CN206595262U - 一种太阳能电池及太阳能电池组件 - Google Patents

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Abstract

本实用新型实施例公开了一种太阳能电池及太阳能电池组件，所述太阳能电池包括：电池片，与偏置电路通过所述电池片的电极相连，用于将光能转化为电能，并为偏置电路提供电源电压；所述偏置电路，用于周期性调节所述电池片的内建电场，其中，所述偏置电路与所述电池片电连接。本实用新型实施例通过在现有的电池片的基础上，不改变原有电池片结构和生产工艺，通过增加偏置电路的方式，改善了现有电池片效率提高困难的问题，大幅度提高了太阳能电池的转换效率，而且制造成本低，技术难度低、易实现大批量生产。

Description

一种太阳能电池及太阳能电池组件
技术领域
本实用新型实施例涉及光伏技术领域，尤其涉及一种太阳能电池及太阳能电池组件。
背景技术
目前大规模量产的太阳能电池基本上为晶硅(单晶硅或多晶硅)单结太阳能电池，占据了光伏市场约95％的份额。成本相对较低的晶硅太阳能电池具有BSF(Back SurfaceField，铝背场)结构或者PERC(Passivated Emitter Rear Cell，局部背钝化电池)结构，这一类太阳能电池的光电转换效率大约在18-21.5％之间。
行业内正在进行大规模量产转换的新技术有多种，包括HIT(HeterojunctionIntrinsic Thin Film Solar Cell，异质结电池)、IBC(Interdigitated Back Contact，交指背接触电池)、MWT(Metallization Wrap-Through，金属穿孔卷绕硅电池)、或者上述这些结构的组合HBC(Hetero-junction Back-Contacted，异质结背接触)结构以及多结太阳能电池等。目前，这一类太阳能电池的效率大多为22-23％左右，到2020年有望达到23-24％左右，个别技术(n型HIT技术)有望在2025年达到25％。再进一步的效率提升上述这些技术就无能为力了。
目前还有一些处于实验室基础研究阶段的新技术，包括多重激发太阳能电池利用材料改性，使得高能量的光子入射到太阳能电池材料之后可能激发出多个“电子-空穴“对，从而提高太阳能电池的光电流。热载流子太阳能电池利用纳米技术对太阳能电池材料进行改性，在电池内部形成量子阱或者量子点，利用所谓的“声子瓶颈效应”大幅延长热载流子的冷却时间，使得热载流子在冷却之前就可以被金属电极收集从而形成电流。但是，以上两类电池仍在研发阶段，尚未成型。
近几年，也有人提出通过给太阳能电池施加一个外加直流或者直流脉冲电压来提高太阳能电池的光电转换效率。这一技术方案的要点是：在太阳能电池的前表面增加一层透明导电膜，在该透明导电膜和背电极之间施加一个直流或直流脉冲电压，这一与太阳能电池并联连接的电压增强了太阳能电池内部的内建电场，从而提高太阳能电池的光电转换效率。这一技术路线实施起来也存在着诸多困难。首先，要对太阳能电池结构进行改变，增加了透明导电膜和其下面的绝缘层，透明导电膜本身影响入射光的透过率，而且电池片制造工艺复杂度提高，成本增加；其二，电池片正面主栅线被覆盖在透明导电膜之下，影响组件封装时的焊带连接，增加了光伏组件封装的难度和成本；其三，由于外加电压被太阳能电池本体(半导体)和其上面的绝缘层串联分压，而绝缘层等效电阻远大于太阳能电池本体中半导体的等效电阻，所以绝大部分电压被绝缘层分压，实际施加于太阳能电池内部的电压很小，根本起不到增加内部电场强度的作用。
综上所述，比较贴近生产实际的技术路线对于光电转换效率的提升效果有限，进一步提升的难度加大、成本较高；而正在实验室研发的新概念太阳能电池距离实际应用还有相当长的路，而且即使实现生产其成本也会非常高。所以，这些技术路线均不能满足光伏行业“低成本大幅快速提升太阳能电池光电转换效率”的实际需求。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种太阳能电池及太阳能电池组件，能够在不改变现有电池片结构的前提下，大幅度提高了太阳能电池的转换效率。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种太阳能电池，包括：
电池片，与偏置电路通过所述电池片的电极相连，用于将光能转化为电能，并为偏置电路提供电源电压；
所述偏置电路，用于调节所述电池片的内建电场，其中，所述偏置电路与所述电池片电连接。
第二方面，本实用新型实施例还提供了一种太阳能电池组件，包括：所述太阳能电池以及接线盒；
所述接线盒，包含所述太阳能电池中电池片的电极汇总的汇流条，用于引出所述太阳能电池的总输出电压和总输出电流。
进一步的，所述太阳能电池中的偏置电路镶嵌在多个电池片之间，直接与所述电池片电连接；或者，所述偏置电路内嵌于所述接线盒内部，与所述接线盒的汇流条电连接；或者，所述偏置电路粘结在所述太阳能电池组件的外表面，与所述接线盒的引线电连接。
