太阳能电池关于温度的综述

关于硅和砷化镓太阳能电池组件在热性能方面的综述

摘要：

本综述总结了近年来在结晶和非晶硅太阳能电池组件领域获得的温度性能。它给出了一个通用的结果分析和评论的应用程序构建集成光伏(PV)热系统,将光能转化成电能,热能等。空气冷却和水冷却以及“混合式”光伏热太阳能收集器也被提及到。本文还包括非晶硅太阳能模块在塑料薄膜,薄膜太阳能电池等方面的灵活应用以及对将来这方面的展望。其主要包括对光伏模块传热机制的实验结果的分析。 关键词：太阳能电池；光伏；太阳能；能量转换；混合系统

目录

1. 介绍﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒408

1.1．太阳能电池早期研究的回顾﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒408

1.2．半导体硅和砷化镓的温度上限﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 410

2.高温太阳能电池和组件的影响：理论背景﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒411

2.1.热对硅太阳能电池的输出参数的影响﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒411

2.2.硅太阳能电池的温度系数﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒411

2.2.1．短路电流﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒411

2.2.2.暗电流﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒412

2.2.3.开路电压﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒412

2.2.4.输出功率﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒412

2.3.照明光源对输出参数的影响﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒413

3.光伏热电混合太阳能系统﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 413

3.1.空气冷却﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒414

3.2.水冷却﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒414

3.2.1.冷却组件中的输出温度﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒414

3.2.2.基于单晶硅太阳能电池利用高分子吸收板制成的光伏热吸收器﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ﹒﹒ ﹒﹒ ﹒﹒ ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒414

3.2.3.光伏组件的传热机制﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒417

4.光伏建筑一体化系统﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒417

4.1.光伏建筑一体化通风结构﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒419

4.2. 塑料薄膜非晶硅太阳能电池组件集成到建筑板材﹒﹒﹒420

4.2.1. 无定形硅薄膜太阳能电池（a-Si：H）﹒﹒﹒﹒﹒﹒421

5. 结论﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 422 参考文献﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒423

1．介绍

近年来,环境问题已经成为世界范围内日益严重的问题。应对这些问题,聚光太阳能电池已经成为一个洁净的能量来源。

在计划未来扩大光伏(PV)发电的过程中,最重要的是要仔细选择半导体材料。这个非常重要的材料选择不仅是最大的可实现的效率,但同时也要兼顾经济和生态方面的考虑。

晶体硅和砷化镓太阳能电池被看做是最有前途的光伏技术这是由于其低制造和材料成本排在第一位和其排在第二的优良的性能表现。 砷化镓太阳能电池是高转化效率的设备但由于其过多地在地面的大面积应用使得成本变得非常昂贵。

砷化镓太阳能电池的转化效率已超过30%,但砷元素却潜在着剧毒性。随着外界对砷化镓太阳能电池的关注日益增加，使得最近在使用砷化镓太阳能电池时加上了集中器系统的地面应用[2]。但在砷化镓太阳能电池的最佳区域浓度水平下1000个太阳的测距仅从0.5平方毫米变化到1平方毫米[39]。

硅是最常见的半导体材料并且这项技术对于硅的处理是非常完善的。

世界上超过80%的太阳能电池和模块的生产目前都基于切片的单晶和

多晶硅电池,所以评估主要集中在硅。只有13.23%的非晶硅(一个si),0.39%的镉碲化物(CdTe)和0.18%的铜铟联硒化物(CIS)被用在2001年的世界电池/组件生产。[40]

本文综述了温度对晶体硅和非晶硅太阳能电池以及模块性能的影响并利用新技术来提高传热。

为了考虑太阳能电池的温度稳定性和模块在高温状态下的表现,对基本半导体材料(硅和砷化镓)所能承受的温度上限进行了分析。

理论背景和实验数据,其中包括:开路电压、填充因子(FF)和输出功率[35]作为主要热影响光电管的参数而被提及。

正如被报道的最先进的研究趋势通过使用一个“混合式”光伏热(PV / T)太阳能收集器结合建筑同时产生电和热水。这种类型的PV / T收集器同时生成热能、电能。它是光伏建筑一体化设备,是在这个世纪被认为在电的生产方面带来实质性贡献。对于这个应用,薄膜非晶硅技术被列为低成本的选择。

低温系数的非晶太阳能电池能够在不通风的情况下集成到建筑物的外墙和屋顶还能够获得高能源的收益产出。太阳能模块在塑料薄膜作为玻璃少光伏太阳能系统下探讨了未来在这个方面的评论。

