近幾年來(lái)，隨著石油，煤、天然氣等礦物能源的逐步消耗，世界各國(guó)已經(jīng)明顯地將能源置于社會(huì)發(fā)展的首要地位。我國(guó)剩余可采資源保證度只有129.7年。此外，傳統(tǒng)能源的開(kāi)發(fā)利用造成的環(huán)境污染問(wèn)題和生態(tài)破壞問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)。太陽(yáng)光是取之不盡、用之不竭的清潔能源, 在外太空探測(cè)的過(guò)程中，太陽(yáng)能是航天器能獲得的唯一的可再生能源。自2O世紀(jì)80年代以來(lái)光伏產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，全球光伏市場(chǎng)每年以30～4O%的速度持續(xù)高速增長(zhǎng)。我國(guó)廣大西部太陽(yáng)光照充足，人口眾多，7000萬(wàn)人生活在無(wú)電地區(qū)，因此太陽(yáng)能光伏發(fā)電在我國(guó)的發(fā)展前景非常好。目前太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率僅有10％-20％，其余均以熱能形式散發(fā)。本文主要從太陽(yáng)電池的原理、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)制備、運(yùn)行條件等諸多方面，論述了提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的幾種方法。
太陽(yáng)能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽(yáng)的輻射光通過(guò)半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過(guò)程通常叫做“光生伏打效應(yīng)'，因此太陽(yáng)能電池又稱為“光伏電池”。在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。當(dāng)摻入少量雜質(zhì)元素磷后，會(huì)多余一個(gè)價(jià)電子，成為自由電子，形成型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體硅中摻有 3價(jià)雜質(zhì)元素硼之后，會(huì)多余一個(gè)空穴，產(chǎn)生P型半導(dǎo)體。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成PN結(jié)。
當(dāng)太陽(yáng)能電池受到陽(yáng)光照射時(shí)，電子接受光能，向N型區(qū)移動(dòng)，使N型區(qū)帶負(fù)電，同時(shí)空穴向P型區(qū)移動(dòng)，使P型區(qū)帶正電。這樣，在P—N結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就是上面所說(shuō)的“光生伏打效應(yīng)’’。如果這時(shí)分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過(guò)，如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，這就是太陽(yáng)能電池的基本原理。如圖1所示。
圖1 太陽(yáng)能電池發(fā)電原理
光伏發(fā)電是指利用光伏電池方陣將太陽(yáng)光輻射能量轉(zhuǎn)化為電能的直接發(fā)電方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池方陣、控制器和電能存儲(chǔ)和變換環(huán)節(jié)構(gòu)成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。光伏電池方陣產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)電纜、控制器、儲(chǔ)能等環(huán)節(jié)與以儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為負(fù)載所能使用的電能。其構(gòu)成如圖2所示。
圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖
一般主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、化合物電池、有機(jī)電池和染料敏化電池等。
