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第五章其它结构太阳能电池本章中介绍一些具有特殊用途的，新提出的，以及一些还只是概念的太阳能电池。由于光伏电池并不是一种很成熟的发电设备，其结构、运行机理、构成材料以及制备工艺等在发生日新月异的变化，相对于目前太阳能电池应用市场的疲软，开发研究非常活跃。第一节聚光太阳能电池目前常用的太阳能电池，比如为家庭和建筑提供辅助电力的太阳能电池，大多属于平板电池，只能利用太阳自然产生的光亮度，最佳效率限定于一个相对狭窄的光子能量范围中。聚光型太阳能电池(ConcentratorPhotovoltaic，CPV)通过聚光器而使较大面积的阳光会聚在一个较小的范围内，形成焦斑或焦带，并将太阳电池置于这种焦斑或焦带上，以增加光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能输出。聚光太阳能电池不仅能充分利用光能，而且效率随着入射光强度的提高而提高，例如1000倍聚光下，单结电池的效率极限可以达到37%。聚光太阳能电池大多用于空间太阳能电池。比较目前各类规模发电设备的效率，据统计大概是薄膜型太阳能(7%～12%)、晶圆型太阳能(12%～20%)、传统核能电厂(30%)、火力发电(36.8%)、聚光型太阳能(28%～40.7%)、新式核能电厂(42～57%)，可见聚光太阳能电池效率的非常可观的。一、常用CPV类型及典型结构根据聚光倍数的不同，我们一般把CPV分为高倍聚光（HCPV）和低倍聚光（LCPV）两大类型。一般几十到数百倍被划分在低倍类，更高（一般大于300）甚至成千上万倍的聚光倍数被认为属于高倍聚光类型。典型的CPV包括四大部分:光伏电池本体；聚光器；跟踪装置和散热器。聚光倍数较低时，可以采用自然冷却，不需专门的散热系统。目前的市场来看，聚光倍数越高越有使用价值，HPCV的发展更为令人期待。（一）、聚光太阳电池本体用于聚光太阳电池的单体，与普通太阳电池略有不同，因需耐高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑。最理想的制造聚光太阳电池的材料为砷化镓及其系列材料，因为它的禁带宽度和载流子浓度均适合于在强光下工作。其次是单晶硅材料，在低倍聚光中应用较多。在电池结构方面，聚光电池的p-ｎ结构要求较深，普通太阳电池多用平面结构，而聚光太阳电池常采用垂直结构，以减少串联电阻的影响，因此全背接触太阳能电池在结构上占有优势。同时，聚光电池的栅线也较密，典型的聚光电池的栅线约占电池面积的1０％。在聚光太阳能电池中，由于载流子浓度高，因此俄歇复合变得重要，这是一种体复合因此光吸收层设计得较薄，为了提高光利用率，除了采用高效太阳能电池外，聚光太阳能电池大多采用多结结构。多结太阳能电池通过使用三个子电池的能带隙将太阳光谱区分成三个较小的区块，每个子电池均能有效地将光转换成电流，例如InGaP/GaAs/Ge结构。目前聚光太阳能电池的最高效率达到了43.5%，这首先是美国SolarJunction公司于2011年3月创下，随后日本夏普公司采用高效率堆叠三层光吸收层的化合物半导体三结技术，底层使用铟镓砷，中间层使用砷化镓，上层使用铟镓磷，在面积约为0.167平方厘米的单元，聚光306倍的条件下也实现了该全球最高效率。使用三个以上的PN结、并改善材料与设计，将能够达到58%的理论效率值，这表示，聚光太阳能电池的效率可以超过45%，甚至于在未来超越50%。（二）聚光器用聚光比来表征聚光器的聚光程度。一般的聚光比是指使用光学系来聚集辐射能时，每单位面积被聚集的辐射能量密度与其入射能量密度的比。常用的是通量聚光比（FluxConcentratingRatio），入射在聚光型集热器接收器面积与净采光面积上的太阳辐射能通量之比。有时也用几何聚光比，即聚光器开口面积和电池有效受光面积的比。聚光比的大小同接收角密切相关。聚光器能够聚集到与其光轴某个角度之内的入射光，并使它达到接收器，这个角度就成为接收角，也就是接收器的视野的一半，接收角越大聚光比越大。