1.1太阳能电池早期研究的回顾

当前太阳能电池是基于基本的物理现象,首先发现光伏效应这一现象可以追溯到19世纪。在1839年,埃德蒙Bequerel观察到当金属板 (白金或银)沉浸在一个相配的溶液中 (电解质)并将其暴露在光下,会产生微弱的电压和电流——就是光伏效应。后来在1878年,亚当斯和Day[1],在接着[55]史密斯的工作即研究硒的光电导性,发表了第一篇报告直接将光伏效应归因于固体。在1954年,查宾,福勒和皮尔森在贝尔电话实验室开发了一种硅太阳能电池[9],当把它放置在光下可以产生大量的电流和电压。这种太阳能电池的效率大约是当时辐照度条件下的6%。

自1950年代中期以来,光伏发展迅速。在1958年,生产了第一个真正的有影响力的太阳能电池板,我所提供的卫星先锋硅太阳能电池面板实现了对空间的应用。这个电源是在兆瓦级工作状态下持续为这个卫星提供了六年的能量。技术和产业广阔的发展从mW级电力来源生产线每年超过10兆瓦容量对于陆地需求(1997年)[44]和预测将产生15 - 20 MW/年(2000 - 2015年期间) [31]。

在过去的20年里一直都在强调了研究新的半导体材料,开发新型设备和设计新的和更加有效的结构。一个光伏设备的效率被定义为从入射光子(阳光)中所能够获得的有效能量的计算关系[14]。实验中常见

的方法是获得通过光伏作用生成的电流-电压IðUÞ的特点并确定最大功率点[62]。

在实验过程中主要的影响因素有:

一个设备(单元或模块),

一个环境条件(温度),

一个光源(标准光谱), 一个实验程序。

这个单元或模块在实验中是一个给定的参数。这里重点强调的是，这个单元或者模块是只被当做串联光伏装置使用。关于考虑其他的连接方式的如并联，混合连接等以及其所导致的实验结果都可以在文献

【32】中可以找到，也不必对材料的热性能进行分析。

例如像温度这样的环境条件是也应该明确的包含在保准条件之内，这个P-N结温度就应该在当光伏器件测试时明确规定。[5]在大多数的情况下，它能够测精确测量的情况下，当只有一个表面被加热时，应在模块两侧同时测量温度，因为两个表面的温差在10℃左右。由于电池效率对于温度特别的敏感，所以控制温度是十分有必要的。光伏电池在光不断的照射下，温度不断上升如图1所示。

标准光谱性能测量：

空间：空气质量为零或AM 0（相当于在太空中1367 W/M2的辐照度） 地面：AM1.5（大于48.198度的太阳角该设备正常工作）

全球（1000 W/M2，直接照射和漫反射之和 [6]）（图2）

图1.不同的光照时间下光伏电池的温度特性（103X103mm2）:Tu-光伏电池上表面温度，Td-光伏电池下表面温度,(a)是在618W/m2的光照强度下,(b)是在756W/m2的光照强度下[46].

为了进行比较，请参照图2（来源于[32]）.

1.2半导体硅和砷化镓的温度上限

半导体，正如其名字所暗示的那样，其电阻率是介于导体和绝缘体之间的一种材料。

这些介于中间的属性是由其特殊的晶格连接和电子结构的特殊化所造成的，事实上它与金属导体是不同的，半导体同时具有有正极（空穴）和负极（电子）来导电，其密度可以通过控制纯晶体在生长过程中所掺杂的化学杂质来控制。

为简单起见，本文的讨论将限于硅（Si）,砷化镓（GaAs）,重要

的半导体材料,以及现如今最重要的太阳能电池，因为这些例子能够有效地说明主要的概念。GaAs具有闪锌矿的晶体的晶格结构，闪锌矿的结构和金刚石的结构十分的接近。

硅有四个电子分布在最外层的电子轨道中，在金刚石的结晶体中，每个原子都位于正四面体的中心，与处在正四面的体每个角的其他四个临近的原子构成共价键。

由于，所有的电子都参与了边界的形成所以材料应该是绝缘的。然而有少数比较异常的电子打破原有的束缚而成为自由移动的电子所需要的能量：1.1 电子伏特 Si和1.4电子伏特的GaAs在室温下。