硅是一種良好的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度1.12eV。單晶硅太陽(yáng)能電池是開(kāi)發(fā)最
早也是最快的一種太陽(yáng)能電池，多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格相對(duì)于單晶硅比較低廉,相應(yīng)的電池單元成本低，因此多晶硅太陽(yáng)能電池非常具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但是由于多晶硅材料存在較多的晶間界而有較多缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率不如單晶硅太陽(yáng)能電池高。目前，松下開(kāi)發(fā)的面積超過(guò)100cm2的實(shí)用級(jí)別晶體硅太陽(yáng)電池單體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了24.7%這一世界最高的單體轉(zhuǎn)換效率。晶體硅太陽(yáng)電池單體的理論效率為29%，但在實(shí)用級(jí)別，25%~26%已經(jīng)是極限。非晶硅的可見(jiàn)光吸收系數(shù)比單晶硅大，1微米厚的非晶硅薄膜，可以吸引大約90％有用的太陽(yáng)光能。但是，非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性較差，國(guó)際先進(jìn)水平為10％左右，且不夠穩(wěn)定，常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象。
化合物太陽(yáng)能電池包括三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等；二六族化合物電池主要CaS/CulnSe電池、CAS/CdTe電池等。GaAs化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是GaAs材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。
染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)是在玻璃或塑料基底上覆蓋一層二氧化鈦，染料敏化吸附在二氧化鈦層上形成低價(jià)的染料薄膜。電池透過(guò)吸收薄膜中的光子來(lái)發(fā)電：當(dāng)染料分子吸收光子時(shí)，受到激發(fā)的分子把電子注人到鈦中，并由鈦使其傳輸?shù)截?fù)極。
主要有疊層電池、薄膜電池和聚光電池等。這三類太陽(yáng)能電池都是通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，以降低成本提高效率。
（1）PN結(jié)光照下的電流-電壓特性
具有PN結(jié)的太陽(yáng)能電池在不受光照時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)二極管。在沒(méi)有光照的條件下，給PN結(jié)兩端加上反偏電壓時(shí)形成的電流叫做暗電流。光生電流是PN結(jié)在光照時(shí)產(chǎn)生載流子而形成的電流。太陽(yáng)能電池在無(wú)光照和光照下的電流-電壓曲線如圖3所示。由短路電流與飽和暗電流及正向偏壓表示的太陽(yáng)電池光生電流方程為：
圖3暗電流與太陽(yáng)電池的光生電流的變化曲線 圖4太陽(yáng)電池的伏安外特性線
（2）伏安特性
在一定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽(yáng)能電池有唯一的最大輸出功率點(diǎn)，太陽(yáng)能電池只有工作在最大功率點(diǎn)才會(huì)使其輸出的功率最大。如圖4所示。伏安特性測(cè)量電路圖見(jiàn)圖5。
圖5 太陽(yáng)能電池外特性測(cè)量等效電路
（3）太陽(yáng)能電池主要參數(shù)
太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是指電池受光照時(shí)的最大輸出功率Pm與照射到電池上的入射光的功率Pin的比值，用式子表示為：
式中，和分別為光伏陣列最大電流(A)和最大電壓(V)。在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨光強(qiáng)的增加而增加。
填充因子又稱曲線因子，即光伏電池最大功率與開(kāi)路電壓Voc 和短路電流Isc乘積的比值，用符號(hào)FF表示：
