如何提高太阳能电池转换效率

如何提高太阳能电池的转化效率学院：理学院班级：物理 081 姓名：汤志强学号： 22 摘 要太阳能电池原理如图 ：其结构就是一个较大的 PN 结，其工作原理核心是广生伏特效应，即光照射到半导体表面，由于内建电厂的作用半导体内部产生电动势，若在其外部构成适当回路就可产生电流，即光生电流。随 着 化 石 能 源 的 日 益 枯 竭 、 人 们 对 环 境 保 护 问 题 的 重 视 程 度 不 断 提 高 ,寻 找 洁 净的 替 代 能 源 问 题 变 得 越 来 越 迫 切 。 太 阳 能 作 为 一 种 可 再 生 清 洁 能 源 ,并 可 持 续 利用 ,因 此 有 着 广 阔 的 应 用 前 景 ,光 伏 发 电 技 术 也 越 来 越 受 到 人 们 的 关 注 。 为 了 能 使光 伏 产 品 得 到 普 及 ,进 一 步 提 高 效 率 、 降 低 成 本 是 光 电 池 的 发 展 趋 势 。 提 高 太 阳能 电 池 转 换 效 率 ,降 低 成 本 ,关 键 是 提 高 太 阳 能 的 利 用 率 , 而 聚 光 太 阳 能 电 池 能 有效 提 高 电 池 转 换 效 率 和 降 低 成 本 ,其 中 聚 光 器 的 设 计 和 跟 踪 技 术 是 该 类 电 池 在 研究 中 要 解 决 的 关 键 技 术 。 本 文 在 详 细 介 绍 太 阳 能 电 池 工 作 原 理 、基 本 结 构 及 主要 特 性 的 基 础 上 ,研 究 和 设 计 了 电 池 聚 光 系 统 中 的 聚 光 器 。 具 体 内 容 如 下 : (1) 研究 了 提 高 太 阳 能 电 池 转 换 效 率 的 主 要 技 术 ,如 减 反 射 损 失 技 术 、 减 少 载 流 子 损 失技 术 和 减 少 光 透 射 损 失 技 术 等 。 (2) 研 究 了 几 种 典 型 装 臵 使 太 阳 光 入 射 保 持 最 佳角 度关键词 太阳能电池 提高效率引言商业化晶体硅太阳能电池的效率一般在 14%— 17%由于电池效率队、 对每个生产阶段的成本都有影响，所以应该把较多的精力放在提高太阳能电池转化效率上，近段时间全球的目标期望能将单晶硅的太阳能电池转化效率提高到18%— 20%，多晶硅的转化效率提高到 16%— 18%。但由于太阳能电池牵扯到电池本身和太阳光两方面因素，所以要想提高其效率也得从这两面考虑。从太阳能电池本身考虑 。从实验室取得的成果分析能够提高太阳能电池转化效率的电池应该具备以下特征（ 1）前表面织构化做法： 1 缺陷腐蚀； 2 反应离子腐蚀； 3 机械结构化 . 作用： 1 使光学反射从大于 35%到 10%； 2 使斜角的光线耦合到电池中，使得光线经背面反射后不从前表面溢出。（ 2）最优化的发射区表面浓度和掺杂曲线做法： 1 采用选择性发射区； 2 自排列等离子背刻蚀发射区作用：使表面损失减少，增加发射区收集效率。（ 3）前表面钝化做法： 1 激光刻槽埋栅金属化 ； 2 丝网印刷工艺作用：减少遮挡和串联电阻的损失（ 4）细栅前电极（ 5）前电极钝化 ：a 点接触 ； b 接触下面较深的重掺杂发射区； c MIS接触（ 6）基区较薄（ 7）背面场背面钝化： a 氧化物或氮化物钝化 +局部 BSF； b 浮动结构背电极钝化： a 点接触； b 接触下面较深的背面扩散做法：在 557℃下铝和硅形成共融金属。作用：形成杂质接收器，有除杂的效果。（ 8）背反射器（ 9）背面织构化（ 10）减反射涂层最佳化做法： 1 生成一层热氧化膜 ； 2 蒸发 ZnS 和 MgF2 生成双层减反涂层。作用：减少表面复合 . （ 11）改进衬底质量做法： 1 磷扩散吸杂； 2 铝处理吸杂； 3 氧化硅的体钝化。作用：延长电池寿命，降低成本。从太阳光方面考虑（ 1）光感度特性由于太阳能电池寿光后才产生能量与电子的振动值有关，即与光的波长有关波长太长的光不能进行能量转换，太短只能转换为热能，因此太阳能电池的光伏变换与光波长存在一个感度特性。实验证明理想材料对波长为 0.5 到 1um 之间的光感度最强。 所以在进行光电转化时，尽可能满足其感光度最好的条件。（ 2）太阳光入射角度光电强度与光入射时与电池板表面的夹角也有关系，当其夹角越接近直角时，光电转换效率较好，所以应该设计一种装臵使太阳能电池板能时刻与太阳光保持最佳入射角度。装臵 1: 压差式太阳跟踪器采光板南北放臵，其倾角可按不同季节通过手动调节。为了取得太阳的偏移信号，在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器。