因此，即使在室温下也会有大量原子从他们的父原子中挣脱束缚逃离，而所逃离的原子数的增加速度与温度之间的关系如式（1.2）。

在纯半导体中，存在的空穴和电子对数目总是相等，而所得到的导电特性被称作固有的导电性，用来与掺杂了杂质的电导率进行区别。

现在，当我们把纯半导体的中的电子和空穴加热至其温度的上极限时，我们就更加接近半导体低温性能的最基本的原理了。

在一个本征半导体，如硅，在导带中的电子数目是始终等于在价带中的空穴的数目，因为电子和空穴是成对产生的，由光子或通过热

激发（见图3）[3]：

在本征半导体的费米能级在带间隙中心EF=1/2Eg，在低温下和稍微上升的温度下，因为Mh>me (见表1)

mh13

EF(T)Eg+kTln (1.1)

24me

me和mh分别为电子和空穴的有效质量。

从根本上来讲，固有电荷产生温度依赖性的这一现象的最根本

的原因是在热量的激发下，价带的电子能量被激发到能越过导带与价带之间的能量障碍的一个高能量状态之下，而越到导带的电子数目和留在价带的空穴数目相等。

确定本征载流子浓度最简单方法是导带中电子数目（n）和价带中数目相等的空穴数(p)相乘即可。

图2 ：AM0和标准为AMI.5 两种情况下全球普照量和直接照射量的地面太阳光谱的比较[32]。

图3：由于受到热或者吸收光子而激发形成电子-空穴的示意图。

Eg

 (1.2) npnNCNVexpkT

2

i

其中NC和NV分别是导带和价带的有效质量，ni是本征载流子的浓度，k是波兹曼常数，或者根据阿什克罗夫特[4]：

2

EgTmdemdhT193

ni(T)2.5exp10cm

mm300K002kT

4

4

（1.3）

其中mde和mdh分别是稳态下电子和空穴的有效质量，m0是自由电子的质量，Eg（T）是禁带宽，其线性近似于： Eg(T)Eg300K

dEgdT

T300K (1.4)

通过计算式（1.3）可以计算出在室温下ni温度特性的典型值如表1所示。

从表1我们可与观察到当Eg从1.12ev增加到1,43ev时，ni迅速下降。在一个具有较强的禁带宽的晶体中，例如金刚石（Eg

硅和砷化镓所含的载流子浓[34]

晶体 硅 砷化镓 表2

ni(T300K)(cm3)

2.51096106

mdem0

mdhm0

Eg,300K(eV)

0.330.067

0.520.5

1.12 1.43

硅和砷化镓的上限温度 晶体

Ti(K)

Eg(Ti)

dEgdT

(eV/K)

niTicm3

硅 砷化镓

使用式子（1.3）和（1.4）以及si和GaAs的材料参数（见表1）计算，我们发现钛的理论温度上限下，ni的达到了1015/cm-3范围内.因此，从本征区所能够显示的起点就可以看出在硅和砷化镓太阳能电池中掺杂少量的钛可以降低其晶体的上限温度。

在硅的极限温度620K和砷化镓的极限温度790K（见表2）之下，整个晶体内部发生改变，那些常见的半导体器件如太阳能电池或者其他的半导体二极管都会停止运作。但是，这意味着在许多的高温环境

620 790

1.05 1.22

2.310

4

63

11015

4.310463

11015

下砷化镓太阳能电池优于硅太阳能电池，例如在外太空靠近太阳的区域，由于温度太高足以使得硅太阳能电池无法工作。在钛的合适温度范围内，可以通过掺杂钛在这样的温度范围内来控制载流子的浓度的而这项技术是非常独特的，并且能够被太阳能技术所掌握。

结论：用具有更宽的禁带宽度的半导体材料，如GaAs能够在温

度适应性有所扩展的太阳能电池设备。例如：在外太空的运用。 2. 温度对太阳能电池和组件的影响：理论背景

2.1热对硅太阳能电池的输出参数的影响

温度对电流，电压，以及太阳能电池的输出功率这些影响因素都被考虑在内。

半导体材料最重要的物理属性是随着温度的变化：如式子（1.4）所示，温度升高，禁带宽度降低，而少数载流子的寿命增加，温度升高同样也会导致太阳能电池p-n结内部的电势电压降低，并且p-n结对自由电子和空穴的分离能力也下降。 2.2硅太阳能电池的温度系数 2.2.1短路电流

增强光生电流的这些变化导致太阳能电池的短路电流（Isc）微弱的增加。[42]。

短路电流（Isc）随温度的变化

1dIsc

0.003%/K IscdT

然而，根据Green的研究，对于单晶硅在298K条件下的测

量，温度与短路电流之间存在着0.006%/K的变化关系.如果温度每升高50K，其短路电流（光生电流）大约增加2%。

单晶硅的短路电流的温度系数[46]与Van Dyk[60] 的结果

十分的接近：0.04%K，然而对于非晶硅的系数[27]：0.09%/K.