填充因子是評(píng)價(jià)光伏電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。影響填充因子的因素不僅與電池材料的PN結(jié)曲線因子常數(shù)、串聯(lián)電阻Rs，并聯(lián)電阻Rsh等內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，還受光伏電池的工作溫度、光照強(qiáng)度等外部條件影響。一般FF<l，它的值越高，表明光伏電池輸出特性越近于矩形，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高。
由前面的公式可知影響電池片的轉(zhuǎn)換效率的主要電性能參數(shù)有：開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF。太陽(yáng)電池發(fā)電過(guò)程是在太陽(yáng)光的作用下，在太陽(yáng)電池內(nèi)發(fā)生光生伏打效應(yīng)完成的，太陽(yáng)電池的輸出電流由吸收太陽(yáng)光所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的數(shù)量所決定；輸出電壓則主要由半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大小所決定。所以要提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率，必須保證有更多的太陽(yáng)光入射到太陽(yáng)電池中去，同時(shí)不讓由光伏效應(yīng)所產(chǎn)生的電子和空穴由于再結(jié)合而消失掉，而且要把電子和空穴兩種載流子有效地分別收集到正負(fù)電極中擊。太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率損失的主要原因包括電學(xué)損失和光學(xué)損失。
造成電學(xué)損失的主要原因是：載流子損失和歐姆損失。
(1)載流子損失。
由于電池材料的缺陷等原因，所產(chǎn)生的電子及空穴等載流子發(fā)生再結(jié)合作用，使部分載流子消失掉。一般而言，載流子壽命越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化效率η越高。結(jié)區(qū)太厚或摻雜濃度過(guò)高，都會(huì)導(dǎo)致載流子被中和，從而降低載流子壽命。載流子的壽命與復(fù)合率的倒數(shù)呈正比。載流子復(fù)合的基本機(jī)制以下有四種。<1>帶間復(fù)合：它是光吸收的逆過(guò)程，多數(shù)載流子的濃度越高，電子與空穴相遇并復(fù)合的可能性越大。影響因素主要是摻雜密度和間隙半導(dǎo)體種類。<2>俄歇復(fù)合：電子與空穴復(fù)合時(shí)將多余的能量傳給導(dǎo)帶中的另一個(gè)電子或價(jià)帶中的另一個(gè)空穴，獲得能量的載流子再以聲子的形式將其能量釋放出來(lái)。影響因素主要是摻雜元素濃度。<3>陷阱復(fù)合：雜質(zhì)或缺陷在禁帶內(nèi)形成能帶，起到載流子產(chǎn)生與復(fù)合的臺(tái)階作用，這類雜質(zhì)與缺陷稱為載流子產(chǎn)生-復(fù)合中心（又稱為陷阱），該復(fù)合機(jī)制就是通過(guò)復(fù)合中心（陷阱）進(jìn)行的復(fù)合。在輕摻雜的Si中占優(yōu)勢(shì)。<4>表面復(fù)合：表面復(fù)合機(jī)制主要有表面懸掛鍵、材料加工的表面損傷、表面吸收的雜質(zhì)。
(2)歐姆損失
光生電流在電池中的傳輸過(guò)程中，由于太陽(yáng)電池內(nèi)部的串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)化為熱能造成的損失稱為歐姆損失。太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻主要是硅片體電阻，擴(kuò)散方塊電阻，柵線電阻和燒結(jié)后的接觸電阻等組成。因此要提高硅片質(zhì)量；采用基體電阻符合要求的硅片；要求金屬柵窄和厚；減少對(duì)光的遮檔；控制好擴(kuò)散溫度和時(shí)間；電極的歐姆接觸良好等都可以減小串聯(lián)電阻。
