CN105226109A

CN105226109A - Sef型高效光伏电池和sef型高效光伏电池组件

Info

Publication number: CN105226109A
Application number: CN201410224732.9A
Authority: CN
Inventors: 曾明生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2016-01-06

Abstract

本发明提供SEF型高效光伏电池和SEF型高效光伏电池组件，在传统的、各种类别的光伏电池以及光伏电池组件的受光面的外侧设置一个负形成电极，在背光面的外侧设置一个正形成电极，负、正形成电极共同在传统的光伏电池内部形成一个外来电场，外来电场的形成电源的负、正输出端分别与负、正形成电极作电气上的连接，负、正形成电极与光伏电池之间均隔着绝缘层，外来电场与光伏电池自身具有的恒稳电场同方向叠加。由此，传统的光伏电池内部以及光伏电池组件中的每块光伏电池内部原有的恒稳电场即光生电场得到大幅度的增强，光伏电池的电动势得到大幅度提高，从而它们的光电转换效率得到大幅度的提高。本发明具有简单易行、实施成本低等突出优点。

Description

SEF型高效光伏电池和SEF型高效光伏电池组件

技术领域

本发明涉及光伏电池技术领域，尤其是涉及一种SEF型(StrengthenedElectricField型，增强电场型)高效光伏电池及SEF型高效光伏电池组件。

背景技术

众所周知，在新兴能源中，太阳能是真正取之不尽、用之不竭并且最清洁、最环保的能源。利用太阳能光伏电池将太阳能转换为电能，是目前全世界范围内进行光伏发电的主流。

但是，在全世界范围内，现有的各种类型的太阳能光伏电池包括航天等军用太阳能光伏电池的光电转换效率都很低，而且实施成本很高，因而成为制约光伏发电能够真正替代煤、石油、天然气等传统能源的最大瓶颈。以目前使用最广泛的硅晶(单层)太阳能光伏电池为例，根据传统的光伏发电理论进行计算，这种光伏电池的光电转换效率可以达到30％左右。但是，实际上，这种光伏电池在目前的实验室条件下，其光电转换效率最高不超过25％，而其工业产品的光电转换效率最高也不超过20％。严酷的事实是，目前，业界即使要在上述光电转换效率的基础上再提高0.2个百分点都是极其困难的，甚至是不可能的事情。正是由于大幅度提高现有的光伏电池的光电转换效率极其困难，使其已经成为制约光伏产业发展的最大瓶颈。

由于上述瓶颈的存在，长期以来，世界各国的光伏产业在整体上都处于亏损状态。为了使本国的光伏产业能够生存下去，各国政府不得不对其进行高比例的经济补贴，并频繁使用关税壁垒等手段对它国的光伏产品开展贸易战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种SEF型高效光伏电池及电池组件，大幅度提高现有的光伏电池的光电转换效率，降低光伏发电实施成本。

本发明要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：SEF型高效光伏电池，在传统的光伏电池受光面的外侧设置一个负形成电极，在所述传统的光伏电池背光面的外侧设置一个正形成电极，所述的负形成电极和所述的正形成电极共同在所述传统的光伏电池内部形成一个外来电场；所述外来电场的形成电源的负、正输出端分别与所述的负形成电极、正形成电极作电气上的连接；所述的负形成电极、正形成电极与所述光伏电池之间均隔着绝缘层；所述外来电场与所述光伏电池自身具有的恒稳电场同方向叠加；所述SEF型高效光伏电池单独使用时，所述形成电源的源头是所述SEF型高效光伏电池的输出端电压，或者是所述SEF型高效电池外部的恒压电源；所述形成电源的源头的负、正输出端分别作为电压变换-稳压电路系统的负、正输入端，所述电压变换-稳压电路系统的负、正输出端分别作为所述外来电场的形成电源的负、正输出端。

第一类SEF型高效光伏电池组件，采用若干个上述的SEF型高效光伏电池组装而成；构成所述SEF型高效光伏电池组件的所有传统光伏电池的外来电场形成电源的源头，均是所述第一类SEF型高效光伏电池组件的输出端电压，或者均是所述第一类SEF型高效光伏电池组件外部的恒压电源；所述形成电源的源头的负、正输出端分别作为电压变换-稳压电路系统的负、正输入端，所述电压变换-稳压电路系统的负、正输出端分别作为所述外来电场的形成电源的负、正输出端。

第二类SEF型高效光伏电池组件，采用若干个传统的光伏电池组装而成；在所述电池组件受光面的外侧设置一个公用的负形成电极，在所述电池组件背光面的外侧设置一个公用的正形成电极，所述公用的负形成电极和所述公用的正形成电极共同在所述电池组件中的每一个光伏电池的内部均形成一个外来电场；所述每一个光伏电池外来电场的公用的形成电源的负、正输出端，分别与所述公用的负形成电极、公用的正形成电极作电气上的连接；所述公用的负形成电极、正形成电极与所述每一个光伏电池之间均隔着绝缘层；所述每一个光伏电池的外来电场与该光伏电池自身具有的恒稳电场同方向叠加；所述公用的形成电源的源头是所述第二类SEF型高效光伏电池组件的输出端电压，或者是所述第二类SEF型高效光伏电池组件外部的恒压电源；所述形成电源的源头的负、正输出端分别作为电压变换-稳压电路系统的负、正输入端，所述电压变换-稳压电路系统的负、正输出端分别作为所述外来电场的形成电源的负、正输出端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，在同样光强度(辐照度)的条件下，与对应的传统光伏电池和传统光伏电池组件相比，本发明的SEF型光伏电池和SEF型光伏电池组件的光电转换率均可以提高50％以上；