本实用新型实施例提供了一种太阳能电池及太阳能电池组件，在现有的电池片的基础上，不改变原有电池片结构和生产工艺，通过增加偏置电路的方式，改善了现有电池片效率提高困难的问题，大幅度提高了太阳能电池的转换效率，而且使得在太阳能电池制造过程中，制造成本低，技术难度低、易实现大批量生产。
附图说明
图1A是太阳能电池中存在的各种能量损失机理示意图；
图1B是不同禁带宽度的材料制成的太阳能电池的各类能量损失的占比示意图；
图1C是各类晶硅电池的产业化技术路线图；
图1D是太阳能电池片的等效电路图；
图1E是太阳能电池片工作时载流子的运动示意图；
图1F是暗态和光照条件下的太阳能电池片I-V特性曲线图；
图2是本实用新型实施例一中的一种太阳能电池结构的示意图；
图3A是本实用新型实施例二中的一种电池片的输出电压的波形图；
图3B是本实用新型实施例二中的一种偏置电路输出反向脉冲电压的示意图；
图3C是本实用新型实施例二中的一种太阳能电池的输出电压示意图；
图3D是本实用新型实施例二中的一种太阳能电池的输出电流示意图；
图4A是本实用新型实施例三中的一种太阳能电池结构的示意图；
图4B是本实用新型实施例三中的一种太阳能电池的电路图；
图4C是本实用新型实施例三中的又一种太阳能电池的电路图；
图4D是本实用新型实施例三中的又一种太阳能电池的电路图；
图4E是本实用新型实施例三中的又一种太阳能电池的电路图；
图5A是本实用新型实施例四中的一种太阳能电池结构的示意图；
图5B是本实用新型实施例四中的又一种太阳能电池结构的示意图；
图5C是本实用新型实施例四中的一种太阳能电池的电路图；
图5D是本实用新型实施例四中的又一种太阳能电池的电路图；
图6A是本实用新型实施例五中的一种太阳能电池组件的结构图；
图6B是本实用新型实施例五中的又一种太阳能电池组件的结构图；
图6C是本实用新型实施例五中的一种太阳能电池组件与偏置电路的连接图；
图6D是本实用新型实施例五中的又一种太阳能电池组件与偏置电路的连接图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
本实用新型的理论基础与原理
目前，全球光伏累计安装量达到300GW，中国的光伏累计安装量达到77GW。随着光伏应用的快速增长，各主要光伏应用国家对于光伏发电的补贴也在逐渐降低，预计到2020年左右各国政府将取消对于光伏发电的补贴。因此，如何快速降低光伏发电的成本成为光伏应用能否持续发展的重要因素。太阳能电池的制造成本是光伏发电成本最主要的部分，因此如何快速降低太阳能电池的成本是一个亟待解决的问题。
太阳能电池的成本降低主要依靠其效率的提升来实现。然而，由于太阳能电池的光电转换效率已经接近太阳能电池光电转换效率的理论极限，受到材料和工艺技术的限制，太阳能电池光电转换效率进一步提升的难度越来越大，成本越来越高。
研究人员利用热力学的细致平衡理论，考虑辐射复合损失对太阳能电池光电转换效率的影响，预测了单结太阳能电池的光电转换效率的理论上限为32％左右。近些年，很多学者在SQ(Shockley and Queisser，肖克利-奎伊瑟)模型的基础上，对太阳能电池的理论模型进行了优化。有研究人员考虑了库伦增强的俄歇散射机制以后，计算了晶硅太阳能电池的光电转换效率的理论上限为29.05％；其他研究人员在考虑了太阳光谱AM1.5的修正和材料的能带变窄效应之后，计算的晶硅太阳能电池的理论上限为29.43％。GaAs的禁带宽度(1.43eV)与太阳光谱的匹配比晶硅更好，载流子的迁移率也高(载流子的迁移率高意味着复合损失较低)，因此其理论效率也比较高，SQ模型和其它一些改进的模型预测的GaAs单结太阳能电池的光电转换效率的理论上限为将近32％。
然而，各种理论模型在进行预测时，都做了一些理想化的假设。比如，假设太阳能电池的材料是完美的，没有缺陷；假设太阳能电池内部载流子和晶格处于热平衡状态；假设一个能量大于禁带宽度的光子只能激发一个电子-空穴对；假设太阳能电池始终工作在稳恒状态；假设光照强度为1000W/m2；还假设太阳能电池除了和太阳之间的能量交换之外不再受到任何其它外部因素的干扰等。实际上，太阳能电池材料存在着各种各样的缺陷(比如内部的缺陷、杂质、位错，材料表面的缺陷态等)和漏电通道(比如由于制备工艺的限制产生的一些微孔、电池边缘的导电通道等)，而且太阳能电池表面存在着光的反射(目前的晶硅太阳能电池的表面反射率平均为4％左右)和由于正表面电极产生的面积遮挡(4％左右)等因素，这些因素都导致真正能够获得的光电转换效率的上限比上述模型预测的更低。以晶硅太阳能电池为例，在1996年，有研究人员研制的PERL(Passivated Emitter and RearLocal Diffused，双面钝化的钝化发射极和背面定域扩散硅太阳能电池)结构的晶硅太阳能电池的效率达到24.9％(后来由于AM1.5光谱的修正，这一效率为25％)，这一效率一直保持了18年之久，直到2014年才被突破。2014年，日本某公司制备的IBC-HIT混合结构的晶硅太阳能电池的效率达到25.6％。这一结构由于正表面没有金属电极因而电极的遮挡损失为零，但是这种结构的太阳能电池成本太高，短期内无法大规模量产。上述事实说明，太阳能电池的光电转换效率的进一步提升是非常困难的。有理由相信，依靠太阳能电池本身结构的优化和工艺技术的改进，25.6％或许是晶硅太阳能电池按照现有技术路线可以在实际中获得的最高效率极限。而根据欧洲太阳能协会的预测，能够大规模量产的晶硅太阳能的光电转换效率在2023年之前大约为24％左右。
