專利名稱：納米光伏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可再生能源技術(shù)、電學(xué)技術(shù)、納米技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和半導(dǎo)體
物理技術(shù)等。
技術(shù)背景以幾何光學(xué)或波動光學(xué)為依據(jù)，是設(shè)計、分析光學(xué)系統(tǒng)和光電池特征的 g石出。 斯奈爾(W. Snell， 1591-1626)定律入射線、折射線和分界面的法線都位于同一 個平面，界面兩側(cè)的物質(zhì)a和物質(zhì)b的入射角①a和①b的正弦之比是一個常數(shù)。該定律 就是折射定律。 Sin①a/Sin①b =常數(shù) (1) 如果物質(zhì)b為真空，則斯奈爾定律中的常數(shù)，稱為物質(zhì)a的折射率，用~表示。 斯奈爾定律還可以為 naSinOa = nbSinOb (2)
現(xiàn)有的透鏡或者反射鏡利用光的反射定律和折射定律，可以改變光的傳播路徑。 光在不同的材料中傳播時，其傳播速度是不同的。若某種媒質(zhì)材料的折射率為n， C是光在 真空中的傳播速度，則光在該介質(zhì)內(nèi)的傳播速度為V = C/n。玻璃的折射率n在1.46到 1. 96之間。 當(dāng)光線通過任何光學(xué)媒質(zhì)(除了真空外)時，光的能量部分被媒質(zhì)吸收，而光的強 度相應(yīng)衰減。朗伯(Lambert)定律當(dāng)光通過厚度為dx的物質(zhì)時，光強度I的減少量dl與 初強度I和厚度dx成正比。即 dl = _aldx (3) 光線在通過光學(xué)媒質(zhì)時，還因為散射而衰減?？梢姽獾纳⑸渑c光的波長有關(guān)，一般
隨波長的減小而增加?？梢姽獾牟ㄩL在400nm-700nm(納米)之間。 當(dāng)光線從光密媒質(zhì)射到光疏媒質(zhì)時，如果入射角大于臨界角時，光全部被反射回
光密媒質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為全反射(Total Internal Reflection, TIR)。 當(dāng)na > nb時，對于兩種給定物質(zhì)的臨界角①o為 SinOo = nb/na (4) 玻璃折射率的數(shù)值一般為1. 5，則玻璃-空氣界面的臨界角為 SinOo = 1/1. 5 = 0. 67， (5) ①o = 42° 全反射棱鏡優(yōu)點是第一，入射光是在棱鏡內(nèi)全部反射的；第二，反射光不受棱鏡
表面沾污的影響。其缺點是當(dāng)光線進入棱鏡和從棱鏡出來時，一部分光線由于在棱鏡表面
上的反射而損失；但棱鏡表面涂上一層"無反射"薄膜可以大大減少這種損失。 光纖(Optical Fiber)是光導(dǎo)纖維的簡稱。頭發(fā)絲般粗細(xì)的光纖，是用玻璃或透
明塑料作為芯線，裹以折射率比芯線折射率小的包層。 如果一束光線進入一根光纖的一端之內(nèi)時被全反射；只要光纖的曲率不太大，光 線可以傳輸?shù)焦饫w的另一端。即光線在光纖內(nèi)傳輸具有可彎曲的優(yōu)點。 光纖線路不怕雷擊，不易受潮，耐高溫，抗腐蝕，工作穩(wěn)定。其重量很輕，體積很小，節(jié)省大量材料。 平行于透鏡主光軸的平行光束通過透鏡之后，匯聚于焦點F處(圖1)成為一個亮 點；平行光斜入射(圖1)透鏡，經(jīng)透鏡折射之后匯聚于焦平面上G點。 凹面鏡旋轉(zhuǎn)拋物面可將平行光束反射，光線經(jīng)鏡面反射后匯聚形成一個熾熱的光 團。 單元素半導(dǎo)體材料是硅(Si)和鍺(Ge) ， 二元化合物半導(dǎo)體材料是磷化鎵(GaP)和
砷化鎵(GaAs)等。三元化合物半導(dǎo)體材料是磷化砷鎵(GaASl—XP)和砷化鎵鋁(AlGanAs)等。 完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整、不含任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。用&表 示本征載流子濃度。 每立方厘米半導(dǎo)體中的導(dǎo)帯電子數(shù)，稱為導(dǎo)帯電子濃度，用n表示，單位為/cm3。
每立方厘米半導(dǎo)體中的價帯空穴數(shù)，稱為價帯空穴濃度，用p表示，單位為/cm3。
半導(dǎo)體載流子濃度是隨溫度而改變的。當(dāng)溫度升高，熱激發(fā)作用增強，使電子與空 穴的產(chǎn)生率超過復(fù)合率；但電子和空穴的濃度增加到一定數(shù)值，它們的產(chǎn)生率與復(fù)合率又 正好抵消，達到新的平衡。 半導(dǎo)體兩種載流子的濃度乘積等于它的本征載流子濃度的平方。即
Np = n/。 (6) 隨著溫度升高，雜質(zhì)半導(dǎo)體不再具有原來N型或P型的特點，都要表現(xiàn)出本征半導(dǎo) 體的特征。那么溫度升高到什么程度，該半導(dǎo)體才會向本征半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化呢？顯然，原來的 雜質(zhì)濃度越高，轉(zhuǎn)化所需的溫度會越高。不同雜質(zhì)濃度的硅材料開始進入本征導(dǎo)帯的溫度 (粗略估計值)雜質(zhì)濃度n = 10—16/cm3時，本征轉(zhuǎn)化的溫度為350°C 。雜質(zhì)濃度n = 10—15/ cm3時，本征轉(zhuǎn)化的溫度為270°C。雜質(zhì)濃度n = 10—16/cm3時，本征轉(zhuǎn)化的溫度為180°C。
半導(dǎo)體的許多特性取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。半導(dǎo)體器件和集成電路制造的 基本過程之一就是控制半導(dǎo)體各部分所含雜質(zhì)的類型和數(shù)量。 在純凈的本征半導(dǎo)體材料中摻入施主雜質(zhì)后，施主雜質(zhì)電離放出大量能導(dǎo)電的電 子，使這種半導(dǎo)體的電子濃度n大于空穴濃度p。這種主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為N型 半導(dǎo)體。其中電子是多數(shù)載流子(簡稱多子)；空穴是少數(shù)載流子(簡稱少子)。
在純凈的本征半導(dǎo)體材料中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離放出大量能導(dǎo)電的空 穴，使這種半導(dǎo)體的電子濃度n小于空穴濃度p。這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo) 體。其中空穴是多子；電子是少子。 在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的緊密接觸處，由于擴散必然形成PN結(jié)。同時在PN 結(jié)的N區(qū)側(cè)形成一個正電荷區(qū)，P區(qū)側(cè)形成一個負(fù)電荷區(qū)。這個區(qū)域稱為空間電荷區(qū)(圖 2)。 空間電荷區(qū)內(nèi)的正負(fù)電荷形成一個電場，稱為自建電場。它使得N區(qū)和P區(qū)之間 存在電勢差。這個電勢差稱為PN結(jié)的接觸電勢差UD(圖2)，可以推導(dǎo)出
UD = (kT/q) Ln (NA/n/) (7) 其中k = 1. 38X 10—23焦耳/開爾文，為波爾茲曼常量；元電荷q二 1. 6X10—19C ; ND :N型區(qū)中施主雜質(zhì)的濃度NpP型區(qū)中受主雜質(zhì)的濃度T為絕對溫度
半導(dǎo)體導(dǎo)帯電子和價帯空穴可以參加導(dǎo)電。例如，它們的導(dǎo)電性表現(xiàn)在當(dāng)有外加 電場作用于半導(dǎo)體上時，導(dǎo)帯電子和價帯空穴將在電場作用下作定向移動，稱為載流子的 漂移運動。這種運動產(chǎn)生漂移電流。 在熱平衡條件下，漂移電流完全被PN結(jié)兩端的擴散電流所平衡；使流過該PN結(jié)的 電流為零。 半導(dǎo)體單晶硅的原子密度為5. 5X1027cm3，晶體結(jié)構(gòu)為金剛石晶格結(jié)構(gòu)，晶格常 數(shù)a = 5. 43埃，屬共價晶體?；衔锇雽?dǎo)體材料GaAs的原子密度為4. 4X 1022/Cm3，晶體結(jié) 構(gòu)屬閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a = 5. 65埃，也屬共價鍵結(jié)合，但有一定的離子鍵成分。
雜質(zhì)擴散是在高溫下，中性原子以替位式摻入半導(dǎo)體中，用來改變材料的導(dǎo)電類 型；不會形成電流。 當(dāng)光子照射在物體表面上，就包含各種能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)光線照射在物體表面時，有一 部分被物體吸收；一部分被反射出去；另一部分透過該物體。如果入射的輻射能量為E，根 據(jù)能量守恒定律，它等于被物體反射的能量、被物體吸收的能量和透過物體的能量之和，即
E=Eg + Ea + E t (8) 式中 ^反射率，為反射能量占全部入射能量的百分比；
a——吸收率，為吸收能量占全部入射能量的百分比；
t——透射率，為透射能量占全部入射能量的百分比； 反射率、吸收率和透射率的大小，不但與物體表面溫度、物理特性、幾何形狀、材料 性質(zhì)有關(guān)，而且與光子的頻率也有關(guān)。它們之和等于l.。如果吸收率為l，這種物體就是黑 體。如果透射率為O，這種物體就是不透明體。如果透射率為l，這種物體就是完全透明體。 反射分為兩種，一種是鏡面反射；另一種是漫反射。鏡面反射遵循反射定律。利用鏡面反射 改變太陽光方向，對光能聚集在光電轉(zhuǎn)換器起很大作用。漫反射使入射輻射在反射后分散 于各個方向。 一般物體表面均具有這兩種反射的性質(zhì)，只是各占的比例不同。
太陽輻射達到地面的波長范圍大部分在0. 2-2. 6微米之間，而溫度為7(TC的物體 表面輻射波長大約在0.5-40微隨圍內(nèi)。當(dāng)光電變換器不斷吸收太陽輻射，自身溫度逐漸升 高時，它的輻射量也逐漸增大。最后到達熱平衡；光電變換器溫度不再升高。因此，光電變 換器吸收能量的大小和可達到的最高溫度，是由吸收率a和自身熱發(fā)射率^所決定的。
物體還有一個重要的輻射性質(zhì)是發(fā)射率e ，它是物體總發(fā)射能量E與同溫度的黑 體總發(fā)射能量Eb之比。
e = E/Eb (9) 發(fā)射率e的大小，一般與材料、溫度、光子頻率等有關(guān)。 無論自由電子處于何種運動狀態(tài)(靜止?fàn)顟B(tài)或勻速運動)，均不能吸收光子。當(dāng)且 僅當(dāng)電子(或空穴)被固體或原子束縛并具有一定的束縛能時，電子(或空穴)才能吸收 光子能量而產(chǎn)生光電效應(yīng)。 對半導(dǎo)體施加外界作用(注入光子或電子)而破壞了其熱平衡的條件，稱為非平 衡狀態(tài)。 半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)時，其比平衡狀態(tài)增加的載流子(電子或空穴)，稱為非平 衡流子。 對于一塊均勻摻入施主或受主雜質(zhì)的N型(或P型)半導(dǎo)體，用適當(dāng)頻率v的光子(即光子的能量大于該半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg)，均勻照射半導(dǎo)體的表面。由于在半導(dǎo)體表 面的薄層內(nèi)光子被大部分吸收，價帯空穴AP(或電子AN)吸收光子能量后從價帯激發(fā)到 導(dǎo)帯去，從而在導(dǎo)帯出現(xiàn)了附加的空穴AP(或電子AN)，同時在價帯池出現(xiàn)了相等的附加 的電子AN(或空穴AP)， AP和AN就是非平衡載流子濃度，并且有
AP = AN (10) 則在該半導(dǎo)體表面的薄層內(nèi)導(dǎo)帯的電子載流子濃度為N。+AN，薄層內(nèi)價帯的空穴 載流子濃度為P。+AP。 光能轉(zhuǎn)換電能的物理反應(yīng)現(xiàn)象，可分為以下二種效應(yīng)(外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效 應(yīng)) 被某種金屬表面的電子吸收的光子能量不小于該電子的逸出功時，則該電子可逸 出金屬表面而形成電流。由于金屬電子吸收光子能量被激發(fā)而作定向運動所形成電流的現(xiàn) 象，稱為外光電效應(yīng)。
