太阳能电池(20180723141434)-solarbe文库

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I 摘要太阳能作为取之不尽同时又是生态学上纯净的能源，对它的开发利用在近几十年来越来越受到人们的重视。而太阳能电池是开发利用太阳能最有效的方法之一。本论文综合分析了太阳能电池基本原理、类型、制备工艺，对三种太阳能电池（单晶、多晶、非晶硅太阳能电池）进行比较分析，介绍了太阳能电池新材料和新型高效率太阳能电池量子阱半导体太阳能电池及太阳能电池最大功率跟踪技术，采用脉宽调制的方法实现太阳能电池的最大功率跟踪。关键词太阳能电池，量子阱，半导体，最大功率跟踪II AbstractSolar energy is deemed to be never exhausted and ecological pure resource. The exploitation and usage of solar enengy has attracted more and more people ’ s attention in the past several decades. However, the solar cell is one of the most effective methods to develop and use solar energy .This paper analyzes the solar cells ’ basic theory、 types、 the process principle. Make a comparative analysis of three kinds of solar cells Including monocrystal silicon、 polycrystal silicon、 amorphous silicon solar cell and introduce some new materials of solar cells .The basic theory of the new-type high efficiency solar cell quantum well semiconductor solar cell is researched. And the maximum power point tracking technique of solar cells is studied. The maximum power point tracking of solar cell is achieved by the method pulse-width modulation. Keywords Solar cell ； Quantum well ； Semiconducor； Maximum power point tracking目录摘要 . IIII Abstract I I 1. 太阳能简介 . 11.1 太阳光谱的分布 . 11.2 太阳能的特点 . 22. 太阳能电池的工作原理 32.1 太阳能电池理想化模型 . 42.2 太阳能电池实际模型 53．太阳能电池的分类 . 63.1 按结构分类 . 63.2 按材料分类 . 63.2.1. 硅系列太阳能电池 . 63.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池 . 94. 太阳能电池新材料 . 94.1 染料敏化太阳能电池 . 94.2 化合物半导体太阳能电池 10 4.3 有机太阳能电池 10 4.3.1 有机太阳能电池基本原理 10 4.3.2 有机 / 聚合物太阳能电池材料的研究进展 . 11 5. 太阳能电池新工艺 . 12 6. 太阳能电池最大功率跟踪技术 . 13 6.1 采用脉宽调制法来实现太阳能电池的最大功率跟踪 14 6.2 最大功率跟踪在太阳能电池的应用 . 15 6.2.1 独立光伏发电系统 15 6.2.2 并网光伏发电系统 16 7. 总结 16 参考文献 . 17 1 1.太阳能简介1.1 太阳光谱的分布由于太阳和地球距离的变化，在地球大气层上垂直于太阳辐射方向的单位面积上接收到的功率在 132.8mW/cm2 到 141.8mW/cm2 之间。这种辐射的波长约从 0.1μ m 直到几百 μ m。为了统一标准，定义在平均日地距离处，垂直于太阳辐射方面的单位面积上接收到的太阳总辐照度为太阳常数，其数值为 1367± 7W/m2[1] 。在地球大气层外接收到的太阳辐射，未受到地球大气层的发射和吸收，称为大气质量为零，以 AM0 表示。太阳辐射在到达地球表面之前，必须通过大气层。太阳辐射被大气层中的分子及微粒所吸收、散射或反射，因而太阳辐照度将被削弱。这种削弱还与太阳辐射穿透大气层的距离有关，这又取决于太阳辐射的方向，通常用大气质量（ AM ）表示。如图 1 所示。决定总入射功率的最重要参数是光线通过大气层的路程。太阳在头顶正上方时，路程最短。实际路径和此最短路程之比称为光学大气质量。太阳在头顶正上时，光学大气质量为 1，这时的辐射称为大气质量 1AMl 的辐射。当太阳和头顶正方成一个角度 θ 时，大气质量由下式得出大气质量＝ 1/cosθ因此，当太阳偏离头顶正上方成 60°角时，辐射为 AM2 辐射。