多结电池在实际条件下的操作性能

大多数聚光电池的表征通常是在和实际操作条件相差甚远的条件下进行的，例如，在AM1.5D(低AOD)、均匀光照、温度为25℃时测定其效率。所有这些条件没有一个和组件中聚光电池的实际操作条件相符。当然，应该提供标准条件下的电池效率，但建议聚光电池的标准条件应该接近电池的实际操作条件，并可以描述给定电池在某个实际操作条件下的性能。在这方面，人们正在努力制定有关聚光光伏组件和装配的世界标准，并期望在2006年国际电工委员会上得到批准［5］。

同一个电池在不同的聚光器下会产生不一样的性能是必须考虑的问题。从理论上说，聚光电池的设计要充分考虑聚光器的聚光性能［6］。此外，还应该考虑一个简单和普遍的计算问题，就是聚光器下电池的效率就是标准条件下电池的效率乘以光学效率，这个效率仅是个上限值。对于实际效率的计算，必须考虑下文所要讲到的问题。

5.2.1　非均匀光照

真实的聚光器不会在电池上产生均匀的光斑，聚光比是电池上光照分布的平均值。知道聚光器的光照分布情况对于匹配电池很重要，通过下面几个例子可以很清楚地看到这一点。

RXI聚光器引起了很多人的兴趣，这种聚光器具有良好的性能［7］，比如:①可以提供高达1 200×的几何聚光比;②接收角为±1.6°，为最大接收角的90%;③长径比为0.27。名义聚光比为1 200×的聚光器，在1 mm2的电池的中心部位的聚光比大约为20 000个太阳［8］。事实上，基于RXI改进的新聚光器的特点之一就是减少了电池上最高聚光比和名义聚光比的差异。改进后的聚光器为TIR-R聚光器［9］，这种聚光器的主要特点是:①几何聚光比超过1 000×;②接收角(90%的相对透过率)α=±1.3°;③长径比小于0.3;④顶面完全平整。在此分析中所需要的许多光学性能可以参考由Hernández等发表的文献［10］。

TIR-R聚光器的重要性质之一就是具有1 000×的平均聚光比，电池上的最高聚光比小于3 000×。尽管有这样明显的改善，还是会看到不均匀光照对电池性能的影响。举一个有代表性的例子，太阳与TIR-R聚光器的法线呈0.8°夹角，在1 mm2 GaAs太阳电池上的辐照度分布如图5.1所示，在图上可以看到聚光比高于2 400个太阳的区域，而接近主栅线的辐照度则低于200个太阳。

为了从理论上评估这种效应，有必要建立三维模型。文献［11］中通过建立二维模型提出了第一种方法。此二维模型适用于图5.1(c)中的箭头部分，此部分的最大辐照度高达1 600个太阳。二维辐照度分布可参见图5.1(b)，其适用于整个电池。如图5.1(c)的底部所示，太阳电池所有的结构设计在1 mm范围内实现:水平端的主栅线由15根厚度为0.5μm、宽3μm的金属栅线分隔开。半导体结构包括所有的层:顶层(n-GaAs)、窗口层(n-GaInP)、发射层(n-GaAs)、基底(p-GaAs)、背面场(n-GaInP)和GaAs衬底(图5.1(c)中由于局部放大没有显示出基底)。

光生载流子显示在一个虚构的颜色标尺上，标尺范围从1022(粉红色)到1025电子－空穴对·cm-3·s-1(红色)。从图5.1可以看出光生载流子的深度再现了辐照度轮廓的形状。局部光生载流子与局部的光电流有直接的关联。尽管图5.1所示的电池属于单结电池，但是多结电池有类似的光生载流子(光电流)分布图。因此，串联电池的电流局部会失配。