當(dāng)半導(dǎo)體表面中的電子(或空穴)吸收不小于其原子束縛能的光子能量并由滿帶
激發(fā)到導(dǎo)帯或在導(dǎo)帯中作定向運動所形成電流的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明任務(wù)是通過透鏡或凹面鏡等采光面聚集光源(太陽光等)直接
輻射的能量，利用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將光能直接轉(zhuǎn)變成電能。該系統(tǒng)由于吸熱面積小于采光面
積，所以熱損失小，可大功率和高效率集熱。其裝置結(jié)構(gòu)可分為跟蹤與不跟蹤兩種。另外經(jīng)
過聚集的光線能從光纖的一端而曲線傳輸?shù)焦饫w的另一端。利用光纖的傳輸光線的功能，
可以組建各種各樣引入聚集的太陽能進行工廠化生產(chǎn)的光伏系統(tǒng)。 本發(fā)明還提出增加光伏系統(tǒng)中單個光電轉(zhuǎn)換設(shè)備所接收的光能和提高光電轉(zhuǎn)換 效率的納米技術(shù)等；以及解決現(xiàn)有太陽能光伏系統(tǒng)的分散性、間歇性和隨機性等缺點。
能夠?qū)⒐饽苤苯愚D(zhuǎn)換成電能或電流的光電器件，稱為光電轉(zhuǎn)換器。它是把光能變 成電能的能量轉(zhuǎn)換器。 由于半導(dǎo)體電子(或空穴)吸收大于其原子束縛能的光子能量被激發(fā)成為非平衡 載流子并作定向擴散運動而產(chǎn)生的內(nèi)光電效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng)。光伏效應(yīng)又可以分為三種 金屬-半導(dǎo)體接觸，P-N結(jié)接觸和丹伯效應(yīng)。 一般情況半導(dǎo)體中非平衡載流子的產(chǎn)生有兩 種一種是光注入；另一種是電注入。 利用光伏效應(yīng)能夠使被光線照射的單個光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生出具有實用價值電勢差 的系統(tǒng)，稱為光伏系統(tǒng)。 光電轉(zhuǎn)換器(圖2)不需要任何外加電源，只要有光線照射，即可產(chǎn)生電勢差。它 接上蓄電池后，就可對其進行充電；接上負(fù)載電路后，其中就有光電流。具有實用價值的電 壓，直流為6伏、12伏、24伏。 光伏系統(tǒng)中光電轉(zhuǎn)換器或者光電元件也被稱為光電池。太陽能光電轉(zhuǎn)換器稱為太 陽能電池。 現(xiàn)有的單個太陽電池(例如硅太陽電池)的電壓才0.5伏左右，不能直接作為電 源使用。必須將它們幾十個串、并聯(lián)構(gòu)成太陽電池方陣或電池板，獲得相當(dāng)能量，才能作為 單個應(yīng)用單元。 光子被半導(dǎo)體表面中原子吸收而產(chǎn)生的空穴_電子對是非平衡載流子，即導(dǎo)帯出 現(xiàn)了附加的多子AN，在價帯也出現(xiàn)了同樣數(shù)量附加的空穴AP。附加的空穴-電子對使得半導(dǎo)體中被光照射表面的空穴濃度近似等于N型半導(dǎo)體的平衡少子濃度Pno，電子濃度近 似等于平衡多子濃度Nno。即使在光子小注入時，非平衡載流子濃度AP—定比平衡時的多 子濃度Nno小得多，但又比平衡時的少子濃度Pno大得多。由于非平衡載流子的濃度不相 同，會引起非平衡載流子自表面向內(nèi)部的擴散。因此非平衡載流子空穴由表面向內(nèi)部擴散。
如果載流子沿著垂直表面的X方向運動(圖2)。非平衡載流子濃度隨X的變化可 寫為AP(x)， dAP(x)/dx是非平衡載流子濃度沿x方向的濃度梯度。 定義空穴擴散流密度jp為單位時間垂直通過單位面積的空穴數(shù)。擴散流密度與 濃度梯度成正比，則 jp =-DPd A p (x)/dx (11)
其中DP是比例系數(shù)，稱為空穴的擴散系數(shù)(單位cm7s)。 (11)式中負(fù)號表示空穴自濃度高的地方向濃度低的地方擴散。即擴散流方向與濃 度梯度方向相反。 若光照恒定，則表面非平衡載流子濃度(AP)。恒定。在表面恒定的條件下，半導(dǎo)
體內(nèi)部各處的空穴濃度不隨時間而改變，形成空穴的穩(wěn)定分布，稱為穩(wěn)定擴散。 在一維穩(wěn)定擴散情況下，擴散流密度jp也隨位置x而變化。擴散流的改變率(即
單位時間在單位體積內(nèi)積累的空穴數(shù)的增加量)為 d jp (x) /dx = -DPd2 A P (x) /dx2 (12) 非平衡載流子由于復(fù)合而減少。設(shè)t p是非平衡載流子空穴的壽命。在單位時間、 單位體積中空穴-電子對復(fù)合的非平衡載流子中的空穴數(shù)，稱為空穴的凈復(fù)合率AP(x) t P。在穩(wěn)定擴散下，該區(qū)域的任意處的非平衡少子的空穴凈復(fù)合率等于少子擴散流的改變 率?？傻梅瞧胶馍僮涌昭ǖ姆€(wěn)態(tài)散方程 DPd2 AP(x)/dx2 = AP(x)/t p (13) 它是一個二階常系數(shù)微分方程。其一般解為 A P (x) = Aexp (_x/lp)+Bexp (x/lp) (14) 其中Lp是空穴的擴散長度，Lp = (Dp t p)1/2 ;系數(shù)A、 B根據(jù)邊界條件確定。 設(shè)N型半導(dǎo)體厚度為W，單位為cm。則 1、當(dāng)半導(dǎo)體樣品足夠厚，即￥>>14)(擴散長度)；邊界條件為 當(dāng)x = 0時，AP = ( AP)。x—^時，AP —0 因此得出(4)式中常數(shù)A = (AP)。 ； B = 0 特解為AP(x) = (AP)。exp(-x/Lp) (15) 將(15)式代入(11)式，得擴散流密度為 jp = (Dp/Lp) (AP)。e鄧(-x/Lp) = (Dp/Lp) AP(x) (16)
11、當(dāng)半導(dǎo)體樣品足夠薄，即￥<<1^(擴散長度)；邊界條件為
當(dāng)x二O時，AP二(AP)。 x二W時，AP二O 因此得出(14)式中常數(shù)A二 (AP)。e鄧(W/Lp)/(exp(W/Lp)-exp(-W/Lp)) (17);
B = ( A P) 。exp (-W/Lp) / (exp (-W/Lp)-exp (W/Lp)) (18); 應(yīng)用雙曲函數(shù)進行變換，得到特解為 AP(x) = ( A P) 。sh ((W-x)/Lp)/sh (W/Lp) (19)
由于W << Lp，上式可簡化為
AP(x) " ( A P) o ((W-x)/Lp) / (W/Lp) = (AP)0(l-x/W) (20)
此時，非平衡載流子濃度在樣品中呈線性分布，其濃度梯度為
dAP(x)/dx = (AP)0/W (21)
得擴散流密度為 jp = (AP)。Dp/W (22)
上式表明，在穩(wěn)態(tài)情況(電子-空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合處于平衡之中)下，擴散流密 度是一個常數(shù)，即在單位時間和單位體積中，非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合處于平衡狀態(tài)之 中。 從(16)式和(22)式表明，非平衡載流子擴散流密度與(AP)。成正比，也與擴散 系數(shù)成正比，與非平衡載流子分布的這段距離成反比。 因為電子帶有-q電荷，空穴帶有+q電荷。其中q = 1.6X10—19C。所以它們的擴 散運動也必然伴隨電流的產(chǎn)生，形成擴散電流。這種擴散電流也稱為光生電流。從(11)式， 空穴的擴散電流為 Jpr=-qDpdAP(x)/dx (23)
同理可得出，電子的擴散電流為 Jnf= qDndAN(x)/dx (24) 設(shè)圖2中N型半導(dǎo)體的厚度W〉Lp(擴散長度)；空穴的擴散電流為 Jp擴=_q (DP/Lp) ( A P) 。e鄧(_x/Lp) = (DP/Lp) A P (x) (25) 設(shè)圖2中N型半導(dǎo)體的厚度W<<Lp(擴散長度)；空穴的擴散電流為 Jp擴=-qDpd A P (x) /dx = _qDP ( A P) 。/W (26) 當(dāng)二極管的N型區(qū)受到大于該半導(dǎo)體的禁帶寬度的光子能量激發(fā)，半導(dǎo)體的原子
由于獲得光能而釋放電子，形成電子_空穴對；就迫使它處于與熱平衡相偏離的狀態(tài)，即非
平衡狀態(tài)；這些大量產(chǎn)生的電子-空穴對(圖2)中非平衡載流子空穴(或電子)被稱為光
生非平衡載流子，簡稱光生載流子。當(dāng)它們吸收光子(光強較大)能量時，光生載流子大量
出現(xiàn)，就產(chǎn)生抵抗反向的自建電場U。的作用力，自N型區(qū)表面向P型區(qū)擴散，形成有實用價
值的反向電流，稱為光生電流。光生電流受入射光的強度控制，光強越大，光生電流也越大。
光生載流子_空穴在吸收光子能量而濃度大大增加時，在擴散作用下，向著與二極管中PN
結(jié)上的自建電場相反的方向運動，并在該PN結(jié)的兩側(cè)形成與自建電場的正負(fù)電荷積累相
反的電荷積累，產(chǎn)生一個光伏電場。即當(dāng)二極管的N區(qū)表面受到大量大于該半導(dǎo)體的禁帶
寬度Eg的光子照射時，二極管中N型區(qū)的空穴從被光子照射的表面往P區(qū)的方向移動，同
時P型區(qū)的電子往N區(qū)的方向移動，從而在PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生從N型區(qū)到P型區(qū)的光生電流；
在二極管的PN結(jié)上形成光生載流子電勢差。它與自建電場方向相反。 由光生載流子形成的有實用價值的電勢差，稱為光生電勢差U^;。具有光生電勢
差的物體是光生電源。 物體中原子吸收光子能量而產(chǎn)生非平衡載流子抵抗該物體自建電場力的擴散，由 一點A移動到另一點B時，這些載流子克服電場力所做的功與該載流子電荷量q的比值 E^/q，稱為A、 B兩點之間的載流子電勢差。這種由于光生載流子擴散而產(chǎn)生的載流子電勢 差，也稱為光生電壓；用符號U力表示。 有實用價值的光生電壓，即為光生電動勢U^;。它除了抵消自建電場的作用以外，還使半導(dǎo)體的空間電荷區(qū)中，P型區(qū)帯正電，N型區(qū)帯負(fù)電。若將外電路接通，便有電能輸 出。 現(xiàn)有太陽能電池的開路電壓小于其禁帶寬度，這種功率損失稱為電壓因素?fù)p失。 利用透鏡或凹面鏡的不同聚集光能方法，可以增加光伏系統(tǒng)中的光電轉(zhuǎn)換器所接
收的光能強度和提高光能的轉(zhuǎn)換效率等。這種方法能夠解決太陽能的分散性缺點。 通過凸透鏡或反射凹面鏡的采光面來聚集光源(太陽光等)直接輻射的能量，集
中照射在光電轉(zhuǎn)換器(一般為半導(dǎo)體二極管)的吸收面上，將光能轉(zhuǎn)變成電能，稱為聚集大
面積光線能量的光伏系統(tǒng)，簡稱聚能光伏系統(tǒng)。其中的光電轉(zhuǎn)換器，稱為光電器。這種聚能
光伏系統(tǒng)中的光電器吸熱面積遠遠小于采光面積，所以熱損失很小，并可以高度集中光能，
使單個光電器的功率和電壓遠遠高于現(xiàn)有的單個太陽能電池。 光電器的開路電壓大于其禁帶寬度，因此不會產(chǎn)生電壓因素?fù)p失。 光生電流在光電器或太陽能電池內(nèi)部與外部流動時，必然會產(chǎn)生內(nèi)電阻和外電阻。 現(xiàn)有的單個太陽能電池由于電壓低(大約0.5伏)，不能直接作為電源使用。現(xiàn) 有實用的太陽能電池是將幾個或幾十個單個的太陽能電池串聯(lián)組成的太陽電池方陣，才能 獲得實用的電壓和能量。太陽電池方陣的串聯(lián)內(nèi)電阻(主要為PN結(jié)的接觸電阻和P型或 N型半導(dǎo)體薄層電阻)損失比同樣功率的光電器大得多。 太陽光經(jīng)過透鏡或反射鏡聚焦之后，集中能量照射在單個半導(dǎo)體光電器上；單個 光電器就可以產(chǎn)生具有實用價值的光生電動勢，克服現(xiàn)有單個光電池(包括太陽能電池) 不能單獨使用的缺陷。 在聚能光伏系統(tǒng)中，光聚焦器的棱鏡和凸透鏡(或凹面鏡)的采光面積A，要根據(jù) 使用的需要來確定。直接的太陽光強度l可取0. 3-0. 5kW/m、光的吸收效率n可取O. 4-0. 6 之間。光電器的吸收功率P為 P = (I n)A (27) 其中太陽光強度I的單位為W/m2，采光面積A的單位為1112，光伏系統(tǒng)的吸收功率
