提高太阳能电池转换效率的关键技术63480.docx
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1、清华大学2012届毕业论文目录1.绪论11.1 课题研究背景11.2 太太阳能的的特点及及优势11.3 太太阳能电电池的分分类和研研究进展展21.3.11 按材材料分类类31.3.22 按形形态结构构分类71.4 本本文研究究的主要要内容82. 太阳阳能电池池基本知知识92.1 太太阳能电电池原理理及结构构92.1.11 太阳阳能电池池基本原原理92.1.22 太阳阳能电池池基本结结构102.2 太太阳能电电池主要要特性112.2.11 光谱谱响应特特性112.2.22 伏安安特性122.2.33 温度度特性132.2.44 太阳阳能电池池主要参参数142.3 太太阳能电电池等效效电路和和效率
2、分分析152.3.11 太阳阳能电池池等效电电路152.3.22 影响响太阳能能电池转转换效率率的因素素172.3.33 提高高太阳能能电池转转换效率率的各种种技术182.4 本本章小结结223. 聚光光高效太太阳能电电池研究究233.1 聚聚光光伏伏技术的的发展233.2 各各种聚光光太阳能能电池233.2.11 平面面结聚光光硅太阳阳能电池池243.2.22 垂直直结聚光光硅太阳阳能电池池243.2.33 聚光光砷化镓镓太阳能能电池273.3 各各种聚光光器在太太阳能电电池中的的应用283.4 本本章小结结294. 菲涅涅尔透镜镜太阳能能聚光器器研究304.1 菲菲涅尔透透镜原理理及特点点
3、304.1.11 菲涅涅尔透镜镜的光学学原理304.1.22 菲涅涅尔透镜镜的特点点及影响响因素324.2 用用于聚光光太阳能能电池的的柱面菲菲涅尔透透镜334.2.11 线聚聚焦透镜镜的光学学效率分分析334.2.22 柱面面菲涅尔尔透镜344.3 本本章小结结385. 总结结39参考文献:40致谢422第III页 共II页清华大学2012届毕业论文1 绪论论1.1 课题研研究背景景 自自人类社社会诞生生以来,能能源一直直是人类类生存和和发展的的重要物物质基础础。随着着社会的的发展,能能源在社社会发展展中的重重要性越越来越突突出,尤尤其是近近年来各各国日益益呈现出出来的能能源危机机问题,更更
4、加明显显地把能能源置于于社会发发展的首首要地位位。随着着化石能能源的逐逐步消耗耗以及化化石能源源的开发发和利用用所造成成的环境境污染和和生态破破坏问题题日益严严重,开开发和利利用能够够支撑人人类社会会可持续续发展的的新能源源和可再再生能源源成为人人类急切切需要解解决的问问题。新新能源与与可再生生能源是是指除常常规化石石能源和和大中型型水力发发电、核核裂变发发电之外外的生物物质能、太太阳能、风风能、小小水电、地地热能以以及海洋洋能等一一次能源源。诺贝贝尔奖获获得者美美国Riice Uniiverrsitty的Smaalleey教授授曾经指指出,在在未来的的50年里里,人类类面临着着随之而而来的1
5、10大问问题中,能能源问题题排在首首位。目目前人类类使用的的能源中中,化石石能源占占90以以上。而而到211世纪中中叶,其其比例将将减少到到人类使使用能源源的一半半,达到到其极值值,之后后核能和和可再生生能源将将占主导导地位。到到21000年时时,可再再生能源源将占人人类使用用能源的的l/3以上11。 新新能源和和可再生生能源的的开发利利用不仅仅可以解解决目前前世界能能源紧张张的问题题,还可可以解决决与能源源利用相相关的环环境污染染问题,促促进社会会和经济济可持续续性发展展。研究究和实践践表明,新新能源和和可再生生能源资资源丰富富、分布布广泛、可可以再生生且不污污染环境境,是国国际社会会公认的