對(duì)太陽(yáng)輻射光線來(lái)說(shuō)，能得到最好工作性能的半導(dǎo)體材料，其截止波長(zhǎng)應(yīng)在0.8以上，包括從紅色到紫色全部可見(jiàn)光。每種太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光線都有其自己的光譜響應(yīng)曲線，它表示電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度(光電轉(zhuǎn)換能力)，例如長(zhǎng)波長(zhǎng)的光容易投射刊電池底電極處，被底電極吸收轉(zhuǎn)換成熱而損失掉。光學(xué)損失主要分為反射損失、柵指電極遮光損失、透射損失這三種。由于電池表面上的光反射作用，使得太陽(yáng)光不能全部都入射到太陽(yáng)電池中。金屬匯流主線與柵線因其不透光，也會(huì)占據(jù)一定的受光表面積，造成柵指電極遮光損失。如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出，這就是透射損失。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度要比直接帶隙的厚。
研究人員發(fā)現(xiàn)，像氮化銦這類半導(dǎo)體，它的禁帶比原先認(rèn)為的明顯要小，低于0．7 eV。這一發(fā)現(xiàn)表明，以含有銦、鎵和氮的合金為基礎(chǔ)的光電池將對(duì)所有太陽(yáng)光譜的輻射——從近紅外到紫外都靈敏。利用這種合金可以研制比較廉價(jià)的太陽(yáng)能電池板，而且新型太陽(yáng)能電池板將比現(xiàn)有的更結(jié)實(shí)和更高效。有關(guān)人員指出，用氮化銦和氮化鎵雙層制成的多級(jí)太陽(yáng)能電池可以達(dá)到理論極限最大效率的50％，為此，一層需要調(diào)整到1．7 eV的禁帶，而另一層需調(diào)整到1．1 eV 的禁帶。如果能制成層數(shù)很多的太陽(yáng)能電池，在每層中都具有自己的禁帶，則太陽(yáng)能電池的最大理論效率可達(dá)到70％以上。根據(jù)美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)(Oregon State University)和波特蘭州立大學(xué)(Portland State University)的研究人員實(shí)驗(yàn)證實(shí)，一種名為“硅藻”(diatom)的微小海藻有助于使染料敏化太陽(yáng)能電池(dye—sensitized solarcel1)的電力輸出提高三倍。通過(guò)捕捉住外覆硅藻層的薄膜太陽(yáng)能電池納米小孔中的光線，這種電池可獲取更多的人射光子，因而大幅提高了發(fā)電效率。在系統(tǒng)中，光子在硅藻外殼形成的小孔內(nèi)彈跳，這可使其能源效率提升較傳統(tǒng)系統(tǒng)的三倍。
可以采用對(duì)光照面使用減反射膜，表面蝕刻減少反射，增加光在電池中的光路以及背反射膜等措施。
一般采用下面兩種技術(shù)：1)采用減反射膜。常用減反射膜有含氧量為1-2的硅氧化物(SiO)與鈦氧化物(TiO)等。單獨(dú)采用一層反射膜效果不好，為此，大多采用二層減反射膜，如由Ti02和MgF2所組成的減反射膜或由SiN和Si02所組成的減反射膜等。經(jīng)減反射處理過(guò)的太陽(yáng)能電池表面，有很好的減反射效果。2)采用凹凸結(jié)構(gòu)。如表面用腐蝕等方法處理成具有很多金字塔型的絨面狀結(jié)構(gòu)或具有倒金字塔型的溝槽結(jié)構(gòu)，或具有V型的溝槽結(jié)構(gòu)。把太陽(yáng)表面處理成凹凸結(jié)構(gòu)時(shí)的光的入射路徑示于圖6。由該圖可見(jiàn)，各種方向入射的太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)多次反射后都能進(jìn)入到太陽(yáng)能電池中去，從而增加入射的太陽(yáng)光量。采用這種結(jié)構(gòu)，其光反射損失有的甚至可減到5％左右。未經(jīng)過(guò)處理的光滑硅表面，反射率一般高達(dá)30％左右。
① 金字塔型絨面結(jié)
② 倒金字塔型溝槽結(jié)構(gòu)
③ V型溝槽結(jié)構(gòu)
④ 在溝槽結(jié)構(gòu)中的反射原理
圖6太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)以及減反射原理
采取有效的表面鈍化方法, 可以顯著提高各種半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。存在于多晶Si 薄膜晶粒間界中的懸掛鍵和缺陷態(tài), 會(huì)在晶粒間界處引入缺陷能級(jí)。由于它們可以與晶粒之間發(fā)生電荷交換, 起著一種有效的復(fù)合中心作用,因而會(huì)使多晶Si 薄膜的載流子壽命和遷移率大大降低, 從而嚴(yán)重影響薄膜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。