图 1 太阳光入射到地球表面在不同的大气质量下，垂直于太阳入射方向的单位面积上得到的太阳光谱，分别为 AM1、 AM1.5、 AM2太阳光谱。2 图 2 是美国国家航空及宇航局 NASA 和美国材料及试验学会 ASTM 于1977 年所测得的地球大气外太阳辐射光谱分布的标准曲线。太阳光谱是指太阳辐射按波长（频率）分布的特征。它可以分为无线电波、红外线、可见光、紫外线和射线（如 X 射线）等，其中可见光又可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。到地面的太阳辐射中以红外线能量最多，约占 50％～ 70％，可见光比例次之，约占 30％～ 46％，紫外线最少，约占 0.1％～ 4％。对于单晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池而言，发生光电转换的波段主要集中在可见光范围内。1.2 太阳能的特点太阳能作为一种新能源，与常规能源如化石燃料（煤炭、石油、天然气）及核燃料相比具有下列几个特点（ 1）、太阳辐射的广泛性太阳能可谓取之不尽、用之不竭的能源。这对于山区、沙漠、海岛等交通不便及偏远地区更显示出它的优越性，人们只要一次投资建设好发电设备后，平时的维修费用远比其它能源小。（ 2）、太阳能的清洁性化石能源在燃烧时会放出大量的各种气体，核燃料工作时要排出放射性废料，它们都会使环境受到污染。利用太阳能直接发电，可以大大减少环境污染，因此太阳能被称为清洁能源。（ 3）、太阳能的分散性图 2 地球大气外的太阳辐射光谱3 太阳辐射尽管遍及全球，但每单位面积上的入射功率却很小，因此要得到较大的功率，就需要庞大的受光面积 [如 10000KW 光发电装置，受光照面积需100000m2]，对于大功率发电，涉及到设备的材料、结构、占用土地等费用问题，目前投资要比其它能源高很多。（ 4）、太阳能的间歇性太阳的高度角一天内及一年内都在不断变化，且与地面的纬度有关，再加上气候的变化（如阴雨天日照更少），因此太阳能的可用能量是不稳定的。利用太阳能发电时，必须备有相当容量的储能设备。总的来说，利用太阳能有其巨大的优点，但也有缺点，因此在考虑太阳能的利用时，不仅应从技术方面考虑，还应从经济、环保、生态等方面来全面考虑研究。2. 太阳能电池的工作原理太阳能电池是直接把太阳能转换成电能的器件。由于他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池。光生伏特效应涉及三个主要的物理过程第一，半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子一空穴对 ;第二，非平衡电子和空穴从产生处向势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也可以是漂移运动 ; 第三，非平衡电子和空穴在势场的作用下向相反的方向运动而分离。这种势场可以是PN 结的空间电荷区、金属 -半导体的肖特基势垒或异质结势垒。总之，太阳能电池的原理基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能 [2] 。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以 p 型硅和 n 型硅对外部来说是电中性的。如果将 p 型硅或 n 型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。尽管光的能量通过电子从化学键中被释放，由此产生电子 -空穴对 ,但在很短的时间内在微秒范围内电子又被捕获，即电子和空穴”复合” 。当 p 型材料和 n 型材料相接，将在晶体中 p 型和 n 型材料之间形成界面，即 p-n 结。此时在界面层 n 型材料中的自由电子和 p 型材料中的空穴相对应。由于正负电荷之间的吸引力，在界面层附近 n 型材料中的电子扩散到 p 型材料中，并且将在原子作用力允许范围内，与 p 型材料中的电子缺乏实现平衡。与此相反 ,空穴扩散到 n型材料中与自由电子复合。这样在界面层周围形成一个无电荷区域。在之前 p型材料和 n 型材料是电中性的，这样通过界面层周围的电荷交换形成两个带电区 4 通过电子到 p 型材料的迁移在 n 型形成一个正的空间电荷区，在 p 型区形成一个负空间电荷区。图 3 硅太阳能电池的工作原理图对不同材料的太阳能电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。如图 3 所示，在 p-n 结的内建电场作用下， n 区的空穴向 p 区运动，而 p 区的电子向 n 区运动，最后造成在太阳能电池受光面上表面有大量负电荷电子积累，而在电池背光面下表面有大量正电荷空穴积累。如在电池上、下表面引出金属电极，并用导线连接负载，在负载上就有电流通过。只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过。2.1 太阳能电池理想化模型太阳能电池实际上就是一个大面积平面二极管，在阳光照射下就可产生直流电。太阳能电池的能量转换可用理想化等效电路模型来说明，图 4 中 IL 是入射光产生的恒流源的强度，恒流源来自太阳辐射所激发的过量载流子， IS是二极管饱和电流， RL 是负载电阻。