聚光太陽電池組聚光太陽電池的特性

太陽電池利用光生伏打效應(yīng)可以將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。一般來說，太陽電池可分為普通平板光伏太陽電池和聚光太陽電池。聚光太陽電池與普通平板光伏太陽電池的最大區(qū)別是入射到太陽電池上的輻照度不同。普通平板光伏太陽電池上的入射輻照度通常為一個(gè)太陽（1X=1　000W/m2），而聚光太陽電池上的入射輻照度則為X個(gè)太陽（X>1），所以單位面積聚光太陽電池產(chǎn)生的電流要比普通平板光伏太陽電池大。

此外，聚光太陽電池的費(fèi)用僅占聚光光伏系統(tǒng)總費(fèi)用的一小部分，所以可以采用工藝先進(jìn)、效率更高而價(jià)格較貴的太陽電池來提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。太陽光入射能流密度的提高使得聚光太陽電池表現(xiàn)出與普通平板光伏太陽電池不同的電特性和熱特性。首先，入射到太陽電池上的光強(qiáng)的不同對太陽電池的光生電流IL、開路電壓Voc、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率η以及寄生電阻產(chǎn)生的影響會(huì)不同。在聚光太陽電池的 串聯(lián)電 阻Rs可 忽 略 的 聚 光 比X范 圍內(nèi)，電池的η是隨著X的增加不斷增加的。但是隨著X的進(jìn)一步提高，Rs引起的歐姆損失會(huì)隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致電池η的下降。普通平板光伏太陽電池由于其Rs相對較高而不適合用于聚光系統(tǒng)，這也意味著聚光太陽電池的Rs必須設(shè)計(jì)得很小才行，這一點(diǎn)或許是聚光太陽電池和普通平板光伏太陽電池最關(guān)鍵的不同之處。一般來說，可以通過增加太陽電池的柵線排布密度和柵線直徑或等價(jià)直徑來降低電池的Rs。此外，太陽電池的Rs引起的歐姆損失還會(huì)隨著太陽電池尺寸的減小而降低，所以聚光太陽電池的尺寸設(shè)計(jì)得比普通平板光伏太陽電池的尺寸小。除了Rs，太陽電池的寄生電阻還包括并聯(lián)電阻Rsh，不過在高倍聚光條件下Rsh引起的電池η損失通?？梢院雎?。聚光太陽電池的另外一個(gè)非常重要的特征就是它的熱特性。隨著溫度的升高，太陽電池的Isc會(huì)略有上升，而Voc會(huì)下降，進(jìn)而引起電池η的降低。但是η的下降幅度會(huì)隨著聚光比的增加而降低，也就是說，在聚光條件下工作的太陽電池受溫度的影響會(huì)降低。高的Voc降低了 電 池的溫度敏 感性，這一 點(diǎn) 已 被Green等 證 實(shí)。此 外，Yoon和Garboushian的研究結(jié)果表明普通硅電池的效率溫度系數(shù)為－0．4%/K，而250　X聚光硅電池的效率溫度系數(shù)為－0．25%/K。但是，隨著聚光太陽電池單位面積入射光強(qiáng)的增加，其產(chǎn)生的熱量也成比例增加，這使得電池工作溫度升高，進(jìn)而引起電池效率下降。為保證聚光光伏系統(tǒng) 能 在較高效率下工作，系統(tǒng)需要有效的散熱裝置 來對電池進(jìn)行冷卻。而一般的平板光伏即使無冷卻裝置其工作溫度也僅比環(huán)境溫度高20℃左右。

