42.9%累積效率太陽(yáng)能電池模塊綜述

1、42.9合計(jì)效率太陽(yáng)能電池模塊合計(jì)效率太陽(yáng)能電池模塊（文獻(xiàn)調(diào)研）（文獻(xiàn)調(diào)研）林 峰時(shí)間：2008年9月2日 一、項(xiàng)目介紹二、模塊架構(gòu)三、光學(xué)系統(tǒng)四、電池設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果五、總結(jié)梗概梗概超高效率太陽(yáng)能電池（超高效率太陽(yáng)能電池（VHESCVHESC）項(xiàng)目）項(xiàng)目介紹介紹 由University of Delaware，DARPA，NREL，Purdue University，Geogia Institute of Technology，BP Solar，Optical Research Association等多家大學(xué)、公司、科研機(jī)構(gòu)合作。 目的是開(kāi)發(fā)用于便攜用途的，效率超過(guò)50%的光伏模塊。 太陽(yáng)能

2、電池設(shè)計(jì)中直接集成光學(xué)組件設(shè)計(jì)前人不曾涉及。 綜合設(shè)計(jì)中牽扯光學(xué)、互聯(lián)、和電池設(shè)計(jì)等方面同時(shí)進(jìn)行。 模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)：理論效率提高；新的架構(gòu)可以避開(kāi)目前材料/成本之間的矛盾；材料質(zhì)量不理想時(shí)仍然可以獲得較高效率；縮小光譜不匹配對(duì)效率的影響因素；材料選擇的靈活性。超高效率太陽(yáng)能電池項(xiàng)目超高效率太陽(yáng)能電池項(xiàng)目介紹介紹續(xù)續(xù) 集成的光學(xué)/太陽(yáng)能電池模塊使得提高產(chǎn)品轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)保持較低的單位面積生產(chǎn)成本成為可能，所以拓展了高性能太陽(yáng)能電池的應(yīng)用領(lǐng)域。 基本思路：電池分別設(shè)計(jì)（光學(xué)設(shè)計(jì)）優(yōu)化組裝。1、首先利用已有的技術(shù)分別對(duì)高、中、低能量太陽(yáng)輻射設(shè)計(jì)相應(yīng)的電池單元。例如III-V族多結(jié)電池對(duì)應(yīng)高、低能量；

3、硅基電池對(duì)應(yīng)中間能量。2、通過(guò)優(yōu)化模塊架構(gòu)和光學(xué)組件降低成本因素。模塊架構(gòu)模塊架構(gòu)綜述綜述 模塊架構(gòu)的主導(dǎo)思想：“先分再合”，即使用“平行”的或稱(chēng)“平面”的聚光系統(tǒng)和分光元件，將入射太陽(yáng)光譜分成若干子光譜，針對(duì)每個(gè)子譜使用不同的光學(xué)組件和光伏元件。模塊架構(gòu)模塊架構(gòu)光伏元件光伏元件 分光原理的使用使光伏器件材料的選擇更為靈活。 單元電池元件可以只為相對(duì)應(yīng)的譜段優(yōu)化。 對(duì)材料晶格匹配、電流匹配等要求降低。 各個(gè)單元電池不必須級(jí)聯(lián)在一起，降低了光譜匹配的要求。 每個(gè)單元電池可以連接獨(dú)立的電壓總線，所以也不需要tunnel結(jié)，從而大大簡(jiǎn)化了電池材料工藝。 模塊架構(gòu)模塊架構(gòu)平面光學(xué)系統(tǒng)平面光學(xué)系統(tǒng) 包含

4、非成像聚光單元和分光單元。 因?yàn)槭菫楸銛y用途設(shè)計(jì)，不需要太陽(yáng)跟蹤機(jī)制，所以所有光學(xué)元件都是固定的（static concentrator）。 “平面”光學(xué)系統(tǒng)單元電池不是垂直于入射光線分布的。 若干子光學(xué)模塊可以組合成陣列。整個(gè)模塊效率包含兩部分：1、光學(xué)系統(tǒng)效率：到達(dá)單元電池的太陽(yáng)光占所有入射光的比例。2、所有單元電池的效率之和。實(shí)驗(yàn)原型模塊（實(shí)驗(yàn)原型模塊（POC）的光學(xué)系統(tǒng)）的光學(xué)系統(tǒng) 光學(xué)系統(tǒng)是基于非對(duì)稱(chēng)、非成像的光學(xué)元件組裝成系統(tǒng)陣列。 整個(gè)集成的光學(xué)系統(tǒng)沒(méi)有可動(dòng)組件。Front Lens：非球面聚光鏡。Hollow Pyramid Concentrator：倒梯形中空聚光波導(dǎo)。Sec