图 4 太阳能电池的理想化等效电路模型5 这种器件的理想 I-V 特性为 [5] II L- IS eqV/kT -1 1-1 其中 IDIS（ eqv/kT -1） ,q 为电子电量， k 为波尔兹曼常数； T 为绝对温度。当开路时， I0，由式 1-1得到开路电压 open circuit voltage VocV maxkT/qlnI LIS1≈ kT/qlnI LIS 1-2）2.2 太阳能电池实际模型对于实际太阳能电池，影响转换效率的主要因素一个是串联电阻 RS，主要包括正面金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻三部分；另外一个是并联电阻 RP，主要原因是电池边缘漏电或耗尽区内的复合电流引起的。由于光生电动势使 p-n 结正向偏置，因此存在一个流经二极管的漏电流，该电流与光生电流的方向相反，会抵消部分光生电流，被称为暗电流 ID。图 5 为实际太阳能电池的单二极管等效电路模型。图 5 p-n 结太阳能电池等效电路太阳能电池最重要的基本参数包括短路电流 ISC、开路电压 VOC、最大工作电压 Vm、最大工作电流 Im、填充因子 FF、转换效率 η 、串联电阻 RS 和并联电阻RP。常用的关系式为填充因子 FFVm2 I m/V OC2 I SC转换效率 η I m2 Vm/PFF2 I SC2 VOC/P in P in 为太阳辐射功率对于太阳能电池来说，填充因子 FF是一个重要的参数，它可反映太阳能电池的质量。太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充因子越大，反映到太6 阳能电池的电流电压特性曲线上是曲线接近正方形，此时太阳能电池可以实现很高的转换效率。3．太阳能电池的分类 3.1 按结构分类 ⑴ .同质结电池由同一种半导体材料构成一个或多个 p-n 结的电池。如硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池等。2.异质结电池用两种不同的半导体材料，在相接的界面上构成一个异质结的太阳能电池。如氧化铟锡 /硅电池、硫化亚铜 /硫化镉电池等。如果两种异质材料晶格结构相近，界面处的晶格匹配较好，则称为异质面电池 ,如砷化铝镓 /砷化镓电池。3.肖特基结电池用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的电池，也称 MS 电池。目前已发展成金属－氧化物－半导体电池 MOS和金属 -绝缘体－半导体电池 MIS。这些又总称为导体－绝缘体－半导体电池。4.光电化学电池用浸于电解质中的半导体电极构成的电池，又称为液结电池。3.2 按材料分类3.2.1.硅系列太阳能电池以硅材料为基体的太阳能电池，包括单晶、多晶和非晶硅太阳能电池。3.2.1.1 单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟[3] 。单晶硅太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求很高，达到 99.999。单晶硅材料硅主要存在于石英和砂子中。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成，该过程能量消耗很高。单晶硅太阳电池生产工艺如下 l 将单晶硅棒切成片，一般片厚约 0.3mm。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。2 在硅片上形成 P-N 结需要对硅片进行掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。7 3 一般采用丝网印刷法，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极。4 为了减少入射光的反射，在有栅线的面涂覆减反射膜。5 单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件，用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。根据需要可将太阳电池组件组成太阳电池阵列。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是依靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下。要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。3.2.1.2 多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350-450μ m 的高质量硅片上制成的，由提拉或浇铸的硅锭锯割而成，因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料， 70年代中期人们就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒太小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积 LPCVD 、等离子增强化学气相沉 PECVD 和快热化学气相沉积 RTCVD 工艺。