对不均匀光照有敏感性的一个特例就是隧道结。这些结是专门为在低于某个给定聚光比下操作设计和生产的。具有较低阻值的隧道结太阳电池的电流密度在15 A/cm2范围内时电压只有13 mV的损失［12］，电流密度在20 A/cm2范围内时电压只有20 mV的损失［13］。这两种情况对应的聚光比分别为1 000个太阳和1 300个太阳。这两种情况下的隧道结都有相当高的峰值隧道电流(200～400 A/cm2)，也有较高的阻值。

与0.32 V电压对应的隧道电流的可能最高峰值是560 A/cm2，参见文献［14］。因此，尽管在聚光器中的多结电池(辐照度分布如图5.1(b))里实现了优良的隧道结，但是隧道结局部还是表现出高电阻。

采用实验来评价上述事实的一个有趣方法是把户外汇聚的光束通过高透过率的光纤汇集到室内待测电池上，此光纤可以传输高达10 000个太阳的辐照度［15］。该实验得出的主要结论是该多结电池必须内置隧道结，其隧道峰值电流密度高于聚光器提供最高聚光比下电池产生的短路电流密度［16］。此外，工作的隧道结接近其峰值电流意味着其有较高的阻值，进而造成电池效率损失。

400倍菲涅尔透镜下三结太阳电池的相对光强分布的计算结果说明其辐照度分布极不均匀［17］。此外，人们也在试图通过实验表征电池在不同不均匀光照下的性能［18］。

5.2.2　局部热效应

在任何光学聚光器下电池的辐照度分布都会产生温度梯度。此梯度是三维的，因为光照的非均匀性会产生横向的温度分布，而半导体层对光线的不同吸收会产生垂直方向上的梯度，因此，多结电池的每个点的温度都会不同。而随着温度升高，禁带宽度会减小，因此，电池最热的部分就会吸收更多的入射光。

这种情况下建立的三维模型需要输入精确的辐照度分布，而且要知道材料参数与温度的关系。材料参数包括吸收系数、迁移率、禁带宽度、本征载流子浓度等，这些材料包括Ge、InGaAs、GaAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、AlGaAs等。这种模型在探测由高温引起的电池性能变化方面很有帮助。马德里理工大学的太阳能研究所(IES-UPM)正在进行这方面的工作［11］。

5.2.3　通过聚光改进太阳光谱

近些年，人们开始质疑由ASTM891-87定义的经典的AM1.5D光谱是否适合作为表征聚光电池以及模拟和优化电池方面的参考标准。因此，新的聚光标准被重新定义，此标准采用了具有低的气溶胶光学厚度(低AOD)的AM1.5D光谱［19］。

然而，与聚光器引起的透过光谱的变化对电池性能的影响相比，不同标准光谱引起的电池性能的变化是可以忽略的。如图5.2所示，对低于900 nm的波长而言(接近GaAs的截止波长)，TIR-R聚光器透过光谱的变化可以忽略不计。然而，对大于1 300 nm的波长来说，TIR-R聚光器透过光谱的变化就显得很重要了，相对其他标准太阳光谱而言，其透过光谱的范围较窄。

图5.2强调了PMMA材料的3个特征谷(在900、1 300、1 600 nm处)，目前大多数微聚光器都采用PMMA材料来制造。石英表现出更好的平整性，但是由于其成本高，无法商业化。聚光器对波长大于900 nm波段的透过性能(大于GaAs的截止波长)是非常重要的。虽然GaInP/GaAs双结电池不会受到光学聚光器的太大影响，但是，以PMMA材质制备的聚光器却会影响三结电池在大于900 nm波长下的工作性能。

图5.1　含有主栅线的1 mm2GaAs电池的辐照度分布

(a)太阳电池表面的二维辐照度分布(以多少个太阳表示)，分布图的整合可以平均产生1 000个太阳;(b)顶部，箭头间的辐照度分布以二维形式展示，水平比例以毫米表示;(c)底部，GaAs太阳电池顶部产生光生载流子，电池的垂直方向被放大了约5μm