P的單位為瓦特。 光電器的吸收功率P等于光生電壓U力和非平衡載流子所形成的擴散電流J^之乘 積。即 p二U光J擴 (28) 設(shè)圖2中N型半導(dǎo)體的厚度W<<Lp(擴散長度)；根據(jù)(26)式、(27)式和(28)
式，得 U光二-(I n)A W/(qDP(AP)0) (29) 上式中單位太陽光強度I單位為W/m2 ;光的吸收效率n是無量綱單位，n可取
0. 4-0. 6之間；采光面積A單位為m2 ;N型半導(dǎo)體厚度W單位為cm ;電荷單位為C，空穴電荷
q = 1. 6X10—19C ;空穴擴散系數(shù)Dp單位為cm7s ;空穴濃度AP單位為/cm3。 同理，如果半導(dǎo)體二極管的P型區(qū)被光線照射，其厚度W < < Ln (擴散長度)河
得 U光二 (I n)AW/(qDn(AN)0) (30) 上式中單位太陽光強度單位I為W/m2 ;光的吸收效率n是無量綱單位，n可取0. 4-0. 6之間；采光面積A單位為m2 ;P型半導(dǎo)體厚度W單位為cm ;電荷單位為C，電子電荷
q = -1. 6 X 10—19C ;電子擴散系數(shù)Dn單位為cm2/s ;電子濃度A N單位為/cm3。 通過透鏡系統(tǒng)或凹面鏡系統(tǒng)聚集光源(太陽光等)直接輻射的能量，集中照射在
光電器(一般為半導(dǎo)體二極管)的吸收面上，將光能轉(zhuǎn)變成電能。這種光電器，是能將太陽
能直接轉(zhuǎn)換為具有實用價值的電能的基體器件。它們裝置結(jié)構(gòu)可分為跟蹤與不跟蹤兩種。
還可以利用不同聚集光能方法，擴大光伏系統(tǒng)所接收的光能和提高光的轉(zhuǎn)換效率等。這種
方法能夠解決太陽能的分散性缺點。 現(xiàn)有的太陽能電池是按照需要將許多個太陽單體電池通過串聯(lián)的方法而組合成 為太陽電池組。由于各個太陽單體電池的電壓和電流難以完全一致。這就不能達到各個單 體電池串聯(lián)的最佳工作狀態(tài)。因此太陽電池組的效率一般比太陽單體電池的效率低，更比 與太陽單體電池同樣類型光電器的光電轉(zhuǎn)換效率低得多。
納米微粒是大小介于1-100納米的金屬或半導(dǎo)體的細(xì)小顆粒。
物質(zhì)顆粒結(jié)構(gòu)尺寸小到納米數(shù)量級，即由納米微粒作為物質(zhì)最小基礎(chǔ)顆粒單元的 材料，稱為納米材料。它與普通材料相比，不是簡單的量變，而是物性特征發(fā)生了質(zhì)變。
當(dāng)納米微與運動電子的德布羅意波長相當(dāng)或更小時，晶體周期性的邊界條件被改 變，必然導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換性能發(fā)生變化。這是一種納米微粒的體積效應(yīng)。納米材料通過選擇原 料和控制合成，可以制成不同性能的聚合物-無機納米復(fù)合材料，例如硫化鎘和碲化鎘等。 這種新型聚合物_無機納米復(fù)合材料摻入施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)制成的PN結(jié)二極管比單晶 硅二極管的光電轉(zhuǎn)換效率高得多。 聚合物導(dǎo)體納米復(fù)合材料是一種重要的光電轉(zhuǎn)換器所用的半導(dǎo)體納米材料，如硫 化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)、硫化鉛(PbS)等。它們具有量子限域效應(yīng)，是光電器的重要材料。 量子限域半導(dǎo)體納米的生產(chǎn)是在膠體溶液中進行的。它常用少量的聚合物穩(wěn)定膠體溶液。 這些聚合物穩(wěn)定劑是極好的基體材料；用它可以生產(chǎn)出具有半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換特性的可處理
聚合物薄膜。 納米硫化鎘晶體和納米碲化鎘(CdTe)的顆粒單元尺寸較小，厚度也較薄，粒徑分 布也更均勻；表現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)。在光線激發(fā)下硫化鎘和碲化鎘的納米微粒能夠引起光 電效應(yīng)。復(fù)合硫化鎘膜和碲化鎘膜具有更廣泛的光譜響應(yīng)范圍。由于納米微粒中表面原子 (或分子)所占比重較大，表面能量迅速增大，導(dǎo)致了化學(xué)活性的特殊性。制取納米材料硫 化鎘和碲化鎘的方法有氣相法和液相法等。氣相法主要有低壓氣體冷凝法、活性氫_熔融 金屬反應(yīng)法、流動液面真空蒸鍍法、通電加熱蒸發(fā)法、混合等離子法和蒸發(fā)冷凝法等。液相 法有沉淀法、噴霧水解法、高溫水解法和膠體化學(xué)法等。 能將光能直接轉(zhuǎn)換成的電能儲存起來的裝置，稱為光電蓄能器，簡稱蓄電器。光電 器連接蓄電器的電路(圖2);它就能將多余的電能儲存在蓄電器中，留在沒有光能時利用； 即通過蓄電器，可以把光能轉(zhuǎn)化為電能的太陽光狀系統(tǒng)變成穩(wěn)定不間斷的能源系統(tǒng)。這種 方法解決現(xiàn)有太陽能的間歇性和隨機性等缺點。 利用聚能光伏系統(tǒng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能時，最方便的存儲方法就是給蓄電器 或蓄電器組充電。各種儲能的方案很多，其中蓄電池(例如鋁酸蓄電池等)就是一種常用 的蓄電器。 蓄電器用量B = 1.2X蓄電器放電容量修正系數(shù)X負(fù)載電流X日工作時數(shù)X最長連續(xù)陰雨天數(shù)(31) 若蓄電器安置點最低溫度為-l(TC，則上式還要乘以1. 1 ;最低溫度為-2(TC時，上 式乘以1. 2。 堿性蓄電器放電容量修正系數(shù)為1. 25 ;酸性蓄電器放電容量修正系數(shù)為1. 5。 光源的光線能夠從光纖的一端而曲線傳輸?shù)焦饫w的另一端。如果利用光纖的傳輸
光線的功能，可以組建各種各樣引用太陽光進行工廠化生產(chǎn)的聚能光伏系統(tǒng)。 物體吸收面的最高溫度(平衡溫度)與a / e T密切相關(guān)。當(dāng)a / e T = 1時，這種
物體的吸收面稱為中性吸收面。在光電器中，a / e t越大越好。光電器a / e t可以達到10以上。 涂料層有選擇性和非選擇性兩種。選擇性涂料是一種對短波輻射具有高的吸收率 a，而自身的長波發(fā)射率^較低的涂料；可用a/eT> l表示。若a/eT= l稱為中性 涂料。若a/eT< l，稱為非選擇性涂料。選擇性吸收面，是指對太陽的高頻輻射吸收性能 好，而本身的低頻熱發(fā)射量很少的表面。這種表面對于太陽能的利用具有很重大的意義。
現(xiàn)有的太陽能電池的吸光面上，能夠?qū)⒄丈淦渖系墓饩€反射掉相當(dāng)大的一部分。 這種反射損失是一種很大的光能損失。例如純凈的硅表面的發(fā)射率在0. 4-1微米波長范圍 內(nèi)大約為30% ;其他材料也相當(dāng)高。 投射到光電器表面的光線，同樣有一部分被反射而沒有進入光電器。為了減少反 射損失，在光電器的吸收光線的表面上涂上一層非常薄的吸收率高的選擇性涂料，或形成 一層發(fā)射率低的其他材料的薄膜(例如氧化鈦、二氧化鈽和三氧化二鉭等)。這些薄膜在光 電器的工作光譜范圍內(nèi)是透明的，并具有牢固的機械性能，以及不受溫度變化和化學(xué)作用 的影響。 光電器的光線吸收層上的涂料是各種選擇性涂料。它可以采用納米技術(shù)和方法制 作選擇性涂層。 光電器上表面還可以設(shè)置蓋板，要求它能透過紅外線、可見光和紫外線而不透過 紅外線，這就使得進去的能量大于散失的能量，提高半導(dǎo)體二極管吸收光能的效率，蓋板的 這種作用稱為溫室效應(yīng)。將光電器安置在有蓋板的保護箱中，稱為蓋板保護性光電器。幾 種有代表性的蓋板保護性光電器為 單層玻璃蓋板并帶有選擇性涂料的光電器(圖9)。單層玻璃蓋板表面涂層為選 擇性吸收膜的光電器(圖9)。蓋板采用塑料透明薄膜的光電器(圖10)，它質(zhì)量輕耐沖擊。 在蓋板和光電器之間放有垂直蜂窩透明材料的光電器(圖11);它可以減少光能的損失。
在寒冷地區(qū)使用時，可采用雙層玻璃蓋板(圖12)或玻璃_塑料透明薄膜夾層蓋 板的光電器(圖13)。 當(dāng)保護性光電器用于中高溫環(huán)境時，則必須制成選擇性涂層蓋板并加入透明的玻 璃棉(圖14)，以減少熱損，提高光電器上半導(dǎo)體的溫度。 直徑一般為0.4米以上的棱鏡和凸透鏡(或者涂有銀或鋁的跟蹤凹面反光鏡)，可 以將太陽光聚集在一個固定(或基本固定)的焦點上。因此可以將太陽光的平行光線折射 (或者反射)聚焦到一個錐體之中，該錐體里含有對光線起折射作用的油，油是使光線高度 聚集的一種物質(zhì)。這個錐體如果把太陽光聚集起來后，可使焦點的直徑從1厘米縮小到1 毫米，使能量密度達到每平方厘米5000瓦以上。如果焦點在該錐體之外，則太陽光聚集照射到安裝在該錐體之外的光電器的吸光面上。如果焦點在該錐體之內(nèi)，則將光電器直接放 在該含有油的錐體中的太陽光聚集的焦點上。 現(xiàn)有的太陽能光電池系統(tǒng)中，由于沒有使用涂料，其吸收光能的效率較低。同時當(dāng) 半導(dǎo)體不斷吸收太陽輻射，自身溫度逐漸升高，成為熱輻射源，熱輻射能量也逐漸增大，最 后達到熱平衡，半導(dǎo)體溫度不再升高。因此吸收能量的多少是由吸收率a和自身發(fā)射率e T 決定的。 現(xiàn)有太陽能電池沒有選擇性吸收面，它利用太陽能的效果較差。 聚能光伏系統(tǒng)由光聚焦器、光電器、蓄電器、負(fù)載、防反充二極管以及調(diào)節(jié)控制器
等組成(圖15)。 太陽能光伏系統(tǒng)可分為基本光伏系統(tǒng)輸光伏系統(tǒng)。它們可以為微波中繼站、電視 差轉(zhuǎn)站、衛(wèi)星地面接收站、太陽能水泵、森林防火系統(tǒng)等提供可靠的具有實用性的光生電勢 差。太陽能光伏系統(tǒng)還可作為獨立電源或中心電站，解決農(nóng)民生活用電和小型工業(yè)用電問 題。太陽的聚能光伏系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。 1.光聚焦器將太陽光或其他的光源等光線，直接聚焦于光電器(半導(dǎo)體二極管) 上，在光電器上出現(xiàn)光生電勢差，利用電路可以儲存或傳送光生電動勢產(chǎn)生的電能(圖15、 圖16和圖17)。其中圖15為光能轉(zhuǎn)化為電能的直流電系統(tǒng)；圖16為光能轉(zhuǎn)化為電能的交 流電系統(tǒng)；圖17為光能轉(zhuǎn)化為電能的交流電直流電混合系統(tǒng)。這三種系統(tǒng)的光能如果是太 陽能，就是太陽能基本光伏系統(tǒng)。 1. 1光聚焦器是由具有改變光線方向的棱鏡或者光線跟蹤器、聚焦光線的凸透鏡 或者凹面鏡(如拋物反光面)等組成(圖5)。它將各個不同平行方向的光纜聚集于焦平面 上。 1. 1. 1光聚焦器(圖5)如果采用凸透鏡，該凸透鏡位于東、西棱鏡的中央的下方。 這個水平設(shè)置的凸透鏡的設(shè)計，應(yīng)滿足在適當(dāng)太陽高度角范圍內(nèi)，太陽光能可以聚集于該 凸透鏡下面的光電器上(圖5)。 1. 1. 2光聚焦器(圖8)如果采用反光鏡，可以將反光鏡安置在光線跟蹤器上或采 用棱鏡，利用跟蹤器使反光鏡對準(zhǔn)太陽(圖8)，或利用棱鏡將平行光線照射到反光鏡上。光 線跟蹤器的每面反光鏡，可以用一臺電腦控制兩臺馬達與太陽同步轉(zhuǎn)動，當(dāng)太陽被云彩遮 住時，光線跟蹤器就靠一個鐘表裝置來帶動。因此只要太陽一露出云彩，反光鏡立即能對著 太陽。日落之后，電腦又將光線跟蹤器轉(zhuǎn)向東方。 1.2光電器(圖15、圖16和圖17)能將經(jīng)過聚焦的太陽光線，轉(zhuǎn)換成有實用價值
的電能。該電能通過電路可以儲存在蓄電器中，或者直接作用于電路的負(fù)載上。 光電器按照結(jié)構(gòu)可以分為同質(zhì)結(jié)光電池、異質(zhì)結(jié)光電池和肖特基光電池。 同質(zhì)結(jié)光電池是由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成一個或多個PN結(jié)的光電池。 異質(zhì)結(jié)光電池是用兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料在相接的界面上構(gòu)成一個異