2.2.2. 暗饱和电流

随着温度的升高，禁带宽度降低，使得尽可能多的电子通过热活化克服禁带宽度，增加了暗饱和电流（Is0）因此可得[3]：

Eg

Is0(T)exp （2.1）

kT

当硅结在理想条件：T0=300K,Eg=1.12eV下，暗饱和电流的系数可通过式子(2.1)计算得：

1dIs0EgIS0dTkT

TT0

14.5%/K （2.2）

2.2.3. 开路电压

温度与太阳能电池开路电压之间的关系是：

Eg0T3kTT

UocT01ln UocTUocT0（2.3） eTeT00

当太阳能电池工作的时候，假设T0=300K，温度升高40K,则T=340K:

lnT0.125，而(3kT/e)lnT10mV可被忽略，因此，我们可以

00

通过（2.3）的计算得到一个近似的线性函数式：

Uoc(T)Uoc(300K)const(T300K) （2.4）

Uoc随着温度变化的关系式可根式子（2.3）计算的：

Eg0UocT03kdUoc

dTT0e

（2.5）

对于典型的硅太阳能电池，假设

T0=300K,Eg0=1.21ev,Uoc(T0)=0.55V,我们根据式子（2.5）可得随着温度上升，在25℃下测得开路电压降低的幅度为dUoc/dT2.45mV/K或-0.4%/K。这个数值和Gree的研究结果保持一致。当砷化镓以金属气相扩展的方式形成砷化镓铝/砷化镓单结太阳能电池，其开路电压的温度系数就是：-1.6MV/K[50].

2.2.4. 输出功率

由于温度对太阳能电池的显著影响，造成太阳能电池或模块随着温度的升高在其最大输出功率处（Pmax）的整体性下降。由于暗电流指数随温度的变化，从而使得温度对开路电压Uoc形成了显著的影响[46]。

图4：单晶硅太阳能电池在不同温度：20,4,0,60,80℃下的输出功率与输出电压，以及温度与最大输出功率Pmax的关系[47]。

如图4所示，随着温度的变化，最大输出功率的下降符合戴克的理论即为0.65%/K[60]，而根据这一理论，晶体光伏电池的输出功率随着温度的增加以0.4%/k[24]速率而下降，因此，在使用光伏组件时，温度被认为在影响电池输出参数Isc，Uoc，Pmax中比辐射对输出参数的影响更大。但在设计太阳能发电系统时，太阳的辐射作用占据了

主要的被考虑的地位，而温度却往往被忽视[60]。

一个多晶硅太阳能电池（50 50 mm2）和一块单晶硅太阳能电池（103x103 mm2）所测得的系数可以在参考文献[46]中得到：

dUoc/dT2.2和2.1mV/K然而它们却比理论值2.4mV/K稍微的低了

一点。

当太阳能光伏电池及其组件的温度升高时，所有的系数都表现出为相反的效果。

图5：

图5中表示的是一个由72块单晶硅组成的太阳能电池在25℃到60℃之间，光照强度在830W/m2的条件下，其中一个单晶硅电池中温度对电流-电压关系的影响[45]。

结论.当光伏组件的温度每升高35K，其将损失高达23%的潜在电

力输出，为了消除在使用硅太阳能电池时温度的升高对光伏组件输出效率的负面影响，对模块的冷却时有必要的。

2.3 照明光源对输出参数的影响

热光伏电池就是利用光伏电池将热量以辐射的方式转化为电能的一种技术。

有人发现，用Yb2O3制造的照明发射器照到电池上所产生的短路电流比标准AM1.5照明条件下产生的短路电流增大了许多。

用Yb2O3制造的照明发射器以150W/m2的辐射功率照射在电池表面。该发射器在最大辐射λ=980nm波段内表现出了300nm宽的峰值辐射，而在整个光谱范围（400,2000nm）内，总共辐射出45W的能量。估计这个发射器在峰值时温度最高达到1500K.图3所示为Solartec在AM1.5的光照条件下硅太阳能电池的电器参数.Solatec的太阳能电池是一种市售太阳能单晶硅电池。PIS就是建立并一个高效率的硅太阳电池并优化其热光伏系统中的使用。 填充因子： FF