事实上，现在人们开始采用实验来验证上述事实。因此，在密集聚光器下工作的GaInP/GaAs双结电池的电流失配和在AM1.5D(低AOD)条件下工作相比，电流失配仅变化0.2%［20］。另一方面，GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池在菲涅尔透镜提供的最大聚光比(180个太阳)下工作时，其电流失配高于10%［21］。因此，我们的建议是在模拟和生产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池时要考虑光学聚光器的光谱透过率，尽管这对GaInP/GaAs双结电池不很重要。

图5.2　TIR-R聚光器的光谱透过情况(数据由P.Benitez提供)

5.2.4　电流匹配和太阳光谱

在最佳年产电量的条件下，太阳电池的表现在正午时是不相同的。研究人员处理一天中每个小时的数据来测评太阳电池的一年最优发电量。例如McMahon等所述［22］，在模拟电池性能(和设计电池)时最准确、最简便的方法是使用AM1.5D(低AOD)光谱和较高的温度(不是300 K)。针对光谱和操作温度的不确定性，更为可靠的方法是把三结电池的顶层加厚，而不是减薄［22］。

最近，人们已开始测试含有双结或三结电池的组件工作一年以上的效率分布［23］。多结电池的电流与真实条件下光谱响应灵敏度的关系还没有进行过实验研究。这是一个复杂的问题，需注意:①确定聚光器在电池上产生的辐照度分布;②优化与生产和聚光器相匹配的多结电池;③制造大量聚光组件，组件中每个电池会略有不同，另外为了测试目的，组件中的每个电池都应有单独的测试通道;④测量每个电池的年产电量;⑤确定与聚光器相匹配的最优多结电池的结构。

目前正在开发一种系统，该系统采用双轴跟踪(见图5.3)和自动测量采集装置，可用来测评多结电池和接收器的可靠性(包括加速老化实验)［24］。在5.2.3小节中提到了光不是均匀地传播，光谱也在发生变化，这就使得五、六结甚至四结太阳电池不适合在接收器内部工作，这是因为制作多结电池时结间电流匹配要求很严格，所以获得与标准太阳光谱相匹配的结很难。随光谱每天每年的变化，对于给定的光学器件几乎不可能实现电流匹配。

图5.3　两轴跟踪的示意

多个Ⅲ-Ⅴ族聚光组件安装在IES-UPM的平面屋顶上，可测量其年产电量并检查实时可靠性

5.2.5　串联电阻

在高聚光比下串联电阻是影响电池获得高效的最主要因素。人们通常把聚光电池的串联电阻看做一维模型中的一个集总参数［25］，然而在高聚光比下将电池串联电阻作为集总参数是不正确的，应将其看做独立的参数。第一个分布式模型的研究始于20世纪80年代［26，27］，后来出现了更多这样的模型试图来解释这些串联电阻的来源，但是没有一个能够关联所有的影响因素。

因为影响聚光电池的因素都是三维的，所以串联电阻的精确模型应是对电池进行三维分析得出的［11］。这个模型必须包括上述提到的问题，包括非均匀光照、局部热效应、照射光谱等，目前正在开发这种模型。

可采用基于分布式电路单元的近似三维模型，通过适当地串联每个电路单元组成电路来模拟整个电池。模型主要包括三种类型的电路单元，如图5.4，有光照区、无光区(主栅线和前栅线)和周边区域［28］。

通过使用这一模型，工作在1到3 000多个太阳下的GaAs电池的填充因子、开路电压以及效率均取得了精确的拟合结果［28］。这个模型可以有效地给出串联电阻损失的方位观测。例如，图5.5给出了电压在四个角处的电压降，在此处电池在1 000个太阳和2 000个太阳下的电流在开路条件下被采集出来(利用某种引线接法)。值得注意的是，在开路电压下大多数模型假设没有电压降，因为这些模型假设没有电流流过。但是，这种近似三维模型能够准确确定在发射区、栅线以及主栅线处的很低的电压降(2 000个太阳下小于25 mV)。