此外，液相外延法 LPE和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题。并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池 [4]。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据重要的地位。3.2.1.3 非晶硅薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速8 发展，非晶硅是一种很好太阳能电池材料，但由于其光学带隙为 1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W 效应，电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是在制备的 p、 i、 n 层单结太阳能电池上再沉积一个或多几个 p、 i、n 子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于 ①它把不同禁带宽度的材料组合在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的 i 层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证 i 层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小； ④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅 a 一 Si太阳电池制备工艺为在玻璃 glass衬底上沉积透明导电膜，然后依次用等离子体反应沉积 P 型、 I 型、 N 型三层 a-Si，接着再蒸镀金属电极铝 Al ，其结构可表示为 glass/TCO/pin/Al 。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、 PECVD 法、 LPCVD 法等，反应原料气体为 H2稀释的 SiH4；衬底主要为玻璃及不锈钢，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的潜力。但同时由于它的稳定性不高，直接影响到它的实际应用。表 1， 2， 3 列出了一些太阳能电池的效率及性能参数。表 2 非晶硅太阳能电池的基本性能参数表 1 晶态硅太阳能电池转换效率表 3 薄膜结构太阳能电池转换效率9 3.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓 III-V 族化合物、硫化镉 ,碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。上述电池中，尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且又易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。砷化镓（ GaAs）等 III-V 化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 GaAs 属于 III-V 族化合物半导体材料，其能隙为 1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的电池材料。铜铟硒（ CuInSe2）简称 CIS。 CIS 太阳电池是在玻璃或其他廉价衬底上分别沉积多层薄膜而构成的光伏器件。经多年研究， CIS 太阳电池发展了不同结构主要差别在于窗口材料的选择 .CIS 材料的能隙为 1.1eV，适于太阳光的光电转换。另外， CIS 薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题。因此， CIS 用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。CIS 电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒。硒化法是使用 H2Se 叠层膜硒化，但该法难以得到组份均匀的 CIS。CIS 作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展也必然受到限制。4.太阳能电池新材料针对于硅太阳能电池光电转换效率不高的情况，国内外在此方面开展了积极的研究工作，目前研究的重点在于太阳能电池本身，主要集中在新材料和新工艺上，这是太阳能研究的一个热点课题。4.1 染料敏化太阳能电池研究表明，太阳光谱中紫外光占 4，可见光占 43， TiO2 是宽禁带半导体，禁带宽度为 3.2ev，吸收位于紫外区，对可见光的吸收较弱。但当 TiO2表面吸附染料后，借助于染料对可见光的良好响应，可将吸收波段拓展到可见光区。由此10 构造染料敏化太阳能电池（ Gratzel 电池）。 1998 年，由瑞士 M.Gratzel 教授领导的研究小组研制的全固态染料化学电池采用固体有机空穴材料取代液体电解质，单色光光电转换效率达到了 33。目前有报道称 Gratzel 电池的单色光光电转换效率可达到 48。