第二，可以采用纯度较低的或者晶体缺陷稍多一点的半导体材料来制作传统的光伏电池，因此，可以较大幅度地降低本发明的SEF型光伏电池和SEF型光伏电池组件的生产成本；

第三，与传统的光伏电池片的制作相比，传统的光伏电池片在制作时所需的一些贵重的金属材料如银浆和复杂的工艺如降低串联电阻，而本发明的SEF型光伏电池和SEF型光伏电池组件在制作时，可以降低上述材料和工艺方面的要求，甚至砍掉个别的工艺，从而可以进一步地降低生产成本。

附图说明

图1为SEF型高效晶硅光伏电池受光面上绝缘层的示意图。

图2为SEF型高效晶硅光伏电池受光面外侧的形成电极的示意图。

图3为SEF型高效晶硅光伏电池背光面上绝缘层的示意图。

图4为SEF型高效晶硅光伏电池背光面外侧的形成电极的示意图。

图5为SEF型高效晶硅光伏电池组件受光面外侧的形成电极的示意图。

图6为SEF型高效晶硅光伏电池组件背光面外侧的形成电极的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面以传统的、被广泛使用的单层晶硅光伏电池及光伏电池组件为例，来说明如何构建本发明的SEF型高效光伏电池及SEF型高效光伏电池组件。其中，所述的SEF型高效光伏电池组件具体包括以下两种类型：

第一类SEF型高效光伏电池组件，是直接用一定数量的SEF型高效光伏电池封装而成。只不过，组件内所有的SEF型高效光伏电池只需公用同一个形成电源即可。这里的形成电源及负、正两个形成电极的连接处理与SEF型高效光伏电池相同。

第二类SEF型高效光伏电池组件，是先把一定数量的传统的光伏电池封装成一个组件，然后在组件内所有光伏电池的受光面和背光面的外侧空间分别设置在组件内每一个光伏电池内部都会形成外来电场的一个公用的形成电极。显然，这两个公用的形成电极分别覆盖着组件内所有光伏电池的受光面和背光面。这里的形成电源及负、正两个形成电极的连接处理与SEF型高效光伏电池相同。

一、SEF型高效晶硅光伏电池和第一类SEF型高效晶硅光伏电池组件的实施方式

取一块用传统工艺流程制作完成的晶硅光伏电池片(简称“电池元片”，下同)，在该电池元片的受光面上，用物理或化学的方法生成厚度为150微米的绝缘层。所述绝缘层的平面如图1所示的20条边框线所包围的斜线区域。该绝缘层平面最外边的4个棱角分别与电池元片受光面最外边的4个棱角重合。该绝缘层是透明的，其透光系数应大于0.85。如图1所示的斜线区域的4个切口区域均分别正对着电池元片受光面上的粗栅线，每个切口区域的宽度与电池元片粗栅线的宽度相同，其长度为粗栅线长度的1/3至1/6。

如图2所示，其中的各条纹(包括竖立的两条粗条纹)是用物理或化学的方法在附图1所述绝缘层外表面上生成的金属层，其厚度为50微米；在附图2中，各条纹的(外)包络线相对于电池元片的外边框线后缩500微米。各栅状细条纹、竖立的粗条纹分别与电池元片的各细栅线、粗栅线一一重合，二者的宽度一致，二者的(长)中轴线重合；4个边角的栅状细条纹上的黑色小方块均是该形成电极与形成电源之间的绝缘连接导线的接入焊接点，其大小为1mm×1mm；栅状细条纹区域的4个切口区域均分别正对着电池元片受光面上的粗栅线，每个切口区域的宽度与电池元片粗栅线的宽度相同，其长度为粗栅线长度的1/3至1/6。

在电池元片的背光面上，用物理或化学的方法生成厚度为150微米的绝缘层，该绝缘层的平面如图3所示的20条边框线所包围的网格区域。该绝缘层平面最外边的4个棱角分别与电池元片背光面最外边的4个棱角重合。附图3中，网格区域的4个切口区域均分别正对着电池元片背光面上正电极的对外连接区域，其宽度与后者的宽度相同，其长度为后者长度的1/3至1/6。

如图4所示，其中的斜线区域是用物理或化学的方法在附图3所述绝缘层外表面上生成的金属层，其厚度为50微米；各斜线的(外)包络线相对于电池元片的外边框线后缩500微米；4个边角上的黑色小方块均是该形成电极与形成电源之间的绝缘连接导线的接入焊接点，其大小为1mm×1mm；斜线区域的4个切口区域均分别正对着电池元片背光面上正电极的对外连接区域，其宽度与后者相同，其长度为后者的1/3至1/6。

当使用上述SEF型高效晶硅光伏电池来组装第一类SEF型高效晶硅光伏电池组件时，用标称直径为0.4mm的两根裸铜线平行排列在已经排布好的光伏电池阵列之间，两根裸铜线距离为20mm。这两根裸铜线分别是所有SEF型光伏电池外来电场的正、负形成电极的电气接入母线。

