一种高效太阳能光伏电池和一种高效太阳能光伏电池系统

摘要

一种高效太阳能光伏电池，其中：该高效太阳能光伏电池的迎光面、背光面上分别设置有逆向电场形成电极，所述各逆向电场形成电极均为一根导线，该导线构成相对该高效太阳能光伏电池相应面的中心点呈中心对称的平面网状形状，该高效太阳能光伏电池的迎光面、背光面上的逆向电场形成电极相对该电池对称，该高效太阳能光伏电池迎光面、背光面上的逆向电场形成电极均与该电池的正极、负极以及该电池本身绝缘，两个网状逆向电场形成电极各自的边框上还分别连接有一根伸出电池的、对外绝缘的外延导线。本发明还提供了一种采用上述高效太阳能光伏电池的高效太阳能光伏电池系统；本发明技术方案相比现有技术，可大大提高太阳能光伏电池、系统的光电转换效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高效太阳能光伏电池和一种高效太阳能光伏电池系统。

背景技术

目前，太阳能光伏电池的转换效率低、成本高，是制约它普及应用的瓶颈。以使用最为广泛的硅单层太阳能光伏电池为例,据理论计算，这种太阳能光伏电池的光电转换效率可以达到30%左右。但是，目前在实验室条件下这种电池的转换效率最高不超过25 %,而这种电池工业产品的转换效率最高不超过20 %。

例如，全世界光伏电池年产量排名第一，中国江苏无锡尚德电力公司，其相关情况是这样的：

如何提高太阳能的光电转换效率是尚德电力研发的最主要的目标之一，目前尚德电力的突破性技术——Pluto（冥王星）技术已于2009年8月投入规模化生产，单晶光伏 (PV) 电池已经实现 18％ 以上的转换效率，大规模生产的多晶光伏电池亦接近 17% 的转换效率，均远远高于传统的丝网印刷晶体光伏电池。Pluto（冥王星）技术将持续获得改进，并期望在未来两年内，实现单晶光伏 (PV) 电池 20％ 转换效率、多晶光伏电池 18% 转换效率的目标。（资料来源：

http://old.suntech-power.com/index.phpoption=com_content&view=article&id=83&Itemid=83&lang=zh）

光伏电池效率低、成本高的现状对其普及应用的影响是如此之大，以致于在德国、美国、日本等家庭经济收入很高的发达国家，国家对民用光伏产品的使用也不得不进行高额的经济补贴。在中国大陆地区，政府目前没有足够的财力来对民用光伏产品的广泛使用进行高额的经济补贴。

从能量的角度看，为了提高光伏电池的效率，第一，需得减少电池内部光生载流子的复合损失（如光生载流子“复合”，就相当于它“湮灭”了）；第二，需得减少光生载流子在电池内部流动而形成的（焦耳-楞次）热损失；并且这两种损失对电池效率的影响相当大。为此，相应地，第一，目前业界不得不使用纯度极高、缺陷率极低的半导体材料或其它类型的材料（这是造成电池系统成本高的首要原因）；第二，虽然目前电池系统的制作工艺措施十分繁多复杂（这进一步提高了成本），但其中没有任何一项工艺措施，是为了减少光生载流子在电池内部流动而形成的复合损失或焦耳-楞次热损失而制订的。

航天界为了尽量利用太阳光各个谱段（例如红光谱段和红外谱段）的光能，使用非常昂贵的半导体材料（镓、铟、磷、砷等）和硅材料，再加上极其复杂的工艺，制成“多层结构太阳能电池”（通常是3层）。几个单层电池叠加（串联）起来形成一个多层电池，每一层电池吸收太阳光一定谱段的光能。虽然这种多层结构电池的效率比普通单层电池有所提高，然而第一，因为每层电池的物理原理实际上与普通单层电池完全一样，所以在多层电池的内部，上述减少光生载流子的复合损失及焦耳-楞次热损失这两个最核心的问题，仍然没有得到任何解决；第二，由于这种多层结构电池的成本极高，它在普通民用领域绝不可能被采用。

造成上述状况的根本原因在于，传统的物理理论认为：在光伏电池材料的类型、纯度和缺陷率、电池的厚度已经确定的情况下，光生载流子流经电池内部时被复合的机会（它造成复合损失）、所遭遇的电阻（它造成焦耳-楞次热损失），都是不可能改变的。因此，科技界目前没有找到，（囿于传统物理学）也不可能找到真正有效的技术措施来减少这两种损失，以便大幅度地提高光伏电池的效率和降低其成本。全世界概莫如此。

