提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電效率的有效途徑

1、提高聚光型太陽(yáng)能電池芯片效率的途徑張燎 薛巖（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）摘要：聚光型太陽(yáng)能電池能隙與太陽(yáng)光譜匹配較好，理論和實(shí)際轉(zhuǎn)換效率較高，與晶體硅和薄膜電池相比，具有較大優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步提高CPV系統(tǒng)電池芯片的效率，可采用優(yōu)化電池表面結(jié)構(gòu)、電池疊層、減薄電池厚度、減小串聯(lián)電阻等技術(shù)和措施。關(guān)鍵詞：CPV電池效率；整體背電極；疊層技術(shù)Means Improve The Efficiency of Concentrator Photovoltaic ChipZHANG Liao, XUE Yan(Gansu Industry polytechnic College)Abstract:CPV ener

2、gy gap well matched with the solar spectrum, With higher conversion efficiency of theory and practice, and compared to crystalline silicon and thin-film batteries, with great advantagesTo further improve the efficiency of the CPV system chips, cell surface structure, the battery stack, thinning the

3、thickness of the battery, reducing the series resistance and other technologies can be optimized.Key words: CPV efficiency; Whole back electrode, Multilayer technology1 引言太陽(yáng)能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。目前國(guó)際太陽(yáng)能電池主流產(chǎn)品是晶體硅太陽(yáng)能電池，占世界太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的80%，晶體硅電池的轉(zhuǎn)換效率約為12%20%，技術(shù)比較成熟，效率提高和成本下降的空間不大。在薄膜太陽(yáng)能電池市場(chǎng)中，非晶硅電池份額最大，規(guī)?；∧ぬ?/p>

4、陽(yáng)能電池效率已提高到7%12%。商品化光伏發(fā)電效率均比傳統(tǒng)電力效率低（傳統(tǒng)核能30%，火力發(fā)電36.8%，新式核能發(fā)電42%57%），成本偏高，產(chǎn)能和電價(jià)無(wú)法與傳統(tǒng)電力進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。在此背景下，科學(xué)家和工程師研制成功一種新型高效電池聚光型太陽(yáng)能電池（Concentrator Photovoltaic），它是近年來(lái)光伏界研究的熱點(diǎn)。2 CPV電池發(fā)電原理聚光光伏發(fā)電（CPV）是利用光學(xué)系統(tǒng)將太陽(yáng)光通過(guò)光學(xué)透鏡匯聚到太陽(yáng)能電池芯片上，利用光生伏打效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。CPV發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光型太陽(yáng)能電池芯片、光學(xué)聚焦模組、太陽(yáng)跟蹤器和冷卻裝置組成。CPV發(fā)電模式根據(jù)聚焦模組可分為透射式和發(fā)射式兩

5、種模式，透射式聚光模組主要采用菲涅爾透鏡聚焦方式，而反射式模組主要采用回轉(zhuǎn)二次反射曲面聚焦方式，聚焦后的光線經(jīng)過(guò)二次勻光處理后照射在高效太陽(yáng)電池芯片上，以實(shí)現(xiàn)光電的最大轉(zhuǎn)換效率(見(jiàn)圖1和圖2)。3 CPV電池的效率聚光型太陽(yáng)能電池一般采用HCPV電池。在HCPV中電池中，砷化鎵（GaAs）電池由于它的能隙與太陽(yáng)光譜匹配較好，耐高溫性能好，最受光伏界關(guān)注。一般硅材料只能吸收太陽(yáng)光譜中波長(zhǎng)為4001100nm的光線能量，而GaAs電池通過(guò)聚光透鏡可吸收3001900nm波長(zhǎng)范圍的能量，從而大幅提高轉(zhuǎn)換效率。與硅太陽(yáng)電池比較，GaAs電池具有更高的轉(zhuǎn)換效率：?jiǎn)谓Y(jié)砷化鎵電池的理論轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了27%，

6、而硅電池的理論轉(zhuǎn)效率約為23%。目前國(guó)際上GaAs電池效率可達(dá)31%40%。根據(jù)IBM數(shù)據(jù)，多結(jié)GaAs電池理論轉(zhuǎn)換效率可超過(guò)50%，遠(yuǎn)高于晶體硅電池和薄膜電池的理論轉(zhuǎn)換效率極限，即使考慮到聚光和追蹤太陽(yáng)光所產(chǎn)生的誤差損失，目前的CPV電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25%，高于目前商品化晶硅電池17%左右的轉(zhuǎn)換效率。因此，聚光太陽(yáng)能電池被光伏界定義為第三代太陽(yáng)電池。不同類(lèi)型太陽(yáng)能電池效率比較（見(jiàn)圖3）。相對(duì)感度波長(zhǎng)Wavelength（nm）輻照度太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能的卡諾循效率可達(dá)95，而目前聚光太陽(yáng)能電池效率還比較低，因此效率的提高還有很大空間。據(jù)CompoundSemiconductor測(cè)算，傳統(tǒng)硅