為了使聚光光伏系統(tǒng)獲得最優(yōu)的性能，不同類型的聚光光伏系統(tǒng)需要采用不同類型的聚光太陽電池，這主要取決于聚光器的類型﹑聚光比的大小等。聚光太陽電池主要包括單結(jié)聚光硅電池和聚光多結(jié)電池。對于像點(diǎn)聚焦的高 倍聚 光 光 伏 系統(tǒng)，通常采用聚光多結(jié)電池。聚光多結(jié)電池可以在高倍聚光和較高溫度下工作，并且具有長期耐受性，但其成本較高。而對于線性聚光的中低倍聚光光伏系統(tǒng)，通常采用比較便宜的聚光硅電池。聚光硅電池的成本之所以不高是因?yàn)樵撾姵氐纳a(chǎn)工藝是對在普通平板光伏系統(tǒng)中應(yīng)用的硅電池的生產(chǎn)工藝稍作改進(jìn)而成的，改進(jìn)的方面主要包括：采用較長少數(shù)載流子壽命的材料；設(shè)計(jì)合適的柵線和陷光結(jié)構(gòu)；改善表面鈍化等?；趯酃馓栯姵靥匦缘目紤]，為了獲得適合聚光光伏系統(tǒng)使用的高效聚光硅電池，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)主要包括：（1）采用具有較長少數(shù)載流子壽命的高質(zhì)量材料；（2）為降低阻值損失和復(fù)合損失，合理設(shè)計(jì)摻雜劑的擴(kuò)散；（3）盡量降低表面復(fù)合；（4）改善電池邊緣鈍化效果（5）獲得優(yōu)異的反射控制和陷光結(jié)構(gòu)；（6）設(shè)計(jì)較好的金屬接觸以降低光學(xué)和阻值損失。而滿足上述設(shè)計(jì)要求且已用于聚光光伏系統(tǒng)的聚光硅電池主要包括背結(jié)聚光硅電池、激光刻槽埋柵（LGBC）聚光硅電池和具有傳統(tǒng)n /p/p 結(jié)構(gòu)的聚光硅電池。

聚光太陽電池組背結(jié)聚光硅電池

背結(jié)硅電池（見圖1）的特點(diǎn)是正負(fù)金屬電極以相互交叉的方式布置于電池的背面，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。電池的背電場為點(diǎn)接觸引出，既保持了背電場，又減小了電極接觸點(diǎn)與電池的接觸面積，大大降低了背表面復(fù)合、發(fā)射區(qū)復(fù)合和接觸電阻，提高了開路電壓和短路電流密度，這樣電池的正反面可獨(dú)立優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，背結(jié)聚光硅電池在聚光條件 下 的 效 率 已 高 達(dá)27．6% （1cm2，92suns，AM1．5D，25℃），是2004年Amonix公司研制的，也是迄今為止聚光硅電池所達(dá)到的最高效率[4]。在高倍聚光光伏系統(tǒng)應(yīng)用中，背結(jié)聚光硅電池和傳統(tǒng)的n /p/p 結(jié)構(gòu)的硅電池相比更有發(fā)展前景，盡管其單位面積的成本相對較高。

聚光太陽電池組激光刻槽埋柵（LGBC）聚光硅電池

LGBC電池的具體結(jié)構(gòu)見圖2。由圖2可以看出，在電池的受光面上，不僅可以看到通過激光刻槽獲得的埋柵以及化學(xué)鍍銅，還可以看到金字塔型陷光結(jié)構(gòu)和氮化硅減反射層；而該電池的背電極接觸由里向外依次為鋁層、銅層和薄 的 銀 層。LGBC 聚 光 硅 電 池 的 主 要 特 點(diǎn) 包括：（1）串聯(lián)電阻低，在高倍聚光下可獲得較高的效率；（2）厚的鍍銅槽可以承載大電流，同時(shí)降低遮光損失；（3）激光刻槽埋柵易于調(diào)整以用于最優(yōu)的聚光比；（4）該電池完全可以采用常規(guī)LGBC產(chǎn)工藝制備，因此其產(chǎn)量高。

