聚光太陽電池組

聚光太陽電池組被定義為在聚光條件下使用的基本光伏器件，聚光太陽電池以其轉換效率高、成本低等優點著稱，被稱作是第三代太陽電池，也是目前探索和研究的前沿。

聚光技術是降低太陽電池利用總成本的一種有效措施。它通過聚光器使較大面積的陽光會聚在一個較小的範圍內，並將太陽電池置於光斑或光帶上，以增加光強，克服太陽輻射能流密度低的缺陷，從而獲得更多的電能輸出。

基本介紹

• 中文名：聚光太陽能電池組
• 外文名：concentrator solar cells

聚光太陽電池的特性

太陽電池利用光生伏打效應可以將太陽能直接轉換為電能，是光伏發電系統的核心部件。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太陽（1X=1　000W/m2），而聚光太陽電池上的入射輻照度則為X個太陽（X>1），所以單位面積聚光太陽電池產生的電流要比普通平板光伏太陽電池大。

此外，聚光太陽電池的費用僅占聚光光伏系統總費用的一小部分，所以可以採用工藝先進、效率更高而價格較貴的太陽電池來提高整個系統的性能。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、轉換效率η以及寄生電阻產生的影響會不同。在聚光太陽電池的 串聯電 阻Rs可 忽 略 的 聚 光 比X范 圍內，電池的η是隨著X的增加不斷增加的。但是隨著X的進一步提高，Rs引起的歐姆損失會隨之增加，進而導致電池η的下降。普通平板光伏太陽電池由於其Rs相對較高而不適合用於聚光系統，這也意味著聚光太陽電池的Rs必須設計得很小才行，這一點或許是聚光太陽電池和普通平板光伏太陽電池最關鍵的不同之處。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計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並聯電阻Rsh，不過在高倍聚光條件下Rsh引起的電池η損失通常可以忽略。聚光太陽電池的另外一個非常重要的特徵就是它的熱特性。隨著溫度的升高，太陽電池的Isc會略有上升，而Voc會下降，進而引起電池η的降低。但是η的下降幅度會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降低。高的Voc降低了 電 池的溫度敏 感性，這一 點 已 被Green等 證 實。此 外，Yoon和Garboushian的研究結果表明普通矽電池的效率溫度係數為－0．4%/K，而250　X聚光矽電池的效率溫度係數為－0．25%/K。但是，隨著聚光太陽電池單位面積入射光強的增加，其產生的熱量也成比例增加，這使得電池工作溫度升高，進而引起電池效率下降。為保證聚光光伏系統 能 在較高效率下工作，系統需要有效的散熱裝置 來對電池進行冷卻。而一般的平板光伏即使無冷卻裝置其工作溫度也僅比環境溫度高20℃左右。

不同類型聚光太陽電池的研究進展

為了使聚光光伏系統獲得最優的性能，不同類型的聚光光伏系統需要採用不同類型的聚光太陽電池，這主要取決於聚光器的類型﹑聚光比的大小等。聚光太陽電池主要包括單結聚光矽電池和聚光多結電池。對於像點聚焦的高 倍聚 光 光 伏 系統，通常採用聚光多結電池。聚光多結電池可以在高倍聚光和較高溫度下工作，並且具有長期耐受性，但其成本較高。而對於線性聚光的中低倍聚光光伏系統，通常採用比較便宜的聚光矽電池。聚光矽電池的成本之所以不高是因為該電池的生產工藝是對在普通平板光伏系統中套用的矽電池的生產工藝稍作改進而成的，改進的方面主要包括：採用較長少數載流子壽命的材料；設計合適的柵線和陷光結構；改善表面鈍化等。基於對聚光太陽電池特性的考慮，為了獲得適合聚光光伏系統使用的高效聚光矽電池，設計的關鍵點主要包括：（1）採用具有較長少數載流子壽命的高質量材料；（2）為降低阻值損失和複合損失，合理設計摻雜劑的擴散；（3）儘量降低表面複合；（4）改善電池邊緣鈍化效果（5）獲得優異的反射控制和陷光結構；（6）設計較好的金屬接觸以降低光學和阻值損失。而滿足上述設計要求且已用於聚光光伏系統的聚光矽電池主要包括背結聚光矽電池、雷射刻槽埋柵（LGBC）聚光矽電池和具有傳統n+/p/p+結構的聚光矽電池。

背結聚光矽電池

背結矽電池（見圖1）的特點是正負金屬電極以相互交叉的方式布置於電池的背面，視窗層不存在遮光效應，消 除 了 遮 光 效 應 和 串 聯 電 阻 之 間 的 矛盾。電池的背電場為點接觸引出，既保持了背電場，又減小了電極接觸點與電池的接觸面積，大大降低了背表面複合、發射區複合和接觸電阻，提高了開路電壓和短路電流密度，這樣電池的正反面可獨立最佳化設計。研究結果表明，背結聚光矽電池在聚光條件 下 的 效 率 已 高 達27．6% （1cm2，92suns，AM1．5D，25℃），是2004年Amonix公司研製的，也是迄今為止聚光矽電池所達到的最高效率[4]。在高倍聚光光伏系統套用中，背結聚光矽電池和傳統的n+/p/p+結構的矽電池相比更有發展前景，儘管其單位面積的成本相對較高。

圖一

雷射刻槽埋柵（LGBC）聚光矽電池

LGBC電池的具體結構見圖2。由圖2可以看出，在電池的受光面上，不僅可以看到通過雷射刻槽獲得的埋柵以及化學鍍銅，還可以看到金字塔型陷光結構和氮化矽減反射層；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 矽 電 池 的 主 要 特 點 包括：（1）串聯電阻低，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，同時降低遮光損失；（3）雷射刻槽埋柵易於調整以用於最優的聚光比；（4）該電池完全可以採用常規LGBC產工藝製備，因此其產量高。

圖2

n+/p/p+結構的聚光矽電池

該電池採用電阻率為0．5cm、厚度為300μm、直徑為100mm的區熔p型矽片製作。電池上表 面 的銀柵線 間距為0．3mm（平板光伏矽電池為3mm），柵線與電池接觸處通過磷的重摻雜來降低串聯電阻。電池通過二氧化矽減反射層以及隨機陷光結構實現了對光的高效捕獲。如圖3所示，電池的每個側邊焊有兩個銅片電極，一個焊在前表面的匯流匯流排上，另一個焊在電池的背面。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20%～22%。

圖3

結語

聚光太陽電池以其轉換效率高、成本低等優點著稱，被稱作是第三代太陽電池，也是目前探索和研。不過，由於受到表面複合的影響，聚光矽電池的轉換效率近幾年並無明顯提高。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的發展創造了條件。聚光多結電池在太陽光轉化為電的過程中比其他任何電池的效率都高。目前，聚光 三 結 電 池 在 實 驗 室 條 件 下 的 效 率 已 高 達44．4%。而且以往的經驗表明，實驗室電池在2～3年內就可以變為商品，預計聚光四結或五結電池很快可以獲得50%的效率。為了研製高效的聚光多結電池，了解引起多結電池效率損失的機理，降低電池結構存在的缺陷，掌握實現超高效聚光多結電池的途徑非常重要。