光伏电池电极条设计中的构形理论优化.pdf

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1、&+""!第!"卷!第!!期!#$$"年!!月光伏电池电极条设计中的构形理论优化"周圣兵&&!!""&!陈林根!孙丰瑞海军工程大学&6动力工程系+!6研究生院!武汉’>"">>摘要!!根据构形理论的+体F点,流通模型!在已有文献研究基础上!结合经过优化的变截面电极和矩形单元体!以减小光伏电池的串联电阻为目标!对其发射区上电极条的布置进行了优化设计!得到了优化结果6与相关文献进行比较表明!该优化设计可得到更小的电阻!能更有效协调降低光伏电池串联电阻与减小遮光面积的矛盾6关键词!!光伏电池!构形理论!串联电阻!

2、优化设计!电极条布置!!目前!能源危机以及传统能源对环境污染日趋!!构形理论及(体U点)电流流通模型严重!开发清洁环保能源成为社会的迫切需要!新能源因此成为!&世纪科学研究的重要领域之一!构形理论揭示了事物结构与最优性能密切相关)&,+*这一深刻命题!诞生十年来受到了国内外学者的广光伏电池即为其中一种6经典的硅光伏电池主体结构示意图如图&所示!泛关注6对于存在约束的研究对象!只要存在高’主要包括%单结的1%4结!指形电极条!减反射膜和低两种或多种不同速度的"流#!如热流’电流’完全用金属覆盖的背电极)$*6

3、大多数光伏电池发射极流体流’人和车辆流’货物流等一类流或几类耦合采用指形电极条!从理论上说!电极条越宽!电流收流!都可以应用构形理论研究其最优性能$如电阻)&&*)&!*)&>*集能力越强!串联电阻越小+而电极条的宽度对遮光最小’热阻最小’熵产最小’费用最)&’*)&+*影响却很大$一般电极条的面积占光电板采光面积的小’利润最高等&及对应的结构6电极条在发射极中的最优布置可以归纳为构形>P,)P&!电极条过宽!因采光受到影响!光电转)&!*理论中的"体F点#流通问题%化效率会严重降低6如何将有限使用的金属电

4、极材料电池板发射区的长#宽#高分别为6!$!!在发射区中进行优化布置!从而既将遮光影响降低!)),&"*其体积a$M6]$]%一定!在光照作用下+体,又尽量减小串联电阻是一对矛盾6构形理论的引内各点均匀产生载流子$电流密度O

5、区面积为8$M6]$&!而金属电极面积则为8文献)&&*给出了这一问题的图!!硅光伏电池结构示意图16求解方法!它建立在如图!所示的基本构造单元的基!!""$%"&%&>收稿!!""$%">%!>收修改稿!"教育部新世纪优秀人才$M?,Q%"’%&""$&和全国优秀博士学位论文作者专项资金$!""&>$&资助项目!""通讯作者!,%-./0%0/45:4=R:4!R87-./06=8-!第!"卷!第!!期!#$$"年!!月&+"&础上E单元体长’宽分别为$!6!并假定$"""L6"E单元体面积8"固定且很小

6、!但外形$6"-$"&可以变动E金属电极条布置在矩形的长轴上E当$"L6"时!在由半导体材料构成的发射极中!载流子$电子或空穴&主要垂直于电极条流动$即:方向&!然后进入金属电极中沿%方向从?电流出单元体E除点"?"外!单元体边界是绝缘的E图$!变截面电极条矩形面积单元!!!!?a-?%U?a-?:UO<-3"M"!?a-?:Y:M6-!M"!!a$%!"&Ma"$%&!$&&"!!对应的解为!&-$!3&Ua$%&E$!&a$%!:&MO<$6":N:""图"!恒截面电极条矩形面积单元!!对于电极条!存在

7、如下方程及边界条件%首先利用优化方法使单元体的电阻最小!得到其最优外形+然后若干$#&&个单元体进行组装!;;a"$31B";%&UO<6"M"!!;a"-;%Y%M"M"!;%得到第一级构形体E同样!#存在最佳值!使得&$>&组装后构形体电阻也达到最小E按照同样的方法继续下去!经过若干次组装和优化过程!直至构形!!对应的解为体能覆盖住所给空间!从而完成优化工作E$文献)&&*所得结果并不一定是最优的!原因在"O<6"a"$"&Na"$$"&M%;%E$’&于其假设电极条的宽度是恒定的E从图!可以看出!,"

8、31B"从原点"到出口点?方向!电极条中的电流是不"!!显然!单元体的最大压降发生在点$"!_6"-!&断增大的!应该对其宽度进行优化E本文将在文献和点?"$$"!"&之间!即)&&*的基础上!在金属电极材料一定的前提下!对!$电极进行重新布置!尽量使电极条电压分布均衡!O<6""O<6"%,a"MU;%!$+&电阻更小E*3","31B"上式第一项为定值!故当第二项取得最小值时!可得到"!发射极和电极条的构形优