“光陷阱”复合式太阳能发电系统

严祥安;何伟康;刘耀武;杨志洁;王凯

【摘 要】为提高太阳光的利用率和电池板的转换效率，设计一种“光陷阱”复合式太阳能发电系统。通过“光陷阱”结构，将入射光困在由多种禁带宽度不同的薄膜太阳电池片组合结构中，形成多次反射，充分吸收各波段太阳光。同时增加水冷系统，带走多余热量，降低光伏电池温度，稳定工作效率。被加热的水可作为生活热水使用，节能环保。利用软件编程和数值模拟，优化“光陷阱”光伏电池的结构参数，结果表明当光线垂直入射时，该结构可使光线在“光陷阱”光伏电池内表面进行24次反射，每片电池片上平均反射6次，达到薄膜太阳能电池最佳光强效果。%A set of “light trap”hybrid solar power conversion system is designed for raising sunlight u-tilization and photoelectric conversion efficiency.The special “light trap”structure trap the incident light into a variety of different energy gap thin film solar cells.This structure forms multiple reflec-tions,and fully absorbs solar spectrum bands.The added cooling system takes away the excess heat, decreases the temperature of the photovoltaic cells,and stabilizes the work efficiency.The heated water can be used as domestic hot water supply.It is energy efficiency and environmental protection.The optimization structure parameters are determined by using the software programming and numerical simulation.The result shows that the structure can make the sunlight reflects 24 times on internal surface of “light trap”photovoltaic cells,6 times per cells,and achieves the best light intensity of the thin-film solar cells.

【期刊名称】《纺织高校基础科学学报》 【年(卷),期】2016(029)001 【总页数】5页(P72-76)

【关键词】内光电效应;光陷阱光伏电池;最佳光强;水冷系统 【作 者】严祥安;何伟康;刘耀武;杨志洁;王凯

【作者单位】西安工程大学 理学院，陕西 西安 710048;西安工程大学 理学院，陕西 西安 710048;西安工程大学 理学院，陕西 西安 710048;西安工程大学 理学院，陕西 西安 710048;西安工程大学 理学院，陕西 西安 710048 【正文语种】中 文 【中图分类】TK51;O441

随着现代工业的发展,全球能源危机和大气污染问题日益突出,新能源及可再生能源的研究与利用备受关注.在众多新能源和可再生能源中,太阳能储量无限、分布普遍、清洁经济,是未来能源利用的主力．近年来,太阳能利用技术在研究开发、商业生产、市场开拓方面均取得不错的发展,有望成为全世界快速、稳定发展的新兴产业之一[1]．

但目前太阳能发电存在转化率不高的问题,这在一定程度上阻碍了太阳能的广泛应用．为了提高太阳能的利用率,文献[2]利用水冷却电池板,得到生活热水的光伏光热综合利用技术(PVT系统)．文献[3]利用太阳光谱分频利用技术,采用高温热炉系统或者荧光聚光器把太阳光谱更多地移向光电池工作的波长．太阳能光伏/温差复合发电系统[4]利用中温太阳热能(220℃)裂解甲醇燃料的方法发电[5]．通过聚光方法,使太阳能电池工作在几倍乃至几十倍的光强度条件下,可提高单位面积太阳能电池

的输出功率[6-8],降低光伏发电成本．聚光光伏系统与常规平板太阳能电池组件相比,发电量提高40%,组件成本降低40%,系统发电成本可降低60%以上[9-11],但这种聚光光伏电池或系统均属聚光单次照射型．目前国内外的太阳能电池工艺采用表面制绒,制成“倒三角”形以增加光线在电池板表面照射次数,提高光能量利用率．而薄膜叠层太阳能电池技术则利用不同禁带宽度材料组合来增加可吸收的太阳光波段,从而提高太阳能的转化效率．本文提出了一种“光陷阱”复合式太阳能发电系统,通过优化光照和电池结构,增加对太阳能的吸收次数;合理组合多种禁带宽度不同的薄膜太阳能电池片,以便充分吸收各个波段的太阳光谱,提高光伏电池的光电转换效率并降低成本.设计中还增加水冷系统,以保证电池片在低温下工作,稳定工作效率,节能环保．

根据消音墙的结构原理,设计“光陷阱”太阳能电池结构,如图1所示.照射光在内壁形成多次反射,实现人工黑体的效果,最大限度地“困住”光线,以提高光子利用率,省略减反射层工艺.将多种禁带宽度不同的薄膜电池片组合起来贴于“光陷阱”空腔内表面,不仅可以充分吸收各个波段的太阳能光谱,而且省略了多层镀膜工艺,降低了界面之间的载流子的复合几率．在阳光照射下,该结构产生光伏效应输出电能形成太阳能电池单元,将该单元电池按需要串、并联后,如图2所示,安装在太阳能跟踪器上,便构成新型太阳能“光陷阱”光伏组件．此外，增加水冷系统,由于各个“光陷阱”单元之间是有空隙的,所以整个发电单元都将浸没在流动的冷水当中,通过阀门控制水的流速,在带走多余热量,降低电池片温度的同时,被加热的水可作为生活热水使用,节能环保．

“光陷阱”空腔内表面半导体光伏层可选择多种薄膜太阳能电池,如非晶硅、微晶硅、多晶硅、碲化镉、铜铟硒化物等．一般硅晶圆切片太阳能电池半导体层厚度为30μm～450μm，而此半导体层厚度仅几微米，原材料用量比硅晶圆切片太阳能电池少80%～90%,大大降低电池成本．

