分光谱太阳能光电转换系统研究

【摘要】：自1954年美国BELL实验室研制出世界上第一块效率约为6%的太阳能电池以来[1],太阳能电池研究和应用已经取得长足进展,从第一代硅太阳能电池到第二代薄膜太阳能电池[2]到再到第三代多结(叠层)太阳能电池,光电转换效率也从当初的6%增长至现在的43%左右。随着多结太阳能电池光电转换效率的提高,其研究和发展也遇器件制备工艺和技术的限制。为了能与较宽分布的太阳光谱相匹配,吸收更多太阳能量,需要增加多结太阳能电池的层(结)数,而随着层(结)数增多,电池厚度也增加,将导致更多太阳光的穿透损失。经计算分析,按多结电池工作原理制备的光电池将很难突破50%光电转换效率。 为克服多结太阳能电池的工艺瓶颈困难,近年来国际上对分光谱太阳能光电转换系统的研究产生了浓厚的兴趣。根据2010年报道澳大利亚南威尔士大学的最新研究成果,新组合的分光谱太阳能光电转换系统在聚光条件下已可达到43±1.5%的效率[3]。可乐观地预期在不远的未来,科学家们将会研制出基于分光谱原理的新型太阳能电池,其光电转换效率将达到甚至超过60%。 本论文的研究工作主要集中在分光谱太阳能光电转换系统研究的两个关键方面：1、太阳光谱的分离器件研究；2、与分光谱区相匹配的太阳能电池的光电转换特性研究。 1、太阳光谱的分离器件研究。按不同太阳光电池的光谱响应特性,可采用光学滤波器件实现对太阳光谱的高效率光谱分割。结合常规光谱滤波片的设计原理,在研究中对基于薄膜的光学滤波器的经典干涉公式作了修正,给出了新的考虑空间干涉效应的薄膜反射系数解析表达式。在原理上结合三种极限物理条件,对该公式的合理性进行了验证。在实验中,采用等离子体辅助电子束蒸发镀膜设备制备具有不同厚度的SiO2薄膜样品,采用连续变入射角的椭圆偏振光谱分析方法,对考虑空间干涉效应后的光学薄膜公式进行了验证,与计算结果有较好的吻合。研究结果表明,考虑空间干涉效应后的光学薄膜器件的解析式有更宽的适用范围,这对于具有复杂结构的高性能分光谱滤波片等光学薄膜器件的设计、制备和应用具有积极的意义。 2、与分光谱区相匹配的太阳能电池的光电转换特性研究。按太阳光的分光谱要求,搭建了各分光谱太阳能光电转换系统光电转换的分析测试系统,包括聚光透镜、太阳能传输和采集、光学滤波器与电池耦合、光电转换效率检测等实验装置,通过比较不同IV测试电路的优缺点设计和搭建了新的IV测试系统。在实验中,在太阳能电池辐照测试的0.5-6.0个SUN (AM1.5G)变化条件下,对多光谱组合的太阳能电池的光电转换效率进行了测试,经大量IV测试数据分析,在2.8个SUN (AM1.5G)辐照条件下,测得光电转换峰值效率为35.8%。通过多种IV分析法,包括光生电流、电池串联和并联内阻的随光强的变化情况,预期组合分光谱太阳能光电转换系统在最佳工业制作条件下,效率会在3.8个SUN (AM1.5G)辐照条件下,将可达到46.65%的峰值光电转换效率,在此基础上,给出了制备高效率组合型分光谱太阳能光电转换系统的建议。 【关键词】：太阳能 分光谱 光子薄膜 滤波片 IV方程 光电转换效率
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第一章 引言9-21
• 1.1 太阳能电池发展趋势9-12
• 1.2 分光谱太阳能光电转换系统研究意义12-15
• 1.3 分光谱太阳能光电转换系统国外研究现状15-16
• 1.4 本文研究内容16-21
• 1.4.1 分光谱太阳能光电转换系统滤波片分析设计模型研究17-18
• 1.4.2 分光谱太阳能电池光电转换系统电学输出特性分析18-21
• 第二章 分光谱滤波片分析设计基本原理及制备方法21-42
• 2.1 分光谱滤波片的分类和基本结构21-23
• 2.1.1 截止薄膜干涉滤波片21-23
• 2.1.2 带通薄膜干涉滤波片23
• 2.2 分光谱滤波片分析设计基本原理—干涉原理23-33
• 2.2.1 单色平面波在单层薄膜中的干涉24-29
• 2.2.2 单色平面波在多层薄膜中的干涉29-33
• 2.3 分光谱滤波片制备方法33-36
• 2.4 分光谱滤波片光学测量方法—椭圆偏振光谱测量术36-42
• 2.4.1 椭圆偏振光谱学测量原理36-38
• 2.4.2 RAP型椭圆偏振光谱仪38-42
• 第三章 分光谱滤波片分析设计空间干涉模型的提出及验证42-66
• 3.1 分光谱滤波片分析设计经典干涉模型存在的问题42-51
• 3.2 分光谱滤波片分析设计空间干涉模型的提出51-60
• 3.3 分光谱滤波片分析设计空间干涉模型的实验验证60-62
• 3.4 分光谱滤波片分析设计空间干涉模型在极限条件下理论验证62-66
• 第四章 分光谱太阳能光电转换系统66-79
• 4.1 太阳能辐射光谱66-67
• 4.2 阳光模拟器及光谱特性67-69
• 4.3 分光谱滤波片光谱特性及对应的太阳能电池选择69-72
• 4.4 分光谱太阳能电池光电转换系统光路设计及搭建72-75
• 4.5 分光谱太阳能光电转换系统电学输出测试系统搭建75-79
• 第五章 分光谱太阳能光电转换系统电学输出特性分析79-93
• 5.1 太阳能电池电学输出模型的建立79-81
• 5.2 分光谱太阳能光电转换系统Ⅳ分析方法81-83
• 5.3 分光谱太阳能光电转换系统测试参数随光照的变化关系83-90
• 5.3.1 Ⅳ曲线随光辐照度的变化83-85
• 5.3.2 光生电流随光辐照度的变化85-86
• 5.3.3 串联电阻随光幅照度的变化86-87
• 5.3.4 并联电阻随光辐照度的变化87-88
• 5.3.5 分光谱太阳能光电转换系统光电转换效率与光照变化关系88-90
• 5.4 结论90-93
• 第六章 总结与展望93-95
• 6.1 总结93-94
• 6.2 展望94-95
• 参考文献95-99
• 攻读博士学位期间发表的论文99-100
• 致谢100-101

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