前文所说的“据理论计算，硅单层太阳能电池的光电转换效率可以达到30 %左右”，就是依照传统的物理理论计算出来的。显然，如果能够基本消除上述“复合损失”和“焦耳-楞次热损失”，电池的理论效率可以得到大幅度的提高（如硅单层太阳能电池的理论效率可以达到40 %左右）。

可以看出，只有根据全新的物理学原理来制订全新的技术措施，才能真正有效地解决制约太阳能光伏电池普及应用的瓶颈问题——转换效率低、成本高。

另外，众所周知，必须把若干个电池单元组成“太阳能光伏电池系统”，才有实用价值。然而，现有技术却仅仅以电池单元为单位采取措施，来提高太阳能光伏电池的效率。本发明表明，除了现有技术外，还可以以光伏电池系统为单位，开发出效率更高的新技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效太阳能光伏电池和一种高效太阳能光伏电池系统。

一种高效太阳能光伏电池，其中：在该高效太阳能光伏电池的迎光面、背光面上分别设置有逆向电场形成电极，所述各逆向电场形成电极均为一根导线，该导线构成相对该高效太阳能光伏电池相应面的中心点呈中心对称的平面网状形状，该高效太阳能光伏电池的迎光面、背光面上的逆向电场形成电极相对该电池对称，该高效太阳能光伏电池迎光面、背光面上的逆向电场形成电极均与该电池的正极、负极以及该电池本身绝缘，两个网状逆向电场形成电极各自的边框上还分别连接有一根伸出电池的、对外绝缘的外延导线。

所述的高效太阳能光伏电池，其中：该高效太阳能光伏电池的迎光面、背光面上分别设置有“田”字形槽，“田”字形槽的四条外边框分别与该高效太阳能光伏电池相应迎光面或背光面的4条对应外侧沿线平行，且内退1~5mm距离；“田”字形槽每条槽沟横截面的长、宽均在0.05~0.25 mm范围内；在该高效太阳能光伏电池“田”字形槽右上角所对应的相应面边角处，刻有边角坑，“田”字形槽的右上角与边角坑之间，设置有连接槽接通；所述构成逆向电场形成电极的导线从边角坑内的焊点开始，通过所述连接槽后依次穿过“田”字形槽的上条边、左条边、下条边的槽沟，再进入“田”字形槽的右条边的槽沟，在达到右条边的中点处时左拐进入“田”字形槽内部的十字形槽，并在十字形槽沟内绕行一圈形成双边的十字形，接着上拐进入“田”字形槽右条边上半部分的槽沟，再拐入连接槽，然后进入边角坑内，终止于边角坑内的焊点，焊点上连接有外延导线。

所述的高效太阳能光伏电池，其中：“田”字形槽的上条边、左条边、下条边、右条边的槽沟分别与该高效太阳能光伏电池相应面的对应外侧沿线之间的距离为2mm；“田”字形槽的每条槽沟横截面的长、宽均为0.12mm；连接槽的横截面长、宽均为0.12mm；边角坑的长、宽、高均为0.15mm。

所述的高效太阳能光伏电池，其中：所述构成逆向电场形成电极的导线为漆包线；所述外延导线为漆包线。

一种采用所述高效太阳能光伏电池的高效太阳能光伏电池系统，其中：该高效太阳能光伏电池系统包括2的整数倍个高效太阳能光伏电池；高效太阳能光伏电池分为个数相等的A组和B组，A组内各高效太阳能光伏电池依次串联，B组内各高效太阳能光伏电池依次串联；A组的总正极通过对外绝缘的导线同时与B组中各高效太阳能光伏电池的正极所对应表面上的外延导线相连接，A组的总负极与B组中各高效太阳能光伏电池的负极所对应表面上的外延导线相连接；B组的总正极通过对外绝缘的导线同时与A组中各高效太阳能光伏电池的正极所对应表面上的外延导线相连接，B组的总负极与A组中各高效太阳能光伏电池的负极所对应表面上的外延导线相连接。