質(zhì)PN結(jié)的光電池。肖特基光電池是用金屬和半導(dǎo)體接觸組成一個"肖特基勢壘"的光電池。 納米硅光電器的核心部分就是PN結(jié)。在厚度約0. 3-0. 5毫米的P型(或N型)
納米硅的薄片表面涂抹一層非常薄的反型層，例如擴散法形成N型層或(P型層)，即可形成 PN結(jié)。然后在PN結(jié)的兩面各加上一個電極，就是一種納米光電器。它只要經(jīng)太陽光照，就會在兩個電極之間產(chǎn)生電壓和電流。 如果在硅晶體或金剛石晶體中，摻入納米硼、納米鎵或納米鋁等雜質(zhì)，它變成納米 P型半導(dǎo)體；摻入納米磷、納米砷或納米銻等雜質(zhì)，它變?yōu)榧{米N型半導(dǎo)體。金剛石晶體可 制成耐高溫的半導(dǎo)體。 現(xiàn)有的太陽能電池是在N型硅單晶的小片上，用擴散法摻進一層硼，以得到PN結(jié)， 然后再加上電極，制成了太陽能電池。它光電轉(zhuǎn)換效率大約18%，大批量生產(chǎn)時，其效率只 有12%。它的效率很低，成本高。 1. 3蓄電器組或電流負(fù)載電路(圖15、圖16和圖17)，是太陽能光伏系統(tǒng)的儲能裝 置或供電裝置。在夜間或光照不足以及負(fù)載消耗超出光電器發(fā)出的電量時，蓄電器組可以 向負(fù)載供電。蓄電器的基本要求是低自放電、長壽命、少維護、高充電效率，價格低等。蓄 電池就是一種常用的蓄電器。 1.4調(diào)節(jié)控制器(圖15、圖16和圖17)主要有以下幾個作用
1. 4. 1按用戶要求給出穩(wěn)定的電壓或電流。 1. 4. 2蓄電器過分充電或放電時，可以報警或者自動切斷線路。
1. 4. 3蓄電器組出現(xiàn)故障時，可以自動接通備用的蓄電器組。
1.4.4電路負(fù)載發(fā)生短路時，蓄電器組可以自動斷開并報警。 1.5防反充二極管(圖15、圖16和圖17)作用是避免由于光電器在陰雨天或夜晚 不發(fā)電時，或者出現(xiàn)短路故障時，蓄電器組通過光電器進行放電。 1. 6逆變器(圖16和圖17)的作用就是將光電器和蓄電器提供的低壓直流電逆變 成220V的交流電。 1. 7用電負(fù)載是將電能轉(zhuǎn)換為各種能量的設(shè)備。 1.8測量儀器對于小型光伏系統(tǒng)，只要求進行簡單的測量，測量所用的伏特表和 電流表一般就安裝在調(diào)節(jié)控制器上。對于大型光伏系統(tǒng)，就要求配備獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 和微機監(jiān)控系統(tǒng)。 2.利用棱鏡和凸透鏡(圖5)或凹面鏡(如拋物面反射鏡，圖8)和光線跟蹤器將 太陽光聚焦于光隔離器或者其他設(shè)備，通過光纖耦合器，到達光纖(光纜)的接收端，經(jīng)過 一定距離的曲線光纖傳輸之后，由光纖的發(fā)送端將該光線照射到光電器上，產(chǎn)生光生電勢 差，利用電路可以儲存或傳送電能(圖3)。 這種光伏系統(tǒng)也可以利用棱鏡和凸透鏡(圖1)或凹面鏡和光線跟蹤器將太陽光 直接聚焦于光纖(光纜)的接收端，通過光纜將光線傳送到光電器上，產(chǎn)生光生電動勢(圖 8)。 光線通過光纖的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要由光接收端、傳輸光纖(光纜)和光電器三個 部分組成。即光源(一般指太陽)輸出的光線經(jīng)過光接收端的凸透鏡或凹面鏡(如拋物面) 的聚集，將光纜一端的開口和該光線的聚焦點重合，通過光纜把光線從一端傳送到另一端。 經(jīng)過一定距離的光纖傳輸后，到達光電器，由光電器將光能轉(zhuǎn)換成電能。這種系統(tǒng)就是太陽 能傳輸光伏系統(tǒng)。它可以實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)。 2. 1光接收端由能將光線聚集于光纜接收端口的光聚焦器組成。它也可以由光聚 焦器、防止光線反射回來的光隔離器和將光線送入光纖的耦合器或耦合裝置組成(圖3)。 光接收端的工作過程為
光聚焦器是由具有改變光線方向的棱鏡(圖4)或者光線跟蹤器以及聚焦光線的 凸透鏡或者凹面鏡(如拋物反射面)等組成。它可將不同方向的平行光線聚集于光隔離器， 或者直接照射在光纜的接收端口。 光源(一般為太陽光)的光線經(jīng)過光聚焦器的聚集作用之后，然后通過光隔離器 進行光隔離，防止光線反射。再由光纖耦合器連接到光纖的起始端內(nèi)進行光線的傳輸。
在光隔離器或者其他設(shè)備的內(nèi)壁上可以涂一層磷光劑。當(dāng)磷光劑受到太陽光中含 有的紫外線照射時，會發(fā)出可見光。采用不同性質(zhì)的磷光劑，可制成能發(fā)出任何所需可見光 的光源。這種可見光可以補充原來可見光的強度。同時太陽光的紫外線不被云層遮擋。
2. 1. 1光聚焦器如果采用棱鏡和凸透鏡，則凸透鏡位于東、西棱鏡的中央的下方。 這個水平設(shè)置的凸透鏡應(yīng)滿足在適當(dāng)?shù)奶柛叨冉欠秶鷥?nèi)，太陽光聚集于該凸透鏡下面的 光纖接收端或光隔離器上(圖5)。 2. 1.2光聚焦器如果采用凹面反射鏡(圖8)，可以將它安裝在光線跟蹤器上。光 線跟蹤器的每面光聚焦器可以用一臺電腦控制兩臺馬達與太陽同步轉(zhuǎn)動，當(dāng)太陽被云彩遮 住時，光聚焦器就靠一個鐘表裝置來帶動。因此只要太陽一露出云彩，光聚焦器立即能對著 太陽。日落之后，電腦又將光聚焦器轉(zhuǎn)向東方。 2. 2光纖(光纜)是光線通過光纖傳輸?shù)木勰芄夥到y(tǒng)或裝置中光線傳輸?shù)慕橘|(zhì) (圖3)。光纖是由高折射率的光纖芯和低折射率的包層以及護套構(gòu)成。按制造光纖材料的 不同，光纖可分為石英光纖、多組分玻璃光纖、全塑料光纖和摻雜光纖等。光線從光纖的芯 線射向包層時，能發(fā)生全反射，經(jīng)反復(fù)的全反射可以將光線從一端傳輸?shù)搅硪欢?。同時光纖 柔軟，彎曲了也能傳輸光線。 不同類型的光纖，傳輸特性和能量損耗也不同。在實際應(yīng)用中，為了便于安裝和敷 設(shè)，常常將多根光纖按一定的結(jié)構(gòu)排列組成光纜。光纜的結(jié)構(gòu)形式也可以多種多樣。
光是一種電磁波。它的電場和磁場隨時間不斷地變化，在空間沿傳播方向z，總是 相互正交傳輸。當(dāng)電場E施加到介質(zhì)材料時，會引起該介質(zhì)的原子和分子極化。在強電場 作用下，極化P和E的關(guān)系是非線性的。當(dāng)光強達到1000kW/cm2時，這種非線性必須考慮。
小能量光線的傳輸一般可以使用普通的石英玻璃光纖，也稱為實心光纖。
高能量光線的傳輸一般就要使用空心光纖(圖6、圖7)。 目前，最廣泛使用的實心光纖是石英光纖；它不僅具有低損耗，還有好的彎曲特 性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性等特點；可以用來傳輸可見光與紫外線。實心光纖的直徑不能太細(xì)， 因此一般采用多模光纖。 空心光纖是以細(xì)管狀空氣(或氣體)作為纖芯，光線在這個細(xì)管內(nèi)壁上邊反射邊 傳播。這種空心光纖在光纖端部沒有反射損失，并且能用金屬等高強度材料造成，理論上可 傳輸任何波長的光線。 為了適應(yīng)各種特殊照明的需要，還可以使用導(dǎo)光束。它是將多根光纖按一定的結(jié) 構(gòu)排列組成的光纜。 2.3光電器能將從光纖的終端出來的光線轉(zhuǎn)換成電能。在聚能光伏系統(tǒng)中，光纖還 需要應(yīng)用一些光無源器件，如光開關(guān)等。 2. 4蓄電器、調(diào)節(jié)控制器、逆變器、防反充二極管和測量儀器與以上所述相同(圖 15、圖16或圖17)。
2. 5通過光纜傳輸光線的太陽能傳輸光伏系統(tǒng)，可實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)。即將太陽光 聚焦器安裝在露天的場所；而利用傳輸光纖(光纜)引入廠房，光電器直接放在廠房之內(nèi)。 建筑物和廠房的屋頂也可以安裝光聚焦器。然后通過光纖將太陽光引進來，照射在光電器 上轉(zhuǎn)為電能。由蓄電器或電器存儲或使用該電能。 3.納米光電器還可以由多層納米光電材料制成；其一般制成5-10層的厚度20-30 微米。 納米光電材料是指無機填充物雜質(zhì)以納米尺寸分散在有機聚合物基體(半導(dǎo)體) 中形成的有機/無機納米復(fù)合材料。在納米復(fù)合材料中，分散相的尺寸至少在一維方向小 于100納米。由于分散性的納米尺寸效應(yīng)、大比表面積和強界面結(jié)合，使納米復(fù)合材料具有 一般半導(dǎo)體所不具備的優(yōu)異性能。 納米光電材料采用浸漬法、化學(xué)氣相沉積法、反相膠束法與微乳液法、模板合成法 和復(fù)合法等制成。 4.在硅晶體或其他半導(dǎo)體中，摻入納米硼、納米鎵或納米鋁等雜質(zhì)，它變成納米P 型半導(dǎo)體；摻入納米磷、納米砷或納米銻等雜質(zhì)，它變?yōu)榧{米N型半導(dǎo)體；納米聚合物可制 成耐高溫的半導(dǎo)體。 納米光電器通常要采用帶有載流子輸運層的多層結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的材料都采用小分子 物質(zhì)作為輸運層。由于小分子物質(zhì)容易重結(jié)晶或與非平衡載流子形成電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物和激 發(fā)態(tài)聚集導(dǎo)致性能下降，而納米聚合物則能克服這些缺點。高質(zhì)量的硅基納米材料對于實 現(xiàn)高效率和高穩(wěn)定度的光電轉(zhuǎn)換是非常重要的。
硅基納米材料的生長方法可分為如下兩類 1)利用物理氣相蒸發(fā)的生長，如激光燒蝕沉積和射頻磁控濺射等。
2)利用化學(xué)氣相沉積的生長，如等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)和低壓化學(xué)氣相 沉積(LPCVD)等。原則上講，這些成膜技術(shù)都可用于硅基納米材料的制備。但它們均應(yīng)具 備兩個基本前提條件 —個是應(yīng)滿足納米材料形成的生長機制；第二是應(yīng)滿足納米材料形成的工藝參 數(shù)。 在硅基納米材料中摻入能俘獲電子的硼、鎵、鋁等雜質(zhì)，它變成P型納米半導(dǎo)體。
在硅基納米材料中摻入能施放電子的磷、砷、銻等雜質(zhì)，它變成N型納米半導(dǎo)體。


圖1凸透鏡折射光線示意圖。平行于透鏡主光軸的光束通過透鏡之后，會聚于焦
點F處為一個亮點。其他平行光束經(jīng)透鏡之后會聚于焦平面上G點處產(chǎn)生一個亮點。 圖2光電器示意圖。它不需要任何外加電源，只要有光線照射，即可產(chǎn)生電勢差。
它接上蓄電器后，就可以對其進行充電；接上負(fù)載電路后，其中就有光生電流。 圖3光接收端和光電器的組成示意圖。光接收端由能將光聚集的光聚焦器(透鏡
或者反射鏡)組成。它也可以由光聚焦器(透鏡或反射鏡)、防止光線反射回來的光隔離器
和將光線送入光纖的耦合器組成。光電器能將從光聚焦器或者光纖的終端進入的光能轉(zhuǎn)化
為電能。 圖4光線在棱鏡中傳輸?shù)氖疽鈭D。該玻璃棱鏡的角是45。
-90° -45° 。光線正入射到棱鏡的一個較短的面上，以45。的入射角投射到斜面上。這個角大于玻璃-空氣的
臨界角42° 。所以光線作全反射，在偏轉(zhuǎn)90。之后，從第二個較短的面射出。 圖5光聚焦器示意圖。其中凸透鏡位于東、西棱鏡的中央的下方。該水平設(shè)置的
凸透鏡應(yīng)滿足太陽光能保持在適當(dāng)?shù)奶柛叨冉欠秶鷥?nèi)，而使太陽光一直聚集于該凸透鏡
下面的光隔離器或光纜上。 圖6全反射型空心光纖示意圖。它是使用對傳輸波長的折射率小于1的材料做成 的波導(dǎo)管。 圖7內(nèi)裝介質(zhì)層型空心光纖示意圖。它為金屬內(nèi)壁上涂覆透明電介質(zhì)的空心光 纖。 圖8凹面鏡反射光線示意圖。與光軸平行的光線，經(jīng)鏡面反射后聚集于焦點上。其 他平行光束經(jīng)凹面鏡反射之后會聚于焦平面上一點而產(chǎn)生一個亮點。 圖9單層玻璃蓋板并帶有選擇性涂料或選擇性吸收膜的光電器示意圖。它是兩種 代表性的光電器。其中一種帶有選擇性涂料玻璃蓋板；另一種帶有選擇性吸收膜玻璃蓋板。