7、材料太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率約為17%，而相同面積、聚光效率為500倍的CPV發(fā)電效率可提高約1000倍，因此，聚光太陽(yáng)能電池適用于中大型光伏電站。提高CPV電池芯片的效率，會(huì)從數(shù)量上減少其他部件和適當(dāng)降低其它部件的性能要求，進(jìn)而降低系統(tǒng)裝機(jī)造價(jià)。由CPV電池的結(jié)構(gòu)可看出，大幅提高聚光模組的效率、太陽(yáng)跟蹤器的精度和冷卻效率，會(huì)提高CPV電池的成本，因此，在聚光光伏發(fā)電技術(shù)中CPV電池效率的提高一般通過(guò)提高CPV電池芯片的效率來(lái)實(shí)現(xiàn)。 4 提高CPV電池芯片效率的途徑4.1減小發(fā)射區(qū)飽和電流密度為了提高電池的開(kāi)路電壓和效率，必須要減小發(fā)射區(qū)飽和電流密度。一個(gè)理想的發(fā)射區(qū)應(yīng)該是能讓多子穿透而對(duì)少子則是阻

8、擋，為此它應(yīng)有較寬的禁帶使得在摻雜后少子帶中有一個(gè)附加的勢(shì)壘。發(fā)射區(qū)飽和電流密度的大小代表了所有發(fā)射區(qū)中的復(fù)合機(jī)制，最好的擴(kuò)散結(jié)發(fā)射區(qū)飽和電流密度在，但這樣的發(fā)射結(jié)非常容易穿透，對(duì)于點(diǎn)接觸型太陽(yáng)能電池它最好的電流密度是左右。4.2制造低的接觸電阻在對(duì)晶硅發(fā)射區(qū)生長(zhǎng)一薄層（1020A）Sio2界面層對(duì)于得到低的發(fā)射區(qū)飽和電流是非常重要的，但是，為了得到低的接觸電阻就必須對(duì)它進(jìn)行熱處理，去燒穿至少1%總接觸面積的氧化物。因此，在發(fā)射區(qū)飽和電流與高的接觸電阻間的折中取決于氧化層的厚度和退火（燒穿）工序。4.3減薄電池的厚度在高倍聚光太陽(yáng)能電池中，載流子復(fù)合主要是俄歇（Auger）復(fù)合，俄歇復(fù)合發(fā)生在

9、導(dǎo)帶中一個(gè)價(jià)電子與價(jià)帶中的一個(gè)空穴復(fù)合并將能量傳給另一電子，這樣有效載流子數(shù)量會(huì)減少。為了減少俄歇復(fù)合，電池要做得越薄越好。在發(fā)射區(qū)復(fù)合減少后，就可能通過(guò)減少太陽(yáng)能電池的厚度來(lái)減小俄歇復(fù)合率，在100m厚的硅片上制造太陽(yáng)能電池在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中是可以實(shí)現(xiàn)的，但要在比這更薄得電池就很難生產(chǎn)了。4.4優(yōu)化電池表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高電池對(duì)光的吸收4.4.1表面增鍍透明的減反射膜：太陽(yáng)光照射到電池表面時(shí)，接近1/3的光被反射而沒(méi)有進(jìn)入電池，這樣電池單位面積上的光子密度下降，會(huì)使電池效率降低，有效的措施是在電池表面覆蓋一層透明的減反射膜，在工業(yè)上大量采用PECVD沉積法進(jìn)行鍍膜。4.4.2表面織構(gòu)化，提高

10、陷光性能：在設(shè)計(jì)很薄的太陽(yáng)能電池時(shí)，陷光性能就成為影響效率的重要因素了。光通過(guò)電池窗口層進(jìn)入電池時(shí)，未被吸收的光子通過(guò)電池背面離開(kāi)電池，會(huì)降低電池的效率。較為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)是采用陷光技術(shù)使電池內(nèi)的光路加長(zhǎng)。有效的表面織構(gòu)使得入射光在電池表面進(jìn)行多次反射和折射，可以增加光的吸收率，同時(shí)為防止未被吸收的光從電池背面離開(kāi)電池，在電池背面制作反射器，將太陽(yáng)光再次反射到電池中去，被電池吸收，在工藝常上采用倒金字塔形絨面結(jié)構(gòu)。常用的織構(gòu)制備方法為機(jī)械刻槽法和化學(xué)腐蝕法。機(jī)械刻槽利用形刀在硅表面摩擦以形成規(guī)則的形槽，從而形成規(guī)則的、反射率低的表面織構(gòu)。研究表明尖角為°的形槽反射率最低。4.4.3采用整