上述第一类SEF型光伏电池组件的对外输出端(这里是形成电源的源头)附设有一个供组件内各SEF型光伏电池片使用的电压变换-稳压电路系统。该类组件内正、负电气接入母线通过标称直径为0.4mm的绝缘软导线分别与该电压变换-稳压电路系统的正、负输出端(形成电源)相连接，或者分别与由组件外部提供的恒压电源的正、负电极(也是形成电源)相连接。每一个SEF型光伏电池受光面和背光面外侧形成电极的一个接入焊接点分别通过标称直径为0.2mm的绝缘软导线就近与上述正、负接入母线作电气连接。

如果上述SEF型光伏电池单独使用，则该电池的对外输出端附设一个电压变换-稳压电路系统。该SEF型光伏电池受光面和背光面外侧形成电极的一个接入焊接点，分别通过标称直径为0.2mm的绝缘软导线直接与上述电压变换-稳压电路系统的输出端(形成电源)作电气连接。

二、第二类SEF型高效晶硅光伏电池组件的实施方式

采用传统的晶硅光伏电池片(简称“电池元片”，下同)来组装本类组件。

如图5所示的该类光伏电池组件受光面外侧形成电极，该形成电极由金属材料构成，其与组件内部各个电池元片的自身、受光面上的粗细栅线、相邻电池元片负、正电极之间的金属连接片等均隔着厚度大于1.5mm的绝缘层；其平面呈栅网状，每个栅孔的宽度为组件内电池元片的细栅线之间间隔距离的两倍；其每条边框线均与电池组件对应边框线平行，但前者较后者内退2.0mm；其中间横向粗线宽度为2.0mm，该横向粗线的两个头端就是形成电极的电气接入焊接点；其4条边框线宽度均为1.5mm；其余栅状网线宽度为400微米；形成电极的所有金属线条厚度均为0.2mm。

如图6所示的第二类SEF型高效晶硅光伏电池组件背光面外侧的形成电极，该形成电极由金属材料构成，如斜线区域所示；其与组件内部各个电池元片自身、背光面上的正电极、相邻电池元片的负、正电极之间的金属连接片等均隔着厚度大于1.5mm的绝缘层；斜线区域的每条边线均与电池组件对应边框线平行，但前者较后者内退2.0mm；整个形成电极厚度为0.2mm；4个边角上的黑色小方块均是该形成电极与形成电源之间的绝缘连接导线的接入焊接点，其大小为1mm×1mm。

上述的第二类SEF型高效晶硅电池组件的对外输出端(这里是形成电源的源头)附设有一个供组件内各电池元片使用的电压变换-稳压电路系统。本类组件受光面和背光面外侧的形成电极的一个电气接入焊接点通过标称直径为0.4mm的绝缘软导线分别与该电压变换-稳压电路系统的负、正输出端(形成电源)相连接，或者分别与由组件外部提供的一个恒压电源的负、正电极(也是形成电源)相连接。

本发明的原理在于：

虽然下面是以晶硅光伏电池为例来叙述本发明的原理，但显然，该原理对其它材料和其它类型的光伏电池也是适用的。

《普通物理学》(高等学校教材，1982年修订本，程守洙江之永编，王志符朱詠春等修订，人民教育出版社，下同)明确地指出了以下两点。第一点，任何一类电源(包括传统的即现在被广泛广使用的晶硅光伏电池(电源))的内部都存在着一个“恒稳电场”，这种恒稳电场不随时间变化，且具有与静电场相同的性质。第二点，这种恒稳电场不同于真空或电介质中的静电场。首先，恒稳电场需要依靠电源来维持。其次，电源维持恒稳电场的同时，电源力(属非静电力，下同)推动定向移动的自由电子(或负电荷，下同)克服恒稳电场的静电阻力，不断地从电池的正极经过电池内部达到负极；在这个自由电子定向移动的过程中电源力不断地做功，从而不断地把非电能量转换为定向移动的自由电子的电势能，以对电源外部输出电能。

问题在于，在光伏电池中电源力究竟是什么力，转换为定向移动的自由电子的电势能的非静电能量究竟又是什么？

可惜，传统的光伏理论却不论及上述普通物理学所明确指出的，自由电子从电池的正极经过电池内部移动到负极时电池不断进行的、至关重要的那个做功过程。所以，传统的光伏理论不可能对以上两个问题给出正确的答案。

事实上，普通物理学早已明确：光伏效应中，所谓硅等半导体原子内部的某个电子吸收1个光子的能量而释放出1个光电子的现象属于“内光电效应”；这个光电子仍然留在半导体内；光电子的产生增加了半导体的导电性能。

爱因斯坦关于光电效应的能量关系式为hv＝A+mv²/2，式中h为普朗克常量，v是光子的频率，A是该电子为脱离金属即成为(自由的)光电子而对金属的表面电场所做的逸出功，mv²/2是该(自由的)光电子宏观运动的动能。

把内光电效应与(外)光电效应加以对比可知：某硅原子系统最外层的某个电子吸收了1个光子的能量hv，接着该电子脱离该原子系统，成为可以在硅半导体内自由流动的1个光电子；该电子必须对该原子系统做功，才能脱离该原子系统；该电子对该原子系统所做的功，对应于(外)光电效应中的逸出功A。