圖10蓋板采用塑料薄膜的光電器示意圖。它質(zhì)量輕耐沖擊；是一種典型代表性光 電器。
圖11加有垂直蜂窩透明材料的光電器示意圖。它可以減少光能的損失。
圖12雙層玻璃蓋板的光電器示意圖。在寒冷地區(qū)使用時，可采用雙層玻璃蓋板。
圖13玻璃_塑料薄膜夾層蓋板的光電器示意圖。它也適用于在寒冷地區(qū)使用。
圖14減少蓋板一側(cè)熱損的光電器示意圖。當(dāng)保護性光電器用于中高溫環(huán)境時，則 必須制成選擇性涂層蓋板并加入透明的玻璃棉，以減少熱損，提高光電器上半導(dǎo)體的溫度。
圖15光伏系統(tǒng)輸出直流電示意圖。它由光電器、蓄電器、直流電負(fù)載、防反充二極 管、測量儀器以及調(diào)節(jié)控制器等組成。 圖16光伏系統(tǒng)輸出交流電示意圖。它由光電器、蓄電器、交流電負(fù)載、逆變器、防 反充二極管、測量儀器以及調(diào)節(jié)控制器等組成。 圖17光伏系統(tǒng)混合輸出交流電直流電示意圖。它由光電器、蓄電器、直流電負(fù)載、 交流電負(fù)載、逆變器、防反充二極管、測量儀器以及調(diào)節(jié)控制器等組成。 圖18光隔離器示意圖。它含有永久磁鐵和45。法拉第旋傳器，將法拉第旋轉(zhuǎn)器旋 轉(zhuǎn)，使起偏器和檢偏器互成45° ，就可切斷反射光，實現(xiàn)光隔離。
具體實施方式
光電器(圖2)不需要任何外加電源，只要有適當(dāng)頻率的具有一定 光照強度的光線照射在二極管半導(dǎo)體上，即可產(chǎn)生實用的光生電勢差。它接上蓄電器后，就 可以對其進行充電；接上負(fù)載電路后，就有光生電流。聚能光伏系統(tǒng)中的光電器或者光電元 件，可以直接將光能轉(zhuǎn)化為電能。 將太陽光聚焦直接照射在二極管半導(dǎo)體制成的光電器上，就可以直接得到有實用 價直的電能。這種利用太陽能發(fā)電的聚能光伏技術(shù)安全可靠、無噪聲、無污染。它可以無人 值守，也無需架設(shè)輸電線路河以利用建筑物的屋頂、海灘、沙漠、荒山和荒地等進行發(fā)電。 太陽聚能光伏系統(tǒng)發(fā)電所需能量隨處可得，無需消耗燃料、無機械轉(zhuǎn)動部件，維護簡單，使 用壽命長。 光聚焦器太陽光或其他的光線，直接聚焦于半導(dǎo)體光電器上(圖5)，在光電器上 出現(xiàn)光生電勢差，利用電路可以儲存或傳送光生電動勢產(chǎn)生的電能(圖15、圖16和圖17)。它們就是太陽能基本光伏系統(tǒng)。 光聚焦器將太陽光或其他的光源等光線，直接聚焦于光纖的輸入端口或者光隔離 器(圖3);利用光纖將光線傳輸?shù)桨雽?dǎo)體光電器上轉(zhuǎn)化為電能。它們就是太陽能傳輸光伏 系統(tǒng)。 光電器也可采用納米硫化鎘或納米碲化鎘等。它們通常是制成薄膜型的；制造工 藝也差不多。 制造納米硫化鎘或納米碲化鎘的方法膠體化學(xué)法、微乳液法、模板合成法、超臨 界流體法、電化學(xué)法和聚合物模板組裝法等。納米硫化鎘或者納米碲化鎘可以是晶體或非 晶體。 采用聚合物模板組裝法制造納米硫化鎘的方法可以把鎘分散在聚合物中，或直 接用含有雙鍵的有機鎘鹽進行聚合，在上述含鎘聚合物中引入硫離子，從而形成硫化鎘納 米微粒；與其他制備方法相比，聚合物的保護和限制作用可明顯提高納米微粒的穩(wěn)定性。聚 合物可分為兩類；一類只作為打散劑，不含有效的官能團，在合成過程中不與納米微粒相互 作用，例如磺化聚苯乙烯(BBS);另一類含有有效的官能團(如巰基)，一般是將合成后的納 米微粒分散在這類聚合物中，利用微粒表面與聚合物巰基的鍵聯(lián)作用，使納米微粒受到保 護，利用聚苯乙烯-順丁烯二酸酐(PSM)于水溶液中可水解成二醛，從而具有絡(luò)合能力的特 性，使之作為硫化鎘納米微粒的制備模板。與BBS相比，PSM含有相鄰的羧基(-C00H)，它除 了具有弱酸型離子交換作用之外，還具有多羧基螯合及大分子螯合作用，可采用離子鍵和 配位鍵將金屬固定在其中。通過引入硫，可在原位形成嵌在聚合構(gòu)造的硫化鎘納米微粒，而 后聚合物包覆在納米微粒的表面形成保護層。 采用聚合物模板組裝法制造納米碲化鎘的方法與上述制造納米硫化鎘的方法基 本相同。 納米非晶硅光電器是利用在反應(yīng)室內(nèi)的硅烷氣體中進行靜光放電而形成非晶硅 薄膜，并在放電過程中，混入磷烷或硼烷等氣體，以形成N層和P層。整個光電器是由大面 積薄膜構(gòu)成的。它的制造工藝不同于單晶硅光電器，主要是成膜、制PN結(jié)、做接觸等；由于 簡化成這幾道工序，制造成本大大低于單晶硅二極管的成本。它不僅能造出大面積的納米 光電器，還能做成集成型的納米光電器。 光聚焦器可通過一個直徑一般為0.4米以上的凸透鏡(或者涂有銀或鋁的凹面反 光鏡)，把太陽光的平行光線折射(或者反射)后，聚焦到一個經(jīng)過精密加工的透明錐體中， 該錐體里含有對光線起折射作用的油。油是可以使光線高度聚集的一種物質(zhì)。這個錐體把 太陽光聚集起來后，可使焦點的直徑從1厘米縮小到1毫米。如果該焦點在錐體之外，則太 陽光聚集的亮點照射到安裝在該錐體之外的光電器的吸光面上。如果焦點在該錐體之內(nèi)， 則將光電器直接安裝放在該存儲有油的錐體中的太陽光聚集的焦點上。
頻率v的光子能量E為 E = hv ; (32)
其中普朗克常量h = 6. 63X10-34焦耳秒 當(dāng)頻率v的光子能量大于該半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時，用該光子照射一塊均勻摻雜 的N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體(圖2)時，就產(chǎn)生光生電壓U力。 聚焦的光子照射N型半導(dǎo)體的一面，并在半導(dǎo)體表面的薄層內(nèi)光子被大部分吸收，則在該表面薄層內(nèi)將產(chǎn)生大量非平衡載流子-空穴。這必然會引起大量非平衡載流子 自表面向內(nèi)部的擴散，產(chǎn)生光生電動勢。 光電器由雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成。在光電器(例如N型半導(dǎo)體)的吸光面上可以涂上能 有效吸收陽光的多層涂料。例如，其中第一層涂料對照射在其上的光線只吸收不反射，防止 光能的損失。它由氧化硅制成。第二層是光能吸收率高的金屬陶瓷層。該兩層可以采用磁 控濺射的方法制作。第三層是采用雜質(zhì)熱擴散技術(shù)，在該塊N型半導(dǎo)體內(nèi)擴散進足夠數(shù)量 的P型雜質(zhì)，補償原有的導(dǎo)電類型，是以建立反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體技術(shù)制成的。這3層總厚 度可以只有100納米。這種多層涂料涂在光電器上，可達到高效的光一電轉(zhuǎn)換效率。
光譜選擇性吸收膜工藝技術(shù)化學(xué)轉(zhuǎn)換、電鍍、噴涂熱分解、氧化著色、真空蒸發(fā)和 磁控濺射等。 由于光電器要求在太陽光譜中能吸收最大的能量，在紅外光譜中熱損最小(即熱 發(fā)射率小)，因此采用磁控濺射鍍膜方法。"濺射"就是用荷能粒子轟擊物體，從而引起物體 表面原子從母體中逸出的現(xiàn)象。 一般濺射裝置形成薄膜是利用真空輝光放電，加速正離子 使其轟擊靶材表面而出現(xiàn)磁控濺射現(xiàn)象，使靶材表面放出粒子、原子、離子等沉積到基體表 面上，以形成薄膜。 在太陽光譜選擇性吸收膜中，基體應(yīng)選用電阻率小的材料，通常選擇銅和鋁等材 料。 選擇性吸收膜的制造工藝種類很多， 一般為鋁_氮/鋁選擇性吸收膜不銹鋼_碳 /銅選擇性吸收膜等。 聚能光伏系統(tǒng)的光電器還可以制成保護性光電器。它由透明蓋板、隔熱材料、光電 器和外殼等部分組成。它一般分為單層玻璃蓋板并帶有選擇性涂料的光電器或者表面涂 層為選擇性吸收膜的光電器(圖9);蓋板采用塑料薄膜的光電器(圖IO);在蓋板和光電器 之間放有垂直蜂窩透明材料的光電器(圖11)等。寒冷地區(qū)使用時，可采用雙層玻璃蓋板 (圖12)或璃璃_塑料薄膜夾層蓋板的光電器(圖13)。 當(dāng)保護性光電器處于中高溫環(huán)境時，則必須制成選擇性涂層蓋板并加入透明的玻 璃棉(圖14)，以減少熱損，提高光電器上的半導(dǎo)體溫度。 蓋板對太陽光光譜的全光透射比越高，則輻射至光電器的光線越強，所吸收的能 量越大，光電器的效率越高。蓋板要求具有耐沖擊的性能，在使用中，受到冰雹、石頭等外力 碰撞，也不易損壞。蓋板熱導(dǎo)率越小，能量損失越少，光伏系統(tǒng)效率越高。
蓋板材料可以采用高強耐熱玻璃板(HSG)、甲基丙烯酸甲酯板(MMA)和玻璃鋼板 (ERP)等。 蓋板層數(shù)由使用地區(qū)的氣候條件和工作溫度確定。 一般蓋板為單層，只有在氣溫 較低或工作溫度較高時，才用2層或3層。蓋板與光電半導(dǎo)體之間的距離一般為15毫米以 上。 隔熱材料的作用是減少半導(dǎo)體光電器向四周環(huán)境散發(fā)能量，以提高光伏系統(tǒng)的吸 收效率。 隔熱材料的要求是其熱導(dǎo)率小， 一般不大于0. 55W/ (mK)。隔熱材料有巖棉、礦棉、 聚苯乙烯和聚氨酯發(fā)泡塑料等。 外殼的作用是將光電器、蓋板和隔熱材料組成一個整體。因此它應(yīng)有一定的剛度和強度，并便于安裝。其材料一般用鋼板、鋁型材、玻璃鋼或塑料。 1.光聚焦器將太陽光或其他的光源等光線，直接聚焦于半導(dǎo)體光電器上，在光電 器上出現(xiàn)光生電勢差U^;(圖5)。利用電路可以儲存或傳送光生電動勢產(chǎn)生的電能(圖 15、圖16和圖17)。 光線跟蹤器采用東西水平和上下垂直方向、雙軸自動跟蹤設(shè)備，以帶動光聚焦器 和位于光線焦點的半導(dǎo)體光電器共同跟蹤太陽移動，使它們保持與光線垂直，最大限度地 接受光線輻射的能量，提高光伏系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的效率。它的動力由光電器存儲在 蓄電器中的電能提供。 光線跟蹤器的機械傳動部分由東西水平方位和垂直方向仰角驅(qū)動電機及低齒輪 間隙、高強度、高精度、高減速比的減速器組成，保證了整機的精度。由于減速器的減速比很 高，因此大大減少電機的驅(qū)動力和功率；方位和仰角驅(qū)動電機的功耗小于1W。由于光線跟 蹤器每天從東到西跟蹤太陽只轉(zhuǎn)動180° ，夜間從西向再返回到東向，一天只轉(zhuǎn)動一圈，機 械磨損極小，壽命很長。 光線跟蹤器可以實現(xiàn)高精度、高可靠性、制造成本低的三維空間非線性運動。它為 大規(guī)模、高效率利用太陽能奠定了可以提供選擇的設(shè)備基礎(chǔ)。 1. l光聚焦提由具有改變光線方向的棱鏡或者光線跟蹤器、聚焦光線的凸透鏡 (圖1)或者凹面鏡(圖8)等組成。它們將不同平行方向的光線聚集于光束的焦平面上(圖 5)。 1. 1. 1如果光聚焦器采用凸透鏡，該凸透鏡位于東、西方棱鏡的中央的下方。這個 水平設(shè)置的凸透鏡滿足在適當(dāng)太陽高度角范圍內(nèi)，太陽光能可以聚集于該凸透鏡下面的光 電器上(圖5)。 太陽與地面上某地的相對位置，跟太陽高度角和太陽方位角有關(guān)。
太陽高度角H和方位角Z的數(shù)值可以由以下公式計算
sinH = sin S sin①+cos S cos①cos cot (33)
sinZ =-sincot cos S/cosH (34)
式中O-某地的地理諱度；"——地球繞軸旋轉(zhuǎn)的角速度，近似為常數(shù)15° /小時；
t——平均太陽時，中午以前為負(fù)；中午以后為正， t = 、t-(Lst-L^)/15-12 ;其中tst為時區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時間，Lst為標(biāo)準(zhǔn)時根據(jù)的經(jīng)度；L1()S 為某地的經(jīng)度。
S —太陽赤緯角，可用近似公式 5= 23.45° sin (360° (284+No)/365)) (35) 上式中No——一年中的第幾天。
方位角Z :正南方向為0 ;東南方為負(fù)，西南方為正。 最簡單型式的反射棱鏡，如圖4所示。棱鏡的角是45。
-90° -45° 。光線正入射 到棱鏡的一個較短的面上，以45。的入射投射到斜面上。這個角大于玻璃-空氣的臨界角 42° 。所以光線作全反射，在偏轉(zhuǎn)90。之后，光線從第二個較短的面射出。