聚光太陽電池組n /p/p 結(jié)構(gòu)的聚光硅電池

該電池采用電阻率為0．5cm、厚度為300μm、直徑為100mm的區(qū)熔p型硅片制作。電池上表 面 的銀柵線 間距為0．3mm（平板光伏硅電池為3mm），柵線與電池接觸處通過磷的重?fù)诫s來降低串聯(lián)電阻。電池通過二氧化硅減反射層以及隨機(jī)陷光結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對光的高效捕獲。如圖3所示，電池的每個(gè)側(cè)邊焊有兩個(gè)銅片電極，一個(gè)焊在前表面的匯流總線上，另一個(gè)焊在電池的背面。這些銅片電極為電池電流的輸出提供低電阻的通道，而且通過這些銅片電極可以很容易地把電池串聯(lián)起來形成組件。電池長為50mm，寬為40mm，有效截光面積為19．5cm2，在30suns下效率可達(dá)20%～22%。

聚光太陽電池以其轉(zhuǎn)換效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)著稱，被稱作是第三代太陽電池，也是探索和研。不過，由于受到表面復(fù)合的影響，聚光硅電池的轉(zhuǎn)換效率并無明顯提高。但是聚光大批量獲得，其效率已超過20%，為中低倍聚光光伏系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。聚光多結(jié)電池在太陽光轉(zhuǎn)化為電的過程中比其他任何電池的效率都高。聚光 三 結(jié) 電 池 在 實(shí) 驗(yàn) 室 條 件 下 的 效 率 已 高 達(dá)44．4%。而且以往的經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)室電池在2～3年內(nèi)就可以變?yōu)樯唐?，預(yù)計(jì)聚光四結(jié)或五結(jié)電池很快可以獲得50%的效率。為了研制高效的聚光多結(jié)電池，了解引起多結(jié)電池效率損失的機(jī)理，降低電池結(jié)構(gòu)存在的缺陷，掌握實(shí)現(xiàn)超高效聚光多結(jié)電池的途徑非常重要。

根據(jù)聚焦特性，聚光器可分為點(diǎn)聚光器和線聚光器。線聚光器，包括條形透鏡、拋物槽、線聚光組合拋物面等。點(diǎn)聚光器也叫軸向聚光器，在這類聚光器中，用以聚光的透鏡或反射鏡和太陽能電池處于同一條光學(xué)軸線上。不同的聚光器應(yīng)用于太陽能電池聚光系統(tǒng)中具有各自不同的特點(diǎn)。

根據(jù)光學(xué)原理可分為：折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、熱光伏聚光器、熒光聚光器、全息聚光器等。其中混合聚光器利用折射、反射和內(nèi)部反射達(dá)到聚光。

熱光伏聚光器工作原理是：太陽把輻射器加熱到高溫，完成光熱轉(zhuǎn)換，輻射器再發(fā)出輻射到太陽能電池上，電池不能利用的長波輻射重新回到輻射器，完成光電轉(zhuǎn)換，理論上可以達(dá)到很高的效率。熒光聚光器和光導(dǎo)纖維聚光器是兩種尚未成熟的技術(shù)。反射聚光器包括平板、拋物槽、組合拋物面等，用在光伏反射聚光器中兩種主要反射鏡材料是鍍銀玻璃和鍍鋁面。折射聚光器的元件可以是菲涅爾或普通透鏡。

太陽聚光器反射式聚光器

①槽式平面鏡聚光器。槽式平面鏡聚光器是用平面鏡以適當(dāng)?shù)慕嵌葮?gòu)成槽壁，在槽底放置太陽能電池，這是一種較易制作的反射式聚光器，只需用普通的平面鏡即可，它對跟蹤要求低，可采用常規(guī)電池，聚光倍數(shù)也低，只有2-6倍。還有一種方法，即太陽能電池方陣的V型槽式安裝法，用普通水泥墻壁作反射體，在適當(dāng)?shù)陌卜沤嵌认拢墒狗疥嚨妮敵鎏岣?0%左右。

②組合平面鏡反射器。組合平面鏡反射器是采用許多平面鏡把陽光反射到一個(gè)共同的目標(biāo)上，在目標(biāo)上安放吸收器，取得高溫和高光強(qiáng)。這種聚光器是在大面積范圍鋪設(shè)平面鏡，可以高倍聚光得到很大的功率和極高溫度，屬于“塔式太陽能電站”。這種聚光器占地面積極大，僅能在山地或荒地建立。

