提高太阳电池的转换效率的途径

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1、提高太阳电池转换效率的途径【摘要】太阳能作为一种新能源和可再生能源，因其清洁环保，永不衰竭的特点，已经成为21世纪最有潜力的能源。提高太阳能电池光电转换效率一直是人们研究的重点。本文结合太阳电池的原理、结构、运行条件等，从太阳能电池的结构设计，生产工艺，新型电池材料开发等方面，系统论述了提高电池光电转换效率的途径。【关键词】转换效率；多晶硅薄膜；减反射损失；级联太阳电池；高聚光结构1引言近几年来，随着石油，煤、天然气等矿物能源的逐步消耗，世界各国已经明显地将能源置于社会发展的首要地位。我国剩余可采资源保

2、证度只有129.7年。此外，传统能源的开发利用造成的环境污染问题和生态破坏问题也逐渐显现。太阳光是取之不尽、用之不竭的清洁能源,在外太空探测的过程中，太阳能是航天器能获得的唯一的可再生能源。自2O世纪80年代以来光伏产业得到了迅速发展，全球光伏市场每年以30～4O%的速度持续高速增长。我国广大西部太阳光照充足，人口众多，7000万人生活在无电地区，因此太阳能光伏发电在我国的发展前景非常好。目前太阳能的转换效率仅有10％-20％，其余均以热能形式散发。本文主要从太阳电池的原理、结构、生产制备、运行条件等诸

3、多方面，论述了提高太阳能电池光电转换效率的几种方法。2太阳能电池基本知识介绍2.1工作原理太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应"，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。当掺入少量杂质元素磷后，会多余一个价电子，成为自由电子，形成型半导体。半导体硅中掺有+3价杂质元素硼之后，会多余一个空穴，产生P型半导体。若把这两种半导体结合，在两种半导体的交界面区域里会形成PN结。当太阳能电池受到

4、阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在P—N结两端便产生了电动势，这种现象就是上面所说的“光生伏打效应’’。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，这就是太阳能电池的基本原理。如图1所示。图1太阳能电池发电原理1.1发电系统光伏发电是指利用光伏电池方阵将太阳光辐射能量转化为电能的直接发电方式，光伏发电系统是由光伏电池方阵、控制器和电能

5、存储和变换环节构成的发电与电能变换系统。光伏电池方阵产生的电能经过电缆、控制器、储能等环节与以储存和转换，转换为负载所能使用的电能。其构成如图2所示。直流负载蓄电池组直流—交流逆变器太阳能电池方阵交流负载控制器图2光伏发电系统组成示意图1.2太阳能电池分类1.2.1按材料分类一般主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、化合物电池、有机电池和染料敏化电池等。硅是一种良好的半导体材料，禁带宽度1.12eV。单晶硅太阳能电池是开发最早也是最快的一种太阳能电池，多晶硅半导体材料的价格相对于单晶硅比较低廉,相应

6、的电池单元成本低，因此多晶硅太阳能电池非常具有竞争优势。但是由于多晶硅材料存在较多的晶间界而有较多缺点，转换效率不如单晶硅太阳能电池高。目前，松下开发的面积超过100cm2的实用级别晶体硅太阳电池单体已经实现了24.7%这一世界最高的单体转换效率。晶体硅太阳电池单体的理论效率为29%，但在实用级别，25%~26%已经是极限。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大，1微米厚的非晶硅薄膜，可以吸引大约90％有用的太阳光能。但是，非晶硅太阳能电池的稳定性较差，国际先进水平为10％左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的

7、现象。化合物太阳能电池包括三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP电池、GaSb电池等；二六族化合物电池主要CaS/CulnSe电池、CAS/CdTe电池等。GaAs化合物太阳能电池虽然具有诸多优点，但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。染料敏化太阳能电池的结构是在玻璃或塑料基底上覆盖一层二氧化钛，染料敏化吸附在二氧化钛层上形成低价的染料薄膜。电池透过吸收薄膜中的光子来发电：当染料分子吸收光子时，受到激发的分子把电子注人到钛中，并由

8、钛使其传输到负极。1.1.1按形态结构分类主要有叠层电池、薄膜电池和聚光电池等。这三类太阳能电池都是通过技术改进，以降低成本提高效率。1.2太阳能电池的性能参数（1）PN结光照下的电流-电压特性具有PN结的太阳能电池在不受光照时，相当于一个二极管。在没有光照的条件下，给PN结两端加上反偏电压时形成的电流叫做暗电流。光生电流是PN结在光照时产生载流子而形成的电流。太阳能电池在无光照和光照下的电流-电压曲线如图3所示。由短路电流与饱和暗电流及正