蓄冷降温式太阳电池组件原理及热-电特性的实验研究 秦红.doc

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号：091066 蓄冷降温式太阳电池组件原理 及热-电特性的实验研究 秦红1，张仁元1，沈辉2，柯秀芳1，刘湘云1，史保新1，梁振南1，邓晨冕 1 （1. 广东工业大学材料与能源学院，广州，510006； 2.510006） （1.TelEmail:qh84@163.com） (Tel: Email: qh84@163.com) 80年代到90年代，世界太阳电池最高效率从22%提高到23.3%，赵建华博士于1999年创造硅24.7%的世界最高纪录一直保持至今90%以上的硅太阳电池下降率达到0.3%/℃~0.73%/℃ [1]]，某些太阳电池组件甚至出现马鞍形的输出曲线，即正午太阳辐射最大时发电量不升反降[2]。这种由于电池材料的温度特性造成的太阳电池效率下降，部分抵消了千辛万苦获得的成果，使得太阳能得不到充分的利用，在发电量要求一定的情况下，需要更多投资扩大装机容量，占据更大面积，从而增加了太阳能光伏发电推广难度。这个问题正在开始引起更多的关注[3]。换一个角度来看这个问题，如果能通过技术手段，降低太阳电池工作温度，就可以提高太阳能利用率。以温度系数为-0.5 %/℃计算，电池工作温度降低20℃，效率将相对提高10％。标称效率18％的10％是标称效率1.8％，相当于将电池材料结构和工艺研究十年努力的结果真正落到实处。为此我们转换思路，着眼于太阳电池的工作过程参数，从工程热物理视点来研究提高太阳电池效率的问题，以期走出一条新的提高太阳能光伏发电效率的道路。在2005年广东省科技计划支持下，本课题组研发出原始性创新的蓄冷降温式太阳电池组件，利用大气自然温差能降低太阳电池工作温度，在广州经一年室外对比实验，取得了无需运行能耗，工作温度比常规平板式太阳电池组件最大降低26℃以上，全天电能输出提高10%以上，最大瞬时电能输出提高近20%的成果[4]。由于广州属于大气温度日较差较小的城市，预计在内陆其他地点将取得更好的结果。本文在此基础上深入研究温度对太阳电池组件性能的影响机理，对蓄冷降温式太阳电池组件的原理、热-电转换和传热特性进行分析。 1 太阳电池能量传导与转换的微观机制 太阳光照射太阳电池表面，Eg，从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。由于p-n结势垒区存在较强的内建电场，结两边的光生载流子各自向相反方向运动：电子穿过p-n结向带正电的n区运动，空穴向带负电的p区运动，从而在n区即太阳电池受光面有大量负电荷（电子）积累，而在p区即电池背光面有大量正电荷（空穴）积累，在p区和n区之间产生电压。此时用导线连通上下表面并接上负载，在负载上就有电流通过。只要太阳照射不断，负载上就一直有电流通过，从而太阳光能被转换为电能。 太阳电池输出电能与投射太阳辐射能之比是衡量太阳电池光电转换能力的重要指标，称为太阳电池的光电转换效率，其大小与太阳光谱、太阳电池材料及结构特性有关。 太阳光由不同波长的光复光决定于光子的频率，而光强则决定于光子的数量。（） （）普朗克常数（6.626 x 10^-34 J s（）由于量子化效应，光子的能量只能整份地接受[5]。此时对太阳电池上的能量转换分析应遵循能量守恒定律和动量守恒定律，用分子动力学方法进行。对于单个光子的吸收过程，可写出以下能量守恒方程： （）EC、Ev、EpE与材料禁带宽度Eg之间关系有三种可能：EEg；E=Eg；EEg。在第一种情况下，光子不具备激发价电子脱离原子核束缚的能量，不产生光伏效应。吸收这部分能量的电子在同一能带的不同状态之间跃迁，使得太阳电池材料中的原子相对于平衡位置的随机振动加大，也即直接转化为热能。第二种情况，光子能量与禁带宽度相等，正好产生一对电子-空穴对（均称为载流子）。当该载流子被收集起来，就转换成为电能。第三种情况，电子吸收了大于禁带宽度的光子能量后从价带跃迁到导带中具有较高能量的轨道，旋即按照能量最低原理下跳到导带边缘，放出声子，将下跳前后能差转变为晶格振动能量，也即在此过程中，太阳电池将同时产生电能与热能。 已经激发到导带的电子将可在半导体材料中运动。但与导体中的自由电子不同，太阳电池内产生的载流子在外加电场作用下沿外场方向运动时，将与晶格原子、杂质原子和晶格缺陷不断碰撞形成散射，位错、层错和晶界等原生缺陷以及器件工艺中的二次缺陷还可能处于电活性状态，形成载流子的复合中