4.2 化合物半导体太阳能电池化合物半导体材料包括铜铟（镓）硒（ CuInGaSe2）、碲化镉（ CdTe）和Ⅲ -Ⅴ族化合物。就光伏应用的要求而言，它们比晶体硅材料更为适合。这是由于化合物半导体材料的禁带宽度为 1.4eV，且为直接跃迁材料，所制备的太阳能电池与太阳光谱更匹配、对光的吸收系数更大，使得这些材料容易制备成膜电池，电池厚度为 2-3 个微米即可。目前这一类电池的最高光电转换效率可达 30.28（ CuInGaSe2）。由于化合物半导体大多数有毒，易对环境造成污染，一般只应用于特殊场合。4.3 有机太阳能电池就目前而言，由于硅太阳能电池的制造成本非常昂贵，限制了地面太阳能电池的大规模使用。在这种情况下，有机凝聚态稳定太阳能电池备受关注。但目前与无机硅太阳能电池相比，它在转换效率、光谱响应范围、电池稳定性上还有待提高 [5]。4.3.1 有机太阳能电池基本原理有机太阳能电池是通过有机材料吸收光子从而实现光电转换的器件。基本原理与无机太阳能电池类似，都是基于有机半导体的光生伏特效应。其基本光电转换过程为光照射到有机光伏器件后，一定波长的光子被有机半导体层吸收 ;入射光子激发而形成的电子和空穴以中性激子的形式存在 ;如果在电场或在界面处，这些电子一空穴对就会分离成电子和空穴，即带电载流子 ;电子和空穴被不同的电极收集 [6] 。为了开发有机太阳能电池，科研工作者对各种各样的有机染料和半导体高聚物进行了广泛研究，取得了不少成果，表 4 列出了部分有机太阳能电池的的基本性能参数 [7]。11 4.3.2 有机 /聚合物太阳能电池材料的研究进展有机材料的特点是有机化合物的种类繁多，易于加工以及有机分子的化学结构容易修饰。有机聚合物最显著的特点是 l 通过化学或电化学掺杂它们的电导率可以在宽广范围内变化，而且他们的物理化学特性强烈依赖于高聚物主链结构、掺杂剂的性质和掺杂程度 ; 2 具有颗粒或纤维结构的微观形貌。实验发现颗粒或纤维本身具有金属特性，而它被绝缘空气所包围，通常用“导电孤岛”来描述 ; 3 具有优异的物理化学特性，如较高的室温电导率、可逆的氧化还原特性、掺杂时伴随颜色的变化以及快速响应、大的三阶非线性光学系数。作为有机太阳能电池的材料，要求分子链中存在共扼体系并能通过部分离域的∏和∏ *轨道完成光吸收，光生载流子可以在材料中定向有序迁移从而实现电荷传输。有机太阳能电池材料带隙较低，在可见光区内有较宽的吸收范围，吸收系数大，具有极好的光稳定性和光电性能。有机太阳能电池材料根据电荷的传输可分为有机空穴传输材料 P 型，电子给体和有机电子传输材料 N 型，电子受体。酞蓄类化合物是典型的 P 型有机半导体，具有离域的平面大∏键，在 600～ 800nm 的光谱区域有较大的吸收。 PV类化合物是典型的 N 型有机半导体，具有较高的电荷传输能力，在 400～ 600nm的光谱区域有较强的吸收。目前富勒烯族衍生物最常被用作有机光伏器件中的电子受体材料。因为 C60 分子内外表面有 60 个∏电子，组成三维兀电子共扼体系，具有很强的还原性、电子亲和能及三阶非线性光学性质。由于 C60 的溶解性较差，表 4 部分有机太阳能电池的的基本性能参数12 易聚集，所以需要对 C60 分子进行修饰，增加其溶解性。最常用的衍生物为[6-6]-PCBM 。有机太阳能电池材料根据分子量可以为有机小分子化合物和有机大分子化合物共扼聚合物。有机小分子包括 PV 类化合物、酞著类化合物、蔡类衍生物、并苯类以及 8-羟基哇琳铝 Alq3 。这类小分子材料及富勒烯族材料一般具有良好的∏共扼体系、高的电子亲和能与离子化能、大的可见光范围消光系数以及光稳定性强。目前用于光伏器件研究的聚合物材料主要有聚噬吩 PTH衍生物 [8]、聚对苯乙炔 PPV衍生物 [9]、聚对苯 PPP衍生物 [10] 、聚苯胺 PAN[11]以及其它类高分子材料 [12-16]。这类聚合物都具有大∏共扼体系，可以通过掺杂或化学修饰来调整材料的电导性，使材料的带隙降低，更加有效吸收太阳光。近期聚噬吩衍生物越来越受到人们的重视，它们不仅共扼程度高，具有较高的导电率，易于合成，并且具有较好的环境稳定性和热稳定性。聚咪吩衍生物能级与 PCBM 有较好的配备，有利于电荷的传输。图 6 列出了部分材料的分子结构 [17] 。5.太阳能电池新工艺（ 1）量子阱半导体太阳能电池由于量子阱太阳能电池具有高光电转换效率的特性，它已经不断引起发达国家的兴趣与重视。量子阱半导体太阳能电池的转换效率的理论值可高达 63.2 [18] 。到目前为止，英国伦敦大学皇家学院 K.Barnham 教授的研究组的图 6 部分材料的分子结构13 GaAsP/InGaAs 多量子阱太阳能电池的转换效率为 27[19]。量子阱半导体太阳能电池的最大优势之一还体现在它可以被用作为一种手段，即取代组成叠层电池的两个同质结电池中的一个通常是取代具有较窄带隙的同质结电池，利用量子限制效应调整其等效带隙宽度，使得组成叠层电池的两个电池之间具有最佳配合的等效带隙宽度，从而实现叠层电池的最大能量转换效率 [20] 。因此，量子阱半导体太阳能电池已经不断引起欧、美、日等国家研究力量的兴趣 [21][22-28] 。（ 2）高效硅太阳能电池 [29]通过表面钝化技术，表面 V 形槽和倒金字塔技术以及双层减反射膜技术、陷光理论的进步和完善，减小了电池表面的反射同时提高了电池对红外光的吸收，提高了电池的光电转换效率。6. 