目前,主要有兩種方法可用于多晶Si 薄膜太陽(yáng)電池的鈍化, 一種是在表面生長(zhǎng)高質(zhì)量的介質(zhì)膜層, 使其同時(shí)達(dá)到表面鈍化和減少表面反射的效果, 其中SiNx膜就是一種典型的表面鈍化層, J. Y. Lee 等人的研究證實(shí), 當(dāng)單獨(dú)采用SiO2 膜和SiNx 膜進(jìn)行鈍化時(shí),其載流子壽命分別為306μs 和898μs, 而當(dāng)采用SiO2/SiNx 復(fù)合層進(jìn)行鈍化時(shí), 其載流子壽命可達(dá)1361μs, 因此大幅度提高了多晶Si 薄膜太陽(yáng)電池的性能, 其開(kāi)路電壓為0.675V, 短路電流密度為35.1 mA/cm2。
另一種是采用原子H 的引入, 使其飽和多晶Si 薄膜中晶粒間界的懸掛鍵等缺陷, 可以有效地鈍化多晶Si 薄膜的表面和抑制膜層中缺陷的產(chǎn)生,通過(guò)減少界面復(fù)合以達(dá)到提高載流子壽命的目的。H. Morikawa 等人采用區(qū)熔再結(jié)晶技術(shù)制備了高效率多晶Si 薄膜太陽(yáng)電池, 并利用H 注入實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜中缺陷進(jìn)行鈍化。結(jié)果證實(shí), 與不采用H 鈍化相比, 太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率提高了2%, 其值可達(dá)13.1%, 該太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓為5.26 V, 短路電流為3.43 A, 填充因子為0.70。
美國(guó)物理學(xué)家和工程師共同組成的麻省理工學(xué)院研究小組，成功地在構(gòu)成太陽(yáng)能電池的超薄硅薄膜的正面增加了一種增透膜，并在背面增加了由多層反射膜和衍射光柵組合成的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在硅薄膜中傳輸距離越長(zhǎng)意味著光能被吸收的幾率越高，被吸收的光能將促使薄膜中的自由電子形成電流。此舉夠讓照射進(jìn)薄膜的光更長(zhǎng)時(shí)間地在薄膜內(nèi)反射，以便有充足的時(shí)間讓光能吸收并轉(zhuǎn)換成電能，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池的電能輸出提高了50％
由于單p-n 結(jié)的膜層較薄, 所以對(duì)陽(yáng)光中的紅外光吸收特性較差, 尤其是對(duì)于間接帶隙的Si 材料而言更是如此。為了克服這一不足, 人們發(fā)展了各種方法增加光吸收, 借以改善多晶Si 薄膜的光伏特性, 其中, 采用p-i-n 結(jié)構(gòu)就是一種行之有效的方法。在這種結(jié)構(gòu)中, 由于i 層的加入, 可以顯著提高p-n 界面電荷載流子的收集效率, 并使其有效遷移率進(jìn)一步增加, 從而使太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓和短路電流等特性參數(shù)大幅度提高。K. Yamamoto 等人利用PECVD方法在玻璃襯底上制備了p-i-n 多晶Si 薄膜太陽(yáng)電池, 其中的i 層是2 μm 厚的多晶Si 薄膜, 它充當(dāng)著一個(gè)“陷光”作用的有源區(qū), 有效地改善了電池的光生載流子收集特性, 獲得了開(kāi)路電壓為0.539 V、短路電流密度為25.8 mA/cm2 和本征效率為10.7%的光伏性能。T. Matsui 等人利用表面織構(gòu)的ZnO/Ag/SnO2/玻璃作為襯底, 以SiH4 作為反應(yīng)氣體, 采用超高頻等離子體化學(xué)氣相沉積( VHF-PECVD) 方法分別制作了單結(jié)和具有p-i-n 結(jié)構(gòu)的多晶Si 薄膜太陽(yáng)電池。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 當(dāng)在n 區(qū)和p 區(qū)之間加入一個(gè)層厚為2.5~3 μm的本征多晶Si 薄膜后, 其轉(zhuǎn)換效率為8.22%, 這意味著該太陽(yáng)電池具有0.517 V 的開(kāi)路電壓、22.4 mA/cm2 的短路電流密度和0.71 的填充因子, 而單結(jié)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率僅為7.37%。