光聚焦器中棱鏡的兩個折射面的夾角為9 ，出射光與入射光的偏轉(zhuǎn)角為e，從折 射率r^ " 1的空氣介質(zhì)，直線射入折射率為n2的棱鏡。由折射定律，可得
= Sin [ ( 9 + e ) /2] /Sin ( 9 /2) n2 " Sin [ ( 9 + e ) /2] /Sin ( 9 /2)
(36)
(37) 選擇e ，使太陽高度角較小時，經(jīng)棱鏡折射后的太陽光滿足太陽相當(dāng)于在適當(dāng)?shù)臐M足太陽光能聚集于要求設(shè)備上的太陽高度角范圍。 光聚焦器的透鏡，位于東、西棱鏡的中央的下方(圖5)。該水平設(shè)置的凸透鏡的設(shè)計，應(yīng)滿足在適當(dāng)?shù)奶柛叨冉欠秶鷥?nèi)，太陽光聚集于該透鏡下面的光隔離器上。通過光隔離器，防止太陽光反射。由光纖耦合器將光線連接到光纖內(nèi)進行傳輸。 光聚焦器的棱鏡和透鏡的采光面積，要根據(jù)使用的需要，確定該系統(tǒng)的額定功率P。直接的太陽光強度I可取0. 3-0. 5kW/tf，光的效率n可取0. 4-0. 6之間。則采光面積A為 A = P/(In) (38)
根據(jù)經(jīng)驗，透鏡的焦距f 一般情況下
當(dāng)A = 1. 5m2時，選f = 0. 6—0. 65m ;
當(dāng)A = 2. 0m2時，選f = 0. 7—0. 75m ;
當(dāng)A = 2. 5m2時，選f8m ; 太陽光從折射率近似為1的空氣中，射到折射率為n的光纖，如果入射角9大于
臨界角①o時，就會發(fā)生全反射。臨界角 ①o = arcsin(l/n) (39) 根據(jù)透鏡邊緣的光線射入光纖的入射角大于臨界角Oo，可以計算太陽的高度角
H的范圍。從太陽高度角H的范圍，可以確定棱鏡的兩個折射面的夾角e。 圖5中也可以不使用棱鏡，而將透鏡直接安裝在光線跟蹤器上。這樣可以使透鏡
一直對準(zhǔn)太陽光。 半導(dǎo)體N型區(qū)或P型區(qū)的長度a可以用焦距f(m)和當(dāng)?shù)刈钚√柛叨冉荋^(度)代入以下公式 a = f tg(90° _Hmin)(單位m) (40) 最小太陽高度角H^可根據(jù)當(dāng)?shù)靥栞椛浣y(tǒng)計資料來確定，一般在15。 -25°之間選擇。 半導(dǎo)體N型區(qū)或P型區(qū)的寬度b可以用焦距f(m)和當(dāng)?shù)氐乩砭暥娶?度)代入以下公式 b = f tg(O. 80-ll° )(單位m) (0^23.5° ) (41) b = f tg(8° )(單位m) < 23. 5° ) (42) 1. 1.2如果光聚焦器采用凹面反光鏡(圖8)，可以將反光鏡安置在光線跟蹤器上，
使反光鏡一直對準(zhǔn)太陽，同時就不要應(yīng)用棱鏡。光線跟蹤器上的每個凹面反光鏡，可以用一
臺電腦控制兩臺馬達與太陽同步轉(zhuǎn)動，當(dāng)太陽被云彩遮住時，光線跟蹤器就靠一個鐘表裝
置來帶動。因此只要太陽一露出云彩，每個凹面反光鏡立即能對著太陽。日落之后，電腦又
將光線跟蹤器轉(zhuǎn)向東方。 1.2光電器一般由半導(dǎo)體材料制成。它按照材料劃分為硅光電池、硫化鎘光電池和砷化鎵光電池等。 硅光電池是以硅材料作為基體的光電池，例如單晶硅光電池、多晶硅光電池和非晶硅光電池等。 硫化鎘光電池是以硫化鎘單晶或多晶為基體的光電池。砷化鎵光電池以砷化鎵為 基體材料的光電池。 磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs)光電器的效率都超過20% 。磷化銦光電器在接受 與硅光電器同樣的粒子輻射后，不僅性能下降幅度小，而且在常溫下性能可以恢復(fù)。磷化銦 光電器可用常規(guī)的擴散工藝，也可采用化學(xué)氣相沉積工藝。 雜質(zhì)摻入法是將可控制數(shù)量的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體內(nèi)，形成PN結(jié)、自 建電場、接觸電阻等各種結(jié)構(gòu)，達到改變半導(dǎo)體的電學(xué)特性之目的。它的兩種主要方式是擴 散和離子注入。 雜質(zhì)摻入法的擴散注入是在高溫、高濃度梯度情況下，由雜質(zhì)原子在晶格中的運 動來完成的。在這種方式中，雜質(zhì)原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴散或淀積到硅晶片 的表面，然后從表面到體內(nèi)單調(diào)下降，其雜質(zhì)分布主要是由溫度和擴散時間來確定。
熱擴散的恒定源擴散和限定源擴散分別由余誤差函數(shù)與高斯函數(shù)來描述。擴散工 藝的結(jié)果可以用PN結(jié)深、薄層電阻和雜質(zhì)濃度分布的測量來評估。 雜質(zhì)摻入法的離子注入是摻雜離子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)，雜質(zhì)濃度在半 導(dǎo)體內(nèi)有一個峰值分布；雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和注入能量決定。 離子注入分布可以由高斯分布來近似。相對于熱擴散，離子注入工藝的優(yōu)點是摻
雜量可以精確控制，重復(fù)性好且處于較低的工藝溫度。離子注入對半導(dǎo)體器件性能具有決
定作用。它包含多次注入以形成特殊分布；選擇適當(dāng)掩蔽材料與厚度，以阻擋一定比例的
入射離子進入襯底；傾斜角度注入，以形成超淺結(jié)；高能注入以形成埋層等。 光電器的光電流與光線亮度呈線性關(guān)系。經(jīng)光聚焦器聚集的太陽光強可以增大到
100倍，光生電動勢或光生電流亦可增大到100倍。即可以用一個光電器生成出100個現(xiàn)有
單個太陽電池的電流。 1.3蓄電器是將太陽光電器發(fā)出的直流電儲存供負(fù)載使用。在光伏系統(tǒng)中，蓄電器 處于浮充放電狀態(tài)。白天太陽能光電器給蓄電器充電，同時還要給負(fù)載用電。晚上負(fù)載用 電全部由蓄電器供給。因此要求蓄電器的自放電要小，充電效率要高。蓄電器可以是鋁酸 蓄電池、硅膠蓄電池和鎳鎘蓄電池。 光電器產(chǎn)生的直流電進入蓄電器儲存，它的特性影響著聚能光伏系統(tǒng)的工作效率 和特性。 1. 4調(diào)節(jié)控制器的功能是根據(jù)聚能光伏系統(tǒng)的要求和重要程度而確定。調(diào)節(jié)控制 器由電子元器件、儀表、繼電器和開關(guān)等組成。在太陽聚能光伏系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)控制器的基本 作用是為蓄電器提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效為蓄電器充電，并在充電過 程中減小損耗、延長蓄電器的使用壽命。同時調(diào)節(jié)控制器保護蓄電器避免過充電和過放電 現(xiàn)象的發(fā)生。 如果用戶使用直流負(fù)載，通過調(diào)節(jié)控制器還能為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電。
1.5防反充二極管又稱為阻塞二極管。其作用是避免由于光電器在陰雨天和夜晚 不發(fā)電時，或線路出現(xiàn)短路故障時，蓄電器通過光電器進行放電。它串聯(lián)在聚能光伏系統(tǒng)的 光電器電路中；起單向?qū)ǖ淖饔谩?一般要求防反充二極管(阻塞二極管)能承擔(dān)足夠大 的電流，而且正向電壓降要小，反向飽和電流要小。防反充二極管一般選擇合適的整流二極管。 1. 6逆變器的作用是將太陽能光電器和蓄電器提供的低壓直流電，逆變成220伏交流電。它通過全橋電路，采用處理器控制調(diào)制、濾波、升壓等，獲得與照明負(fù)載相匹配的正弦交流電供用戶使用。 2.利用棱鏡和凸透鏡(圖1)或者凹面鏡(如拋物面反射鏡，圖8)和光線跟蹤器，將太陽光聚焦于光隔離器或者其他設(shè)備，通過光纖耦合器，到達光纖(光纜)的接收端，經(jīng)過一定距離的曲線光纖傳輸之后，由光纖的發(fā)送端將該光線照射到光電器上，產(chǎn)生光生電勢差，利用蓄電器可儲存或傳送電能(圖3)。 光伏系統(tǒng)也可以利用棱鏡和凸透鏡(圖1)或凹面鏡(圖8)和光線跟蹤器，將太陽光直接聚焦于光纖(光纜)的接收端，通過光纜將光線傳送到光電器上，產(chǎn)生光生電動勢(圖5)。 太陽能傳輸光伏系統(tǒng)主要由光接收端、傳輸光纖(光纜)和光電器三個部分組成。即光源(一般指太陽)輸出的光線經(jīng)過光接收端的凸透鏡或凹面鏡(如拋物面)的聚集，并使光纜一端的開口和該光線的聚焦點重合，通過光纜把光線從一端傳送到另一端，到達光電器，將光能轉(zhuǎn)換成電能(圖3)。 2. 1光接收端由能將光線聚集于光纜接收端口的光聚焦器組成。它也可以由光聚焦器、防止光線反射回來的光隔離器和將光線分路送入光纖的耦合器或耦合裝置組成(圖3)。光接收端的工作過程為 光聚焦器是由具有改變光線方向的棱鏡(圖4)和聚焦平行光線的透鏡(圖1)組成；或者由光線跟蹤器和聚焦平行光線的凹面鏡(圖8)等組成。它們可將不同方向的平行光線聚集于光隔離器中，然后通過或不通過光纖耦合器，進入光纖之中進行傳輸。光隔離器的作用是進行光隔離，防止光線反射回來。光纖耦合器連接到光纖的起始端內(nèi)，進行光線的分離或合并，然后進入光纖傳輸，從光纖的另一端出去。 在光隔離器的內(nèi)壁上可以涂一層納米蓄光材料。它是一種長余輝磷光物質(zhì)。當(dāng)蓄光材料受到太陽光中含有的紫外線照射時，會發(fā)出可見光。采用不同性質(zhì)的蓄光材料，可制成能發(fā)出任何所需可見光。這種可見光可以補充原來可見光的強度。同時太陽光的紫外線不被云層遮擋。 光隔離器是一種只允許光線單方向傳輸?shù)墓鈱W(xué)器件。對光隔離器要求是光的隔離度大、插入損耗比較小和價格便宜。 光隔離器可用法拉第磁光效應(yīng)原理制成，如圖18所示。它含有永久磁鐵和45°法拉第旋轉(zhuǎn)器，將法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)，使起偏器和檢偏器互成45° ，就可切斷反射光，實現(xiàn)光隔離。 光纖耦合器的作用是將一個或多個輸入的光線分配給多個或一個線路輸出。目前耦合器的形式主要有T型耦合器、星型耦合器、方向耦合器等。 光纖耦合器是將光線進行分路、合路、插入和分配的光學(xué)器件。按器件結(jié)構(gòu)基本可以分為四種微光元件型、光纖成形型、光纖對接耦合型和平面波導(dǎo)型。選擇耦合器的主要依據(jù)是實際應(yīng)用的場合。 表示光纖耦合器性能的主要參數(shù)有插入損耗、附加損耗、耦合比和隔離度等。
稀土蓄光材料主要有硫化物體第和堿土金屬鋁酸鹽體系兩類。它們以硫化物為基質(zhì)，添加稀土元素銪作為激活劑，添加銅等作為輔助激活劑，其亮度和余輝時間是一般硫化 物類蓄光材料的幾倍。 光聚焦器可以將聚集后光線直接照射在光纜的接收端口上，然后進入光纖傳輸， 從光纖的另一端出去。 2. 1. 1光聚焦器如果采用棱鏡和凸透鏡，則凸透鏡位于東、西棱鏡的中央的下方。 這個水平設(shè)置的凸透鏡應(yīng)滿足在適當(dāng)?shù)奶柛叨冉欠秶鷥?nèi)，太陽光聚集于該凸透鏡下面的 光電器或光隔離器上(圖5)。 2. 1.2光聚焦器如果采用凹面反射鏡(圖8)，可以將它安裝在光線跟蹤器上。光 線跟蹤器的每面光聚焦器可以用一臺電腦控制兩臺馬達與太陽同步轉(zhuǎn)動，當(dāng)太陽被云彩遮 住時，光聚焦器就靠一個鐘表裝置來帶動。因此只要太陽一露出云彩，光聚焦器立即能對著 太陽。日落之后，電腦又將光聚焦器轉(zhuǎn)向東方。 2. 1. 3在光隔離器或其他設(shè)備的內(nèi)壁上可以涂一層磷光劑。當(dāng)磷光劑受到太陽光 中含有的紫外線照射時，會發(fā)出可見光。采用不同性質(zhì)的磷光劑，可制成能發(fā)出任何所需可 見光的熒光設(shè)備。通常用的磷光劑有發(fā)出粉紅色的硼酸鎘；發(fā)出綠光的硅酸鋅；發(fā)出藍光 的鎢酸鈣；發(fā)出白光的混合物等。 光隔離器是一種只允許單方向傳輸?shù)墓鈱W(xué)器件。對光隔離器要求是光的隔離度 大、插入損耗比較小和價格便宜。 光隔離器可用法拉第磁光效應(yīng)原理制成。它含有永久磁鐵和45。法拉第旋轉(zhuǎn)器， 將法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)，使起偏器和檢偏器互成45° ，就可切斷反射光，實現(xiàn)光隔離(圖19)。