Pmax

SJscUoc

从表3的结果中可以看出，由于光伏电池的串联，填充因子会随着Yb2O3集中了相对强的光照强度而降低。用Yb2O3代替AM1.5的标准

光照，在当光照强度超出（光源）%50时，输出功率比原来增加了1.7倍。因为Yb2O3的主要辐射部分更靠近太阳能电池的禁带宽度，所以短路电流比辐射功率增加的多。

3. 太阳能-热能混合式太阳能系统

太阳能是最重要的可再生能源之一。太阳能的应用方式可以大致分为两类：

 热系统（T）就是把太阳能转化成热能。

 光伏系统（PV）就是将太阳能转化为电能。

上述的转化中最重要的组成部分就是太阳能收集系统。通常情况下，这些系统中T和PV都是独立使用的。但即便是现在的太阳能（T）系统中，在其收集系统中循环的工作电流通常是来自于公共电网或者直流电池。运用“混合”PV/T系统，也就是通常所说的PV/T系统，可以消除电力来源需求的这一问题。这种类型的PV/T收集器可以同时产生热能和电能。通常使用空气冷却或者水冷却的方式对混合PV/T系统的平板式收集器进行冷却。

表3

硅太阳能电池的I-U测量结果：商用Solartec太阳能电池和PSI太阳能电池。

光伏电ILL

池 JSC(Ma/cm2Uoc(Mv) Pmax/S(Mw/cm2) FF(%) T(℃) 照明)

条件

Solarte

c

Solartec

PSI AM1.5 34.5 607 16.3 77.8 25 Yb2O3 64.4 622 30.0 74.9 28 AM1.5 37.5 647 18.9 77.9 25

PSI Yb2O3 115.8 661 51.3 67.0 32

3.1.空气冷却

让空气通过两块金属平板之间，利用空气对收集器进行冷却，如图6所示，其中被涂黑的上层平板粘贴这PV电池。

被用来将电池粘贴在吸收板上的材料必须是个导热材料和绝缘材料。太阳能电池既可以做成圆形也可以做成矩形。矩形的电池可以尽可能的盖住整个吸收板区域。黑色的单晶硅太阳能电池也是一个很

好地吸热面板。图6中所示的结构和Bhargava等人提出的非常相似

[5]。

Garg等人[19]首先提出了对PV/T平板收集器的空气冷却的模拟仿真研究。Prakash[43]和Sopian[57]对这种类型的结构进行了模拟研究。Sopian分析了单通道（图6）和双通道空气冷（图7所示）却对收集器的性能影响。

在这个结构中，空气先进入由玻璃盖板和上层金属板构成的通道，然后由下面的通道流出。总的来说，这种布置使得上吸收板的热量被带走，而减少了收集器的热损失。如图6中被涂黑并用来粘贴太阳能电池的金属板和电池表面的透明盖板把电池整个包裹起来，让电池与空气流无法接触，要不然的话，电池将会被损坏。

3.2. 水冷却

冷却水的进口温度通常是293K，而出口温度呈线性增加。PV/T太阳能系统的输出功率是关于周围的辐射度和光伏组件温度的函数。输出功率不仅取决于热辐射强度，也取决于光谱辐射量和组件的电子临界点。温度可以用Pt100铂热电偶进行测量，而辐照度可以用日光照射强度计和结晶硅ESTI传感器进行记录。

用来做平板的水冷却实验的单晶硅太阳能电池组件的型号为

ASE-100DGL-SM，产自德国，这个太阳能组件能够在333K（无冷却）和293K水冷却的工作条件下实现自我适应。实验时辐射度为E=840W/m2,引入填充因子FF，整个PV的转换效率为： IscUoc pv(FFES

热收集器的热效率为：

Tcpmav(ToutTin)

ESm

其中

mav 水的平均流量

cp 比热

Sm 组件的表面积（Sm0.88m2）

E 辐射度

PV/T系统总的能量转化效率

PV/TPVT

从实验中可得：T62.7%

从表4中数据可得到，通过冷却将温度从60减少到25℃，可得到结果：

 电力输出功率上升23%，

 PV转化效率ηPV提高3%，

 综合效率ΗPV/T提高3%。

结果显示，在相同的条件下综合系统的综合效率比热电系统分开的集热器的转化效率提高了大约13%。光热收集器的效率一般都在ηT～60%范围内。

从热力学观点来看，热能转换和光电转换是两种完全不同的能源抓换方式，所以它们之间很难比较。热力学中的有效能源或者㶲被定义为下面的等式：

eTmcpdTT0T0T1T1mcpTT0

其中T1和T0分别是热介质和周围环境的温度，m和cp分别是质量和比热。从理论上来说，㶲就是部分热能转化为机械能。显然，㶲值小于热能值，并随着温度的上升其值接近总的能量值。例如，假设用谁做热传导介质，当水温在40～120℃范围内时，仅仅只有2.3～13.2%的热能转化为机械能。、