这样，只需用半导体材料的禁带宽度E_g去替换逸出功A，就可以得到内光电效应的能量关系式hv＝E_g+mv²/2。其中，E_g这一份能量是该电子对该原子系统所做的功，mv²/2是可以自由流动的该光电子(宏观运动)的动能。

因为量值为E_g的这一份能量是该电子对该原子系统所做的功，所以在该电子脱离该系统而成为一个(自由的)光电子以后，E_g这一份能量必然由失去了该电子的硅原子系统所拥有，而不会由该(自由的)光电子所拥有。由于电池需要维持持续的光电流，这以后的某个时刻，失去电子的该硅原子必须与某一个自由电子，例如从电池正极的外引线流入电池的一个定向移动的自由电子相“复合”。根据能量守恒定律，该复合发生时，E_g这一份能量还会以某种形式被该原子系统释放出来。据实际观察，被该原子系统释放出来的能量是热能和光能(该光能又会转换为电池内部的热能)。

因为该(自由的)光电子具有宏观运动的动能(mv²/2)，那么它就会在光伏电池内部做机械运动。后文非常明确地指出，光电子做机械运动绝不会形成光伏电池中的电流。即该光电子具有的宏观运动的动能mv²/2绝不会转换为光伏电池对外部输出的电能量。在做机械运动的过程中，该光电子可能与某个失去了电子的硅原子(此刻它是正离子)相复合(由能量守恒定律和实际观察，复合发生时该动能mv²/2最终会转换为热能)；也可能逐次地与硅半导体的晶格发生碰撞。每次碰撞都将产生热量。这样，该份动能mv²/2会很快消耗殆尽。

可见，在内光电效应中激发出光电子的每个光子的能量hv(＝E_g+mv²/2)全部都转换为热能。另外，那些达到光伏电池(且没有反射和透射)，但未能激发出光电子的所有光子(如远红外光光子)的能量也都转换成了热能。也就是说，照射到光伏电池的太阳光的全部光能都没有(直接)转换为电池内部形成电流的光电子的电势能。

传统的光伏电池的真实测量数据显示，电池的短路电流、电动势与太阳光的光强(辐照度)分别成线性关系、对数关系。于是，由电学可知，太阳光辐照度大的时候，光伏电池发出的最大电功率就大；反之亦然。这表明，光伏电池所发出的电能必然是太阳光的光能(间接)转换而来的。

因此，根据能量守恒定律，唯一的结论就是，首先在传统的光伏电池内太阳光的光能不断地转换为热能(非静电能量)，然后基于该热能的热力学系统产生的力，再不断地推动电池内定向移动的自由电子克服电池恒稳电场的静电阻力做功，从而使这些自由电子的电势能提升而发电。也就是说，传统的光伏电池工作时，其内部的“热量(不断地)转换为电能”。

传统光伏电池的效率低下。这就意味着，电池内部大量的热量没有被转换为电能。

像普通物理学所做的那样，下面把电学理论、气体分子运动论和热力学理论的相关部分综合起来，讲述SEF型高效光伏电池的原理。

普通物理学根据“经典电子论”认为(实践表明：这种“认为”在定性上是正确的；其导出的若干定量结果也大致接近实测数据)，金属导体内和半导体内的自由电子与“容器中的气体分子很相似，所以这些自由电子也称为电子气”；“每个自由电子(宏观)的定向运动是叠加在它无规则的微观热运动之上的”；“同一个物体中所有的自由电子构建一个热力学系统”。

由金属或半导体材料构成的“热电偶”在实践中已经得到较为广泛的应用。根据普通物理学关于热电偶的结论，可以指出以下五点。(需要说明：热电偶高温端和低温端的逸出电势差的量值是相等的；并且高温端才是在发电，而低温端反倒是在消耗高温端所发出的电能。这样，热电偶的“净发电量”与以上两个逸出电势差均无关。为了简洁，以下分析中，只论及热电偶高温端接头处的相邻两区域的自由电子密度存在差异而产生的(准)恒稳电场。故下文所说的“热电偶”实际上是“热电偶的高温端”。)

第一点，热电偶是一种恒稳电源。

第二点，由于热电偶电源内部相邻两区域自由电子的密度存在差异，高密度区域的自由电子便开始向低密度区域扩散并堆积在低密度区域(相应地，正离子堆积在高密度区域)。这就使得低密度区域带负电而高密度区域带正电。于是，两区域之间开始出现一个静电场。在一段时间内，自由电子受到的电场力小于扩散力，扩散继续进行。

第三点，随着扩散的继续进行，自由电子受到的电场力将逐渐增大。当自由电子受到的电场力与扩散力达到平衡(量值相等)时，扩散停止，即高密度区域的自由电子向低密度区域的定向移动停止；两区域内的正、负电荷的分布状况不再变化；自由电子受到的扩散力也不再变化。

此时，若热电偶内、外电路中没有恒稳电流流过，则电源力(非静电力)并没有“不断地做功，而把非电能量转换为对外电路输出的电能”。可见，此时的静电场并不是真正意义的恒稳电场。把此时的静电场称为热电偶的(准)恒稳电场(该“准”字对应的英文是quasi，下同)。此时自由电子受到的扩散力，就是热电偶用来维持(准)恒稳电场存在的电源力(一旦热电偶内外电路中有恒稳电流流过，该扩散力不复存在，详见后文)。