11、體背電極工藝：聚光太陽(yáng)能電池接收高密度的入射光，在窗口層不能制作電極，否則會(huì)產(chǎn)生遮光效應(yīng)，引起電池效率大幅下降。工業(yè)上主要采取整體背電極工藝，窗口層不存在遮光效應(yīng)，消除了遮光效應(yīng)和串聯(lián)電阻之間的矛盾，這種工藝完全不用表面電極，而是在電池的背表面形成相間的PN區(qū)，這樣就形成了一系列的PN結(jié)，然后用電極將載流子引出。后來(lái)又將這種工藝發(fā)展成點(diǎn)接觸背電極工藝，首先在電池背表面形成許多P型和N型小區(qū)域，然后用電極引出載流子。這種避免前電極的工藝特別適用于聚光型太陽(yáng)電池。4.5采用疊層技術(shù)太陽(yáng)光全部輻射能中，波長(zhǎng)在0.154m之間的能量占99%以上，且主要分布在可見(jiàn)光區(qū)（0.40.76m）和紅外區(qū)（0.7

12、6m），可見(jiàn)光占太陽(yáng)輻射總能量的約50%，后者占約43%，紫外區(qū)的太陽(yáng)輻射能很少，只占總量的約7%。用能帶寬度與光譜劃分區(qū)域匹配最好的材料做成電池，并按禁帶寬度從大到小的順序從外向里疊合起來(lái)，讓波長(zhǎng)最短的光被最外邊的寬隙材料吸收，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的光則穿越電池讓較窄禁帶寬度的材料吸收，最大限度地將光變成電能，從而提高電池的效率，這是疊層電池的原理。疊層電池采用機(jī)械疊層法制備。先制備兩個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)能電池，一個(gè)是高帶寬的，一個(gè)是低帶寬的，然后將高帶寬的堆疊在低帶寬電池的上面。20世紀(jì)90年代，研發(fā)了單塊/機(jī)械疊層三結(jié)III-V族太陽(yáng)能電池，效率達(dá)到了34%。近年來(lái)，光伏界科學(xué)家提出了基于超晶格和多量子阱的

13、新III-V族低維結(jié)構(gòu)，以及金屬和量子點(diǎn)中間帶，預(yù)期這些結(jié)構(gòu)能夠得到比目前三結(jié)電池更高的理論效率。4.6減小串聯(lián)電阻電池的串聯(lián)電阻對(duì)填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率有顯著的影響，在制造太陽(yáng)能電池工藝中，要求盡量減小串聯(lián)電阻。減小串聯(lián)電阻可從兩個(gè)方面進(jìn)行：一是優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，包括各層的厚度和摻雜水平等，以及對(duì)高電流、低電阻、低損耗結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以減小電池的體電阻。二是在體電阻消耗一定的情況下，要優(yōu)化電極柵線厚度、寬度及分布，以減小頂層接觸電阻；由于聚光太陽(yáng)能電池的PN結(jié)要求較深，常采用垂直結(jié)構(gòu)，以減小串聯(lián)電阻的影響。5 結(jié)束語(yǔ)隨著半導(dǎo)體理論的發(fā)展和電池制造工藝的改進(jìn)，聚光太陽(yáng)能電池的效率在不斷提高。疊層多接面

14、技術(shù)是太陽(yáng)能電池芯片目前采用的新技術(shù)，可吸收更多光譜波段的能量，背面電極技術(shù)可克服電池窗口遮光問(wèn)題，是不同于其它電池的技術(shù)。表面織構(gòu)化技術(shù)使光線在電池中的光路加長(zhǎng)，提高了電池陷光性能。聚光模組效率的提高只是增加了電池單位面積上入射光子的密度，當(dāng)聚光倍數(shù)達(dá)到一定程度后，受成本的制約，就不能明顯提高電池的效率了。CPV電池效率理論上限的突破期望是電池芯片結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，基于超晶格和多量子阱的新III-V族低維結(jié)構(gòu)的聚光電池芯片可能會(huì)進(jìn)一步突破電池理論效率的上限值，取得較高的理論上限。參考文獻(xiàn)：1Swanson R M, Sinton R A, Midkiff N, Kane D E. Simplified Designs for High-Efficiency Concentrator Solar Cells, Sandia Report,SAND88-0522. Sandia National Labroatores, 19882Yamaguchi M. IIIV compound multi-junction solar cells: present and future. Solar Energy Materials and Solar Cells Technology, 2001.3陳維, 李戩. 太陽(yáng)能利用中的跟蹤控制方式的研究能源