从另一方面来看，全部的光伏能都被转化成了机械能。因此，如果有更多地阳光照射到光伏电池上，它们将被转化成更高品质的能量，其次，还可以把温水加热到热水。

先如今的单晶硅和薄膜化的单结太阳能电池的最高的光电转化率只有33%而不是热力学角度所说的93%。

假设在热源温度为6000K（太阳）和散热器温度为300K的条件下，由卡诺循环效率η=（1-Tsink/Tsource）可知，其效率在100-95%之间，从卡诺效率的条件限制中，假设光子又重新回到了太阳，而这个过程是可逆的，并且光子发生亏损，效率才可以达到93.3%。低维结构和新特点的结构为高效率提供了保证。

现如今的大多数太阳能电池都是基于第一代单晶硅片技术，只能达到500MW/year的发电量。而在过去的16年里，太阳能电池产业似乎已经进入以薄膜电池为首的第二代太阳能电池技术了，这期间已经有CdS,a-Si（非晶硅），CuInSe2,CIS,CdTe和现在被认为最有可能代替单晶硅电池的硅薄膜电池等产品。

这表明太阳能电池的性能能够被提高2-3倍，如果使用不同的思路将能够生产出高性能低成本的第三代太阳能电池。

像热电转换这些新思路将基于第三代的生产设备上以新的方式向外界介绍。

3.2.1冷却装置中的输出温度

另一个需要考虑的就是冷却组件的输出水的温度和流量，显

然，在更大的流量和更低的温度下，光电转换效率不断提高，并减少了热量的产生。而光电转换效率随着冷却水温度的上升而下降，但是由于热量的补偿，使得㶲值几乎恒定不变。这就意味着，无论用户对输出水的水温的要求如何，总的转换的能的质量是不变的。

PV/T系统的总的转换效率达到了61%，而利用了一个选择性抛物柱面的光伏系统使㶲所所转换的大约占了16%，在这个系统中，太阳光被集中在了两个部分：

 临界波长λC=hc/Eg的部分用来PV转换

 对于超过临界波长λC的长波部分用于热量转换。

3.2.2. 基于单晶硅太阳能电池利用高分子吸收板制成的光伏热吸

收器

装有高分子吸收板的PV/T吸收器就是可以在低温环境下产生电和热的混合式能量收集器。

在这个PV/T组件中，只有部分的来自太阳的辐射能被光伏电池转化为电能，剩下的由太阳能吸热器以热的形式吸收。光伏电池所产生的多余的热量是T系统的一个输入。在收集器内由太阳产生的热量经由吸热板和光伏电池跟随循环流体进入冷却系统，因此，使得光伏电池能够在低温稳定的环境下工作，从而增加电池的输出功率，从冷

却系统中出来的热量合一用来加热室内的空气或者水。

在一个黑色塑料太阳能吸收器的表面粘贴一个单晶硅太阳能电池组成一个平板式PV/T收集器。

由于电池是非常脆弱的，而且其膨胀系数比聚合物还要低，所以被用来粘贴塑料和电池的粘贴剂应该具有足够的弹性，以确保电池和塑料之间的热传导。

在图9中我们可以看到30块光伏电池（每个1.5WP）分布在面积

为0.32m2的光伏组件中。

吸热板由Solar Nor AS大学的Oslo 和通用电气塑料对其进行改进，塑料内部填充了聚苯醚，板壁之间的通道内充满了陶瓷颗粒[26].用泵将热载流体（水）送往集热器的顶部的一个分配通道中，并借助重力，向下流过平行的吸收器通道。在陶瓷颗粒和与顶板接触的吸热板之间的空隙填充满了冷却流体，而使得吸收板表面的热量被均匀分布，所以在吸热板表面的温度也是均匀分布的，从而实现了良好散热。由于这种类型的吸收器所用的玻璃盖板是一种透光性（透光率约95%）非常好的玻璃，由于吸收板和玻璃之间的距离在1.0厘米左右，所以这种太阳能非热式集热器尽可能的保持系统的温度与应用温度非常的接近，从而减少了能量损失。如前文所述，当温度升高时，光伏的