太阳能电池的光电转换效率之所以存在上限，是因为其内部存在着几种不同的能量损失机理。这些能量损失机理在图1A中形象地表示了出来。图1A为光照下太阳能电池的能量损失示意图，其中，Eg为禁带宽度，Ec为导带底，Ev为价带顶，p-type为p型半导体材料，n-type为n型半导体材料，e-为电子，h+为空穴，Ep为入射光的光子能量。
如图1A所示，其中，①为长波光线的不吸收损失机理，具体的，太阳能电池材料存在着一定的“禁带宽度”，它并不能吸收太阳光中波长大于材料的“截止波长”的光线，所以这部分太阳光自然也不能转换为电能。对于晶硅太阳能电池，其禁带宽度Eg＝1.12eV，截止波长为λl＝1240/Eg＝1100nm，对应的长波光线的不吸收损失为19％；对于GaAs太阳能电池，其禁带宽度Eg＝1.43eV，截止波长为λl＝1240/Eg＝867nm，对应的长波光线的不吸收损失为31.8％。
②为热载流子的冷却损失(热载流子的弛豫损失)机理。具体的，太阳辐射光谱中的大部分光线的波长比材料的截止波长短(光子能量比材料的禁带宽度大)，所以激发出来的电子-空穴对具有一定的“多余能量”。把携带多余能量的载流子称为“热载流子”。热载流子被激发出来之后伴随着一个极快的“弛豫过程”，这个弛豫过程的第一步是热载流子之间的相互散射从而达到热平衡(此时热载流子遵循玻尔兹曼分布，其多余能量可以用一个温度TH来表示，TH远远高于晶格的热平衡温度TS，也就是说，热载流子的等效温度远远高于材料的温度(所以被称为“热载流子”)，第二步是热载流子和晶格发生相互作用，通过发射声子与晶格达到热平衡，此时热载流子的等效温度等于晶格的温度，热载流子原来携带的多余能量以热量的形式损失掉。整个过程实际上就是热载流子冷却的过程。热载流子的冷却过程在极短的时间内完成，理论和实验均证明，在晶体硅中这一过程只需要350fs的时间。太阳能电池材料的禁带宽度越小，这部分的损失越大。GaAs(其禁带宽度Eg＝1.43eV)太阳能电池的热载流子能量损失为23.1％，晶硅太阳能电池的热载流子能量损失为33％。
热载流子冷却之后紧接着会发生电子与空穴的复合。在晶硅中，载流子的复合时间大约在微秒量级，而在GaAs等直接带隙半导体材料中其复合时间要短得多。一个好的太阳能电池应该在大部分电子和空穴发生复合之前把它们抽取到外电路之中形成电流。
③辐射复合损失机理。光激发的电子和空穴在太阳能电池体内运动的过程中，必然有一定的几率相遇。一个电子和一个空穴在空间上相遇就会发生复合，电子空穴消失，他们携带的能量以光子的形式发射出来。复合过程是伴随着光激发过程必然发生的反过程，它不但导致光生电流的减小，还导致开路电压的降低。尤其是当太阳能电池在非短路的状态下工作时(此时两端有一定的光生电压)，复合的几率更大，造成的能量损失也更大。当然，如果载流子的运动速度足够快，则电子和空穴相遇的几率会降低，辐射复合损失也将减小。对于晶硅太阳能电池而言，由于载流子迁移率(尤其是空穴的迁移率)较小，所以辐射复合的损失较高。SQ模型估算的晶硅太阳能电池的辐射复合损失高达10％左右，而GaAs太阳能电池的辐射复合损失约为5％左右。
④非辐射复合损失机理。太阳能材料中的电子和空穴除了通过辐射复合损失之外，还可以通过其它复合途径损失能量，比如俄歇复合、自由电子吸收、通过缺陷、位错、表面态等各类缺陷态发生的复合等。非辐射复合损失的能量不是以发射光子的形式，而是以声子的形式变成热能，所以这一过程被称为“非辐射复合”。由于电子和空穴分别带有正负电荷，所以它们之间的库伦作用又加大了复合发生的几率。
辐射复合与非辐射复合式太阳能电池能量损失的重要组成部分，对于晶硅太阳能电池，这两类复合将造成18-19％的能量损失(根据掺杂浓度的不同略有区别)；对于GaAs太阳能电池，这两类复合造成的能量损失稍低一些(约13％)。
⑤接触电极引起的能量损失。金属电极和半导体材料之间总存在一定的接触电阻，接触电阻将导致电压的降低。另外，与金属接触的半导体表面缺陷态浓度较高，在空间上形成一个高复合区域，也会造成能量的损失。这部分由于接触电极产生的损失大约为1％左右。
图1B为具有不同禁带宽度的材料制成的太阳能电池的各类能量损失的占比。其中，区域11为可利用电子能量，即根据SQ模型可以转换为电能的能量；区域12为长波光线的不吸收损失，即上述的能量损失机理①；区域13为热载流子的冷却损失，即上述的能量损失机理②；区域14为各类复合损失以及电极接触损失等，即上述能量损失机理③+④+⑤的总合。由图1B可知，C-Si材料与GaAs材料由于材料特性不同，导致其各部分能量损失占比不同。
图1C为各类晶硅太阳能电池产业化的技术路线图，图1C中给出了对各类不同结构的量产晶硅太阳能电池光电转换效率提升的时间表。由图1C可知，现有量产晶硅太阳能电池的实际转换效率的预测最多只能达到25％。
目前大规模商业化量产的单晶硅太阳能电池的光电转换效率为20％左右(多晶硅为19％左右)，距离理论预测的29.4％的上限还有一定的差距。以效率为20％的高效单晶硅太阳能电池为例，其性能参数与理论预测之间对比见下表一所示。
