影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法_电气自动化网
首页 资讯 应用 高压 设计 行业 低压 电路图 关于

新能源

旗下栏目: 轨道交通 新能源 智能装备 汽车电子

影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法

新能源 | 发布时间:2017-07-30 | 人气: | #评论# | 本文关键字:太阳能,电池
摘要:【 摘要 】 :影响天阳能电池转换效率的因素,主要可规划为制作电池的材料,太阳能电池的制程,太阳能电池的表面处理以及太阳光板的角度处理。 【关键字】:太阳能电池转换效率

摘要:影响天阳能电池转换效率的因素,主要可规划为制作电池的材料,太阳能电池的制程,太阳能电池的表面处理以及太阳光板的角度处理。

【关键字】:太阳能电池转换效率 材料 制程 表面处理 太阳光板角度

 

一、 影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法

1.材料

1.1 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。(图一)

       图片5.png

              图一(受光后的太阳能电池)

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

2.1 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。(表一)

表一、硅晶电池之光电转换效率(资料来源:

太阳光电实验室:http://diau08.ac.nctu.edu.tw)


电池元件光电转换效率

电池模块光电转换效率

(一) 单晶硅  

24-30 %

10-15 %

(二) 多晶硅  

18-21 %

9-12 %

(三) 非晶硅薄膜

 13 %

7 %

因此,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。(图二)

            图片6.png  

               图二

2.2串叠型电池

将太阳电池制成串叠型电池(tandem cell)。

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(影响可用之阳光量)

3.1 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。

抗反射膜的意思就是在基板上镀上一层比基板低折射率的材质,太阳能电池所采用的抗反射膜材质不尽相同,如果能发展出最适合的材质,在太阳能电池转换效率的提升上必是一大进步。

3.2 表面粗化处理

将表面制成金字塔型的组织(Pyramid Texture)结构,可增加表面积,吸收更多太阳光。

3.3电极形状

将不透光的金属电极作成手指状(finger)(图三)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。

            图片7.png

               图三

4. 太阳光版角度

4.1 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。

4.2 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。二、 实例

1.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%。

2.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(impact ionization),照射到电池上的每一个光子会生成两个或三个电子

3.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%。

4.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%。

5.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%。

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。

(资料来源::Shopia and Stefan Berhling ,2000 Solar power: The evolution

of sustainable Architecture. Munich: Prestel)

三、讨论

1 太阳能电池转换效率表(自制)                            (单位:%)


理论极限效率

实验室最高效率

产量最高效率

产量最高效率(模块)

单晶硅

29

24.7

17-18

15-17

多晶硅

24

20.3

16-17

14-16

由表中数据可以看出,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。

2

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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(tandem cell)、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。

一禁带亮度

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

二、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%。

三、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

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1017 cm-3,为了减小串联电阻,前扩散区的掺杂浓度经常高于1019 cm-3,因此重掺杂效应在扩散区是较为重要的。

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流子的收集,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, 其结构就是一个较大的 PN 结,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, 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

    关键词 太阳能电池 提高效率

    引言

    商业化晶体硅太阳能电池的效率一般在 14%—17%由于电池效率队、对每个生 产阶段的成本都有影响,所以应该把较多的精力放在提高太阳能电池转化效率 上,近段时间全球的目标期望能将单晶硅的太阳能电池转化效率提高到 18%—20%,多晶硅的转化效率提高到 16%—18%。 但由于太阳能电池牵扯到电池本身和太阳光两方面因素,所以要想提高其效 率也得从这两面考虑。

    从太阳能电池本身考虑。 从太阳能电池本身考虑

从实验室取得的成果分析能够提高太阳能电池转化效率的电池应该具备以下特征

1)前表面织构化 ) 做法:1 缺陷腐蚀;2 反应离子腐蚀;3 机械结构化. 作用:1 使光学反射从大于 35%到 10%;2 使斜角的光线耦合到电池中, 使得光线经背面反射后不从前表面溢出。

2)最优化的发射区表面浓度和掺杂曲线 ) 做法:1 采用选择性发射区;2 自排列等离子背刻蚀发射区 作用:使表面损失减少,增加发射区收集效率。

3)前表面钝化做法:1 激光刻槽埋栅金属化 ;2 丝网印刷工艺 作用:减少遮挡和串联电阻的损失

4)细栅前电极

5)前电极钝化: a 点接触 ;b 接触下面较深的重掺杂发射区;c MIS 接触

6)基区较薄  

7)背面场 ) 背面钝化:a 氧化物或氮化物钝化+局部 BSF; b 浮动结构 背电极钝化:a 点接触;b 接触下面较深的背面扩散 做法:在 557℃下铝和硅形成共融金属。 作用:形成杂质接收器,有除杂的效果。

8)背反射器 )

9)背面织构化 )

10)减反射涂层最佳化 ) 做法:1 生成一层热氧化膜 ;2 蒸发 ZnS 和 MgF2 生成双层减反涂层。 作用:减少表面复合 .