转换效率降低，所以一个低温系统具有更好的经济性。

在PV/T系统工作时，应测量的参数有：辐射度E，存储器温度Ti,光伏电池温度T1，周围空气温度Ta和吸收板温度T2。

PV/T收集器的热效率ηT，其中包括从分析系统的能量流动中获

得存储的比热量,有

TQUQS

ESQTQLQPQS

ES

其中

S 吸热板表面积

QT 存储器中收集的总热量

QP 安装在存储器内的循环泵输入的恒定热量

QU 从收集器传递给存储器的有用能

从存储器向周围环境所散失的热量为

QL(US)tank(TiTa)dT

其中

(US)tank是存储器的传热系数

存储在流体（水）中的总能量(见图10)：

QTQUQLQP

在图11中可以看到水冷却对太阳能电池的最贱的显著影响，使得太

阳能电池组件的平均温度从52℃降低到18℃，而造成34℃温差的实验条件为，太阳光的辐射强度E=749W/m2,周围环境Ta=8～9℃,冷却水

冷水温度Twater=10～12℃。

从图11可以看出温度的下降对开路电压的影响最大，这是由于二极管的暗电流的饱和密度随着温度以指数方式进行增长。

EgJosexpkT 

光伏电池（从辐射能转化为电能）收集器的转换效率是从I-U曲线图的最大功率输出点(MPP)进行计算的

PVIMPPUMPP ESC

其中SC是30块串联起来的太阳能电池的总的表面积，等于0.32m2。

表5中给出了参数IMPP,UMPP,PV所对应的电池的平均温度TC（有

冷却与无冷却），PV相对于温度下降，如表4数据所示为0.06%/K，

接近我们所得出的结果0.08%/K，但是在U=0（见图11）时，短路电流过高。

从表5我们可以看到，当组件的温度从18℃增加到52℃时，输出的电功率很明显的从32W降低到27W.因此，冷却的作用可以极大的推动PV/T收集器在太阳能电池中的应用。而主要问题就是如何减少

PV/T收集器的热损失。一些可以被太阳能电池有选择性的吸收的透明长波的波长超过，

cutoffhc1.11m（对于硅） （3.10） Eg

吸收板直接和一个非绝缘铝制框架直接接触，所以在边缘处会有一些热量损失，阳光的辐射从一个玻璃表面的反射一般损失0～10%左右。所以，当温度要求十分的低时，PV/T系统就会获得尽可能的成功。例如，建筑物内的地板采暖（40℃）。

结论。混合PV/T系统在能够提供冷却的低温太阳能电池中具有非常大的应用。

3.2.3光伏组件的传热机制

当太阳光在晴朗的天气照射到地球表面包括：

 紫外光（λ

 可见光（λ=0.4-0.75μm）占总辐射能的44%，

 红外线（λ>0.75μm）,这部分占总辐射能的47%。

大多数的红外能覆盖的波长范围在（0.75～3.0μm），这是由于电磁场吸收辐射，固体产生热量，当固体吸收一定的辐射后，两个热力学状态前后的温度差事很容易发现的。除了加热，当辐射能进入太

阳能电池内部，使得原子间的共价键断裂，产生电子-空穴对，从而整个电路中就会有光伏转换所得到的的电流产生[46]。

收集器的输入温度将会影响光伏电池的电产量，而选择的光谱涂料缺乏对低光谱光照的吸收，将会增大收集器与载热流体之间的传热热阻，从而使集热器的产热量改变。

平板产率被定义为平板所产生的有用的能量，它又可以定义为平板所产的总能量除以系统所接收到的太阳能总量。

PmaxIMPPUMPPel （3.11） ESES

thmcpToutTin

ES （3.12）

其中m=dm/dt(kg/s)是光伏组件冷却水或者冷却空气的质量比率，cp是冷却介质的比热（水为4149J/kgK,空气为1007J/kgk）

可以通过太阳能电池和太阳能平板的材料特性，可以确定他们的最佳工作温度。在常温298K或者低温环境下，硅是理想的材料，但是在高温473K时，硅的转换效率下降5%.

所给出电效率与温度的函数关系

el01Tcell298K (3.13)

0是在温度298K下组件的效率。

硅的转换效率的温度系数：4.531K0[65]或者

36.41K0[45][59].

吸收太阳能的辐射能的光伏组件的倾斜度与吸收材料的布置依据太阳的高度，方位，以及天空的晴朗情况来定的。

PV/T混合系统的传输吸收因子τa可以利用一个光学模型进行计算，在这个计算中，用菲涅尔方程式计算每一种光伏薄膜层的材料内反射系数。假设太阳光没有纵向极化的，所以入射光被分成50%的平行光和50%的横向极化光，计算式基于镜面反射的，所以不考虑漫反射。但事实上，光伏薄膜并不是一个均匀表面，但分不同的部分（光伏电池盒电池之间的空隙），计算就必须对应每一个部分计算一个τa，然后加权，这将会使计算变得非常困难。

现在τa的平均估计值是0.74，然后，热效率可以从传输吸收因子中减去电效率即可

,effel （3.14） 这里τ=0.92玻璃盖板的透射率。

把从太阳能吸收的能量转换成热产量。图12是PV/T系统的横截面的温度分布图。

图12 PV/T系统的横截面温度分布图。

冷却流体所带走的热流量：

qwaterqPV1qback

这里的热流量的大小由流体的流入温度，流速，环境温度以及入射光的净辐射量所决定。

qbackhback(TfluTamb）

qPV1=hPV1(TPVTflu)

这里

Tflu 流体温度

TPV 组件温度

Hpv1和hback应该由实验测定。

玻璃与电池之间的温差（也就是qpv2可以忽略）和从收集器背面向环境散失的热量qback都可以忽略不计.