第四点，上述自由电子受到的扩散力是扩散进行时和扩散停止时，热电偶内部所有自由电子构建的热力学系统产生的一种非静电力(电源力)。

第五点，热电偶的(准)恒稳电场作为一种静电场，具有一定的能量；该(准)恒稳电场的能量正是上述热力学系统产生的那种非静电力(电源力)推动做扩散运动的自由电子，克服分别堆积在低密度区域和高密度区域的电荷产生的、(逐渐增强的)静电场的静电阻力做功(前者)而得到的。

以上五点内容就是热电偶(准)恒稳电场的建立机理。

当热电偶内电路和外电路正常运行(其含义是，电源内电路和外电路中有恒稳电流流过；下同)时，普通物理学指出，(定向移动的)自由电子构建的热力学系统的“热量(不断地)转换为电能”。也就是说，是此时的热力学系统产生的一种非静电力(电源力)，不断地推动定向移动的自由电子，克服恒稳电场的静电阻力做功(后者)，从而使得这些自由电子具有一定的电势能。后文将揭示，同样是做功，这里的“后者”对应的非静电力(电源力)、恒稳电场与上面“第五点”中“前者”对应的非静电力(电源力)、静电场有重大的区别。

对比光伏电池电动势量值的表达式与热电偶电动势量值的表达式，可以发现两个表达式十分相似。另外，由前文，光伏电池和热电偶工作时，都是把自己内部的“热量(不断地)转换为电能”。基于这两个事实，可以知道：光伏电池(准)恒稳电场的建立机理与热电偶(准)恒稳电场的建立机理类似，现简述如下。(需要说明：光伏电池中不存在热电偶那样的高温端和低温端，并且电池的P型和N型晶硅之间的逸出电势差为零，故前文中“热电偶”的相关结论适用于光伏电池。)

太阳光在光伏电池内部激发出光生载流子。光伏电池内部PN结处的内建电场对该电场内的载流子进行的分离，导致电池内部相邻区域(指PN结处的“耗尽区”和电池的“P型晶硅区”)的自由电子存在密度差。这种密度差引起自由电子的扩散；扩散最终建立了光伏电池的(准)恒稳电场。

前文已经指出，光伏电池内部(不断地)转换为电能的“热量”，归根结底还是由进入电池内的太阳光光子的能量转化而来的。

需要注意：光伏电池中定向移动的自由电子既包括光生电子，也包括前文所述“从电池正极的外引线流入电池的电子”。

提高光伏电池的光电转换效率有以下两条路径。

第一，必须“开源”，即把电池中尽量多的热量转换为光生电子的电势能。根据电学，电池的发电功率P＝Iε(式中I为通过电池的电流强度，ε为电池的电动势)。传统光伏电池中，最大的I值是短路电流I_SC。理论分析和实测数据表明，I_SC的大小、ε的量值分别与太阳光的光强(辐照度)呈线性关系、对数关系。可见，I_SC和ε都受到太阳光光强的制约，而无法增大。(业界所谓“增加光生电子的量子点以增加光生电子数”的技术难度很大，成本很高。)

SEF型高效光伏电池及组件安装了能大幅度增强恒稳电场中各点电场强度的装置，这使得电池的电动势ε的量值得到大幅度的提高。从而，电池的发电功率P＝Iε就会大增，电池的转换效率随之大增。

第二，才是“尽量减少电池的电学损失和光学损失”。在这方面业界还可以努力的空间已经十分微小了。

回头去看看，其实SEF型光伏电池及组件还有以下两个问题需要解决。

第一个问题。SEF型光伏电池及组件的两个形成电极在传统光伏电池内部形成的那个“外来电场”，其实是两个形成电极之间的静电场(整体)的一部分。光伏电池的本体和正、负电极是由半导体或金属构成的。根据静电学，该静电场(整体)出现后，其静电力会推动受光面的金属或半导体材料表面上的负电荷(电子)达到背光面的金属或半导体材料的表面上，而在受光面的金属或半导体材料的表面上留下正电荷，即分别在受光面和背光面的金属或半导体材料的表面上形成所谓正、负“感应电荷”。该“外来电场”中各点的电场强度会被正、负感应电荷所产生的静电场抵消而变为零，即该“外来电场”被“屏蔽”掉。从而，传统光伏电池内部原来的恒稳电场根本不会得到增强。

第二个问题。当光伏电池恒稳电场得到增强后，推动定向移动的自由电子群去克服该恒稳电场静电阻力做功的“电源力”，也必须随之增强。否则，电池电动势ε的量值不会得到提高。