聚光器的形式多样，根据光聚集形式可以分为透射（折射）聚光和反射聚光两大类，根据聚光形状，可以分为点聚光和线聚光两种。根据聚光根据聚光机理也可以分为成像和非成像式聚光器，前者电池板位于聚光器的焦平面上，后者偏离成像平面，只要求在单位面积上获得最大强度的光,其实质是一个光学“漏斗”,它要求大面积上的入射光被折射或反射后能通过一块小得多的面积来达到聚能的目的，因此非非成像聚光器大多由多个特殊形状的反射器构成。因此成像聚光器必须要使用太阳能跟踪装置保证聚焦平面位置，而非成像光学应用于太阳能聚光器不仅可以得到高的聚光比,还能获得较大的接收角以及较小的体积。这非常适合作为非跟踪式的静态聚光器,并进行集成。当然，实际的聚光器可以是多种聚光方式的结合，可以达到非常高的聚光比。常见的有一些一些种类。反射镜式光能收集器主要是利用反射镜将入射太阳光聚焦到PV电池板上，反射式的种类就非常多了，各种形状的镜面及其组合不断推出。传统反射镜聚光比非常低，大多在10倍聚光以内，例如平面镜聚光的V型聚光器，四面体或八面体聚光器等，聚光比在2~10之间，复合抛物面型(CPC)和槽式抛物面型(PTC)等聚光比可以到10左右，带有多个展开的传统反射镜的蝶式聚光器最高聚光比可以超过10，结构简单，是低倍率聚光的首选之一。形状比较复杂，制作困难的反射式聚光器，例如旋转抛物面聚光器，反射镜面由抛物线沿主光轴旋转一周而成，其聚光比非常高，能够到数千以上。非成像聚光器由多组反射镜构成，例如复合曲面线式非成像聚光器，四壁为复合曲面式的反射镜,底部为PV电池板,复合曲面可以为复合抛物面,复合双曲面,复合椭球面等等，可以根据所需聚光比进行设计，聚光比从低倍到高倍范围非常广，可以到数千以上。缺点是这类聚光器轴向长度一般比较长,体积大。透射式聚光可以是传统的连续透镜,也可以是菲涅尔型透镜,而菲涅尔型透镜更具优势，是目前高倍率透射式太阳能聚光器的主要形式，聚光比范围很广，可以到千倍以上，缺点是光的均匀性较差。菲涅尔透镜(Fresnellens)利用了光折射聚集的原里，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，聚集形式如下图5-1所示。菲涅尔透镜可以有非常大的口径，当口径很大时也可以制作得薄并且轻，菲涅尔型透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，例如有机玻璃，也有玻璃制作的，菲涅尔透镜有点聚焦和线聚焦两种,根据不同的应用场合可选取不同的聚焦方式。PMMA的菲涅尔透镜最大直径可达2米，浇铸工艺成型，透光率85%而厚度仅4mm。图5-1菲涅耳透镜聚光示意图近来，还出现了利用全反射原理设计的新型太阳能聚光器。例如光纤聚光器。由光导纤维透镜和与之相连的光纤组成，阳光透过光纤透镜聚焦后由光纤传递到使用处，这是室内光源的一种形式。还有一种是荧光聚光器。一种添加荧光色素的透明板，例如有机玻璃，可以吸收太阳光后放出荧光，由于板和周围介质的折射率差异，荧光在板内以全反射的方式向板的边缘面汇聚，聚光比取决于平板面积和边缘面积，在10~100左右。该聚光方式的最大特点是可以改变太阳光的光波长，使其同太阳能电池的光谱响应更为匹配。（三）太阳光跟踪装置为了保证获取最大的光能和聚光比，尽量要求太阳光垂直于聚光面入射，而且聚光比越大对光入射角度约敏感。太阳光跟踪器是聚光太阳能电池的重要组成部分。跟踪方式可以分为连续跟踪型和间歇跟踪型，可以随时监测太阳位置进行跟踪，也可以定时跟踪，或根据发电量调节角度。根据跟踪器的旋转维度，还可以分为单轴（一维）跟踪和双轴（二维）跟踪，这同聚光器的镜面形状密切相关。（四）、散热冷却装置太阳能电池在高温下的工作能力下降，而聚光同时也是热能的一种收集方式，因此CPV必须使用冷却系统。冷却分为被动冷却和主动冷却两大类。被动冷却方式很简单，使用散热片，利用空气的自然对流进行冷却，关键在于散热片形状的设计，效果较差。