光纖耦合器的作用是將一個或多個輸入光波分配給多個或一個線路輸出。目前耦 合器的形式主要有T型耦合器、星型耦合器、方向耦合器等。 光纖耦合器是將光線進行分路、合路、插入和分配的光學(xué)器件。按器件結(jié)構(gòu)基本可 以分為四種微光元件型、光纖成形型、光纖對接耦合型和平面波導(dǎo)型。選擇耦合器的主要 依據(jù)是實際應(yīng)用場合。表示光纖耦合器性能的主要參數(shù)有插入損耗、附加損耗、耦合比和隔 離度等。 2. 2光纖(光纜)是太陽能傳輸光伏系統(tǒng)中光線傳輸?shù)慕橘|(zhì)(圖3)。光纖是由高 折射率的光纖芯和低折射率的包層以及護套構(gòu)成(圖6)。光纖柔軟，彎曲了也能傳輸光線。 普通的石英玻璃光纖，為實心光纖。 將太陽光或者其他光源的光線，通過光接收端，進入光纖(實心光纖或空心光纖) 并經(jīng)過一定距離的曲線光纖傳輸之后，再通過光發(fā)送端，將該光線引入指定地點的光電器 上。
對光纖(光纜)的基本要求是從光隔離器耦合進光纖的光功率最大；光纖的傳
輸窗口要滿足系統(tǒng)應(yīng)用的要求。具體設(shè)計時要根據(jù)使用條件，進行折衷考慮 在可見光范圍(400nm-700nm)內(nèi)，光線在光纖中的衰減要足夠小。同時考慮連接
器、接頭和耦合器的損耗。因此要正確選擇光纖的類型。 光纖的纖芯尺寸較大時，可減少光線的耦合損耗。 光線在空氣介質(zhì)n。中以不同的角度a從光纖端面耦合進入纖芯時，有的光可 以在光纖中傳輸，有的光不能在光纖中傳輸。由于n?！磖n，不是所有角度入射的光線都能進 入光纖芯，并在光纖芯內(nèi)進行傳輸。只有一定角度范圍內(nèi)的光線射入纖芯內(nèi)時，產(chǎn)生的反射光符合一定的條件，才能在光纖內(nèi)傳輸。根據(jù)折射定律，只有入射角e大于臨界角①o時，
所對應(yīng)的入射角為a max以內(nèi)的光線，才能進入光纖傳輸。 最大接收角的兩倍2amax，稱為入射光線的總接收角。光纖的接收角為
a = 2 a max (43) 根據(jù)凸透鏡邊緣的光線射入光纖的入射角大于臨界角Oo，可以計算太陽的高度角范圍。從太陽高度角的范圍，可以確定棱鏡的兩個折射面的夾角e連接損耗包括連接器和接頭的損耗。 半導(dǎo)體N型區(qū)或P型區(qū)的長度a可以用焦距f(m)和最小太陽高度角Hmin(度)代入(40)公式求出。 半導(dǎo)體N型區(qū)或P型區(qū)的寬度b可用焦距f (m)和當(dāng)?shù)氐乩砭暥娶?度)代入(41)或(42)公式求出。 纖芯直徑的公差、不圓度、纖芯和包層同心度誤差要盡可能小，使得連接損耗最小。 傳輸小能量的光線可以使用普通的石英玻璃實心光纖。傳輸高能量的光線就要使用空心光纖。 普通的石玻璃實心光纖，可分為單模光纖和多模光纖。后者按折射率的分布又分為階梯折射率(St印Index， SI)型光纖與漸變折射率(Graded Index, GI)型光纖。
由于太陽光的聚光束直徑通常是數(shù)百微米以上，因此一般采用多模光纖。實用中光纖不僅要求低損耗，還要有好的彎曲特性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性等。石英光纖滿足這些條件，并且在1 P m附近具有最低損耗，可以用來傳輸可見光和紫外線。 可用于全反射地傳輸光能的光纖束，稱為導(dǎo)光束。它可以由剛性和柔性的光纖束
構(gòu)成。光纖束中的光纖在接收端和發(fā)送端的排列順序可以是任意的。光纖束在導(dǎo)光束的接
收端和發(fā)送端，可以排列成不同的截面形狀，以滿足各種特殊的照明需要。 光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實現(xiàn)光波的交換。對光開關(guān)的要求是插入損耗小、重復(fù)
性好、開關(guān)速度快、消光比大、壽命長、結(jié)構(gòu)小型化和操作方便。 目前使用的光開關(guān)可分為兩大類一類是利用電磁鐵或步進電機驅(qū)動光纖或凸透鏡來實現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換的機械式光開關(guān)；其中微機械光開關(guān)，采用機械光開關(guān)的原理，但又能像波導(dǎo)開關(guān)那樣，集成在單片硅襯底上。另一類是利用固體物理效應(yīng)，如電光、磁光、熱光和聲光效應(yīng)等的固體光開關(guān)。 2. 2. l普通的石英玻璃實心光纖，可分為單模光纖和多模光纖。后者按折射率的分
布又分為階梯折射率(St印Index, SI)型光纖與漸變折射率(Graded Index, GI)型光纖。 由于太陽光的聚光束直徑通常是數(shù)百微米以上，因此一般采用多模光纖。實用中
光纖不僅要求低損耗，還要有好的彎曲特性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性等。石英光纖滿足這些條
件，并且在1 P m附近具有最低損耗，可以用來傳輸可見光和紫外線。 2. 2. 2空心光纖也稱為空心波導(dǎo)。其典型結(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示。 圖6是使用對傳輸波長的折射率小于1的材料做的波導(dǎo)管。傳輸光線原理與階梯
折射率型的實心光纖相同，光線在管壁上全反射。 圖7為金屬內(nèi)壁上涂覆透明電介質(zhì)的空心光纖。光線在涂覆層上多次反射，具有較高的反射率。其支撐管可采用金屬或玻璃。
2. 2. 3可用于全反射地傳輸光能的光纖束，稱為導(dǎo)光束。它可以由剛性和柔性的光 纖束構(gòu)成。光纖束中的光纖在接收端和發(fā)送端的排列順序可以是任意的。光纖束在導(dǎo)光束 的接收端和發(fā)送端，可以排列成不同的截面形狀，以滿足各種特殊的光線傳輸?shù)男枰?
3.納米光電材料的合成方法有氣相法和液相法等。液相法所用的液體溶劑是以水 為分散介質(zhì)，也可以使用醇、醚等溶劑。 浸漬法制備薄膜是一種簡單有效的方法。它先把含氯化鋅(ZnCl2)和氯化錳 (MnCl2)的溶液加入聚氧化乙烯，混合后均勻涂于玻璃片上，干燥后放入六甲基二硅硫和環(huán) 己烷的混合液中，硫化鋅摻錳的的納米晶體就開始在薄膜中形成。最后獲得晶粒尺寸約為 3-4納米，均勻、呈球形的硫化鋅(ZnS)納米晶。但該方法只能制成小尺寸的薄膜。
采用化學(xué)氣相沉積法可以用不同組分生產(chǎn)大面積的薄膜。控制反應(yīng)條件，可形成 納米ZnS薄膜。它根據(jù)反應(yīng)物和條件的不同，可以分為兩類一類是使鋅蒸氣與硫化氫氣體 在反應(yīng)室之內(nèi)反應(yīng)，生成ZnS沉積到基材上面，經(jīng)過控制生成時間、反應(yīng)氣體流速，可以獲 得均勻致密的薄膜；另一類是用金屬有機物作前軀體，經(jīng)過加熱分解，生成ZnS沉積在基材 上?？梢杂枚一虼被姿徜\作為前驅(qū)物制得ZnS薄膜。其晶粒具有立方閃鋅礦結(jié) 構(gòu)。熱解溫度在40(TC左右時，晶粒尺寸約為50納米。通過控制晶粒生成時間，可得到厚度 為150-170納米的薄膜。這種方法制成的ZnS薄膜具有晶粒分布均勻，易于摻雜，光電轉(zhuǎn)換 效率高，特別是通過榕制生產(chǎn)條件，可得到納米ZnS晶粒。 納米ZnS是一種性能優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，特別是經(jīng)過摻入施主和受主雜質(zhì)之后， 就能制成納米光電器。 電子束蒸發(fā)法制膜是在高真空下用電子束轟擊ZnS靶材，使ZnS在高溫高能下沉 積在鉭片上，經(jīng)含氟聚合物交叉沉積，最后形成多層ZnS薄膜涂層。這種硫化鋅薄膜均勻性 良好、透光率高并且能耗低。它形成的ZnS雖然晶粒較粗，但可以滿足光電器的實際使用要 求。納米ZnS是光電器的一種優(yōu)秀材料。 納米模板是作為合成納米新材料的中間載體或最終載體。在模板合成法中，用離 子交換法將Cd離子交換到分子篩上，然后將分子篩干燥、活化。交換CdS的分子篩在一個 嚴(yán)密的裝置中通入硫化氫氣體，即可得到CdS納米微粒。它可以大大提高CdS納米微粒的 穩(wěn)定性，并使納米微粒呈現(xiàn)良好的分布狀態(tài)。 4.納米光電復(fù)合材料是一種基質(zhì)的粒子尺寸在1-100納米的光電材料。它包括純 的納米半導(dǎo)體光電材料。這是一類結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的零維小量子體系；包含3個基本的結(jié)構(gòu) 層次，即表面、界面與硅晶體。其粒徑尺寸的大小主要取決于膜層中硅原子的百分比含量和 退火晶化溫度，即硅晶粒尺寸和數(shù)量將隨著硅原子濃度的增加和退火溫度的升高而變大和 增多。這兩個條件的存在都有利于硅原子從膜層中析出而結(jié)合成納米晶粒，或由較小的硅 鈉米微粒發(fā)生聚合而形成納米晶粒。 硅基納米材料制備可采用等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)和低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)等。 如等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)是在高真空條件下，利用射頻輝光放電作用所 產(chǎn)生的等離子體，使參與反應(yīng)的氣體分子發(fā)生氣相分解和表面反應(yīng)，在襯底表面上形成納 米薄膜的方法。 采用高氫氣H2稀釋的SiH4，利用膜層沉積過程中H等離子體對價鍵網(wǎng)絡(luò)的不斷蝕刻作用，在等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中直接生成高質(zhì)量納米硅膜。 當(dāng)采用等離子體化學(xué)氣相沉積所形成的膜層為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)時，一般還要通過高溫退火后處理工藝，能實現(xiàn)膜層由非晶態(tài)向納米相的轉(zhuǎn)變。采用SiH廠^0作為反應(yīng)氣體，在100-20(TC較低的襯底溫度下由PECVD生成了硅氧化物材料，然后由氬氣保護在200-100(TC的退火溫度下形成富硅的氧化物膜層。利用SiH廠N20混合氣體的射頻輝光放電分解，在30(TC的較高襯底溫度下，沉積了 Si02薄膜，接著于750-1 IO(TC的溫度下由純度為99. 95%的N2氣保護進行熱退火處理，獲得了由Si02的硅納米晶體。 高劑量硅離子注入是一種采用硅襯底表面的熱生成Si02層和石英晶片作為靶材料，利用高劑量和高能量的硅離子注入，然后由高溫退火處理形成硅納米晶粒的方法。它的主要工藝特點是只要精密控制硅離子的注入劑量、注入能量與退火溫度，便分別可以控制膜層中的Si原子含量、注入深度和粒徑尺寸等。在室溫條件下，將相應(yīng)能量的Si離子注入到富Si的Si(^層中，并經(jīng)IIO(TC的高溫退火處理，制備Si納米晶粒，再經(jīng)過IOO(TC的高溫退火可以得到削面深度的硅納米膜層。 激光燒蝕沉積技術(shù)采用具有一定波長功率的脈沖聚焦聚光束，輻射處于真空系統(tǒng)或具有一定斥力環(huán)境氣氛中的平晶硅棒或含有其他原子的復(fù)合硅材料靶，使載能聚光束與固體靶表面產(chǎn)生相互作用而形成的粒子基團噴射到襯底面，也可形成具有一定粒徑大小和密度分布的Si納米微粒。以惰性氣體He作為環(huán)境氣氛，利用脈沖激光，輻射純度為99. 9999%的多晶Si棒沉積生成了精細(xì)Si納米微粒。利用KrF激光在真空系統(tǒng)中燒蝕含有Er原子的Si:Er復(fù)合靶材料，先在Si02或石英表面上沉積非晶態(tài)Si:Er膜層，然后通過快速紅外加熱退火結(jié)晶的方法，可以制備具有趨于均勻尺寸的納米Si復(fù)合薄膜。