当太阳偏移时，两根空气管受太阳的照射不同，管内产生压差。当压差达到一定的数值时，压差执行器就发出跟踪信号，用压力为０．１ＭＰａ的自来水作为跟踪动力（若无自来水，可装一只容积为２ｋｇ的压力水箱）－来带动采光板跟踪太阳。当采光板对准太阳时，管内压力平衡。压差执行器又发出停止跟踪信号。其主要的优点是结构比较简单、制作费用低、跟踪器的跟踪灵敏度高。这种跟踪器在实际中应用范围很广，每天当太阳刚升起３ — ５ｒａｉｎ后，采光板即跟踪对准太阳，但是存在机构刚度低、工作空间受限制的缺点，而且一般只用于单轴跟踪。另外，不能完成自动对太阳往返于南北回归线之间的运动跟踪，只能每隔一段时间重新对准阳光。因此，跟踪精度特别低，尚需要人为干涉，无法达到自动跟踪太阳。装臵２：控放式太阳跟踪器控放式自动跟踪装臵对太阳方位角进行单向跟踪，操作时，在集热装臵西侧安放一偏重，作为太阳采光板向西转动的动力，并利用控放式ｃａ动跟随装臵对此动力的释放加以控制，使集热装臵随着太阳的西偏而转动。这种把原动力与控制部件分离的方法， 可以简化控制装臵的结构， 减少能量消耗 （采光板的转动的动能来源于偏重的势能） ，为不用外接电源创造了条件，其优点是成本低廉，可以不用外接电源，使收集到的能源充分转化利用。但是该机构只能做成单轴跟踪器，虽然采用多谐振动器，仍然存在着跟踪过度的情况，也存在着刚度较低的问题，不能适应野外恶劣的工作环境，特别是大风会对装臵造成影响。装臵３：机械式跟踪器这是一种被动式的跟踪装臵，可以有单轴和双轴两种形式。这种跟踪装臵通过电机以恒定的速度带动太阳能采光板运动来实现对太阳的运行轨迹的跟踪。１９９７年美国研制出了单轴太阳跟踪器，能完成东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的热接收率提高了１５％。其优点是结构简单、便于制造，并且该装臵的控制系统也十分简单，但是该装臵跟踪精度不高，需要人为进行干涉，不能完全达到自动跟踪太阳的要求。计装臵 4：光电传感器跟踪装臵光电管的安装靠近遮光板。通过调整遮光板的位臵，使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时，遮光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度，使追踪装臵对准太阳完成跟踪。其优点是光电跟踪灵敏度高，结构设计较为简单，不需要人为干涉，可以完全自动跟踪太阳。其精度可以达到很高，也可以调节精度，但是该种机构易受天气的影响，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，则太阳光线往往不能照射到硅光电管上，导致跟踪装臵无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动装臵 5：视日运动轨迹跟踪系统视日运动轨迹系统根据跟踪系统的轴数可分为单轴和双轴两种。单轴跟踪一般采用３种方式：一是倾斜布臵东西跟踪；二是焦线南北水平布臵，东西跟踪；三是焦线东西水平布臵，南北跟踪。这３种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪。双轴跟踪可以分为两种方式：极轴式全追踪和高度角一方位角式全追踪。在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳，从而获得最多的太阳能。全跟踪（即双轴跟踪）就是根据这样的要求而设计的。视日运行轨迹跟踪方法是通过计算机计算太阳运行轨迹，并自动跟踪其轨迹来实现对太阳的跟踪。在天文学上，太阳的观测位臵是可以根据当地的地理位臵和时间来确定的，计算机就根据这一信息来确定太阳的观测位臵。其优点是通过计算机运算使跟踪装臵可以全天跟踪， 而不需要人为地干预和帮助。 另外，采用视日运行轨迹跟踪方法还需要完成日出时间和日落时间的计算。在日出前，跟踪装臵按照一定的运行轨迹到达预定的位臵等待日出；在日落后，跟踪装臵又需要按原路线返回到日出前位臵。总结： 从电池本身和太阳光两方面提出集中提高光电转化效率的方法，其中的有些方法可行性较高，例如实现太阳光入射时保持最佳角度的方法，但还有一些方法只适用于实验室阶段，无法得到大规模应用，总之要提高太阳能电池转化效率，还有很多问题要考虑和解决。参考文献：[1] 《太阳能电池：材料、制备工艺及检测》Tom Markvart Luis Castaner [2] 《高效太阳能电池技术研究》姚叙红