采用多量子阱和量子點(diǎn)等納米結(jié)構(gòu)作為本征層, 以改善其光生載流子收集效率和光激發(fā)特性是一個(gè)可行的選擇。據(jù)報(bào)道, 某些半導(dǎo)體材料的量子點(diǎn), 在被來(lái)自于光譜末端的藍(lán)光和紫外光線等高能光子轟擊時(shí), 能釋放出兩個(gè)以上的光子。雖然目前人們所研制的納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率比較低, 但理論估計(jì), 如果進(jìn)一步調(diào)整量子點(diǎn)的界面特性和改進(jìn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的電子傳輸過(guò)程, 那么基于量子點(diǎn)技術(shù)的光伏器件, 最高效率可達(dá)42%, 此值遠(yuǎn)高于晶體硅太陽(yáng)能電池理論上31%的效率。L. Raniero 等人以nc-Si: H 為本征層制作了納米構(gòu)太陽(yáng)能電池, 獲得了0.95 V 的開(kāi)路電壓、14.96 mA/cm2 的短路電流密度、0.67 的填充因子和9.52%的轉(zhuǎn)換效率。
級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池就是把不同光譜響應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的子電池集成到一起，充分利用太陽(yáng)光譜的各段波長(zhǎng)。太陽(yáng)能輻照可以通過(guò)多結(jié)電池技術(shù)提高利用率，如圖7所示由GalnP／Ga(In)As／Ge組成的三結(jié)電池，是目前已經(jīng)使用的一種級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池，產(chǎn)品應(yīng)用于空間和地面聚光光伏系統(tǒng) ，但是，這種三結(jié)電池結(jié)構(gòu)不能充分利用太陽(yáng)光中880 nm以外的紅外部分。希望在GaAs和Ge之問(wèn)再加入另一級(jí)帶隙寬度1．0 eV左右的子電池，構(gòu)成四結(jié)級(jí)聯(lián)電池，由于材料等限制，四結(jié)級(jí)聯(lián)電池遠(yuǎn)低于預(yù)期的水平。因此人們把注意力更多地轉(zhuǎn)向其他技術(shù)途徑，探索五結(jié)、六結(jié)級(jí)聯(lián)電池的可行性。高于5．2 v的開(kāi)路電壓，但是，五結(jié)和六結(jié)整體級(jí)聯(lián)電池的光電轉(zhuǎn)換效率還遠(yuǎn)低于GalnP／Ga(In)As／Ge三結(jié)電池。G. Z. Yue 等人以納米Si 薄膜(nc-Si:H) 為本征層, 制備了α-Si:Hi/nc-Si:H/nc-Si:H三結(jié)太陽(yáng)電池由于這樣的電池結(jié)構(gòu)把不同禁帶寬度的材料有效地組合在一起, 提高了電池的光譜響應(yīng)范圍, 同時(shí)又減少了電池的光致衰退效應(yīng), 從而使其具有較高的轉(zhuǎn)換效率( 13.2%) 和較低的輸出功率衰減特性。
通過(guò)增加新的導(dǎo)電通路，減少遮光損失，可以大幅降低電量轉(zhuǎn)換損失。一般單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為14％～16％ ，而采用新的激光加工技術(shù)能提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)電池電極的制作過(guò)程是太陽(yáng)電池制造中非常重要的環(huán)節(jié)，該過(guò)程采用的金屬化工藝的優(yōu)劣，決定了遮光面積、串聯(lián)電阻損失。
由新南威爾士大學(xué)開(kāi)發(fā)的埋柵太陽(yáng)電池(BCSC)工藝就是其中一種，它使用激光或機(jī)械的方法，在氮化物或氧化物保護(hù)的輕擴(kuò)散表面切割形成溝槽，這些溝槽經(jīng)過(guò)腐蝕和清洗后，再進(jìn)行一次特別重?fù)诫s，然后通過(guò)自對(duì)準(zhǔn)電鍍技術(shù)，鍍鎳、銅和一薄層銀實(shí)現(xiàn)金屬化。這種結(jié)構(gòu)的柵線寬度僅為15～20m，而刻槽的深、寬比可達(dá)到5：1。這樣和常規(guī)的制柵技術(shù)相比，遮光面積減小，柵線本身的電阻也減小，柵線與重?fù)诫s溝槽區(qū)的低接觸電阻，可以使太陽(yáng)電池得到更大的填充因子。另外，溝槽區(qū)的重?fù)诫s形成電極鈍化，因而得到較高的方塊電阻，從而得到更高的電壓，電池的開(kāi)路電壓可以達(dá)到700 mV。Advent Solar公司則采用一種發(fā)射區(qū)卷包技術(shù)。用激光在硅晶片上鉆打通孔，高摻雜壁將前表面的電流傳導(dǎo)到背表面的背電極層，因而能進(jìn)一步降低屏蔽損耗，提高光電轉(zhuǎn)換效率。