③雙曲面聚光器。雙曲面與拋物面一樣，即也具有一個(gè)共同的焦點(diǎn)，當(dāng)一束陽光平行入射，雙曲面反射聚光器將其會(huì)聚成一個(gè)光點(diǎn)，如果反射面做成正確的雙曲拋物面，則聚光倍數(shù)可達(dá)1000倍。但這種聚光器加工難度較大，外形要求嚴(yán)格，跟蹤要求也高，一般使用在水平較高的系統(tǒng)中。太陽光被會(huì)聚到太陽能電池上。傘式太陽灶是這種聚光器的一種近似結(jié)構(gòu)，一般是在近似雙曲拋物面的襯底上，貼上許多小塊平面鏡。

④拋物面聚光器，拋物面反射鏡是能將平行于鏡面光軸的光線會(huì)聚于焦點(diǎn)的鏡面。因此，當(dāng)太陽光投向一拋物面反射鏡表面時(shí)，在其焦點(diǎn)處可形成能量密度極高的會(huì)聚光斑，這就是拋物面聚光器用于太陽能聚光的光學(xué)原理。在槽形拋物面反射鏡中，接收器可為圓管或條形平板，聚焦旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器的吸收器可以是球體、圓板?，F(xiàn)以槽形拋物面反射鏡為例來分析拋物面反射鏡的聚光性能，因?yàn)閼?yīng)用在聚光太陽能電池中，接收器為條形平板。

⑤復(fù)合拋物面（CPC）聚光器。復(fù)合拋物面聚光器，是由兩片槽形拋物面反射鏡以及底部的接收器構(gòu)成。這種聚光器只聚光不成像，因而不需要跟蹤裝置，只需要根據(jù)季節(jié)變化作少量傾斜度的調(diào)整。

太陽聚光器折射式聚光器

折射式聚光器是利用光在不同介質(zhì)的界面發(fā)生折射的原理制成的透射式聚光器。這類聚光器的典型例子是凸透鏡，但是，在太陽能利用中，如用大型凸透鏡聚光，其中心部分很厚。比如，要得到一個(gè)焦距等于50cm，口徑為50cm的透鏡，就需要一個(gè)厚度為25cm的玻璃半球。這種笨重的透鏡實(shí)際上是無法使用的，因此，在聚光太陽能電池方陣中，絕大部分采用菲涅爾透鏡。

菲涅爾透鏡，實(shí)際上是對球面透鏡進(jìn)行微分切割，取出對光學(xué)折射無作用的部分而成。為加工方便，還進(jìn)行了整平，使球面透鏡變成一個(gè)帶有同心楞狀條紋的平板，大大降低了重量和體積。菲涅爾透鏡也可以做成線聚焦的，這種透鏡是由一系列對稱分布的平行楞狀條紋組成。與傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃透鏡相比，將菲涅爾透鏡用于太陽能電池聚光有很多優(yōu)點(diǎn)。 2100433B

聚光器提高光能密度的倍數(shù)稱為聚光比，它是標(biāo)志聚光器性能的重要參數(shù)。能量密度聚光比用吸收器吸收的平均能量密度和入射能量密度之比表示。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)比較理想，中途沒有能量損失，也可以用幾何聚光比來表示聚光的程度，即聚光器接收太陽輻射的開口面積與吸收器吸收光能的表面積之比。理想狀況下，能量密度聚光比與幾何聚光比相等。實(shí)際情況下，前者比后者小。

太陽聚光器是聚光系統(tǒng)的主要組成部分，也是聚光太陽能電池研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，研制太陽能利用中的聚光器對提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率具有重大意義。雖然目前聚光光伏系統(tǒng)還存在一些關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問題沒有得到完全解決，但各國光伏工作者也在不斷地以實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證聚光技術(shù)。

聚光器應(yīng)用于太陽能電池的嘗試開始于20世紀(jì)60年代初，為了不斷降低硅太陽能電池的成本，人們對聚光器在太陽能電池上的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。