影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法

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影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法

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https://m.renrendoc.com/paper/333093109.html

随着化石能源的日益枯竭和环境保护问题的日益突出，太阳能作为一种可再生清洁能源，其应用前景广阔。而提高太阳能电池的转换效率是实现太阳能广泛应用的关键。本文将探讨影响太阳能电池转换效率的主要因素，并提出相应的改善方法。

影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法

1. 材料因素

厚度：半导体芯片受光过程中，带正电的电洞往p型区移动，带负电的电子往N型区移动；受光后，电池若接有负载，则负电子由N区负电极流出负电再由P区正电极流入形成一太阳能电池。依据此原理我们可以知道，太阳能电池愈薄，电子、电洞的移动路径愈短。

2. 制程因素

电池与接线的电阻：电池与接线间的电阻对太阳能电池转换效率的高低影响十分显著。尤其太阳能电池模块是由多个电池串联而成，因此接点电阻影响甚巨。可在采用模块设计时改进横向布线及电池极板等布线结构，以降低电阻。并透过缩小电池单元间隔、加大电池单元的排列密度，提高模块的转换效率。此外，也可将金属电极埋入基板中，以减少串联电阻。
串叠型电池：将太阳电池制成串叠型电池(tandemcell)。把两个或两个以上的元件堆栈起来，能够吸收较高能量光谱的电池放在上层，吸收较低能量光谱的电池放在下层，透过不同材料的电池将光子的能量层层吸收，减少光能的浪费并获得比原来更多的光能。

3. 表面处理

抗反射层：在太阳能电池的表面，会镀上一层抗反射层，主要的作用在于让太阳能吸收的过程当中，仅少量的反射造成光能流失。抗反射层做得越好，所能运用的光能自然更多，这也是太阳能电池的制造关键。
表面粗化处理：将表面制成金字塔型的组织(PyramidTexture)结构，可增加表面积，吸收更多太阳光。
电极形状：将不透光的金属电极作成手指状(finger)或是网状，经过层层反射，可使大部分的入射阳光都能进入半导体材料中。

4. 太阳光版角度

固定式太阳能光电版：不当的装设太阳能光电板会让光电板的日照效益事倍功半，由于所处纬度的不同，太阳照射角度不同，因此太阳能光电板的架设角度也会影响到光电板吸收阳光的效益。若是处于赤道上，光电板须平放在水平面上的日照效益最高，而台湾位于北回归线上，纬度为北纬23.5度。加上白天太阳由东方升起后，行进的轨道会在台湾的南方，所以架设太阳能光电板将板面朝南并将仰角设定为23.5度，将可以得到最大的日照效益。另外要注意的是，在架设太阳光电板的场地周围，须避免建筑物、植物或其他可能会遮蔽太阳光照射太阳能光电板的遮蔽物，以利太阳能光电板可以完全接收太阳光达到最大的发电效益。
转动式太阳能光电版：太阳日出日落，太阳能光电板在一天中每个时段所能接收的最大太阳光因而不同，无法保持在最大值，因此有人设计出随着太阳的方向、角度而转动的太阳能光电版，比固定式太阳能光电板更能接收最多的太阳光，达到最大的发电效益。

实例

表面结构组织化与抗反射层：德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合。在电镀过程中增加栅极的宽度和高度的比率，制得的电池转化效率超过23%，最大值可达23．3％。
奈米技术与太阳能电池结合：2004年新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室研究人员利用奈米技术对太阳能板的线性效率产生了一项重大突破，入射能量转换成电力的高水平从32%提升到60%。传统太阳能电池吸收光子，每一光子被分开进入到电子及质子，所剩余的振动能量会生成热。洛斯阿拉莫斯所发展的太阳电池是用铅-硒奈米晶体做成，具有特殊的效应，称为撞击游离化(impactionization)，照射到电池上的每一个光子会生成两个或三个电子
非晶硅钝化技术和n型沉底HIT电池技术：主要为日本三洋公司所有，通过充分利用非晶硅钝化技术和n型沉底的优越性，其HIT电池商业转换效率可以达到19.5%。
全背电极：澳大利亚SunPower公司利用全背电极提高电池正面光利用率，其位于菲律宾的生产线商业化电池转换效率已达到19.9%。
深槽电极：深槽电极电池也是为了增加吸收光的表面积而设计，在此方面新南威尔士大学和北京太阳能研究所的转换效率分别为19.8%和18.6%。
香港汇丰银行--太阳自动追踪方式采光装置：将信息处里完毕交由CRT显示并计算出导光版需要的角度，再将该因应的动作透过传送控制传回智慧末端处里后，由采光装置控制器具发出动作调整角度以让阳光透过导光版被折射进入室内控制型态。

