空間電池和聚光電池

1、空間電池和聚光電池,概述,各代太陽能技術(shù)簡介 空間電池 GaInP2/GaAs/Ge級聯(lián)電池 聚光電池 聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的組成部件 聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)意義,各代太陽能電池介紹,單晶硅太陽能電池,多晶硅太陽能電池,第一代太陽電池,第二代太陽電池,非晶硅薄膜、銅銦錫(CIGS)、碲化鎘(CdTe)薄膜太陽能電池,第三代太陽能電池,硅響應(yīng)部分,多結(jié)化合物半導(dǎo)體光伏電池（MTJ光伏電池） 采用三個不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成PN結(jié)： 每個PN結(jié)具有不同的禁帶寬度 頂電池 1.9 eV 中電池 1.4 eV 底電池 0.7 eV 不同的電池吸收太陽光譜中不同的部分,從而提高整個電池的轉(zhuǎn)換效率,中國太陽能資源,

2、1平方公里土地所接受的太陽能功率 約為 10億瓦特 = 1座核電站,P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處就會形成一個P-N結(jié)。當光線照射太陽電池表面時，在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程，其原理如圖所示。,太陽能電池發(fā)電原理,空間太陽能電池的發(fā)展 1958年3月，美國的先鋒1號“Vanguard”衛(wèi)星上首次安裝了太陽電池帆板進行飛行實驗。在隨后的25年中，幾乎所有衛(wèi)星都是由單晶硅太陽電池供電，電池的光電轉(zhuǎn)換效率從5%提高到了18%。 直到1983年

3、，GaAs電池才首次在航天器上使用。,理想太陽能電池材料需要具備： 能帶在1.1eV1.7eV之間(對應(yīng)光波長范圍0.731.13m) 直接能帶半導(dǎo)體 組成材料無毒性 可利用薄膜沉積技術(shù)且可大面積制備 有良好的光電轉(zhuǎn)換效率 具有長期穩(wěn)定性,GaAs材料的主要特點： 帶隙寬度為1.42eV（300K） 帶隙寬度與太陽光譜匹配 耐高溫性能好 抗輻照性能強 多結(jié)疊層太陽電池的材料 光吸收系數(shù)高,GaInP2/GaAs/Ge級聯(lián)電池,GaInP2/GaAs級聯(lián)電池是1985年以后才興起的一種空間用高效電池，GalnP2/GaAs/Ge級聯(lián)電池則是以鍺單晶為襯底，兼顧GaInP2/GaAs電池和GaAs

4、/Ge電池的優(yōu)點。 SpeetrolabInC.的P.K.ehiang從1990年開始研制GaInP2 /GaAs/Ge 多結(jié)級聯(lián)電池，到1993年有了突破。他們在7.62cm2的Ge襯底上用MOCVD技術(shù)制備了效率為23.3%，Voc=2.572mV的電池，且均勻性非常好。,ASEC在這方面也取得了很好成績，他們已制得效率為21.3%的電池，在三顆衛(wèi)星上使用: (i)NASA SSTI“Clerk”和“Lervis”(1996年發(fā)射)，其中“Clerk”準備安裝0.5m2面積的GaInP2 /GaAs/Ge電池和21m2面積的GaAs電池，總功率83W。 (ii)NASA TRACE(199

5、8年發(fā)射)。 (iii)Phillips Lab Mightsat(1996年發(fā)射)，6塊板，108個4cm2面積的GaInP2 /GaAs/Ge雙結(jié)電池(效率為21.5%)。,GaInP2 /GaAs/Ge電池結(jié)構(gòu)圖,BSF層的作用,(a)加速光生少子輸運，增加光電流 (b)由于少子復(fù)合下降而減少了暗電流，背電場可把向背表面運動的光生少子反射回去重新被收集 (C)增加開路電壓 (d)改善金屬半導(dǎo)體接觸，減小串聯(lián)電阻，整個電池的填充因子也得到改善。,GaInP2/GaAs/Ge級聯(lián)電池結(jié)構(gòu)的MOCVD生長,MOCVD裝置示意圖,GaAs/Ge底電池結(jié)構(gòu)的生長研究,在N2氣氛下裝入反應(yīng)室，抽真空