下面就来仔细分析并解决这两个问题。

根据电学，对任何一类恒稳电流电源(包括发电机、化学电池、热电偶、硅光伏电池等)的电路而言，当电源内电路和外电路正常运行时都有以下四种现象发生。第一种现象，在任何一条电路中，通过任何横截面的电流强度总是相等的。此结论称作“电流连续性原理”。第二种现象，当电源内电路和外电路正常运行时，内电路和外电路中所有的自由电荷都属于“移动电荷”(mobilecharge，有的文献称作“驻立电荷”)；该“移动电荷”的涵义是，它在不断地做定向移动，并且在不断的更替中保持其分布特性不变。第三种现象，所谓恒稳电流，是指通过电路中任何一个横截面的电流的量值都不随时间变化。第四种现象，电路中每一个自由电荷自身的定向移动速度并不太大，但每一个自由电荷的定向移动这种“运动变化的形式”，在电路中进行“传播”的速度(即自由电荷等效的定向移动速度)却等于光速。

研究以上四种现象后，可以得到以下结论：在任何一类恒稳电流电源的任何一条电路(包括电源的内电路、外电路以及不含电源的分支电路)中，当电源内电路和外电路正常运行时，电路中任何一个定向移动的自由电荷(此时都属于“移动电荷”)在自己定向移动的方向上所受到的总动力与总阻力在量值上总是相等的。

目前广泛使用的各类恒稳电流电源内、外电路，以及不含电源的分支电路中存在的大量物理事实，已经证实了上述结论的正确性。把这一新结论称为“电路中移动电荷的受力法则”。

关于这个法则，需要指出以下三点。

第一点，该受力法则中，总动力和总阻力各自的量值，以及总力(合力)中各分力的类型、组成、产生的原因和结果等均没有特别的限定。

第二点，处于量值相等状态的总动力和总阻力这两方之中，如果有一方的量值因某种原因发生了变化，则另外一方的量值必定会发生对等的变化，而使(新的)总动力和(新的)总阻力还是处于量值相等的状态。

物理真实证实了以上“第一点”、“第二点”中各结论的正确性。

第三点，虽然该法则是基于恒稳电流得到的，但物理真实却证实，该法则对于非恒稳电流(即时变电流)电路也是适用的。也就是说，只要电路中某些自由电荷的定向移动形成了电流，那么这些自由电荷在自己定向移动的方向上所受到的总动力与总阻力在量值上总是相等的；同恒稳电流一样，形成时变电流的定向移动的自由电荷也属于“移动电荷”(mobilecharge)。

然而，当电路中相邻两区域自由电荷的密度存在差别，从而引起两区域内某些自由电荷进行扩散时，这些自由电荷的移动也是定向的。但第一，由于这些自由电荷进行定向移动后会堆积在一定区域，它们的这种定向移动没有形成电流；第二，这些自由电荷在自己定向移动的方向上所受到的总动力在量值上总是大于总阻力；第三，在上述相邻两区域，自由电荷的分布特性总是在变化。也就是说，此时这些定向移动的自由电荷不属于“移动电荷”。后文还将进一步研究这些问题，并举出能够证实以上三点正确性的物理真实。

光伏电池内部相邻两区域自由电子的密度差引起自由电子的扩散运动，该扩散运动最后建立了光伏电池(准)恒稳电场。从电学可知，其它类型的电源如发电机、化学电池的(准)恒稳电场的建立机理中，并不含有光伏电池内部发生的那种“自由电子的密度差引起的自由电子的扩散运动”的因素。

于是，因为上述四种现象以及电路中移动电荷的受力法则对任何一类电源的任何一条电路都是适用的，所以当任何一类电源(包括光伏电池)内电路和外电路正常运行时，电源内电路和外电路中每一个“移动电荷”所做的定向移动以及电路中移动电荷的受力法则，均与“光伏电池内部相邻两区域内自由电子的密度差引起的自由电子的扩散运动”无关。也就是说，光伏电池内电路和外电路正常运行时，每一个“移动电荷”所做的定向移动与(准)恒稳电场的建立过程中自由电子的扩散运动有本质的区别；每一个“移动电荷”所受到的总动力与总阻力在量值上总是相等的，而不是像自由电子进行扩散时那样，其受到的总动力的量值大于总阻力。

可见，电池内电路和外电路正常运行时，第一，在任何一条电路中“移动电荷”所进行的定向移动的模式、产生机理，与机械运动、传统的“气体分子热运动”等已知的物理运动模式迥然不同；与“光伏电池内部相邻两区域自由电子的密度差引起的自由电子的扩散运动模式”也迥然不同；第二，在任何一条电路(包括光伏电池内电路)中不再发生自由电子的密度差引起的自由电子的扩散运动。

一旦光伏电池内电路和外电路开始正常运行，形成(准)恒稳电场的所有(静)电荷立即都会就地“蜕变”成为“移动电荷”。由于这些“移动电荷”在不断的更替中始终保持其分布特性不变化，它们也会形成一个静电场。物理真实表明，这个由“移动电荷”形成的静电场的空间范围、电场力的量值，与由上面那个由(静)电荷形成的(准)恒稳电场完全一致。而这个由“移动电荷”形成的静电场就是光伏电池的恒稳电场。

现在把光伏电池内部所有定向移动的自由电子(“移动电荷”)构建的热力学系统称为第二类热力学系统，把该系统产生的非静电力(电源力)称为第二类电源力。而把光伏电池内部因密度差而引起自由电子进行扩散运动时，所有自由电子(不属于“移动电荷”)构建的(经典)热力学系统，以及(准)恒稳电场建立好但电池内外电路尚未正常运行时(即电池处于开路状态)的(经典)热力学系统一并称为第一类热力学系统，把该系统产生的非静电力(电源力，即“做扩散运动的自由电子”，以及“扩散运动停止但内外电路尚未正常运行时的自由电子”所受到的扩散力)，称为第一类电源力。显然，第二类电源力就是电池用来维持恒稳电场存在，并且把热能转换为定向移动的自由电子电势能的那种非静电力。