表一
表一记录了量产高效晶硅太阳能电池电学参数与SQ模型、改进SQ模型各项参数的对照表。其中，改进SQ模型为考虑非辐射复合效应的情况下的各项参数。Voc为开路电压，即当太阳能电池处于开路状态时，电池输出端上所对应的光生电动势；Jsc为短路电流密度，即太阳能电池在光照1000W/㎡，温度25℃状态下，短路时的电流密度；FF为填充因子，即太阳能电池的实际最大输出功率与理想输出功率(Voc与Jsc之积)的比值；Vmmp为最大功率点时的输出电压；Jmpp为最大功率点时的电流密度；光电转换效率η为太阳能电池受光时的最大输出功率与照射在太阳能电池的入射光的功率之比。
由上表一可以看出，太阳能电池的各个参数与理论预测之间均有一定的差距。存在这种差距的原因分析如下：
(1)短路电流密度Jsc的差距。其中，短路电流的大小决定于光生载流子被电极收集的效率，这个参数被太阳能电池的内、外量子效率来表示。在实际太阳能电池中，有大概4％左右的入射光的反射损失和4％左右的正面电极遮挡损失，对这些损失补偿之后，实际太阳能电池的短路电流密度将达到41.82mA/cm2。对于实际器件和改进SQ模型，二者的短路电流密度还有大约1.49mA/cm2的差距。这些差距主要是因为实际器件中的辐射复合和非辐射复合造成的载流子数量的损失更大。对于最大功率点电流密度(Jmpp)，二者的差别更大(2.57mA/cm2)，这主要是因为在最大工作点附近，光生电压有一定的阻止载流子收集的作用，所以使得电流降低。
改进SQ模型和SQ模型预测的短路电流之间还有大约1.0mA/cm2的差距，这也是因为在SQ模型中没有考虑非辐射复合的影响所致。如果能在实际器件中有效地抑制辐射复合和非辐射复合，则短路电流密度能够突破SQ模型的限制。
(2)开路电压Voc的差距。根据SQ理论计算出来的晶硅太阳能电池的开路电压为0.860V，考虑到实际电池中还存在着非辐射复合，改进SQ模型计算出的太阳能电池的开路电压为0.761V，而实际目前量产的高效太阳能电池的开路电压只有0.641V左右。对比实际器件和改进SQ模型二者还有0.12V以上的差别。这一差别的原因就是因为在实际太阳能电池中各类复合发生的几率更高，而且由于制备工艺问题还存在一些漏电通道(通过等效并联电阻Rsh的大小体现出来)，造成太阳能电池的开路电压比理想值有较大的差别。对比两者的最大功率点的电压Vmpp可以发现两者的差别高达0.15V。如果能抑制载流子的复合几率并且降低二极管在最大功率点的导通电流，则开路电压和最大功率点电压都将有很大的提升。
SQ模型和改进SQ模型之间开路电压的差别(约0.1V)的原因是在SQ模型中没有考虑非辐射复合等因素的影响。如果在一个实际器件中能够有效地抑制辐射复合和非辐射复合的影响，则开路电压有可能突破上述改进SQ模型或者SQ模型的限制。
(3)填充因子FF的差距。改进SQ模型预测的填充因子为89.26％，而实际上太阳能电池的FF只有80.92％，二者相差显著。从等效电路的角度分析，这一显著差别的原因是因为实际太阳能电池的串联等效电阻较大、并联等效电阻较小引起的，串联电阻和并联电阻偏离理论预测的内在原因其实还是和载流子在太阳能电池内部的运动相关。如果能够对太阳能电池内部的电场进行调制，使得有利于载流子向电极做漂移运动的电场增强、载流子扩散运动的因素(二极管的正向注入)减弱，则等效的串联电阻将减小、等效并联电阻将增大，所以填充因子FF也将增加。
通过表一分析可以发现，辐射复合和非辐射复合是限制太阳能电池性能的主要因素。只要能够有效地抑制载流子的各类复合机制，就能大幅提升太阳能电池的光电转换效率。
SQ模型或者改进的SQ模型都做了如下假设：载流子的辐射复合和非辐射复合是在没有外界干扰的状态下进行的，此时，载流子的产生和复合受到温度、载流子浓度、载流子运动速度等因素的影响；还假设太阳能电池工作在稳恒状态下。在这一假设条件下，太阳能电池内部载流子的浓度、载流子的运动速度、载流子的复合几率、体内电场分布等都是受到上述条件的约束。比如，载流子的复合几率是在考虑了其光激发、向电极的输运、以及复合三者平衡而推导出来的。但是，如果引入外界的干扰，那么太阳能电池内部的载流子浓度以及电场分布将会发生改变。如果外部的干扰使得太阳能电池内部的内建电场增强，则载流子的输运增强，内部载流子的浓度将会降低，辐射复合和非辐射复合发生的几率将被抑制，此时如果利用SQ模型中的公式再来计算光电转换效率，则预测的理论上限将会大幅提升。如前所述，对于晶硅太阳能电池各类复合导致了18％左右的能量损失，如果能通过引入外部干扰把这一损失有效地抑制，则SQ模型给出的光电转换效率的上限将有18％的上调空间。也就是说，如果外部干扰能够完全抑制太阳能电池内部的各种载流子的复合，则太阳能电池的光电转换效率的理论上限将达到29.4％+18％＝47.4％。对于GaAs太阳能电池，这一理论效率大概为45％。因为GaAs为直接带隙半导体，载流子的运动速度本来就高，载流子的复合损失比晶硅中的复合损失低，所以通过抑制载流子复合损失提升转换效率的空间较小。