納米光電器的核心是注入雜質(zhì)形成PN結(jié)。在厚度約0. 1-0. 6毫米的P型(或N型)納米半導(dǎo)體的薄片表面上分別涂抹一層非常薄的納米反型層，可應(yīng)用擴散法摻入納米磷或納米銻而形成N型納米半導(dǎo)體；應(yīng)用擴散法摻入納米鎵或納米銦而形成P型納米半導(dǎo)體。即用擴散法可形成納米聚合物的PN結(jié)。然后在PN結(jié)的兩面各加上一個電極，就是一種納米光電器。它只要經(jīng)太陽光照，就會在兩個電極之間產(chǎn)生比一般的半導(dǎo)體二極管強大得多的電壓和電流 在N型硅基納米材料的薄膜上用擴散法等方法摻入一層硼或納米硼，可獲得PN結(jié)，再加上電極便成為光電器。在P型硅基納米材料的薄膜上用擴散法等方法摻入一層磷或納米磷，也可獲得PN結(jié)，再加上電極便也成為光電器。 如果在硅晶體或金剛石晶體中，摻入納米硼、納米鎵或納米鋁等雜質(zhì)，它變成納米P型半導(dǎo)體；摻入納米磷、納米砷或納米銻等雜質(zhì)，它變?yōu)榧{米N型半導(dǎo)體。金剛石晶體可制成耐高溫的半導(dǎo)體。 納米光電器是帶有載流子輸運層的多層結(jié)構(gòu)。由于采用納米微粒作為注入雜質(zhì)。
這些納米級的分子團不容易重結(jié)晶，也不會與非平衡載流子形成電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物和激發(fā)態(tài)
聚集導(dǎo)致性能下降。因此納米聚合物能克服通常單晶硅半導(dǎo)體所產(chǎn)生的這些缺點。具有高
質(zhì)量的硅基納米材料對于實現(xiàn)高效率和高穩(wěn)定度的光電轉(zhuǎn)換是非常重要的。 為了充分吸收紫外光輻射的能量，在制備硅基納米材料時，可以添加有機染料來
增加其光譜帯寬帶。特別是用于制造納米光電器時，能將紅外光(或可見光)轉(zhuǎn)化為可見
光(或紫外光)，對于提高光電器的電能轉(zhuǎn)化效率有重大的意義和效益。
權(quán)利要求
通過透鏡系統(tǒng)或凹面鏡系統(tǒng)聚集光源(太陽光等)直接輻射的能量，集中照射在光電器(一般為半導(dǎo)體二極管)的吸收面上，將光能轉(zhuǎn)變成電能；它們可分為跟蹤太陽或不跟蹤太陽兩種；還可利用不同聚集光能方法，擴大光伏系統(tǒng)所接收的光能和提高光的轉(zhuǎn)換效率等；1.1光聚焦器是由具有改變光線方向的棱鏡或者光線跟蹤器、聚焦光線的凸透鏡或者凹面鏡(如拋物反光面)等組成；它將各個不同平行方向的光線聚集于焦平面上；1.1.1光聚焦器如果采用凸透鏡，該凸透鏡位于東、西棱鏡的中央的下方；這個水平設(shè)置的凸透鏡的設(shè)計，應(yīng)滿足在適當(dāng)太陽高度角范圍內(nèi)，太陽光能可以聚集于該凸透鏡下面的光電器上；1.1.2光聚焦器如果采用反光鏡，可以將反光鏡安置在光線跟蹤器上或采用棱鏡，利用跟蹤器使反光鏡對準(zhǔn)太陽，或利用棱鏡將平行光線照射到反光鏡上；光線跟蹤器的每面反光鏡，可以用一臺電腦控制兩臺馬達與太陽同步轉(zhuǎn)動，當(dāng)太陽被云彩遮住時，光線跟蹤器就靠一個鐘表裝置來帶動；因此只要太陽一露出云彩，反光鏡立即能對著太陽。日落之后，電腦又將光線跟蹤器轉(zhuǎn)向東方。
2. 利用棱鏡和凸透鏡或凹面鏡和光線跟蹤器將太陽光聚焦于光隔離器或者其他設(shè)備， 通過光纖耦合器，到達光纖(光纜)的接收端，經(jīng)過一定距離的曲線光纖傳輸之后，由光纖 的發(fā)送端將該光線照射到光電器上，產(chǎn)生光生電勢差；光線通過光纖的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要由光接收端、傳輸光纖(光纜)和光電器三個部分 組成；即光源(一般指太陽)輸出的光線經(jīng)過光接收端的凸透鏡或凹面鏡(如拋物面)的 聚集，將光纜一端的開口和該光線的聚焦點重合，通過光纜把光線從一端傳送到另一端；經(jīng) 過一定距離的光纖傳輸后，到達光電器，由光電器將光能轉(zhuǎn)換成電能。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)工 廠化生產(chǎn)；2. l光接收端由能將光線聚集于光纜接收端口的光聚焦器組成；它也可以由光聚焦 器、防止光線反射回來的光隔離器和將光線送入光纖的耦合器或耦合裝置組成；光聚焦器是由具有改變光線方向的棱鏡或者光線跟蹤器以及聚焦光線的凸透鏡或者 凹面鏡(如拋物反射面)等組成；它可將不同方向的平行光線聚集于光隔離器，或者直接照 射在光纜的接收端口；光源(一般為太陽光)的光線經(jīng)過光聚焦器的聚集作用之后，然后通過光隔離器進行 光隔離，防止光線反射；再由光纖耦合器連接到光纖的起始端內(nèi)進行光線的傳輸；在光隔離器或者其他設(shè)備的內(nèi)壁上可以涂一層磷光劑；當(dāng)磷光劑受到太陽光中含有的 紫外線照射時，會發(fā)出可見光。采用不同性質(zhì)的磷光劑，可制成能發(fā)出任何所需可見光的光 源；這種可見光可以補充原來可見光的強；2. 1. 1光聚焦器如果采用棱鏡和凸透鏡，則凸透鏡位于東、西棱鏡的中央的下方；這個 水平設(shè)置的凸透鏡應(yīng)滿足在適當(dāng)?shù)奶柛叨冉欠秶鷥?nèi)，太陽光聚集于該凸透鏡下面的光纖 接收端或光隔離器上；2. 1.2光聚焦器如果采用凹面反射鏡，可以將它安裝在光線跟蹤器上；光線跟蹤器的 每面光聚焦器可以用一臺電腦控制兩臺馬達與太陽同步轉(zhuǎn)動，當(dāng)太陽被云彩遮住時，光聚 焦器就靠一個鐘表裝置來帶動；因此只要太陽一露出云彩，光聚焦器立即能對著太陽；日 落之后，電腦又將光聚焦器轉(zhuǎn)向東方；，2. 2光纖(光纜)是太陽光通過光纖傳輸?shù)木勰芄夥到y(tǒng)或裝置中光線傳輸?shù)慕橘|(zhì)； 光纖是由高折射率的光纖芯和低折射率的包層以及護套構(gòu)成；小能量光線的傳輸一般可以 使用普通的石英玻璃光纖，也稱為實心光纖；高能量光線的傳輸一般就要使用空心光纖；空心光纖是以細(xì)管狀空氣(或氣體)作為纖芯，光線在這個細(xì)管內(nèi)壁上邊反射邊傳播； 這種空心光纖在光纖端部沒有反射損失，并且能用金屬等高強度材料造成，可傳輸任何波 長的光線。，2.3光電器能將從光纖的終端出來的光線轉(zhuǎn)換成電能；在聚能光伏系統(tǒng)中，光纖還需 要應(yīng)用一些光無源器件，如光開關(guān)等。
3. 聚合物導(dǎo)體納米復(fù)合材料是一種重要的光電轉(zhuǎn)換器所用的半導(dǎo)體納米材料，如硫化 鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)、硫化鉛(PbS)和碲化鎘等；它們具有量子限域效應(yīng)，是光電器的重 要材料；量子限域半導(dǎo)體納米的生產(chǎn)是在膠體溶液中進行的。它常用少量的聚合物穩(wěn)定膠 體溶；這些聚合物穩(wěn)定劑是極好的基體材料；用它可以生產(chǎn)出具有半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換特性的 可處理聚合物薄膜；制取納米材料硫化鎘和碲化鎘的方法有氣相法和液相法等；氣相法主要有低壓氣體冷 凝法、活性氫-熔融金屬反應(yīng)法、流動液面真空蒸鍍法、通電加熱蒸發(fā)法、混合等離子法和 蒸發(fā)冷凝法等；液相法有沉淀法、噴霧水解法、高溫水解法和膠體化學(xué)法等；這種新型聚合物_無機納米復(fù)合材料摻入施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)制成的PN結(jié)二極管。
4. 太陽光能夠從光纖的一端而曲線傳輸?shù)焦饫w的另一端。如果利用光纖的傳輸光線的 功能，可以組建各種各樣引用太陽光進行工廠化生產(chǎn)的聚能光伏系統(tǒng)；即將太陽光聚焦器安裝在露天的場所；而利用傳輸光纖(光纜)引入廠房，光電器直 接放在廠房之內(nèi)；建筑物和廠房的屋頂也可以安裝光聚焦器；然后通過光纖將太陽光引進 來，照射在光電器上轉(zhuǎn)為電能。由蓄電器或電器存儲或使用該電能。
5. 在光電器的吸收光線的表面上涂上一層非常薄的吸收率高的選擇性涂料，或形成一 層發(fā)射率低的其他材料的薄膜(例如氧化鈦、二氧化鈽和三氧化二鉭等)；這些薄膜在光電 器的工作光譜范圍內(nèi)是透明的，并具有牢固的機械性能，以及不受溫度變化和化學(xué)作用的 影響；光電器的光線吸收面上還可以涂有各種選擇性涂料；可以采用納米技術(shù)和方法制作選 擇性涂層。
6. 光電器上表面還可以設(shè)置蓋板，要求它能透過紅外線、可見光和紫外線而不能透過 遠紅外線，這就使得進去的能量大于散失的能量，提高半導(dǎo)體二極管吸收光能的效率；將光 電器安置在有蓋板的保護箱中，成為蓋板保護性光電器；幾種有代表性的蓋板保護性光電 器為單層玻璃蓋板并帶有選擇性涂料的光電器；單層玻璃蓋板表面涂層為選擇性吸收膜的 光電器；蓋板采用塑料透明薄膜的光電器；在蓋板和光電器之間放有垂直蜂窩透明材料的 光電器；在寒冷地區(qū)使用時，可采用雙層玻璃蓋板或玻璃-塑料透明薄膜夾層蓋板的光電 器；當(dāng)保護性光電器用于中高溫環(huán)境時，則必須使用選擇性涂料層蓋板并加入透明的玻璃 棉。
7. 直徑一般為0.4米以上的棱鏡和凸透鏡(或者涂有銀或鋁的跟蹤凹面反光鏡)，可 以將太陽光聚集在一個固定(或基本固定)的焦點上；因此可以將太陽光的平行光線折射(或者反射)聚焦到一個錐體之中，該錐體里含有對光線起折射作用的油，油是使光線高度 聚集的一種物質(zhì)；這個錐體如果把太陽光聚集起來；如果焦點在該錐體之外，則太陽光聚 集照射到安裝在該錐體之外的光電器的吸光面上；如果焦點在該錐體之內(nèi)，則將光電器直 接放在該含有油的錐體中的太陽光聚集的焦點上。
8. 納米硅光電器的核心部分就是PN結(jié)；在厚度約0. 3-0. 5毫米的P型(或N型)納 米硅的薄片表面涂抹一層非常薄的反型層，例如擴散法形成N型層或(P型層)，即可形成 PN結(jié)；然后在PN結(jié)的兩面各加上一個電極，就是一種納米光電器；它只要經(jīng)太陽光照，就會 在兩個電極之間產(chǎn)生電壓和電流。如果在納米硅晶體中，摻入納米硼、納米鎵或納米鋁等雜質(zhì)，它變成納米P型半導(dǎo)體； 摻入納米磷、納米砷或納米銻等雜質(zhì)，它變?yōu)榧{米N型半導(dǎo)體。
9. 納米光電器還可以由多層納米光電材料制成；其一般制成5-10層的厚度20-30微米；納米光電材料可以采用浸漬法、化學(xué)氣相沉積法、反相膠束法與微乳液法、模板合成法 和復(fù)合法等制成；硅基納米材料的生長方法可分為如下兩類1) 利用物理氣相蒸發(fā)的生長，如激光燒蝕沉積和射頻磁控濺射等。2) 利用化學(xué)氣相沉積的生長，如等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)和低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)等；這些成膜技術(shù)都可用于硅基納米材料的制備。但它們均應(yīng)具備兩個基本前提條件 一個是應(yīng)滿足納米材料形成的生長機制；第二是應(yīng)滿足納米材料形成的工藝參數(shù)； 在硅基納米材料中摻入能俘獲電子的硼、鎵、鋁等雜質(zhì)，它變成P型納米半導(dǎo)體； 在硅基納米材料中摻入能施放電子的磷、砷、銻等雜質(zhì)，它變成N型納米半導(dǎo)體。
10. 在硅晶體或金剛石晶體中，摻入納米硼、納米鎵或納米鋁等雜質(zhì)，它變成納米P型 半導(dǎo)體；摻入納米磷、納米砷或納米銻等雜質(zhì)，它變?yōu)榧{米N型半導(dǎo)體；納米聚合物可制成 耐高溫的半導(dǎo)體。
全文摘要
本發(fā)明任務(wù)涉及納米光伏系統(tǒng)；推斷出光生電壓U光的公式；通過透鏡或凹面鏡等采光面聚集光源(太陽光等)直接輻射的能量，利用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將光能直接轉(zhuǎn)變成電能。該系統(tǒng)由于吸熱面積小于采光面積，所以熱損失小，可大功率和高效率集熱。其裝置結(jié)構(gòu)可分為跟蹤與不跟蹤兩種。另外經(jīng)過聚集的光線能從光纖的一端而曲線傳輸?shù)焦饫w的另一端。利用光纖的傳輸光線的功能，可以組建各種各樣引入聚集的太陽能進行工廠化生產(chǎn)的聚能光伏系統(tǒng)。同時還提出納米光電基材是指無機填充物雜質(zhì)以納米尺寸分散在有機聚合物基體(半導(dǎo)體)中形成的有機/無機納米復(fù)合材料；同時解決現(xiàn)有太陽能光伏系統(tǒng)的分散性、間歇性和隨機性等缺點。
文檔編號H01L31/0232GK101699748SQ20091011275
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者劉文祥 申請人:劉文祥