回顾前文的研究流程，可以发现，其中还有下述问题需要研究、解决。

前文一直用“电池处于开路状态”时段，把(准)恒稳电场的建立过程以及该电场建立好以后(即扩散停止以后)，和电池内外电路正常运行(即电池内外电路中有恒稳电流流过)这“两个时段”隔离开来，去分析、研究第二类电源力和第一类电源力的差异等问题。这样做的好处是，电池在以上两个时段的工作过程是完全分开的，相互没有影响，从而，分析、研究工作变得简单、清晰。

物理真实表明，前文用插入“电池处于开路状态”这个时段去分析、研究光伏电池相关问题所得到的结论，同样适用于外电路总是接上了负载的光伏电池。

把前文各个结论(特别是电路中移动电荷的受力法则)，与传统的即现在广泛使用的晶硅光伏电池中出现的五个物理事实相结合，可以知道：不管光伏电池内部的“移动电荷”受到的(第二类电源力以外的)其它作用力的类型、组成、产生的原因和结果是什么，以及这些作用力的量值各自如何变化，电池内部的第二类热力学系统，总是能够自适应地使该系统对“移动电荷”产生的作用力——第二类电源力的量值，等于上述其它作用力的合力的量值。即其它作用力的量值变化前和变化后，电池内电路和外电路总是能够正常运行。

现在就可以解决前文中的两个问题了。

解决第一个问题。在光伏电池内、外电路正常运行期间，当本专利所装置的两个形成电极之间的静电场(整体)的静电力，企图把受光面的金属或半导体材料表面上的负电荷推到背光面时，根据电路中移动电荷的受力法则，这些负电荷所受到的第二类电源力必定会自适应地阻挡住负电荷，使负电荷不会移动到背光面的金属或半导体材料的表面上。因此，电池中的那个“外来电场”不会被“屏蔽”掉，从而恒稳电场必定会得到增强。

解决第二个问题。同样地，在光伏电池内、外电路正常运行期间，当(传统)光伏电池恒稳电场得到增强时，推动定向移动的自由电子去克服该恒稳电场的静电阻力做功的第二类电源力，也必定会“自适应地”得到增强。

显然，物理真实是，光伏电池内部的“第二类电源力”不可能无限地增大。

于是，上述两个问题的最终答案就是，在光伏电池内、外电路正常运行期间，在本专利所装置的两个形成电极之间的静电场(整体)不是特别强大的情况下，作为该静电场(整体)一部分的“外来电场”不会在光伏电池内部被屏蔽掉，并且当(传统)光伏电池恒稳电场得到增强时，电池内部第二类电源力的量值也会自适应地增强，从而保证电池内电路和外电路在新的条件下也能够正常运行。

根据普通物理学理论，任何一类电源(包括硅光伏电池)的内部都存在着一个恒稳电场，各类电源正是借助这个恒稳电场把非电能量转换为电能。在传统光伏电池的内部本来存在着光生电场(即传统光伏电池内部的恒稳电场)、内建电场、背表面电场等多个电场。当在某一传统的光伏电池受光面和背光面的外侧分别为该电池设置负、正形成电极之后，且该外来电场的形成电源的负、正电极分别通过连接导体与上述负、正形成电极各自的电气接入点相连接，上述连接导体、上述负、正形成电极与该电池(包括它自身的负、正极)在电气上都是绝缘的。其中的形成电源的源头是该电池的输出电压，或者是该电池所在组件的输出电压，也可以是该电池和它所在组件以外的某一个恒压源。因此，上述负、正形成电极就会在该电池的内部形成一个静电场，这个静电场就是该电池的外来电场；而且，在该电池内部的任意一个空间点，外来电场的电场强度方向与电池内部原来就存在的恒稳电场的电场强度方向大致相同。根据电学中静电场的叠加原理，该电池内部的恒稳电场将会得到增强。这样，该传统的光伏电池就变成了本发明的SEF型高效光伏电池。

本发明的SEF型高效光伏电池及电池组件正是通过设置上述的负、正形成电极与形成电源相配合，使得传统的、各种类别的光伏电池内部以及光伏电池组件中的每块光伏电池内部原有的恒稳电场得到大幅度的增强，极大地提高了传统的、各种类别的光伏电池及光伏电池组件的光电转换效率。而且，在具体制作时，外来电场的负、正两个形成电极及其外延导线的周围不是绝缘材料，便是(不导电的)空气。因此，本发明的SEF型高效光伏电池及SEF型高效光伏电池组件在正常工作时，其中的负、正两个形成电极之间都不会有电流流过，也就是说，此时的外来电场都不会消耗形成电源的能量。

综上所述，本发明的技术方案在实施后：

首先，在同样光强度(辐照度)的条件下，与对应的传统的光伏电池和传统的光伏电池组件相比，经测试，本发明的SEF型高效光伏电池及电池组件的光电转换效率均可以提高50％以上。即使是在电池元片的外侧用手工的方法设置外来电场的负、正形成电极，经测试，在形成电源输出电压的量值较小(因而外来电场较弱)的情况下，所测得的SEF型光伏电池的光电转换效率相比于传统的光伏电池也有明显的提高。