6、的理想替替代能源源2 。在在诸多可可再生能能源中,包包括太阳阳能、风风能、潮潮汐能、地地热能、氢氢能和生生物质能能,太阳阳能所蕴蕴藏的能能量是所所有其他他可再生生能源能能量总和和的上千千倍,因因此发展展太阳能能潜力巨巨大。太太阳能作作为新能能源和可可再生能能源的一一种,因因其清洁洁环保,永永不衰竭竭的特点点,受到到世界各各国的青青睐。太太阳能是是21世世纪最有有潜力的的能源,太太阳能产产业是新新兴的朝朝阳行业业,具有有较高的的投资价价值。充充分开发发利用太太阳能,对对于节约约常规能能源、保保护自然然环境、促促进经济济发展都都有极为为重要的的现实意意义和深深远的历历史意义义3。1.2 太阳能能的
7、特点点及优势势 太太阳能是是一种能能量巨大大的可再再生能源源,据估估算,太太阳能传传送到地地球上的的能源,每每40秒钟钟就有相相当于2210亿亿桶石油油的能量量传送到到地球,相相当于全全球一天天所消耗耗的能源源。在目目前的几几种新能能源技术术中,太太阳能以以其突出出的优势势被定位位为最具具前景的的未来能能源,有有无尽的的潜力。 在在常规能能源供给给紧张和和环保压压力不断断增大的的背景下下,世界界上许多多国家掀掀起了开开发利用用太阳能能的热潮潮,使太太阳能的的应用领领域不断断拓展,己己渗透到到人们生生活的每每一个角角落。 太太阳能的的优点主主要有以以下几个个方面: (I)来来源充足足:太阳阳光普
8、照照大地,无无论陆地地或海洋洋,无论论高山或或岛屿,都都处处皆皆有,可可直接开开发和利利用,且且勿须开开采和运运输。 (2)没没有污染染:开发发利用太太阳能不不会污染染环境。它它是最清清洁的能能源之一一,在环环境污染染越来越越严重的的今天,这这一点是是极其宝宝贵的。 (3)能能量巨大大:每年年到达地地球表面面上的太太阳辐射射能约相相当于1130万万亿吨标标煤,其其总量属属现今世世界上可可以开发发的最大大能源。 (4)可可长久使使用:根根据目前前太阳产产生的核核能速率率估算,氢氢的贮量量足够维维持上百百亿年,而而地球的的寿命也也约为几几十亿年年,从这这个意义义上讲,可可以说太太阳的能能量是用用之
9、不竭竭的。 目目前太阳阳能利用用的方式式有:太太阳能光光伏发电电,太阳阳能热利利用,太太阳能动动力利用用,太阳阳能光化化学利用用,太阳阳能生物物利用和和太阳能能光-光光利用。其其中太阳阳能光伏伏发电以以其优异异的特性性近年来来在全世世界范围围得到了了快速发发展,被被认为是是当前世世界上最最具发展展前景的的新能源源技术,各各发达国国家均投投入巨资资竞相研研究开发发,并积积极推进进产业化化进程,大大力开拓拓太阳能能光伏发发电的市市场应用用。 基基于以上上种种优优点,太太阳能的的相关应应用也是是十分广广泛,它它的应用用领域有有:太阳阳能集热热器、太太阳能热热力发电电、太阳阳能光伏伏发电、太太阳能海海
10、水挣化化、太阳阳能空调调、太阳阳能电动动车、太太阳能建建筑、太太阳能照照明灯、太太阳能灶灶、太阳阳能水泵泵系统等等,其中中不少应应用是利利用太阳阳能电池池把太阳阳能转化化为电能能加以应应用的。 太太阳能电电池又称称太阳能能晶片或或光电池池,是一一种利用用太阳光光直接发发电的光光电半导导体薄片片4。它只只要被光光照到,瞬瞬间就可可输出电电压及电电流。太太阳能电电池在物物理学上上称为太太阳能光光伏,简简称光伏伏。太阳阳能电池池具有重重量轻、能能经受外外部空间间的各种种复杂的的环境的的考验、性性能稳定定、灵敏敏度及光光电转换换效率高高、使用用寿命长长等优点点,使得得它在现现实生活活中得到到越来越越多
11、的应应用。 1.3 太阳能能电池的的分类和和研究进进展 太太阳能电电池是一一种利用用光伏效效应将太太阳光直直接转变变成电能能的半导导体器件件,使用用时无大大气和放放射性污污染,且且太阳能能是取之之不尽、用用之不竭竭的能源源,因而而受到国国内外普普遍重视视。太阳能光伏伏发电是是太阳能能开发和和利用的的一个重重要领域域。自从从19554年美美国科学学家恰宾宾和皮尔尔松55在美美国贝尔尔实验室室研制成成功实用用型单晶晶硅太阳阳能电池池以来,太太阳能电电池进入入实用阶阶段。220世纪纪60年代代,供空空间应用用的电池池设计成成熟;770年代代初,硅硅电池的的转换效效率大大大提高,太太阳能电电池开始始应
