅薄膜电池等产品。这表明太阳能电池的性能能够被提高 2-3 倍， 如果使用不同的思路将能够生产出高性能低成本的第三代太阳能电池。像热电转换这些新思路将基于第三代的生产设备上以新的方式向外界介绍。3.2.1 冷却装置中的输出温度另一个需要考虑的就是冷却组件的输出水的温度和流量，显E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 27 / 39然，在更大的流量和更低的温度下，光电转换效率不断提高，并减少了热量的产生。 而光电转换效率随着冷却水温度的上升而下降， 但是由于热量的补偿，使得 ? 值几乎恒定不变。这就意味着，无论用户对输出水的水温的要求如何，总的转换的能的质量是不变的。PV/T 系统的总的转换效率达到了 61%，而利用了一个选择性抛物柱面的光伏系统使 ? 所所转换的大约占了 16%，在这个系统中，太阳光被集中在了两个部分：临界波长 λ C=hc/E g的部分用来 PV转换对于超过临界波长 λ C的长波部分用于热量转换 。3.2.2. 基于单晶硅太阳能电池利用高分子吸收板制成的光伏热吸收器装有高分子吸收板的 PV/T 吸收器就是可以在低温环境下产生电和热的混合式能量收集器。在这个 PV/T 组件中，只有部分的来自太阳的辐射能被光伏电池转化为电能， 剩下的由太阳能吸热器以热的形式吸收。 光伏电池所产生的多余的热量是 T 系统的一个输入。 在收集器内由太阳产生的热量经由吸热板和光伏电池跟随循环流体进入冷却系统， 因此， 使得光伏电池能够在低温稳定的环境下工作， 从而增加电池的输出功率， 从冷E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 28 / 39却系统中出来的热量合一用来加热室内的空气或者水。在一个黑色塑料太阳能吸收器的表面粘贴一个单晶硅太阳能电池组成一个平板式 PV/T 收集器。由于电池是非常脆弱的，而且其膨胀系数比聚合物还要低，所以被用来粘贴塑料和电池的粘贴剂应该具有足够的弹性， 以确保电池和塑料之间的热传导。在图 9 中我们可以看到 30 块光伏电池（每个 1.5WP）分布在面积为 0.32m2的光伏组件中。吸热板由 Solar Nor AS大学的 Oslo 和通用电气塑料对其进行改进， 塑料内部填充了聚苯醚， 板壁之间的通道内充满了陶瓷颗粒 [26].用泵将热载流体（水）送往集热器的顶部的一个分配通道中，并借助重力， 向下流过平行的吸收器通道。 在陶瓷颗粒和与顶板接触的吸热板之间的空隙填充满了冷却流体， 而使得吸收板表面的热量被均匀分布， 所以在吸热板表面的温度也是均匀分布的， 从而实现了良好散热。由于这种类型的吸收器所用的玻璃盖板是一种透光性 （透光率约 95%）非常好的玻璃， 由于吸收板和玻璃之间的距离在 1.0 厘米左右， 所以这种太阳能非热式集热器尽可能的保持系统的温度与应用温度非常的接近，从而减少了能量损失。如前文所述，当温度升高时，光伏的E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 29 / 39转换效率降低，所以一个低温系统具有更好的经济性。在 PV/T 系统工作时，应测量的参数有：辐射度 E，存储器温度Ti, 光伏电池温度 T1，周围空气温度 Ta 和吸收板温度 T2。PV/T 收集器的热效率 η T，其中包括从分析系统的能量流动中获得存储的比热量 , 有U S T L P STQ Q Q Q Q QES ES其中S 吸热板表面积QT 存储器中收集的总热量QP 安装在存储器内的循环泵输入的恒定热量QU 从收集器传递给存储器的有用能从存储器向周围环境所散失的热量为tan( ) ( )L ikQ US T Ta dT其中tan( ) kUS 是存储器的传热系数存储在流体（水）中的总能量 ( 见图 10) ：T U L PQ Q Q Q在图 11 中可以看到水冷却对太阳能电池的最贱的显著影响，使得太E. Radziemska/能量和燃烧科学 29（ 2003） 407-424 30 / 39阳能电池组件的平均温度从 52℃降低到 18℃，而造成 34℃温差的实验条件为， 太阳光的辐射强度 E=749W/m2, 周围环境 Ta=8～ 9℃ , 冷却水冷水温度 Twater=10～ 12℃。从图 11 可以看出温度的下降对开路电压的影响最大， 这是由于二极管的暗电流的饱和密度随着温度以指数方式进行增长。exp gos EJ kT光伏电池 （从辐射能转化为电能） 收集器的转换效率是从 I-U 曲线图的最大功率输出点 (MPP)进行计算的MPP MPPPVCI UES其中 CS 是 30 块串联起来的太阳能电池的总的表面积，等于 0.32m2。表 5 中给出了参数 MPPI , MPPU , PV 所对应的电池的平均温度 CT （有冷却与无冷却） ， PV 相对于温度下降，如表 4 数据所示为 0.06%/K，接近我们所得出的结果 0.08%/K，但是在 U=0（见图 11）时，短路电流过高。从表 5 我们可以看到， 当组件的温度从 18℃增加到 52℃时， 输出的电功率很明显的从 32W降低到 27W.因此，冷却的作用可以极大的推动 PV/T 收集器在太阳能电池中的应用。而主要问题就是如何减少