所述的高效太阳能光伏电池系统，其中：各高效太阳能光伏电池的迎光面、背光面上分别刻有“田”字形槽，“田”字形槽的四条外边框分别与该高效太阳能光伏电池相应迎光面或背光面的4条对应外侧沿线平行，且内退1~5mm距离；“田”字形槽每条槽沟横截面的长、宽均在0.05~0.25 mm范围内；在该高效太阳能光伏电池“田”字形槽右上角所对应的相应面边角处，刻有边角坑，“田”字形槽的右上角与边角坑之间，设置有连接槽接通；所述构成逆向电场形成电极的导线从边角坑内的焊点开始，通过所述连接槽后依次穿过“田”字形槽的上条边、左条边、下条边的槽沟，再进入“田”字形槽的右条边的槽沟，在达到右条边的中点处时左拐进入“田”字形槽内部的十字形槽，并在十字形槽沟内绕行一圈形成双边的十字形，接着上拐进入“田”字形槽右条边上半部分的槽沟，再拐入连接槽，然后进入边角坑内，终止于边角坑内的焊点，焊点上连接有外延导线。

所述的高效太阳能光伏电池系统，其中：“田”字形槽的上条边、左条边、下条边、右条边的槽沟分别与该高效太阳能光伏电池相应面的对应外侧沿线之间的距离为2mm；“田”字形槽的每条槽沟横截面的长、宽均为0.12mm；连接槽的横截面长、宽均为0.12mm；边角坑的长、宽、高均为0.15mm。

所述的高效太阳能光伏电池系统，其中：所述构成逆向电场形成电极的导线为漆包线；所述外延导线为漆包线。

本发明采用上述技术方案后将达到如下的技术效果：

本发明的高效太阳能光伏电池，是在高效太阳能光伏电池的迎光面、背光面上分别设置逆向电场形成电极；本发明的高效太阳能光伏电池系统，是经由该系统中各高效太阳能光伏电池迎光面和背光面上的两个逆向电场形成电极的外延导线，在这两个电极之间加上外来电压，从而形成对各高效太阳能光伏电池内部的光生载流子的流动来说具有逆向作用的电场。

根据 “光子和电子的传播理论”（见《论光子和电子空间位置的变化》，该文发表在中国国家科技部主管的杂志《中国科技成果》，2010年第5期，第48页—57页），光子和电子的空间位置（包括在光伏电池单元P型片和N型片内的空间位置）的改变是它们分阶段在非连续时空和连续时空内所进行的传播，而不是传统物理学所说的它们在连续时空中所进行的（机械）运动，但光子和电子却具有一种“等效的（机械）运动速度”。

高效太阳能光伏电池系统工作时，A、B两组各自的总电动势相互为对方每一个高效太阳能光伏电池单元的内部即整个P型片和整个N型片，提供了一个对所有光生载流子的流动来说具有逆向作用的电场，但此逆向电场的形成电极与对应电池单元原有的电路（如电池单元的正、负极等）及电池单元自身都是绝缘的。这种逆向电场的作用是使光生载流子在电池单元内部的等效（机械）运动速度减慢。由电学理论可知，这种速度的减慢会造成电池单元内光生电流的减小。

然而，根据光子和电子的传播理论又可知，上述速度的减慢却会使光生载流子在各电池单元内部进行“停歇”的次数大大减少。于是，在电池系统内部，第一，光生载流子复合的机会大大减少（显然，这又会部分地抵消上述的“电池单元内光生电流的减小”）；第二，光生载流子与P型片和N型片材料的晶格碰撞的次数大大减少，并且碰撞的力度也大大减弱，即材料的电阻大大减弱。也就是说，光伏电池系统内每一个电池单元内部进而整个系统，光生载流子的复合损失和焦耳-楞次热损失都大大减少了。

光生载流子的等效（机械）运动速度被逆向电场减慢的物理实质是，光生载流子对逆向电场做功。也就是说，光生载流子（特别是太阳光中高频谱段如紫光、紫外光的光子所产生的高速光生载流子）的一部分甚至大部分动能，并没有像现有技术所生产的光伏电池那样转化成热能而对外耗散掉了，而是转化成了它们在逆向电场中的电势能。由电学理论可知，其结果是，与现有技术相比，A、B两组各自的总电动势必然都会有大幅度的提高。

这就表明：虽然光生载流子在各电池单元内部的等效（机械）运动速度的减慢会造成A、B两组各自的光生电流的减小，但与现有技术相比，A、B两组各自的总电动势必然会有大幅度的提高；这样，A、B两组各自的总电动势与各自的光生电流的乘积（即A、B两组各自发出的电功率）都必然会有大幅度的增加。在此基础上，再加上前述的“光生载流子复合机会的大大减少，会部分地抵消光生电流的减小”这一因素，则与现有技术相比，整个高效光伏电池系统发出的电功率必然会有大大的增加。

