1、清华大学 2012 届毕业论文第 I 页 共 II 页目录1.绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 太阳能的特点及优势 .11.3 太阳能电池的分类和研究进展 .21.3.1 按材料分类 .31.3.2 按形态结构分类 .71.4 本文研究的主要内容 .82. 太阳能电池基本知识 .92.1 太阳能电池原理及结构 .92.1.1 太阳能电池基本原理 .92.1.2 太阳能电池基本结构 .102.2 太阳能电池主要特性 .112.2.1 光谱响应特性 .112.2.2 伏安特性 .122.2.3 温度特性 .132.2.4 太阳能电池主要参数 .142.3 太阳能电池等效电路和效率分析 .
2、152.3.1 太阳能电池等效电路 .152.3.2 影响太阳能电池转换效率的因素 .172.3.3 提高太阳能电池转换效率的各种技术 .182.4 本章小结 .223. 聚光高效太阳能电池研究 .233.1 聚光光伏技术的发展 .233.2 各种聚光太阳能电池 .233.2.1 平面结聚光硅太阳能电池 .24清华大学 2012 届毕业论文第 II 页 共 II 页3.2.2 垂直结聚光硅太阳能电池 .243.2.3 聚光砷化镓太阳能电池 .273.3 各种聚光器在太阳能电池中的应用 .283.4 本章小结 .294. 菲涅尔透镜太阳能聚光器研究 .304.1 菲涅尔透镜原理及特点 .304.
3、1.1 菲涅尔透镜的光学原理 .304.1.2 菲涅尔透镜的特点及影响因素 .324.2 用于聚光太阳能电池的柱面菲涅尔透镜 .334.2.1 线聚焦透镜的光学效率分析 .334.2.2 柱面菲涅尔透镜 .344.3 本章小结 .385. 总结 .39参考文献： .40致谢 .42清华大学 2012 届毕业论文第 1 页 共 42 页1 绪论1.1 课题研究背景自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题，更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发
4、和利用所造成的环境污染和生态破坏问题日益严重，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。诺贝尔奖获得者美国Rice University的Smalley教授曾经指出，在未来的50年里，人类面临着随之而来的10大问题中，能源问题排在首位。目前人类使用的能源中，化石能源占90以上。而到21世纪中叶，其比例将减少到人类使用能源的一半，达到其极值，之后核能和可再生能源将占主导地位。到2100年时，可再生能源将占人类使用能源的l/3以
5、上 1。新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源 2 。在诸多可再生能源中，包括太阳能、风能、潮汐能、地热能、氢能和生物质能，太阳能所蕴藏的能量是所有其他可再生能源能量总和的上千倍,因此发展太阳能潜力巨大。太阳能作为新能源和可再生能源的一种，因其清洁环保，永不衰竭的特点，受到世界各国的青睐。太阳能是21世纪最有潜力的能源，太阳能产业是新兴的朝阳行业，具有较高的投资价值。充分开发利用太阳能，对于节约常规
6、能源、保护自然环境、促进经济发展都有极为重要的现实意义和深远的历史意义 3。1.2 太阳能的特点及优势太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上的能源，每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未来能源，有清华大学 2012 届毕业论文第 2 页 共 42 页无尽的潜力。在常规能源供给紧张和环保压力不断增大的背景下，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮，使太阳能的应用领域不断拓展，己渗透到人们生活的每一个角落。太阳能的优点主要有以下几个方面:(I)来源充足:太阳光普照大地
7、，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。(2)没有污染:开发利用太阳能不会污染环境。它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。(3)能量巨大:每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标煤,其总量属现今世界上可以开发的最大能源。(4)可长久使用:根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。目前太阳能利用的方式有：太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化学利用，太阳能生物利用和太阳能光-光利用。其中太阳能光伏发电以其
8、优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。基于以上种种优点，太阳能的相关应用也是十分广泛，它的应用领域有：太阳能集热器、太阳能热力发电、太阳能光伏发电、太阳能海水挣化、太阳能空调、太阳能电动车、太阳能建筑、太阳能照明灯、太阳能灶、太阳能水泵系统等，其中不少应用是利用太阳能电池把太阳能转化为电能加以应用的。太阳能电池又称太阳能晶片或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片 4。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。太阳能电池在物理学上称为太阳能光伏，简
9、称光伏。太阳能电池具有重量轻、能经受外部空间的各种复杂的环境的考验、性能稳定、灵敏度及光电转换效率高、使用寿命长等优点，使得它在现实生活中得到越来越多的应用。 清华大学 2012 届毕业论文第 3 页 共 42 页1.3 太阳能电池的分类和研究进展太阳能电池是一种利用光伏效应将太阳光直接转变成电能的半导体器件，使用时无大气和放射性污染，且太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，因而受到国内外普遍重视。太阳能光伏发电是太阳能开发和利用的一个重要领域。自从1954年美国科学家恰宾和皮尔松 5在美国贝尔实验室研制成功实用型单晶硅太阳能电池以来，太阳能电池进入实用阶段。20世纪60年代，供空间应用的电池设计