为了抑制载流子的复合，就必须打破太阳能电池内部存在的载流子的光激发、复合、和输运三者之间的原有平衡，而建立新的平衡。在光激发产生率G不变的条件下(光照强度和波长分布不变)，增大载流子向电极的输运速率就可以减小载流子的复合率。图1D为太阳能电池的等效电路图，如图1D所示，太阳能电池的等效电路图为一个恒定电流源IL光生电流、一个理想二极管D、并联电阻Rsh以及串联电阻Rs组成。其中，Rs为由材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻以及电极本身传导电流的电阻所构成的总串联电阻；Rsh为考虑载流子产生与复合以及沿电源边缘的表面漏电流而设计的一个等效并联电阻；而I、ID与Ish分别为通过串联电阻Rs、理想二极管D以及并联电阻Rsh的电流。
由图1D可知，正向导通电流和通过并联电阻的漏电流是限制输出电流的主要原因，如果给太阳能电池施加一个外部电场，可以加速载流子向电极作漂移运动的速度，缩短其在太阳能电池内部的驻留时间，从而降低发生辐射复合和非辐射复合的几率。另外，合适的外加电场还可以抑制太阳能电池工作状态下其正向导通电流对光电流的分流作用。例如，在光电流(载流子的输运电流)IL较大时，工作电压低，ID和Ish小；而在光电流IL低时，工作电压高，但是由于此时总电流小，所以ID和Ish的损失也不会太大。只要电场足够强，载流子的速度就可以足够大，以至于载流子向电极输运的过程中发生复合的几率非常低(以至于降低到零)。这样就可以大幅提高太阳能电池的性能，使太阳能电池的光电转换效率大幅提升。这种方案比前面描述的利用昂贵复杂的纳米量子手段等技术方案要容易得多。同时，这一方案的使用范围很广，不但可以适用于常规的太阳能电池，也适用于利用各类复杂技术制备的新型结构的太阳能电池。
为了更好地理解本实用新型的原理，需要了解太阳能电池的基本工作原理，如图1E所示，其中，15为p型区域，16为空间电荷区，17为n型区域，e-为电子，Rload为负载电阻，Ebi为内建电场以及Epv为光生电场。在没有光照的情况下，当p型半导体和n型半导体相互接触为一体时，电子和空穴发生扩散运动，由于电子和空穴的费米能级的差，形成了空间电荷区16，由于形成一个内建电压Vbi，因而形成了一个内建电场Ebi，内建电场抵消了载流子的扩散运动。当载流子的扩散和内建电场作用下载流子的漂移运动达到平衡时，内建电场不再变化，内部就形成了一个稳定的内建电场和空间电荷区16。在光照下，电子从价带被激发到导带，电池内部非平衡载流子浓度增加很多。光生电子和空穴在内建电场的作用下分别向负极和正极运动。当太阳能电池连接负载时，电子从负极流出电池，经过负载后把其能量传递给负载，再流回到正极进入太阳能电池内部与空穴复合。
如图1E所示，根据负载电阻Rload的不同，电池两端建立起来的光电压Vpv将产生一个光生电场Epv，其方向与Ebi相反。当Epv增加时，由Ebi驱动的载流子的漂移运动将被消弱，载流子复合将增强，更多的载流子在到达电极之前将被复合从而损失掉其能量；这也是为什么在最大工作点MPP太阳能电池的工作电流Impp小于其短路电流Isc(如图1F所示)；随着工作电压的增加，内建电场的作用被进一步减弱，载流子向电极的输运效率更低，复合几率更大，光电流更小。
由太阳能电池的原理可知，在不同光照条件下，电池内部载流子的运动状态有所不同，因此通过太阳能电池的I-V特性曲线(电流-电压特性曲线)能够更明确地呈现这些区别。图1F是普通太阳能电池在暗态下和光照下的I-V特性曲线。其中，105为暗态下的I-V特性曲线；110为光照下的I-V特性曲线；115为最大功率点MPP，Vmpp为最大功率点MPP时的输出电压，Impp为最大功率点MPP时的输出电流；Voc为开路电压，Isc为短路电流。为了获得最大的输出功率，负载电阻Rload的选择需要在Ebi和Epv之间找出平衡点，以便获得最大电压Vm和电流Im。最大功率点一般选择在I-V曲线的拐点处(如1F中的115)，为了获得最大功率，必须保证Ebi和Epv的综合作用既能够使大多数载流子被电极收集，同时又能有较高的工作电压。一般而言，内建电压大约为0.5-1V左右，空间电荷区宽度约0.5-2μm，内建电场的强度Ebi＝0.5-2×104V/cm。在这一电场的作用下，载流子的漂移运动速度一般可以达到其饱和速度107cm/s。当光生电压较小时(小于Vmpp)，载流子仍然可以以较高的漂移速度向电极运动，大部分载流子在复合之前能够到达电极，电流一直在较高的水平。但是，当光电压的值较高时(大于Vmpp时)，光生电场Epv对载流子的漂移运动的阻止效应迅速加强，载流子的复合急剧增大，光电流迅速降低；当电压达到其最大值Voc时，载流子向电极的运动被完全阻止，所有载流子在被电极收集之前就复合掉了，因此光电流为零。
为了获得更大的输出功率，就需要在保持较高输出电压的同时又能有效降低载流子的复合获得较大的输出电流，为此，本实用新型提出利用给太阳能电池两端施加一个偏置电压的方式，调节其输出电压的大小，使输出电压在一定的范围内随时间变化，电压的变化范围如图1F中的120所示，其中，Vmax为最大输出电压，Vmin为最小输出电压。图1F中的125表示的是外加电路的一个实施例，即外加反向脉冲电压的幅值，用V2表示，具体见后面相关部分的描述。