6、充H2交換6次準備生長。在外延生長開始前，先對Ge單晶進行預(yù)處理，去除表面尚存的氧化層，在高溫700 下燒H2，同時通入AsH3，10分鐘后，降溫到過渡層生長溫度為400-450 ，生長完過渡層，升溫到被表面電場(BSF)層和基區(qū)的生長溫度600，生長GaAs的BSF層和基區(qū)，然后生長GaAs發(fā)射區(qū)和AlGaAs窗口層，最后生長GaAs帽子層。,隧道結(jié)的生長研究,GaAs隧道結(jié)單層摻雜生長溫度500一600，石墨襯底托旋轉(zhuǎn)速度100轉(zhuǎn)/分鐘。因為GalnP2/GaAs/Ge級聯(lián)電池隧道結(jié)的厚度在15-20nm之間，故采用低速生長，生長速率約5nm/min。,頂電池的生長研究,GaInP2作為一

7、種重要的寬帶半導(dǎo)體材料，一方面作為發(fā)光材料應(yīng)用在發(fā)光二極管(LED)和激光器上，另一方面又成為多結(jié)級聯(lián)電池較為理想的窗口層和頂電池材料。我們采用自制的低壓MOCVD設(shè)備，以TMG，TMI和PH3為源，以通過把管提純的H2作為載氣，以Ge單晶為襯底進行GalnP2的外延生長，襯底托盤轉(zhuǎn)速80一120轉(zhuǎn)/分。,NREL公司GaInP2/GaAs雙結(jié)太陽能電池,NREL公司改進型GaInP2/GaAs雙結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)參數(shù),GaInP2/GaAs雙結(jié)太陽能電池,太陽能聚光系統(tǒng)的引入,目前應(yīng)用于地面發(fā)電系統(tǒng)的GaAs基太陽能發(fā)電系統(tǒng)大多都采用聚光系統(tǒng)，聚光型太陽能 (Concentration pho

8、tovoltaic，簡稱CPV)技術(shù)通過透鏡或鏡面將接收到的太陽能放大成百上千倍，然后將放大的能量聚焦于效率極高的小光電池上。,CPV系統(tǒng)實物圖(左)及CPV系統(tǒng)原理圖(右),聚光太陽能系統(tǒng)組成,聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的組成部件, 電池片 砷化鎵(GaAs)的發(fā)展?jié)摿?砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比，它具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。因此，廣泛應(yīng)用于高頻及無線通訊中制做IC器件。, 聚光器 聚光器組件的作用是提高太陽能電池表面的入射光輻射強度，從而提高單位面積太陽能電池的輸出功率。,聚光器原理 費涅爾透鏡是一種折射式聚光器，它

9、是由平凸透鏡演變而來的。從圖(a)可知，當太陽光垂直平凸透鏡時，第一個界面(平面)不改變光的傳播方向，第二個界面(曲面)才會改變光的方向，使入射光會聚。把平凸透鏡的曲面分成許多個小單元，由于每個小單元可近十地看作為平面(如圖(b)，這樣圖中畫有陰影線的部分變成了直角小棱鏡。把許許多多直角小棱鏡平版化(在一塊平板上加工制成)，便構(gòu)成了費涅爾透鏡(也稱平板透鏡)，見圖(c)。,費涅爾透鏡演化示意圖,（三）散熱器 散熱裝置主要作用是為太陽能電池降溫，太陽能電池的最佳工作溫度是在25左右，而聚光器在提高光強的同時由于能流密度增大也使太陽能電池表面的溫度升高了很多。 具體以硅太陽能電池為例，溫度每升高1

10、其輸出功率下降0.35%0.45%。,（四）跟蹤器 追蹤裝置的主要作用是保證太陽電池組件表面與入射陽光垂直，延長太陽能電池組件的直接輻照時間，提高其單位時間發(fā)電量。追蹤裝置能保證聚光電池工作于最佳狀態(tài)。,世界聚光太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率,CPV 發(fā)電系統(tǒng)集成,接收器,模組,發(fā)電系統(tǒng),CPV 成本趨勢,隨著聚光技術(shù)的成熟和產(chǎn)業(yè)規(guī)模化， CPV成本將低于硅基和薄膜太陽能技術(shù)，在2012年達到或接近平價上網(wǎng)的水平,26,聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)意義 在各國政府的大力支持下,以及光伏市場的需求和聚光光伏技術(shù)迅猛提高的趨勢下,高效、低廉、可靠、穩(wěn)定的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化。在只要我們抓住有利時機,瞄準國際光伏電池新材料及器件研究的前沿,積極引進和開發(fā)成熟砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，就能在聚光光伏技術(shù)及應(yīng)用方面取得原創(chuàng)性的、突破性的進展。,參考文獻 1.劉祖明，涂潔磊等.中國第六屆光伏會議文集，2000.266一268. 2.陳哲良.太陽能光電技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及前景(摘錄)，物理電源信息，1999(3)1一3 3.太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)及其在我國的發(fā)展前景分析(httP:刀 4.王永東、崔容強等.空間太陽電