讨论

太阳能电池转换效率表：不论是单晶硅或多晶硅，在量产的效率上都还有相当幅度的进步空间。
薄型加工：目前世界各大厂商皆致力于减低太阳能电池的厚度，如夏普在1997年所产出的太阳能电池模块的厚度约为380μm，到了2005年就能将Cell的厚度减少到180μm，将来夏普期望降低到100μm。虽然厚度对转换效率的影响是相对小的，然而重要的是，太阳能电池的厚度越小，成本的消耗越少，也意味着太阳能电池模块的成本能够下降，同样的硅材所能产生的太阳能电池增加。
串叠型电池：串叠型电池把不同能硅的材料组合在一起，提高可吸收的光能，此外，由于非晶硅的能隙为1.7eV，材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅太阳能电池的转换效率，使用串叠型太阳能电池也能解决此一问题。
表面处理：尝试各种表面处理无非是为了将反射逸失的太阳光能减到最低，许多方法业界也以行之有年，若结合串叠型电池，不仅增加适合的能隙范围，更能减缓光致衰退S─W效应。

结论

要判别一个太阳电池性能的好坏，最重要的就是转换效率，目前实验室所制造出的太阳电池，其转换效率几乎可以达到最佳的水平，只可惜他们的制造过程多半过于复杂，量产不易；且实验室是在最佳条件之下制造太阳电池，实际量产则须考量许多不可抗拒因素。而要如何制造才能提升太阳电池的转换效率，一直是学术界努力的目标。主要的做法有：减少太阳能电池的厚度、降低电池与接线的电阻以提高模块的转换效率、将太阳电池制成串叠型电池(tandemcell)、抗反射层技术的提升、电池外型的改变(如表面粗化处理、电极形状)以增加阳光入射量、太阳光版的角度调整等。然而，在研究过程中发现，许多影响太阳能电池转换效率的因素与改善方法中，理论和实际运用上会有不小的冲突(如：太阳能电池的薄度在制造上的困难)，所以不难看出，在太阳能电池效率的提升上仍须仰赖更密切的产学合作，商讨能够达到最佳经济效益，并且有效提升太阳能电池转换效率的方法。

其他影响因素

禁带亮度VOC：随Eg的增大而增大，但另一方面，JSC随Eg的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的Eg随处出现太阳电池效率的峰值。
温度：随温度的增加，效率η下降。I-SC对温度T很敏感，温度还对VOC起主要作用。对于Si，温度每增加1°C，VOC下降室温值的0.4%，h也因而降低约同样的百分数。例如，一个硅电池在20°C时的效率为20%，当温度升到120°C时，效率仅为12％。又如GaAs电池，温度每升高1°C，VOC降低1.7mv或降低0.2%。
复合寿命：希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做ISC大。在间接带隙半导体材料如Si中，离结100mm处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于1ms。在直接带隙材料，如GaAs或Gu2S中，只要10ns的复合寿命就已足够长了。长寿命也会减小暗电流并增大VOC。达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。
光强：将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想光强被浓缩了X倍，单位电池面积的输入功率和JSC都将增加X倍，同时VOC也随着增加(kT/q)lnX倍。因而输出功率的增加将大大超过X倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了。
掺杂浓度及剖面分布：对VOC有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然Nd和Na出现在Voc定义的对数项中，它们的数量级也是很容易改变的。掺杂浓度愈高，Voc愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方程中的Nd和Na都应以（Nd）eff和（Na）eff代替。既然（Nd）eff和（Na）eff显现出峰值，那么用很高的Nd和Na不会再有好处，特别是在高掺杂浓度下寿命还会减小。目前，在Si太阳电池中，掺杂浓度大约为1016cm-3，在直接带隙材料制做的太阳电池中约为1017cm-3，为了减小串联电阻，前扩散区的掺杂浓度经常高于1019cm-3，因此重掺杂效应在扩散区是较为重要的。当Nd和Na或（Nd）eff和（Na）eff不均匀且朝着结的方向降低时，就会建立起一个电场，其方向能有助于光生载子的收集，因而也改善了ISC。这种不均匀掺杂的剖面分布，在电池基区中通常是做不到的；而在扩散区中是很自然的。
表面复合速率：低的表面复合速率有助于提高ISC，并由于I0的减小而使VOC改善。
串联电阻：在任何一个实际的太阳电池中，都存在着串联电阻，其来源可以是引线、金属接触栅或电池体电阻。不过通常情况下，串联电阻主要来自薄扩散层。PN结收集的电流必须经过表面薄层再流入最靠近的金属导线，这就是一条存在电阻的路线，显然通过金属线的密布可以使串联电阻减小。一定的串联电阻RS的影响是改变I－V曲线的位置
金属栅和光反射：在前表面上的金属栅线不能透过阳光。为了使ISC最大，金属栅占有的面积应最小。为了使RS小，一般是使金属栅做成又密又细的形状。因为有太阳光反射的存在，不是全部光线都能进入Si中。裸Si表面的反射率约为40%。使用减反射膜可降低反射率。对于垂直地投射到电池上的单波长的光，用一种厚为1/4波长、折射率等于（n为Si的折射率）的涂层能使反射率降为零。对太阳光，采用多层涂层能得到更好的效果

太阳能电池工作原理

太阳能电池原理如图：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)研究了几种典型装置使太阳光入射保持最佳研角度