11)改进衬底质量 ) 做法:1 磷扩散吸杂;2 铝处理吸杂;3 氧化硅的体钝化。 作用:延长电池寿命,降低成本。

    从太阳光方面考虑 太阳光方面考虑

    1)光感度特性

    由于太阳能电池寿光后才产生能量与电子的振动值有关,即与光的波长有 关波长太长的光不能进行能量转换,太短只能转换为热能,因此太阳能电池 的光伏变换与光波长存在一个感度特性。 实验证明理想材料对波长为 0.5 到 1um 之间的光感度最强。所以在进行光 电转化时,尽可能满足其感光度最好的条件。

    2)太阳光入射角度

    光电强度与光入射时与电池板表面的夹角也有关系,当其夹角越接近直 角时,光电转换效率较好,所以应该设计一种装置使太阳能电池板能时刻 与太阳光保持最佳入射角度。 装置 1: 压差式太阳跟踪器 采光板南北放置,其倾角可按不同季节通过手动调节。为了取得太阳的 偏移信号,在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器。当太阳 偏移时,两根空气管受太阳的照射不同,管内产生压差。当压差达到一定 的数值时,压差执行器就发出跟踪信号,用压力为0.1MPa的自来水

    作为跟踪动力(若无自来水,可装一只容积为2kg的压力水箱)-来带 动采光板跟踪太阳。当采光板对准太阳时,管内压力平衡。压差执行器又 发出停止跟踪信号。其主要的优点是结构比较简单、制作费用低、跟踪器 的跟踪灵敏度高。这种跟踪器在实际中应用范围很广,每天当太阳刚升起 —5rain后,采光板即跟踪对准太阳,但是存在机构刚度低、工作 空间受限制的缺点,而且一般只用于单轴跟踪。另外,不能完成自动对太 阳往返于南北回归线之间的运动跟踪,只能每隔一段时间重新对准阳光。 因此,跟踪精度特别低,尚需要人为干涉,无法达到自动跟踪太阳。 装置2 装置2:控放式太阳跟踪器 控放式自动跟踪装置对太阳方位角进行单向跟踪,操作时,在集热装置西 侧安放一偏重,作为太阳采光板向西转动的动力,并利用控放式ca动跟随 装置对此动力的释放加以控制,使集热装置随着太阳的西偏而转动。这种把 原动力与控制部件分离的方法, 可以简化控制装置的结构, 减少能量消耗 (采 光板的转动的动能来源于偏重的势能) ,为不用外接电源创造了条件,其优 点是成本低廉,可以不用外接电源,使收集到的能源充分转化利用。但是该 机构只能做成单轴跟踪器,虽然采用多谐振动器,仍然存在着跟踪过度的情 况,也存在着刚度较低的问题,不能适应野外恶劣的工作环境,特别是大风 会对装置造成影响。 装置3 装置3:机械式跟踪器 这是一种被动式的跟踪装置,可以有单轴和双轴两种形式。这种跟踪装置 通过电机以恒定的速度带动太阳能采光板运动来实现对太阳的运行轨迹的 跟踪。1997年美国研制出了单轴太阳跟踪器,能完成东西方向的自动跟 踪,而南北方向则通过手动调节,接收器的热接收率提高了15%。其优点是结构简单、便于制造,并且该装置的控制系统也十分简单,但是该装置跟 踪精度不高,需要人为进行干涉,不能完全达到自动跟踪太阳的要求。 计装置 4:光电传感器跟踪装置 : 光电管的安装靠近遮光板。通过调整遮光板的位置,使遮光板对准太阳、 硅光电池处于阴影区;当太阳西移时,遮光板的阴影偏移,光电管受到阳光 直射输出一定值的微电流,作为偏差信号,经放大电路放大,由伺服机构调 整角度,使追踪装置对准太阳完成跟踪。其优点是光电跟踪灵敏度高,结构 设计较为简单,不需要人为干涉,可以完全自动跟踪太阳。其精度可以达到 很高,也可以调节精度,但是该种机构易受天气的影响,如果在稍长时间段 里出现乌云遮住太阳的情况,则太阳光线往往不能照射到硅光电管上,导致 跟踪装置无法对准太阳,甚至会引起执行机构的误动 装置 5:视日运动轨迹跟踪系统 : 视日运动轨迹系统根据跟踪系统的轴数可分为单轴和双轴两种。单轴跟踪 一般采用3种方式:一是倾斜布置东西跟踪;二是焦线南北水平布置,东西 跟踪;三是焦线东西水平布置,南北跟踪。这3种方式都是单轴转动的南北 向或东西向跟踪。双轴跟踪可以分为两种方式:极轴式全追踪和高度角一方 位角式全追踪。在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳,从而获得最 多的太阳能。全跟踪(即双轴跟踪)就是根据这样的要求而设计的。视日运 行轨迹跟踪方法是通过计算机计算太阳运行轨迹,并自动跟踪其轨迹来实现 对太阳的跟踪。在天文学上,太阳的观测位置是可以根据当地的地理位置和 时间来确定的,计算机就根据这一信息来确定太阳的观测位置。其优点是通 过计算机运算使跟踪装置可以全天跟踪, 而不需要人为地干预和帮助。 另外, 采用视日运行轨迹跟踪方法还需要完成日出时间和日落时间的计算。在日出前,跟踪装置按照一定的运行轨迹到达预定的位置等待日出;在日落后,跟 踪装置又需要按原路线返回到日出前位置。

    总结: 总结:从电池本身和太阳光两方面提出集中提高光电转化效率的方法,

其中的有些方法可行性较高,例如实现太阳光入射时保持最佳角度的方法, 但还有一些方法只适用于实验室阶段,无法得到大规模应用,总之要提高太 阳能电池转化效率,还有很多问题要考虑和解决。

责任编辑:电气自动化网
首页 | 电气资讯 | 应用技术 | 高压电器 | 电气设计 | 行业应用 | 低压电器 | 电路图 | 关于我们 | 版权声明

Copyright 2017-2018 电气自动化网 版权所有 辽ICP备17010593号-1

电脑版 | 移动版 原创声明:本站大部分内容为原创,转载请注明电气自动化网转载;部分内容来源网络,如侵犯您的权益请发送邮件到[email protected]联系我们删除。