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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(Concentrator Photovoltaic) 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(%～40.7%)、新式核能电厂(42～57%)-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Solar Junction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通量聚光比?Flux Concentrating Ratio），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。 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 (Fresnel lens)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