首先建立入射光反射模型．图3所示为“光陷阱”太阳能电池结构的剖面图,为了描述6个内表面,通过结构参数α1,α2,b1,d确定6个直线方程Li(i=1,2,3,4,5,6),即 入射光线ri的直线方程为

当入射光线照射到内表面时,直线ri与某一直线Li相交于点oi,过点oi作Li的法线,通过方程

可得过点oi的反射光线的直线方程,此直线方程继续与其他5条中的任一条直线Li相交求解．重复上述过程,直到与直线Li无解,表示该光线已反射出去．通过Matlab编程[12]求解反射次数最多的结构参数．

分析编程结果可知,当太阳光垂直入射时,可得到简化模型，如图4所示.当O点的光刚好反射到颈口边界M点,就能保证入射光线全部反射进入“光陷阱”太阳能电池结构内．“光陷阱”结构的颈口半径r与入射点横坐标α2及与入射光线相交的表面的斜率k的关系为

先令α2取一定值,k由1递增,可得到颈口半径随斜率的变化曲线，如图5所示.r随k的变化有一渐近线,且在k=5时,r十分接近渐近线．数据分析知,当α2取不同值时,虽然r的值有变化,但曲线的整体趋势是一样的,即在k=5时,r接近渐近线,所以在光陷阱模型中可取斜率k=5．由式(4)知,当k=5时,α2与r成线性关系,比值为一常数C=0.35,所以可以根据现有太阳能电池板的规格确定颈口半径r． 当入射光进入“光陷阱”电池结构中时,最好能使每个内表面反射的次数均匀,以保证每个面充分吸收不同波段的光谱,提高光子的利用率,而且使得每块电池片散热均匀,稳定工作效率．为了简化运算,用A1，A2，B1，B2，C1和C2代表“光陷阱”太阳能电池结构的剖面图的6个内表面,使B1，B2与A1,A2关于X轴对称,便确定了B1，B2的相对尺寸和角度．通过改变C1，C2的交点D的坐标来控制光线在每个面的反射次数，从而确定C1,C2的相对尺寸和角度,如图6所示，选取等间距分布的4束光线,1，2，3，4代表入射光线,通过Optlab软件模拟4束入射光线

在“光陷阱”结构太阳能电池中的反射情况．通过对上百组数据的统计分析,选出4束光线总的反射光线较多,在B1,B2,C1和C2面反射次数较均匀的数据，如表1加黑体部分所示．表1为模拟数据中的部分数据,且都为相对值,具体单位由电池片规格确定．分析可知,当D=-265(文中的数值都是根据电池片的实际情况选的相对值)时,4束光线反射的次数比较均匀,每束光线平均反射24次,相当于每束光线在每片电池片上平均反射6次．当D=-205时，平均反射次数聚多，但光线4反射次数较少,而且在每个面上的反射次数不均匀,不能充分吸收各波段的光谱,而且会使得电池片散热不均匀,工作不稳定．

确定了C1和C2的交点D的取值,而B1，B2与A1，A2关于X轴对称,通过软件编程求解,可得“光陷阱”电池结构参数的相对值，如图7所示．随后通过最佳光强来确定电池片的厚度．一个能量大于禁带宽度的光子,只能在一个硅原子上激发出一对电子空穴对,要使构成半导体光伏电池的所有硅原子都能被光子激发产生电子空穴对．则当照射在硅半导体光伏电池上的有效光子数等于硅半导体原子个数时取得最佳光强．由文献[13-14]可知,达到最佳光强效果,可以通过反射次数或聚光倍数来获得,其反射次数和电池片薄膜厚度的比值为9∶5,如果电池片薄膜厚度为5μm，则反射次数可取9次.光陷阱电池结构能使每束光在每片电池片上反射6次,所以只需要选择不同禁带宽度的薄膜电池片的厚度为3μm～4μm即可． “光陷阱”复合式太阳能电池片结构类似于一种黑体结构,光进入陷阱后很难反射出来,对于未被电池片吸收的光谱段,必然会带来热效应,导致电池片升温，因此设计中加入水冷系统.由于各个“光陷阱”单元之间存在空隙,整个发电单元都将浸没在流动的冷水当中,通过阀门控制水的流速,在带走多余热量,降低电池片温度的同时,被加热的水可作为生活热水使用,节能环保．

为了充分提高太阳光的利用率和电池板的转换效率,通过特殊的“光陷阱”结构设计,将入射光困在由多种禁带宽度不同的薄膜太阳电池片组合的结构中,形成多次反

射,充分吸收各波段太阳光．通过Matlab进行编程求解,得到反射次数最多的结构参数．结合Optlab软件模拟光线在“光陷阱”结构太阳能电池中的反射情况,优化结构参数,当光线垂直入射时,该结构可使光线在“光陷阱”光伏电池内表面反射24次,平均每束光线在每片电池片上反射6次.同时增加水冷系统,带走多余热量,降低光伏电池温度,稳定工作效率,节能环保．与现有多层薄膜太阳能电池相比，“光陷阱”太阳能电池复合系统不仅能提高太阳光的利用率和电池板的转换效率,而且省略了反射层和多层镀膜工艺,降低了界面之间的载流子的复合几率,同时薄膜电池片的厚度仅3μm～4μm,大大减低电池成本．

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YAN Xiang′an,HE Weikang,LIU Yaowu,et al.“Light trap” hybrid solar power conversion system[J].Basic Sciences Journal of Textile Universities,2016,29(1):72-76. 【相关文献】

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