使用鋼網(wǎng)印刷電池正電極的串聯(lián)電阻，避免了普遍尼龍網(wǎng)布網(wǎng)印刷的電極細(xì)柵易形成起伏稱為“蜂”和“谷”的缺點(diǎn)，從而降低了串聯(lián)電阻。采用特制不銹鋼網(wǎng)布，細(xì)柵部分100％開(kāi)孔，柵線線寬50um，網(wǎng)版壽命可達(dá)6萬(wàn)次，且能實(shí)現(xiàn)高度均勻、高的高寬比的柵線；與普遍尼龍網(wǎng)布網(wǎng)印刷的電極相比，鋼網(wǎng)印刷的串聯(lián)電阻有了明顯下降，降低了12％，太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率提高了0．12％。
高聚光結(jié)構(gòu)就是使用聚光光學(xué)元件與太陽(yáng)電池一起形成聚光太陽(yáng)電池，可以極大地提高光電轉(zhuǎn)換效率并使用小面積的太陽(yáng)電池，通過(guò)聚光器使較大面積的陽(yáng)光聚在較小的范圍內(nèi)形成“焦斑”或“焦帶”，并將太陽(yáng)電池置于“焦斑”或“焦帶”上，以增加光強(qiáng)，克服太陽(yáng)輻射能密度低的缺陷，獲得更多的電能輸出。因此有人預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的發(fā)電模式應(yīng)該是“價(jià)廉物美的聚光光學(xué)元件 高轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)電池”。
美國(guó)某公司研發(fā)的集成高效率聚光硅光伏電池發(fā)電系統(tǒng)(IHCPV)，已經(jīng)應(yīng)用到很多場(chǎng)所。該系統(tǒng)的核心技術(shù)是：10 mln點(diǎn)接觸絨面硅光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25％～27％ 所使用的聚光式菲涅耳透鏡由普通丙烯酸塑料模壓制成，制造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。因此，集成高聚光光伏技術(shù)是現(xiàn)有實(shí)用的各種光伏技術(shù)中發(fā)電成本最低的一種。德國(guó)某公司于2008年進(jìn)行聚光光伏系統(tǒng)模型試驗(yàn)，其聚光系統(tǒng)采用的是FLATCON聚光模塊，實(shí)質(zhì)上就是由玻璃注塑成型的菲涅爾透鏡，聚光比為500，采用了電路板工藝和絕緣玻璃技術(shù)，使成本效益相對(duì)算并且多年內(nèi)系統(tǒng)仍可保持性能穩(wěn)定可靠，示范模型的效率高于27％。
最大功率跟蹤(maximu power point tracking，MPPT)是并網(wǎng)發(fā)電中的一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)，是指控制改變太陽(yáng)電池陣列的輸出電壓或電流的方法使陣列始終工作在最大功率點(diǎn)上，根據(jù)太陽(yáng)電池的特性，目前實(shí)現(xiàn)的跟蹤方法主要有恒壓法、功率匹配電路、曲線擬合技術(shù)、微擾觀察法和增量電導(dǎo)法。
由于地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，太陽(yáng)能光電板在一天中每個(gè)時(shí)段所能接收的最大太陽(yáng)光因而不同，無(wú)法保持在最大值，因此可以設(shè)計(jì)出隨著太陽(yáng)的方向、角度而轉(zhuǎn)動(dòng)的太陽(yáng)能光電板，比固定式太陽(yáng)能光電板更有效地接收太陽(yáng)光，達(dá)到最大的發(fā)電效益。
目前，保定科諾偉業(yè)控制設(shè)備有限公司自主研發(fā)的l0MW “向日葵” 式雙軸、單軸跟蹤式太陽(yáng)能光伏發(fā)電站已經(jīng)問(wèn)世。這種光伏發(fā)電站的太陽(yáng)能電池板就像向日葵一樣隨著太陽(yáng)的移動(dòng)而轉(zhuǎn)變方向。通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)．增強(qiáng)了太陽(yáng)輻射的接收量。在適合的緯度能使發(fā)電量提高20％至40％。在無(wú)人值守的光伏電站中也能夠可靠地工作。