太阳能电池最大功率跟踪技术图 7 是太阳能电池的 I V 特性随光照强度和温度变化的情况，图中虚线与曲线的交点对应于太阳能电池的最大功率点。从图 7（ a）可以看到，在常温下，200W/m2 日照时，太阳能电池的最大功率发生在电压为 380V 处，而 1000W/m2日照时，最大功率点发生在电压为 430V 处。从图 7（ b）可以看到，在同一日照下，温度为 50℃时，最大功率点发生在电压为 380V 处，温度为 0℃时，最大功率点发生在电压为 520V 处。由此可见对于不同的光照强度和电池温度，太阳能电池的最大功率点是不同的。为了得到最佳的能量利用效率，必须采取措施使电池的输出自动跟踪气候的变化条件。图 7 太阳能电池的伏安特性14 最大功率跟踪的实现实质上是一个动态寻优的过程，通过对太阳能电池当前输出电压与电流的检测，得到当前太阳能电池输出功率，再与已被存储的前一时刻功率相比较，舍小取大，再检测，再比较，如此不停地周而复始，便可使太阳能电池动态的工作在最大功率点上。目前采用的定电压跟踪法（ CVT ）、扰动观察法、功率回授法、增量电导法以及模糊控制算法等，可以较好的实现最大功率点跟踪功能 [30]。由于 CVT（恒定电压跟踪器）的设计相对简单成本较低，许多产品仍然采用这种工作方式以代替相对复杂一些的最大功率跟踪（ MPPT），但这种方式并非真正的最大功率跟踪，它所带来的功率损失比较大。6.1 采用脉宽调制法来实现太阳能电池的最大功率跟踪硬件如图 8 所示。其中控制电路以 C8051F020单片机为控制核心，通过霍尔电压 /电流传感器采样获得太阳能电池方阵的输出电压和输出电流，采用信号经过处理后送到单片机进行处理，并输出脉宽调制波来控制开关管的占空比，从而实现混合型太阳能电池方阵的最大功率输出。在直流电压电压为 10V，太阳能电池内阻为 10 Ω ～ 12Ω ，负载阻值为 5.3Ω ，信号发生器输出频率为 20KHZ 的可变占空比方波信号并由 TLP250 组成的驱动电路去驱动场效应管 IRF540 的导通与截止，使用电压 /电流传感器电路采集直流电源的输出，最后通过示波器测量出当前情况下的输出电流和电压并计算处当前的输出功率值。图 8 硬件电路方框图15 6.2 最大功率跟踪在太阳能电池的应用6.2.1 独立光伏发电系统独立光伏系统是指负载所消耗的能量全部由太阳能电池发电系统供给的。因此太阳能电池方阵光照时所产生的电力是系统中唯一的能量来源。在原则上，太阳能电池方阵容量的确定，只要根据能量平衡方程，使其发出的电量刚好满足负载需要和补偿各种损耗即可。在一般情况下，负载用电的分布规律与太阳辐射量的变化情况不相同，需要将日照较强时方阵发出的多余的部分能量储存起来，以供无日照时负载使用，所以一般独立光伏系统都要配备贮能装置。独立光伏发电系统主要构成部件如下（如图 9 所示）（ 1）太阳能电池方阵（简称“方阵” ）在金属支架上用导线连在一起的多个光伏组件的组合体。太阳能电池方阵产生所需要的电压和电流。（ 2）防反充二极管（ 3）控制器（系统控制装置）通过对系统输入、输出功率的调节与分配，实现对蓄电池电压的调整，以及系统赋予的其它控制功能。（ 4）蓄电池组提供存储直流电能的装置。（ 5）逆变器以交流为运行为动力的负载，将直流电转变为交流电的电气设备。（ 6）负载太阳能光伏发电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳能电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给负载供电。由于独立光伏系统发出的有效电能要受蓄电池的限制，在蓄电池额定容量充满后，光伏方阵所发多余电力就只能白白浪费，而且蓄电池的自放电和充电过程都要损耗部分电能。图 9 独立光伏发电系统16 6.2.2 并网光伏发电系统图 10 所示为并网系统，这种光伏系统最大的特点就是太阳能电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，并网系统中光伏方阵所产生的电力除了供给交负载外，多余的电力反馈给电网。图 10 并网光伏发电系统示意图在阴雨天和夜晚，太阳能电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵所法的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本，也可免除维护和定期更换蓄电池的麻烦。7.总结改善太阳能电池的性能 ,降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来光伏打能发展的主要方向。总的来说 ,改善性能的关键参数是提高太阳能电池的转换效率。近一、二十年来 ,在改善性能方面 ,无论是晶态硅还是非晶态硅太阳能电池都取得了极大的进展。然而 ,就目前而言 ,硅太阳能电池的制造成本非常昂贵 ,这限制了地面上大规模使用太阳能。本文简单介绍了太阳能电池的原理，类型，制备工艺等，同时提出了一些新的太阳能电池材料，用以降低制造太阳能电池的材料的成本或者将昂贵材料的使用量降低到最低限度。17 参考文献[1] 秦桂红 , 严彪 ,唐人剑 . 多晶硅薄膜太阳能电池的研制及发展趋势 [J]上海有色金属 , 2004,01 . 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