5、ondary Concentrator：只會(huì)聚1.4eV到2.4eV（mid-energy）的光子。Dichroic Prism：雙色分光棱鏡，分出1.4eV以上的光線。Silicon Low-E SC，Mid-E SC：分別和Dichroic Prisim，Secondary Concentrator連接。實(shí)驗(yàn)原型模塊（實(shí)驗(yàn)原型模塊（POC）的光學(xué)系統(tǒng)）的光學(xué)系統(tǒng)POC原型包含22組單元模塊。母板上包含Silicon SC，兩塊子板上包含Mid-E SC。鋁制墊圈用來(lái)對(duì)準(zhǔn)組件和散熱。每個(gè)單元模塊有自己獨(dú)立的Front Lens。每?jī)蓚€(gè)模塊分享一組Dichroic Prism。除了Dichro

6、ic Prism用BK7玻璃，其余光學(xué)元件都是用低成本塑料制作。整個(gè)POC原型厚度控制在11mm，易于和其它系統(tǒng)組合。光學(xué)系統(tǒng)性能光學(xué)系統(tǒng)性能 光學(xué)系統(tǒng)的透射效率（Transmission Efficiency）決定于所有光學(xué)器件的AR層和材料的反射率和透射率。 通過(guò)計(jì)算，在假設(shè)入射光為AM1.5G時(shí)，T.E.93%。Solar Cell的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果 分光光學(xué)系統(tǒng)的采用，使SC材料的選擇和設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。 傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)多結(jié)電池需要考慮晶格、電流匹配等若干問(wèn)題，材料選擇域受到限制。 平面模塊中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)SC對(duì)應(yīng)譜段上的性能，可以分別設(shè)計(jì)。 實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以選取相應(yīng)譜段已有的最佳材料

7、。2.4eV：InGaN；1.4 1.9eV：GaInP/GaAs；1.12eV：Silicon；2.4 eV：InGaN Solar CellIII-Nitride SC包含一個(gè)低帶隙的InGaN層，夾在由頂層的p-和底層n型GaN材料構(gòu)成的PN結(jié)中間。開(kāi)路電壓Voc達(dá)到2.4V，理想因子FF為78%。短路電流密度Jsc主要受到頂層p- GaN和Ni金屬接觸的肖特基勢(shì)壘。采用全覆蓋、半透明的頂層電極降低影響（30-50ohm）。 III-Nitride材料的優(yōu)勢(shì)：2.4eV以上可以找到直接帶隙材料；遷移率高，提高電流收集；壓電常數(shù)大，利于控制表面復(fù)合。1.4-1.9 eV：GaInP/GaA

8、s Solar Cell采用兩節(jié)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。雖然分立連接（并聯(lián)）兩個(gè)電池可以不受最小電流影響，但其生產(chǎn)成本實(shí)際比兩級(jí)級(jí)聯(lián)的產(chǎn)品高。這里選用市售效率最高的級(jí)聯(lián)電池。20X聚光時(shí)效率達(dá)到31.7%。1.12 eV：Silicon Solar Cell Silicon SC技術(shù)成熟、成本低：材料減薄、表面鈍化等技術(shù)降低成本。采用晶體硅/非晶硅異質(zhì)結(jié)減少表面復(fù)合。頂部的III-V SC正好可以過(guò)濾短波光線，防止非晶硅中的吸收。1.0 eV：GaInAsP/GaInAs Solar Cell底層SC包括兩個(gè)獨(dú)立連接的GaInAsP/GaInAs電池（三端連接）?？梢苑謩e測(cè)量。不需要tunnel結(jié)，降低材料生長(zhǎng)難度。通過(guò)降低最低能量的subcell的帶隙?？梢苑謩e優(yōu)化各個(gè)subcell效率。比如兩級(jí)subcell（0.92eV、0.69eV）可實(shí)現(xiàn)20X聚光下6.2%的合計(jì)效率。模塊的理論累積效率模塊的理論累積效率GaInP/GaAs = 31.7%Silicon （通過(guò)GaAs過(guò)濾） 5% GaInAsP/GaInAs （通過(guò)Si過(guò)濾） 6.2%合計(jì)：42.9%總結(jié)總結(jié) 把光學(xué)組件和Solar Cell