传统的晶硅光伏电池的制作实践表明：同等光强度条件下，如果没有在电池的“P型晶硅区”制作背表面电场(BSF)，则电池的开路电压(其量值等于电动势)较小，电池的效率较低；反之，若制作了BSF，则开路电压显著增大，效率显著提高。对此解释如下：

当制作了BSF时，BSF使电池“P型晶硅区”中靠近电池PN结的子区域(即光电子的高密度区域)的光电子密度增大，从而此时PN结处的“耗尽区”与该“高密度区域”之间形成的(准)恒稳电场与同等光强度条件下没有制作BSF时的(准)恒稳电场相比，得到了显著的增强；由于电池内、外电路正常运行时，恒稳电场的电场强度与(准)恒稳电场相等，此时，恒稳电场与没有制作BSF时相比也得到了显著的增强；而恒稳电场增强时，电池内部第二类电源力的量值会自适应地增强。这样，电池的电动势得到显著的增大，从而效率得到显著的提高。显然，本发明所形成的外来电场比上述BSF的作用强大得多，可以使传统的光伏电池的恒稳电场大幅度地增强(但不超出某个限度)，电池内部第二类电源力的量值也会自适应地大幅度增强，结果电池的电动势大幅度地增大，效率大幅度地提高。

其次，本发明的SEF型高效光伏电池及电池组件可以采用纯度较低的或者晶体缺陷稍多一点的半导体材料来制作(传统)电池片。用这样的(传统)电池片来组装的两类SEF型高效光伏电池组件的光电转换效率仍然大大高于对应的传统的光伏电池组件，因此，本发明可以较大幅度地降低SEF型高效光伏电池及电池组件的生产成本。

最后需要说明的是，为了提高(传统)电池片的光电转换效率，在具体制作(传统)电池片时都采用了一些贵重的材料(如银浆)和复杂的工艺(如各种降低串联电阻的技术措施)。但是，其中的一些材料和工艺对于提高(传统)电池片的光电转换效率来说，往往是事倍功半的。而本发明的SEF型高效光伏电池及电池组件在具体制作电池片时，可以降低某些材料和工艺的特殊要求，甚至砍掉个别的工艺。因此，本发明实施起来简单易行，实施成本低，可以进一步地降低SEF型高效光伏电池组件的生产成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.SEF型高效光伏电池，其特征在于：

在传统的光伏电池受光面的外侧设置一个负形成电极，在所述传统的光伏电池背光面的外侧设置一个正形成电极，所述的负形成电极和所述的正形成电极共同在所述传统的光伏电池内部形成一个外来电场；所述外来电场的形成电源的负、正输出端分别与所述的负形成电极、正形成电极作电气上的连接；所述的负形成电极、正形成电极与所述光伏电池之间均隔着绝缘层；所述外来电场与所述光伏电池自身具有的恒稳电场同方向叠加；所述SEF型高效光伏电池单独使用时，所述形成电源的源头是所述SEF型高效光伏电池的输出端电压，或者是所述SEF型高效电池外部的恒压电源；所述形成电源的源头的负、正输出端分别作为电压变换-稳压电路系统的负、正输入端，所述电压变换-稳压电路系统的负、正输出端分别作为所述外来电场的形成电源的负、正输出端。

2.第一类SEF型高效光伏电池组件，其特征在于：

所述第一类SEF型高效光伏电池组件采用若干个如权利要求1所述的SEF型高效光伏电池组装而成；构成所述SEF型高效光伏电池组件的所有传统光伏电池的外来电场形成电源的源头，均是所述第一类SEF型高效光伏电池组件的输出端电压，或者均是所述第一类SEF型高效光伏电池组件外部的恒压电源；所述形成电源的源头的负、正输出端分别作为电压变换-稳压电路系统的负、正输入端，所述电压变换-稳压电路系统的负、正输出端分别作为所述外来电场的形成电源的负、正输出端。

3.第二类SEF型高效光伏电池组件，其特征在于：

所述第二类SEF型高效光伏电池组件采用若干个传统的光伏电池组装而成；在所述电池组件受光面的外侧设置一个公用的负形成电极，在所述电池组件背光面的外侧设置一个公用的正形成电极，所述公用的负形成电极和所述公用的正形成电极共同在所述电池组件中的每一个光伏电池的内部均形成一个外来电场；所述每一个光伏电池外来电场的公用的形成电源的负、正输出端，分别与所述公用的负形成电极、公用的正形成电极作电气上的连接；所述公用的负形成电极、正形成电极与所述每一个光伏电池之间均隔着绝缘层；所述每一个光伏电池的外来电场与该光伏电池自身具有的恒稳电场同方向叠加；所述公用的形成电源的源头是所述第二类SEF型高效光伏电池组件的输出端电压，或者是所述第二类SEF型高效光伏电池组件外部的恒压电源；所述形成电源的源头的负、正输出端分别作为电压变换-稳压电路系统的负、正输入端，所述电压变换-稳压电路系统的负、正输出端分别作为所述外来电场的形成电源的负、正输出端。