当电压交变到最小值Vmin附近时，载流子得到加速从而获得足够高的漂移运动速度(达到饱和运动速度Vsat)，载流子向电极的输运效率提高，载流子在到达电极之前的复合几率大幅降低。其中，最小电压Vmin的选择需要根据电池结构来优化。当电压变化到Vmin附近时，内建电场Ebi对于载流子的加速作用要足够强，或者要使载流子的运动速度在此时达到饱和运动速度Vsat。最大电压Vmax的选择应该使太阳能电池的开路电压最大化，即达到其内部载流子的化学势(载流子的化学势等于光生电子和空穴的准费米能级的差)，不需要考虑较大的Vmax对于内建电场的抵消作用。当光电压在Vmin和Vmax之间交变时，光生载流子在这一时间周期内的运动速度也分别达到最大值和最小值。合理设计Vmin和Vmax在一个周期之内的时间占比，既可以使光生载流子获得足够大的平均漂移速度向电极输运，又可以使输出电压的平均值足够大。
因此，本实用新型给太阳能电池施加一个合适的偏置电压，调节或改变太阳能电池内部载流子的热力学过程，从而达到减小能量损耗，提高光电转换效率的目的。
具体实施例
实施例一
图2为本实用新型实施例一提供的一种太阳能电池的结构示意图，本实用新型实施例可适用于各种类的太阳能电池。例如，可以是占光伏市场主要地位的晶硅太阳能电池；也可以是各种新结构的太阳能电池，例如HIT电池、IBC电池等。本实用新型实施例同样可适用于各种形态的太阳能电池，例如，可以是由体材料制成的太阳能电池，也可以是各类薄膜电池或者包含各种量子阱或者量子点结构的太阳能电池。
如图2所示，太阳能电池的结构包括电池片210与偏置电路220。
电池片210，与偏置电路220通过所述电池片210的电极相连，用于将光能转化为电能，并为偏置电路220提供电源电压；
所述偏置电路220，用于调节所述电池片210的内建电场，其中，所述偏置电路220与所述电池片210电连接。
其中，电池片210可以以Si或者GaAs为衬底的晶硅太阳能电池片，也可以为HIT或者IBC的新型电池片，电池片210的种类不作限定。将电池片210经过分档、焊接、铺设叠层、层压、装框、安装接线盒等工艺后，制成太阳能光伏组件，即太阳能电池板。其中，电池片210的结构上具有电极，电极可以为焊带，用于引出光生电流。电池片210的主要作用为将光能转化为电能，为基于半导体材料的光电效应。即当太阳光照射在电池片210的p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。由于电池片210与偏置电路220电连接，因此，电池片210可以作为偏置电路220的电源电压，为偏置电路220提供工作电压。
偏置电路220可以为多个分立元器件直接组成，如电阻、电容以及二极管等；也可以为集成芯片，其中，集成芯片内部含有电阻、电容以及二极管、场效应管、及其它所需的半导体器件。偏置电路220与电池片210的连接方式可以为串联，也可以为并联，还可以为串联与并联相结合的方式，用于调节电池片210的内建电场。
需要说明的是，偏置电路220调节电池片210内建电场的方式为多种，例如，可以调节电池片210的输出电压、也可以调节电池片210的输出电流，或者还可以增加一个交变负载电阻(主动可变电阻)在电池片210外部来调节等。
例如，通过对电池片210输出电压的调制，使之按照一定的周期性在最大输出电压Vmax和最小输出电压Vmin之间交变，降低输出电压对于内建电场的抵消作用，使内建电场对载流子的漂移输运更加高效，从而抑制载流子的复合。
需要说明的是，本实用新型实施例提供的电池片210的结构和制备工艺均保持原有状态，并不需要为了使用本实用新型实施例提出的技术方案而做出任何改变。
在本实用新型实施例中，由于给电池片210增加偏置电路220，因此计算太阳能电池的转换效率不仅仅只考虑电池片210的转换效率。因为偏置电路220为电池片210提供特征电压信号的同时，电池片210为偏置电路提供电源电压，因此偏置电路220也存在功耗。则太阳能电池的CCE(Combined Conversion Efficiency，综合光电转换效率)可以定义为如下公式：
式中，PL为入射光强度，Psc为电池片210的输出功率，Pcircuit＝Ps+Pp为偏置电路220的功耗，其中Ps和Pp分别为串联和并联偏置电路220的功耗；η＝Psc/PL为电池片210的光电转换效率。
本实用新型实施例通过在现有的电池片的基础上，不改变电池片的原有结构，通过外加偏置电路的方式，改善了现有电池片效率提高困难的问题。这种方式制造成本低，技术难度低、不需要对现有光伏生产线和相关工艺技术做任何改变、易实现大批量生产，同时还大幅度提高了太阳能电池的转换效率。
实施例二
在上述实施例基础上，所述偏置电路通过向所述电池片输入特征电压信号调节所述电池片的内建电场，其中，所述特征电压信号为周期性交变信号，且所述周期性交变信号的周期小于所述电池片中的载流子寿命，所述周期性交变信号的占空比的取值与所述载流子的运动速度和所述电池片的输出电压有关。