通過(guò)二次恒定源擴(kuò)散和恒量擴(kuò)散制作n P型硅太陽(yáng)電池的新工藝, 可以減緩高濃度淺結(jié)磷擴(kuò)所造成的硅表面晶格損傷。與常規(guī)的一次制結(jié)工藝相比，由于死層范圍縮小，相對(duì)光譜響應(yīng)增加，所制作的太陽(yáng)電池短路電流Isc提高了約0．7％，開(kāi)路電壓Uoc也有明顯改善，光電轉(zhuǎn)換效率從常規(guī)工藝所制備電池的17.34%提高到17.7 %。
本文圍繞著太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題，對(duì)影響轉(zhuǎn)換效率的因素進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了十余種提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的途徑。若想要大幅度地提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，可以同時(shí)采用多種上述技術(shù)。目前太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率還不是十分令人滿意。未來(lái)太陽(yáng)電池應(yīng)該朝薄膜化、大面積化和高效化的方向發(fā)展。提高轉(zhuǎn)換效率，降低制造成本依然是當(dāng)前太陽(yáng)電池研究的熱點(diǎn)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]《電源技術(shù)》2013年第4期；
[2]劉玉海.杜學(xué)國(guó).Nakayama.Kazutaka.Senda.Shinji.陳旭.鋼網(wǎng)印刷用于太陽(yáng)電池正面電極制備.《制造業(yè)自動(dòng)化》 2014年 第4期
[3]陳開(kāi)林.提高太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的途徑. 《科技信息》 2013年第1期
[4]激光技術(shù)可大大提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率.《浙江電力》2013年 第3期
[5]高華.楊樂(lè).周光華.解光軍.兩次制結(jié)提高n~ p型Si太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的研究.《合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版》 2010年第6期
[6]王民.“向日葵”式太陽(yáng)能光伏發(fā)電站問(wèn)世.《軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品》 2009年 第4期
[7]王軍. 單晶硅太陽(yáng)能電池硅片轉(zhuǎn)換效率提高對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量的改善華北電力大學(xué).碩士學(xué)位論文.2009
[8]庾莉萍.提高太陽(yáng)能電池效率的主要措施. 《電源技術(shù)應(yīng)用》 2009年第11期
[9]劉廣玲.蔣欽林.肖志斌.張辰. 提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率研究的最新進(jìn)展. 1002—087 X(2011)08-1025-03
[10]彭英才.姚國(guó)曉.馬蕾.王俠.提高多晶Si薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的途徑.《微納電子技術(shù)》 2008年第4期
[11]郭志球.沈輝.劉正義.聞立時(shí).太陽(yáng)電池研究進(jìn)展.《材料導(dǎo)報(bào)》 2006年第3期
[12]鄭建邦．太陽(yáng)電池內(nèi)部電阻對(duì)其輸出特性影響的仿[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006，27(2)：121．124．
[13]李仲明.極富發(fā)展前景的多晶硅薄膜太陽(yáng)電池.《新材料產(chǎn)業(yè)》 2003年第7期
[14]鄧志杰.非晶硅太陽(yáng)電池進(jìn)展的展望.《電源技術(shù)》 1999年第1期：
[15]耿新華.孫云.薄膜太陽(yáng)電池的研究進(jìn)展.《物理》1999年第2期
[16]李春鴻.提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù).《太陽(yáng)能》 1994年第1期
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