以硅单层光伏电池构成的系统为例来考察上述问题。由前文知，现在其理论效率不再是30 %左右，而是40 %左右。在采用本发明的所有技术措施后，即使系统内各电池单元的复合损失和焦耳-楞次热损失总共只减少了60 %，其电池系统工业产品的效率也完全可以提高5个百分点，相比现有技术有了质的改善。

附图说明

图1为本发明高效太阳能光伏电池的迎光面或背光面上设置的逆向电场形成电极的示意图；

图2为本发明的高效太阳能光伏电池系统中，A、B两电池组内各电池单元的逆向电场形成电极的连接原理图。

具体实施方式

本发明的一种高效太阳能光伏电池，在该高效太阳能光伏电池的迎光面、背光面上分别设置有逆向电场形成电极，所述各逆向电场形成电极均为一根导线，该导线构成相对该高效太阳能光伏电池相应面的中心点呈中心对称的平面网状形状，该高效太阳能光伏电池的迎光面、背光面上的逆向电场形成电极相对该高效太阳能光伏电池对称，各高效太阳能光伏电池迎光面、背光面上的逆向电场形成电极均与相应高效太阳能光伏电池的正极、负极以及电池本身相绝缘，各网状逆向电场形成电极还分别连接有一根伸出电池的外延导线。

如图1，在该高效太阳能光伏电池1的迎光面、背光面上分别刻有“田”字形槽3（“田”字形槽3每一条槽沟横截面的深度、宽度均为0.12 mm），“田”字形槽3的四条外边框分别与该高效太阳能光伏电池1相应迎光面或背光面上的对应外侧沿线平行，且均内退2 mm距离；“田”字形槽3右上角所对应的迎光面或背光面的边角处，刻有边角坑2（其长度、宽度、深度均为0.15 mm）；“田”字形槽3的右上角与边角坑2之间设置有连接槽5（连接槽5的深度、宽度均为0.12 mm）；一根漆包线4（其标称直径为0.03 mm）从边角坑2的焊点6开始，通过连接槽5后依次穿过“田”字形槽3的上条边、左条边、下条边的槽沟，再进入“田”字形槽3的右条边的槽沟，在达到“田”字形槽3右条边的中点处时左拐进入“田”字形槽3内部的十字形槽，并在十字形槽沟内绕行一圈形成双边的十字形，接着上拐进入“田”字形槽3右条边上半部分的槽沟，再拐入连接槽5，然后进入边角坑2内，终止于边角坑2内的焊点6。在焊点6，把该漆包线的起始端和终止端进行焊接，再焊接上标称直径为0.10 mm的外延漆包线7（外延漆包线7在电池片外延伸3 mm）；用性能良好的绝缘漆涂敷整个焊接点。

用防晒、防老化的粘接剂把漆包线4粘接在电池单元的迎光面或背光面1的“田”字形槽内，把外延漆包线7的一端粘接在电池单元的迎光面或背光面1的右上角边角坑内。

由2的整数倍个上述高效太阳能光伏电池构成高效太阳能光伏电池系统，系统中，将多个高效太阳能光伏电池分为个数相等的A组和B组，见图2，A组内各高效太阳能光伏电池依次串联，B组内各高效太阳能光伏电池依次串联；用漆包线（标称直径为0.10 mm），将A组的总正极同时与B组中各高效太阳能光伏电池的正极所对应表面上的外延漆包线7相连接，将A组的总负极与B组中各高效太阳能光伏电池的负极所对应表面上的外延漆包线7相连接；用漆包线（标称直径为0.10 mm），将B组的总正极同时与A组中各高效太阳能光伏电池的正极所对应表面上的外延漆包线7相连接，将B组的总负极与A组中各高效太阳能光伏电池的负极所对应表面上的外延漆包线7相连接。

另外，上述高效太阳能光伏电池系统还有附加的技术效果，提供了以下两个降低高效太阳能电池系统成本的途径：

第一、由于在高效太阳能光伏电池系统各电池单元的内部，光生载流子“停歇”的次数大大减少，从而光生载流子“复合”的机会大大减少，我们就可以用较低纯度、较低缺陷率的电池材料来制作电池（纯度、缺陷率究竟降低到说什么程度才不致于影响光电转换率，由试验来决定）；

第二、当一些用户对高效电池系统光电转换率的要求不是十分高时，我们可以在现有技术的工艺措施当中，去掉某些对提高转换率来说属于事倍而功半的措施。