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太阳能发电技术的研究进展(一)

2015-02-09 11:42:54来源:互联网浏览: 评论:0

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  1 引言能源危机是当前世界各国最关心的焦点之一。传统的化石能源支撑了人类至今的工业化。但是,这是一种有限的资源。据《BP世界能源统计2007》估计Ⅲ,按照目前的使用状况,全球石油还可开采42年;天然气还可开采63年;煤炭还可开采295年。另一方面,化石能源的使用带来了环境的恶化。《京都议定书》为此制定了限制温室气体排放的时间表。人类社会和经济生活的持续发展,在要求节约能源的同时,急需开发新能源,尤其是可再生的绿色能源,其中太阳能的直接利用被认为是最佳的选择之一。目前,太阳能的利用有许多途径,直接的如太阳能热水器、太阳能电池等;间接的可以包括风力发电、水力发电、生物能等。这是科技工作者应当做出贡献的领域,也是值得产业界和经济界关注的领域。本文基于近年来所阅读的资料和对太阳能发电技术的关注,介绍太阳能发电技术(PV)发展的状况,包括太阳能电池及相关的光学系统技术;并简单介绍世界和我国太阳能产业发展状况和趋势。

  2太阳能电池据估计,地球表面太阳能的密度达到1000 W/m2。假设太阳能电池的利用效率为10%,以平均每天辐照时间6 h计算,一个面积为100 m2的屋顶可获得60度的电力,每月达1800度,这是十分可观的能源。要用光伏效应技术利用太阳能,首先需要了解它的光谱分布。大气层外的辐照能量密度为1366 w/m2(Air Mass:AM—O)。由于在地球海平面卜的光谱中出现了水和氧气等的吸收峰,辐照密度降到1000 w/m2。

  太阳辐照接近于一个温度为5762 K的黑体,其峰值在500 nm波段。半导体光伏效应的光谱响应决定于它的禁带宽度。低于禁带宽度的光子不能使电子从价带跃迁到导带;高于禁带的光子会激发载流子的带间跃迁,但是其高于禁带宽度部分的能量最终以热量的方式耗散,不能充分利用。最常用的硅材料,禁带宽度为1.1 eV,因此硅太阳能电池光电转换效率最高的波段就位于近红外波段。对太阳能光谱峰值附近的光子,硅太阳能电池的转换效率比较低。为了提高太阳能的转换效率,必须利用包括禁带宽度相当于可见光波段和红外波段的若干种半导体材料,以尽可能地与太阳能光谱相匹配。目前,国际上已经研制成功基于Ⅲ一V族化合物半导体的二至三个P-N结串联的太阳能电池,并正在继续研究探索更多结的技术。图2显示两种三重结的结构和原理的示意图。

  太阳辐照密度的光谱分布 图2 两种三重结太阳能电池结构和对应的光谱为了实现多结串联的太阳能电池,通常需要决一系列的科学和技术问题:第一,不同材料之间的晶格不同。在多结材料生长制备中,必须在不同晶体之间添加缓冲层,否则难以实现后续晶体的单晶生长。虽然多晶和无定型材料也有光伏效应,但是与单晶材料相比,效率要低得多。一般采用金属有机化学气相沉积(MOCVD) 生长多重结材料。这就要求生长设备有多种材料源,包括基质材料成分和各种掺杂源。还需要精密的配比控制和生长速率控制。第二,在串联的P-N结之间,是一个反向的N一P结,这对于产生的光电流是一个需要克服的势垒。为此要在N—P结处做高浓度的掺杂,利用隧道效应克服势垒。第三,P-N结上的光电转换过程,涉及光子的带间吸收和光生载流子的输运过程。光子吸收效率决定于吸收系数和光程两个因素;载流子的输运涉及P-N结内建电场的空间分布。

  对于直接带隙材解料,还需要考虑光生载流子的复合发光的影响。因此必须对于各层材料的配比、厚度、掺杂浓等基本参数做仔细的综合性的优化设计. 第四,不同材料之间折射率不同。光波在不同介质界面上将发生菲涅耳反射。尤其是在最外面一层半导体材料与空气界面卜,必须采取措施减轻菲涅耳反射的影响。此外,还需考虑宽波段的要求、材料色散和宽光谱的减反介质膜技术。第五,高纯度的材料。材料中某些杂质、缺陷和界面态起着光生载流子复合中心的作用,它们会大大降低光电转换的效率。

  要对晶格失配缺陷对光电池性能的影响做深入的研究。图3(a)是一个由Ge,GaAs和GaInP三种半导体材料构成的三重结太阳能电池的结构示意图。该结构用P型Ge为衬底材料,Ge的P-N结作为低能端的光电转换。在Ge上采用GaInAs作为缓冲层,通过组分配比的逐步变化,过渡到近红外或长波长可见光波段的GaAs或GaInAs的P—N结。最后通过AlGaInP过渡。生长GaInP材料的P-N结。三结相互之间有高掺杂的N++一P++隧道结相连。在每一隧道结上面生长了一层BSF(Back SurfaceField),以减少光生载流子在界面上的损失。顶层生长了AIInP窗口层和减反射介质膜(AR)。

  研究和设计更多重结电池的报道也不少。图3(b)是一种硅基的四结太阳能电池的示意图。 由此可见,多结材料的生长涉及十分高的技术要求和难度,必须采用精密、复杂的半导体材料生长设备;并且要利用和发展新型工艺技术,如芯片直接键合技术(Wafer Fusion)。另一方面,从原材料来源角度,Ga,As和Ge在地壳中的含量远远低于硅。硅元素在地壳中的原子数分数为16%,而Ga,As和Ge在地壳中的原子数分数都低于10_5%。因此Ⅲ一V族太阳能电池的成本要比硅太阳能电池高得多。从长远町持续发展的角度,这是应当考虑的问题。如果用同样面积的光电池去接收太阳的辐照,Ⅲ一V族太阳能电池的发电成本就会高得多。但是与硅相比,Ⅲ一V族半导体可以在高的温度下工作,容许在更高密度的辐照下完成光电转换。因此,利用聚焦光学系统将太阳辐照会聚成很小的面积,就可以大大减小电池的面积。如果按照面积计算的光学系统的成本低于硅光电池的成本,Ⅲ一V族太阳能电池就可以获得更低的发电成本。美国Spectrolab公司首先研发了三重结太阳能电池,并保持了最高转换效率的记录。

  Emcore公司2006年推出的三重结太阳能电池,有效面积108 mm2,厚度0.16 mm。图4(a)显示了三重结各自的量子效率光谱曲线;(b)为不同聚焦比(Concentration)下的效率。在200余倍聚焦比下能量转换效率达到37%。在1140倍聚焦下的伏安特性如图4(c)所示,在2.5 V电压下可提供16 A的光电流,输出功率40 W。根据太阳能光谱和光伏效应的基本原理,可以从理论上分析转换效率与结数量之间的关系,以把握多重结太阳能电池的研发方向。理论分析结果表明,四重结光电池在足够高的聚焦比下,转换效率的理论目标可达63%,如图5(a)所示。图5(b)显示了另外一个报道的理论分析结果,并标出了实验数据作为对照。 图4 Emcore公司三重结太阳能电池的(a)量子效率、(b)转换效率和(c)I-V特性

 

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