其中，特征电压信号的形状不作限定，比如可以为规则的正弦电压或者余弦电压、规则的方波脉冲电压、不规则的方波脉冲电压、不规则的类正弦电压、或者随时间按照某种规律变化的交变电压等，也可以为其他无规则形状的周期性交变的电压波形；载流子寿命为非平衡载流子在复合前的平均生存时间，是非平衡载流子寿命的简称；周期性交变信号的周期要尽可能的小于半导体材料的载流子寿命，以减少载流子的复合；周期性交变信号的占空比为电池片210的输出电压处于最小输出电压附近的时间占比。
具体的，偏置电路220可以通过向电池片210输入特征电压信号以调节电池片210的输出电压进而调节电池片210的内建电场，使得电池片210的输出电压按照一定的周期性在最大输出电压Vmax和最小输出电压Vmin之间交变。且周期性交变信号的占空比要兼顾载流子的运动速度和其对太阳能电池输出电压的影响。因为占空比太小导致载流子没有足够时间加速到饱和速度，而占空比太大又降低了电池片210的输出电压平均值。
图3A为一种电池片210的输出电压的波形示意图，输出电压在最小输出电压Vmin和最大输出电压Vmax之间交变，交变周期为T1。由图3A所示，α为输出电压处于Vmin附近的时间占比，即在一个交变周期T1内，输出电压处于Vmin附近的时间与交变周期T1的比值。
其中，T1的取值，必须保证在周期T1内，载流子发生复合的几率极低(甚至降低到零)。要想使载流子的复合几率低，就要保证载流子在发生复合之前被电极收集。根据半导体中载流子的热力学理论可知，载流子的复合在其激发产生之后经过一定的时间(τR)才会发生。对于非直接带隙半导体材料(如锗、硅)，其载流子寿命更长可以长达数十微秒甚至毫秒的量级；而对于GaAs等直接带隙半导体材料，其内部载流子寿命为1-10ns的量级。在太阳能电池中，只要保证输出电压的交变周期T1＜τR，就可以使载流子在发生复合之前被电极收集。而α的取值，一方面要保证(αT1)足够长，以使载流子能够达到饱和运动速度Vsat；另一方面要保证(αT1)不能太长，因为较长的(αT1)将显著降低平均输出电压的大小。由于在时间段(αT1)内载流子的漂移速度最大，因此大部分载流子向电极的输运应该发生在该时间段内。例如，在Vmin附近时，若载流子的速度可以达到Vsat＝107cm/s的饱和速度，那么载流子以这样的速度可以在1ns时间内运动100μm。由于考虑到在(αT1)时间内，载流子存在加速过程和速度衰减过程的现象，因此可以保守地认为在该时间内载流子的平均速度为Vsat＝106cm/s，即使以此载流子的速度也可以在1ns时间内运动10μm。也就是说，如果(αT1)＝1ns，则内建电场Ebi可以使载流子在(αT1)时间内运动10um。这样，就可以依据太阳能电池厚度(载流子需要运动的距离)合理设计(αT1)的大小。再例如，对于普通的晶硅太阳能电池，其厚度一般为180-200μm，载流子需要穿越平均100μm的距离才能被电极收集。因此对于晶硅太阳能电池，可以选择T1＝1μs(远小于晶硅中的载流子的复合时间)，占空比α＝1％，(αT1)＝10ns，载流子可以以最大运动速度穿过整个太阳能电池，即使在T1周期内的其它时间段内由于输出电压的增大使得内建电场被抵消，载流子的平均运动速度也足够大，因为大部分载流子向电极的输运发生在(αT1)时间段内，在该时间段内大部分载流子已经被电极收集了。对于GaAs、CdTe、CIGS等太阳能电池，发射极和基区的厚度约为5μm，载流子平均只要运动2.5μm就可以被电极收集，因此，可以选择T1＝1ns，α＝25％，(αT1)＝0.25ns，就足以使得载流子穿过其内部达到电极。
具体的，在一个周期T1内载流子在电池片210内部经历如下的热力学过程：入射光持续地照射电池片210表面，并在电池片210内部激发出大量的电子和空穴对，光照激发出的载流子在极短的时间内(约350fs)完成热弛豫，在能量上达到能带边(电子弛豫到导带底，空穴弛豫到价带顶)。同时，电子和空穴在电场的作用下分别向负极和正极作漂移运动。在(αT1)时段，载流子被电池片210中的内建电场加速，运动速度迅速达到饱和漂移速度Vsat，载流子以饱和运动速度在(αT1)的时间内穿越电池片210的基区和发射区达到电极。在一个周期内电压较大时，即(1-α)T1时段，由于光电压对于载流子漂移运动的抑制作用，载流子向电极运动的速度较小，但是由于T1＜τR，载流子仍然来不及复合就被电极收集了。另外，由于在(αT1)时段内大部分载流子已经被输运到电极，在(1-α)T1时段内太阳能电池内部的载流子浓度较低，所以即使有复合发生，复合几率也非常低。
需要说明的是，偏置电路220对于电池片210输出电压的调制也可以看成是通过偏置电路220使电池片210两端的负载电阻发生交变，通过对负载的交替改变，以达到改变其输出电压的目的过程。
在本实施例中，所述特征电压信号为反向脉冲电压信号和/或正向脉冲电压信号。
具体的，偏置电路220通过向电池片210输入特征电压信号可以为反向脉冲电压，可以为正向脉冲电压，或者还可以为负向脉冲与正向脉冲相结合的电压。其中，各类不同的脉冲电压的直流分量可以为正、零、负。