上表面的对流热损失可以估计为

qNu

conlTglassTamb

这里的努赛尔数Nu由Fuji Imura给出的[18]。

Nu0.560(Racos)0.25

或Churchill给出值[11]

Nu0.15Rasin/111/20

20/331/30.322/Pr

这里瑞利数和普朗克数为

RagT

val3 Prv

a

而

l 平板长度

Ф 平板倾斜度

λ 空气的热导率

v 空气的流动速度

3.20）3.21）（ （

a 热扩散率

图13.PV/T混合系统内的水冷却或空气冷却的热流分布

图。

上表面的辐射热损失[10]:

44qradefTglassTamb （3.22）

这里ef是有效发射系数（玻璃表面[58]）,

5.7781108Wm2K4-----史蒂芬-波尔兹曼常数。

由于强制对流损失代替了自然对流的热损失，所以引起了平板前

表面的热损失，Watmuff给出：

qwind2.83.0vwTglassTamd （3.23） 里面风速vw5m/s。

由式子（3.14）---(3.22)可以估算出冷却水所传递的热流量等于太阳能总辐射量E(W/m2)的31.2%.热辐射和强制对流造成的热损失为15.2%和18.3%。

4. 光伏建筑一体化系统

正在建造的混合光伏组件不仅要集成生产电力这一功能，还要集成加热组件以及拥有其他方面用途的组件。而对于光伏技术的最主要的挑战也是最大的机会就是与让光伏与建筑一体化。面对光伏产业在太阳能应用方面这一广阔的市场，留给光伏产业最好的机会就是如何将光伏组件集成到建筑物的顶部和外表面。

4.1光伏建筑一体化通风结构

因为在建筑的外表面，屋顶都可以集中安装玻璃式墙壁和屋顶，所以光伏建筑一体化在建筑（BIPV）应用中有很大的潜能。

欧洲经济利益集团PASLINK和JRC先进材料研究所所合作的JOULE项目PV-HYBRID-PAS的目标是开发一个评估混合光伏建筑组件的标准方案，方案所强调的是评估组件的热性能和电性能这些因素，但同

样也会注意其他方面，如维护，耐用性，空气和水的密封性，通风，采光，光线以及接受清晰度等。

PASLINK的几个测试中心和欧盟的户外测试中心都参加了这次程序测定。通风问题在这次测试中被重点考虑。疏散光伏电池背部间隙被加热的空气是程序测定中非常重要的一个方面，因此，开发并安装一个基准测试组件，以控制空气在间隙间的流动。

在PV-HYBRID-PAS项目中，为了确定混合光伏所适合的应用，实施了一些实例研究，例如HYPRI项目中在屋顶安装的混合组件。

BIBV系统将BIPV阵列和马赫光伏组件整合到门面中，并在建筑物外部放一个通风风机，为提高太阳能利用提供了一个很好的机会。将光伏整合到一个常见的建筑中是一项非常重要的能力，例如外观元素就是非常重要的。

如果包含以下功能，成本将会降低：

 发电功能（光伏组件），

 加热或冷却，

 绝热，

 组件结构，

 保护措施。

光伏通风结构结合了用环境中的冷风对光伏组件冷却和用热空气对建筑物加热的优点。

新建筑的玻璃幕墙的结构就是在现有和新的外表面之间形成一个空气通道，并通过控制两个墙体之间的空隙的大小来提高建筑外围的保温性能。为风机提供电力的是内置在墙体之间的一个BIPV组件。可以被优化的直流电源专门为高效率的风机供电。用一个控制器控制电压，跟踪最大功率点并优化光伏阵列的性能就能够提高通风系统的性能。另外，在有阳光的时段内风机的工作将直接由光伏阵列决定，这是光伏阵列通风设备最具吸引力的。除此之外，让气流通过光伏阵列背面对其冷却，可以提高它的性能。

光伏外表面的温度随着周围温度的变化而变化，海拔越高，就越高，这是由于在低海拔下阳光少而在建筑物顶部温度就高。