12、用于于地面;80年代代至900年代,由由于各国国政府的的重视,太太阳能电电池进入入高速发发展阶段段。进入80年年代后期期,随着着太阳能能电池成成本不断断下降,世世界光伏伏产品市市场进入入高速发发展。119811年,世世界太阳阳能电池池的产量量为6MMW,19994年达达到700MW,19997年年更是达达到1222MWW,至19998年年已达至至15774MWW,这期期间的平平均增长长速度为为25。从从19999年的的2000MW到到20004年的的12660MWW,平均均年增长长率超过过30,20004年年在20003年年的基础础上猛增增69。根根据美国国世界观观察所的的报告预预测,太太阳能
13、电电池产业业将与通通讯行业业一起成成为发展展最快的的产业,到到21世纪纪中叶,光光伏发电电量将占占到世界界总发电电量的11/56,7。 目目前,太太阳能电电池的应应用已从从军事领领域、航航天领域域进入工工业、农农业、商商业、通通信、家家用电器器以及公公用设施施等部门门,尤其其可以方方便地在在边远地地区、高高山、沙沙摸、海海岛和农农村使用用,可节节省造价价很贵的的输电线线路。但但是在目目前阶段段,其成成本仍然然较高,发发出1kkw电需需要投资资上万美美元,经经济上的的限制了了其大规规模使用用8。 从从长远来来看,随随着太阳阳能电池池制造技技术的改改进以及及新的光光-电转转换装置置的发明明,各国国
14、对环境境的保护护和对再再生清洁洁能源的的巨大需需求,太太阳能电电池仍将将是利用用太阳辐辐射能比比较切实实可行的的方法,可可为人类类未来大大规模地地利用太太阳能开开辟广阔阔的前景景。 目目前,太太阳能电电池的种种类十分分多,按按材料分分一般主主要有单单晶硅电电池、多多晶硅电电池、非非晶硅电电池、化化合物电电池、有有机电池池和染料料敏化电电池等。为为了提高高效率降降低成本本,通过过技术改改进按形形态结构构分主要要有叠层层电池、薄薄膜电池池和聚光光电池等等。然而而综合考考虑材料料的价格格、环境境保护以以及转换换效率等等因素,以以硅为原原材料的的电池是是太阳能能电池最最重要的的成员。1.3.11 按按
15、材料分分类(1)单晶晶硅太阳阳能电池池 硅硅是一种种良好的的半导体体材料,禁禁带宽度度为1.1eVV,是间间接迁移移型半导导体,因因储量丰丰富,且且晶硅性性能稳定定、无毒毒,因此此成为太太阳能电电池研究究开发、生生产和应应用中的的主体材材料。 单单晶硅太太阳能电电池是开开发最早早也是最最快的一一种太阳阳能电池池,它的的构造和和生产工工艺已定定型,产产品已广广泛用于于空间和和地面。这这种太阳阳能电池池以高纯纯的单晶晶硅棒为为原料,纯纯度要求求99.9999。单单晶硅太太阳能电电池的基基本结构构为N+/P型型,多以以P型单晶晶硅片作作为基片片,电阻阻率的范范围为11-3,具有有比较高高的转换换效率
16、,规规模生产产的电池池组件的的效率可可达到112-l6,而而实验室室记录的的最高转转换效率率为244.49。单晶晶硅太阳阳能电池池的颜色色多为黑黑色或灰灰色,其其光学、电电学、力力学性能能均匀一一致,适适合于切切成小片片制作小小型光电电产品。从从目前来来看,单单晶硅电电池已十十分成熟熟,效率率高,寿寿命长,性性价比好好,是目目前最受受重视的的太阳能能电池。 (2)多晶晶硅太阳阳能电池池 多多晶硅是是单质硅硅的一种种形态。熔熔融的单单质硅在在过冷条条件下凝凝固时,硅硅原子以以金刚石石晶格形形态排列列成许多多晶核,如如这些晶晶核长成成晶面取取向不同同的晶粒粒,则这这些晶粒粒结合起起来,就就结晶成成
17、多晶硅硅。多晶晶硅可作作拉制单单晶硅的的原料。 多多晶硅太太阳能电电池具有有独特的的优势,与单晶晶硅相比比,多晶晶硅半导导体材料料的价格格比较低低廉,相相应的电电池单元元成本低低,非常常具有竞竞争优势势。但是是由于多多晶硅材材料存在在较多的的晶间界界而有较较多缺点点,转换换效率不不够高,实实验室的的最高转转换效率率为200.3100。多多晶硅太太阳能电电池的基基本结构构为N+/P型型,以PP型单晶晶硅片作作为基片片,电阻阻率的范范围为00.52。在制制作多晶晶硅电池池时,原原料高纯纯硅不是是拉成单单晶,而而是熔化化后浇铸铸成正方方形硅碇碇,可以以节省原原料和能能源。由由于多晶晶硅太阳阳能电池池