主动冷却分为水冷，空气对流冷却，热管冷却，流体射流冲击冷却等形式，其特点是除了加装散热片以外，还需要额外花费电能驱动水、空气以及冷却剂等热媒的循环。二、CPV系统的应用CPV系统的最大优点就是能够充分利用光源，提高电池效率，降低占地面积，特别在太阳能资源比较丰富的地区，可以大大提高单位铺设面积的发电量。例如，平板晶体硅电池，一般按照100W/m2来估算铺设面积，则1MW的发电厂至少需要15亩以上的面积，而CPV发电占有面积仅为其的1/2~1/3。另外，由于采用了太阳跟踪系统和冷却设备，CPV发电的电能输出也较为稳定。但是，目前阻碍CPV发展的最大障碍是高昂的成本。下图5-2是一个CPV系统产业的概念图，可见电池单元占有的比例非常小，据报道在CPV系统中，电池成本仅占10%左右，而普通平板发电大约占50%左右，可见聚光、跟踪和冷却等不仅结构复杂，重量大，成本高。目前还是在特殊行业，例如空间宇宙中使用较多。21SolFocus一次镜二次镜棱镜聚光系统跟踪器、电子、框架电池单元整体框架电子配件跟踪配件组装大板运输安装完整系统21SolFocus一次镜二次镜棱镜聚光系统跟踪器、电子、框架电池单元整体框架电子配件跟踪配件组装大板运输安装完整系统图5-2聚光光伏产业系统当然，国内外也有不少发电设施采用了CPV系统，例如2009年，GreenVolts公司在美国加州北部建造了发电量为2MW的一种碟式太阳能高聚光系统，将太阳光汇聚在面积为1cm2的Ⅲ－Ⅴ族太阳电池上，其电池效率为34%（625X，环境温度大于30℃），聚光器效率为84%，组件效率为28.5%，在标准的AM1.5条件下（1000W/m2），单个电池的输出功率为17.8W。但目前发展缓慢。第二节新概念太阳能电池在光伏研发行业，我们根据各种光伏电池发展历程和技术成熟的程度，将目前的太阳能电池归纳为三代。第一代太阳能电池，晶硅太阳能电池，以传统多晶硅单晶硅太阳能电池为主，占据了全球近90%的市场。该类型的太阳能电池基础研究也已经较为成熟，效率的提高在工艺技术上受到的限制更大，其研发方向主要有：硅基片薄型化，基片厚度从目前的近200微米降低到100微米以下甚至更低（50微米以下），同时保证制备工程中的低损坏率；设计和制备更有效的陷光结构，尽可能的延长光在硅片内的有效路程；降低界面和体内的载流子复合率；还有其他一系列增加光利用率，减少寄生电阻影响的一系列措施，但受到理论光电转换效率（30%）的限制，光电转换效率的大幅度提高可能性非常小，最有可能的研究应该是利用其它光转换材料将硅吸收频谱外的光转换为可吸收波长，例如可以将紫外和红外光转换为可见光的上、下光转换材料等，这种外部手段可以提高晶体硅太阳能电池的效率。第二代太阳能电池，一般认为是薄膜电池，包括非晶硅薄膜太阳电池，化合物薄膜太阳电池以及有机薄膜太阳电池等。第二代太阳能电池一部分已经商品化实现了规模生产，一部分还处于研发状态，但他们的共同特征是基本遵循了普通硅太阳能电池的发电机理，对光的利用形式和电能的产生过程基本一致。限制薄膜太阳电池的一大原因是由于材料本身及制备工艺带来的高成本，以及材料本身带来的高载流子复合导致的低效率，因此材料研发、制备工艺研发一致是其重点课题。第三代太阳能电池也被称为新概念太阳能电池，即提出了新的发电机理和过程。针对太阳能电池存在的能耗高、光电转换率低等缺点，提出了三套解决方案：1）增加带隙数量，制作多带隙叠层太阳能电池；2）热载流子冷却前进行俘获；3）一个高能光子产生多个电子空穴对或者多个低能光子产生一个高能电子空穴对。目前，方案1已经得到实际应用，后两套方案基于量子点产生的量子限制效应正处于研究之中，提出了包括量子点、量子阱电池，迭层(带隙递变)电池，中间带电池，杂质带电池，热载流子电池等等。本节对几种研究热点的新概念太阳能电池做一些介绍，主要是利用了量子效应。一、引入量子结构的太阳能电池在太阳能电池中引入量子结构，最大的作用就是利用各种量子效应，可以打破1）只有大于禁带宽度的太阳光才能产生载流子；2）一个光子不管能量多高也只能产生一个电子-空穴对的这两个传统的限制