10、成熟；70年代初，硅电池的转换效率大大提高，太阳能电池开始应用于地面；80年代至90年代，由于各国政府的重视，太阳能电池进入高速发展阶段。进入80年代后期，随着太阳能电池成本不断下降，世界光伏产品市场进入高速发展。1981年，世界太阳能电池的产量为6MW，1994年达到70MW，1997年更是达到122MW，至1998年已达至1574MW，这期间的平均增长速度为25。从1999年的200MW到2004年的1260MW，平均年增长率超过30，2004年在2003年的基础上猛增69。根据美国世界观察所的报告预测，太阳能电池产业将与通讯行业一起成为发展最快的产业，到21世纪中叶，光伏发电量将占到世界
11、总发电量的1/5 6,7。目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、农业、商业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以方便地在边远地区、高山、沙摸、海岛和农村使用，可节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，其成本仍然较高，发出1kw电需要投资上万美元，经济上的限制了其大规模使用 8。从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光-电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。目前，太阳能电池的种类十分多，按材料分一般主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、化合物
12、电池、有机电池和染料敏化电池等。为了提高效率降低成本，通过技术改进按形态结构分主要有叠层电池、薄膜电池和聚光电池等。然而综合考虑材料的价格、环境保护以及转换效率等因素，以硅为原材料的电池是太阳能电池最重要的成员。清华大学 2012 届毕业论文第 4 页 共 42 页1.3.1 按材料分类(1)单晶硅太阳能电池硅是一种良好的半导体材料，禁带宽度为1.1eV，是间接迁移型半导体，因储量丰富，且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。单晶硅太阳能电池是开发最早也是最快的一种太阳能电池，它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为
13、原料，纯度要求99.999。单晶硅太阳能电池的基本结构为N +/P型，多以P型单晶硅片作为基片，电阻率的范围为1-3 ，具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可达cm到12-l6，而实验室记录的最高转换效率为24.4 9。单晶硅太阳能电池的颜色多为黑色或灰色，其光学、电学、力学性能均匀一致，适合于切成小片制作小型光电产品。从目前来看，单晶硅电池已十分成熟，效率高,寿命长，性价比好，是目前最受重视的太阳能电池。 (2)多晶硅太阳能电池多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶
14、成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料。多晶硅太阳能电池具有独特的优势,与单晶硅相比，多晶硅半导体材料的价格比较低廉,相应的电池单元成本低，非常具有竞争优势。但是由于多晶硅材料存在较多的晶间界而有较多缺点，转换效率不够高，实验室的最高转换效率为20.3 10。多晶硅太阳能电池的基本结构为N +/P型,以P型单晶硅片作为基片，电阻率的范围为0.52 。在制作多晶硅电池时，原料高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正cm方形硅碇，可以节省原料和能源。由于多晶硅太阳能电池性能稳定适合于建设光伏电站，也可用作光伏建筑材料。(3)非晶硅太阳能电池非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”
15、，也就是没有和周围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子清华大学 2012 届毕业论文第 5 页 共 42 页的帮助。因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点。非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性都不够好，对其研究开始于20世纪70年代初。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大，是单晶硅的40倍。1微米厚的非晶硅薄膜，可以吸引大约90有用的太阳光能。但是，非晶硅太阳能电池的稳定性较差，从而影响了它的迅速发展。非晶硅及其合金的光暗电导率随着光照时间的加长而减少，经过170C200C的退火处理，又可以恢复到光照之前的值。这一现象首先由Staebler和Wronski发现，
16、被称为S-W效应 11。S-W效应使非晶硅太阳能电池的转换效率由于光照时间加长而衰退，长期以来成为非晶硅太阳能电池应用的主要障碍。目前非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象。所以尚未大量用于大型太阳能电源，而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。估计效率衰降问题克服后，非晶硅太阳能电池将促进太阳能利用的大发展，因为它成本低，质量轻，应用更为方便，它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。(4)化合物太阳能电池化合物太阳能电池包括三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP
17、电池、GaSb电池等；二六族化合物电池主要CaS/CulnSe电池、CAS/CdTe电池等。在三五族化合物太阳能电池中，GaAs电池的转换效率最高，可达28；GaAs是二元化合物，Ga是其它产品的副产品，非常稀少珍贵；As不是稀有元素，有毒。GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池，这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感。由于具有这些特点，所以GaAs化合物材料也适合于制造高效单结电池。GaAs化合物太阳能电池虽然具有诸多优点，但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。为了解决这个问题，采用了聚光系统，该系统由
18、于采用价格较低的塑料透镜和金属外壳，并且改进了电池性能，因而深受广大用户青睐。(5)有机太阳能电池有机太阳能电池具有柔韧性和成本低廉的优势，是近年出现的新型太阳能电池。与结构工艺复杂、成本高昂、光电压受光强影响波动大的传统半导体固体太阳能电池清华大学 2012 届毕业论文第 6 页 共 42 页相比，有机太阳能电池制备工艺简单，可采用真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜，且可以制备在可弯曲折叠的衬底上形成柔性太阳能电池。有机物太阳能电池材料的分子结构还可以自行设计合成。材料选择余地大，加工容易，毒性小，成本低，可制造面积大，在太阳能电池产业引起了科学家的极大关注。美国加州大学圣芭芭拉分校的诺贝尔奖得主
19、物理学教授Alan Heeger和同事 Kwanghee Lee，以及一个韩国科学家小组。利用新的技术，完全在溶液中合成出一种效率更高的级联有机太阳能电池，将有机太阳能电池的效率提高到了6.5，已经接近7的商业化标准。由于电池以塑料为主要材料，因此成本比采用多晶硅为材料的普通太阳能电池低得多。除提高太阳能电池效率外，新技术还能降低制造成本 12。(6)染料敏化太阳能电池染料敏化纳米晶太阳能电池是最近二十几年发展起来的一种基于植物叶绿素光合作用原理研制出的太阳能电池。这是一种使用宽禁带半导体材料的太阳能电池，宽带隙半导体有较高的热力学稳定性和光化学稳定性，不过本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当
20、的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可以将半导体的光谱响应拓宽到可见区，这种现象称为半导体的染料敏化作用，而载有染料的半导体称为染料敏化半导体电极。染料敏化太阳能电池(DSSC)最近取得较大进展。面积(100 )DSSC转换效率已达2cm到6。这类电池所用主要材料为导电玻璃和Ti0 ，来源比较丰富，电池制造工艺也比2较简单，具有较大的潜在价格优势。但是这类电池的转换效率还有待进一步提高，电池运行的稳定性还需要进一步经受考验 9。下图分别为传统染料敏化太阳能电池（图1.1）和高性能有机染料敏化太阳能电池（图1.2） 。清华大学 2012 届毕业论文第 7 页 共 42 页图1.
21、1传统染料敏化太阳能电池 图1.2 高性能有机染料敏化太阳能电池 1.3.2 按形态结构分类(1)叠层太阳能电池叠层太阳能电池是由两种或两种以上不同带隙的电池有机地叠加组合而成。一般而言，顶部电池的材料具有较宽的带隙，适于吸收能量较大的太阳光能，而底部电池的材料带隙较窄，适于吸收能量较小的太阳光能。因此，在单结的基础上，叠层太阳能电池的转换效率较高。(2)薄膜太阳能电池太阳能电池实现薄膜化，是当前国际上研发的主要方向之一。如采用直接从硅熔体中拉出厚度在100 的晶体硅带。人们也在研究利用液相或气相沉积，如化学气相m沉积的方法制备晶体硅薄膜作为太阳能电池材料。这时可以采用成本较低的冶金硅或者其它
22、廉价基体材料，如玻璃、石墨和陶瓷等。在廉价衬底上采用低温制备技术沉积半导体薄膜的光伏器件，材料与器件制备可同时完成，工艺技术简单，便于大面积连续化生产,制备能耗低，可以缩短回收期。在不用晶体硅作为基底材料的衬底上气相沉积得到的多晶硅转换效率也达到12以上。(3)聚光太阳能电池聚光太阳能电池是降低太阳能电池系统整体造价的一种措施。它通过聚光器使较大面积的阳光会聚在一个较小的范围内，加大光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，提高光电转换效率，因此可以用较小面积的太阳能电池获得较高的电能输出。假设太清华大学 2012 届毕业论文第 8 页 共 42 页阳辐射为lkW平方米，如果用普通太阳能硅电池提供l
23、0W的输出功率，则需要10平方分米，价值400元的电池。现在我们在1平方分米、价值40元的太阳能电池上放置一个面积为15平方分米价值20元的聚光透镜，也可以实现lOW功率的输出。在使用聚光器将太阳浓缩15倍后照射到太阳能电池上，提供lOW功率所需成本由400元降低到60元，经济性可见一斑。国际上大力开展聚光太阳能电池的研究，一方面能减少昂贵的半导体太阳能电池片的用量，另一方面可有效提高单位电池面积的输出功率，是极具潜力的太阳能光伏发电新技术。聚光太阳能电池突破了普通太阳能电池高成本的制约因素，为太阳能电池的普及开辟了一条新的道路。1.4 本文研究的主要内容 我国地域广阔，人口众多，7000万人
24、生活在无电地区，而且我国广大西部太阳光照充足，因此太阳能光伏发电在我国的发展前景非常好，太阳能在转换过程中效率较低，10-20可转变为电能，其余能量以散热的形式损失掉了，所以我国应加大在太阳能光伏发电领域的投资力度，进行高效率低成本太阳能电池的研究和开发。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。本文主要对电池聚光系统中的聚光器进行研究。主要完成如下工作：(1)掌握太阳能电池基本工作原理、基本结构及主要特性。(2)分析太阳能电池转换效率及影响因素。(3)研究提高太阳能电池转换效率主要技术。