18、性能稳稳定适合合于建设设光伏电电站,也也可用作作光伏建建筑材料料。(3)非晶晶硅太阳阳能电池池 非非晶硅是是一种直直接能带带半导体体,它的的结构内内部有许许多所谓谓的“悬键”,也就就是没有有和周围围的硅原原子成键键的电子子,这些些电子在在电场作作用下就就可以产产生电流流,并不不需要声声子的帮帮助。因因而非晶晶硅可以以做得很很薄,还还有制作作成本低低的优点点。 非非晶硅太太阳能电电池的转转换效率率和稳定定性都不不够好,对对其研究究开始于于20世纪纪70年代代初。非非晶硅的的可见光光吸收系系数比单单晶硅大大,是单单晶硅的的40倍。1微米厚厚的非晶晶硅薄膜膜,可以以吸引大大约900有用用的太阳阳光能
19、。但但是,非非晶硅太太阳能电电池的稳稳定性较较差,从从而影响响了它的的迅速发发展。非非晶硅及及其合金金的光暗暗电导率率随着光光照时间间的加长长而减少少,经过过1700C2000C的退火火处理,又又可以恢恢复到光光照之前前的值。这这一现象象首先由由Staaebller和和Wroonskki发现现,被称称为S-W效应应111。SS-W效效应使非非晶硅太太阳能电电池的转转换效率率由于光光照时间间加长而而衰退,长长期以来来成为非非晶硅太太阳能电电池应用用的主要要障碍。 目目前非晶晶硅太阳阳能电池池存在的的问题是是光电转转换效率率偏低,国国际先进进水平为为10左左右,且且不够稳稳定,常常有转换换效率衰衰
20、降的现现象。所所以尚未未大量用用于大型型太阳能能电源,而而多半用用于弱光光电源,如如袖珍式式电子计计算器、电电子钟表表及复印印机等方方面。估估计效率率衰降问问题克服服后,非非晶硅太太阳能电电池将促促进太阳阳能利用用的大发发展,因因为它成成本低,质质量轻,应应用更为为方便,它它可以与与房屋的的屋面结结合构成成住户的的独立电电源。(4)化合合物太阳阳能电池池 化化合物太太阳能电电池包括括三五族族化合物物电池和和二六族族化合物物电池。三三五族化化合物电电池主要要有GaaAs电电池、IInP电电池、GGaSbb电池等等;二六六族化合合物电池池主要CCaS/CullnSee电池、CCAS/CdTTe电池
21、池等。在在三五族族化合物物太阳能能电池中中,GaaAs电电池的转转换效率率最高,可可达288;GaaAs是是二元化化合物,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
22、而深受广大用户青睐。(5)有机机太阳能能电池 有有机太阳阳能电池池具有柔柔韧性和和成本低低廉的优优势,是是近年出出现的新新型太阳阳能电池池。与结结构工艺艺复杂、成成本高昂昂、光电电压受光光强影响响波动大大的传统统半导体体固体太太阳能电电池相比比,有机机太阳能能电池制制备工艺艺简单,可可采用真真空蒸镀镀或涂敷敷的方法法制备成成膜,且且可以制制备在可可弯曲折折叠的衬衬底上形形成柔性性太阳能能电池。有有机物太太阳能电电池材料料的分子子结构还还可以自自行设计计合成。材材料选择择余地大大,加工工容易,毒毒性小,成成本低,可可制造面面积大,在在太阳能能电池产产业引起起了科学学家的极极大关注注。美国加州大大
23、学圣芭芭芭拉分分校的诺诺贝尔奖奖得主物物理学教教授Allan Heeegerr和同事事 Kwwanggheee Leee,以及及一个韩韩国科学学家小组组。利用用新的技技术,完完全在溶溶液中合合成出一一种效率率更高的的级联有有机太阳阳能电池池,将有有机太阳阳能电池池的效率率提高到到了6.5,已已经接近近7的商商业化标标准。由由于电池池以塑料料为主要要材料,因因此成本本比采用用多晶硅硅为材料料的普通通太阳能能电池低低得多。除除提高太太阳能电电池效率率外,新新技术还还能降低低制造成成本112。(6)染料料敏化太太阳能电电池 染染料敏化化纳米晶晶太阳能能电池是是最近二二十几年年发展起起来的一一种基于于
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