例如，图3B为偏置电路220为电池片210输出的一个反向脉冲电压图。这一外加的脉冲电压是一个具有周期T2、反向脉冲宽度t2、反向脉冲电压幅值V2的脉冲信号(见图1F中的125所示)，并且，周期T2、反向脉冲宽度t2和幅值V2需要根据电池片210的材料和结构来设计。其中，反向脉冲电压的周期T2需要小于载流子寿命，T2＜τR，这样才能保证光激发产生的电子和空穴在复合之前到达电极；反向脉冲宽度t2需要考虑在电池片210内内建电场Ebi和外加瞬时反向电场E2(由V2产生)共同对载流子漂移运动的加速作用。在本实施例中，载流子可以被加速到“抛射速度(over-shoot velocity)”。其中，半导体材料中载流子的抛射速度比其饱和漂移速度更快。例如，在晶硅材料中，如果晶硅材料的饱和运动速度为1×107cm/s，而在电场为2×104V/cm条件下，载流子进入弹道抛射运动状态，其速度可以达到2×107cm/s，比饱和运动速度高出一倍；再例如，在GaAs等半导体材料中，其抛射速度比其饱和速度高4-5倍，高达4.5×107cm/s。
由于载流子向电极作漂移运动的速度更高，因此，载流子穿过电池片210的基区和发射区需要的时间更短。在晶硅太阳能电池中，如果选取合适的反向电压幅值V2使载流子进入弹道抛射速度，脉冲持续时间则需要0.5ns。比如，如果选取t2＝1ns(这样基本上所有的光生载流子在这段时间内都已经被输运到电极了)，T2＝100ns，那么基本上所有载流子在复合之前，就已经在反向脉冲电压持续期间内被输运到电极。
图3C与图3D分别为在给电池片210施加图3B中所示的反向脉冲电压的条件下，太阳能电池的输出电压与输出电流的波形示意图，其中，Vmax为最大输出电压、Vmin为最小输出电压、Imax为最大输出电流、Imin为最小输出电流。在反向脉冲电压作用下，载流子在太阳能电池内部的输运也呈现周期性变化。在反向脉冲电压持续期间内(t2时间内)，电场强度高，载流子速度快，所以光电流处于峰值，而此时光电压较小；在一个周期内的其它时间内，由于反向脉冲小时，载流子恢复正常运动状态，此时光电流较小，但是光电压高。在一个周期内，反向脉冲电压使得电池片210内部的载流子能够保持极高的平均运动速度，且平均电压和平均电流都比没有外加偏置电路的电池片高，因此输出功率提升。
本实用新型实施例通过偏置电路向电池片输入特征电压信号，以调节电池片的内建电场，使得载流子在复合之前就已经被输运到电极，以减少载流子的复合。从而提高太阳能电池的转换效率。
实施例三
在上述实施例基础上，所述偏置电路220包括振荡模块410与第一整形模块420，且所述振荡模块410与所述第一整形模块420相连，如图4A所示。
其中，所述振荡模块410，用于向所述第一整形模块420输入振荡信号；所述第一整形模块420，用于对所述振荡模块410输出的振荡信号进行整形处理，形成所述周期性交变信号。
具体的，偏置电路220包括振荡模块410与第一整形模块420。其中，振荡模块410可以只包含振荡器，也可以为振荡器与电阻或者电容等分立元器件的组合，用于产生一个符合要求的振荡信号，传输给第一整形模块420；第一整形模块420，为电阻、电容、二极管或者放大器等其中一种或者几种分立元器件的组合，用于对振荡模块410输出的振荡信号进行整形处理，形成周期性交变信号，提供给电池片210。
图4B为本实用新型实施例提供的一种太阳能电池的电路图。其中，虚线方框为偏置电路220。
所述振荡模块410包括第一振荡器f1、第一电容C1和第一电阻R1，所述第一整形模块420包括第二电阻R2、第二电容C2和第一二极管D1，其中：
第一振荡器f1的第一端，与第一电容C1的第一端相连；所述第一振荡器f1的第二端，与第一电阻R1的第二端相连，与第一二极管D1的输入端相连，与所述太阳能电池的第一输出端相连；
所述第一电容C1的第二端，与所述第一电阻R1的第一端相连，与第二电阻R2的第一端相连，与第二电容C2的第一端相连，与所述电池片B的第一端相连；
所述第一电阻R1的第一端，与所述第二电阻R2的第一端相连，与所述第二电容C2的第一端相连，与所述电池片B的第一端相连；所述第一电阻R1的第二端，与所述第一二极管D1的输入端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第二电阻R2的第一端，与所述第二电容C2的第一端相连，与所述电池片B的第一端相连；所述第二电阻R2的第二端，与所述第一二极管D1的输出端相连，与所述第二电容C2的第二端相连；
所述第二电容C2的第一端，与所述电池片B的第一端相连；所述第二电容C2的第二端，与所述第一二极管D1的输出端相连；
所述第一二极管D1的输入端，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述电池片B的第二端，与所述太阳能电池的第一输出端相连。
由图4B所示，偏置电路220与电池片210的连接方式为串联，第一振荡器f1产生一个频率复合要求的振荡信号，电阻R1、R2和电容器C1、C2以及二极管D1用来调节Vmin、Vmax以及α，可以为电池片210提供正向脉冲电压信号，也可以提供反向脉冲电压信号。
具体的，第一振荡器f1、第一电容C1、第一电阻R1组成一个串联振荡回路，第一电容C1在第一振荡器f1的激励下反复进行充放电，充放电电流流过第一电阻R1形成一个交变的电压。改变R1和C1的大小可以调节Vmin和Vmax。
第一整形模块由第二电容C2、第二电阻R2和第一二极管D1组成，其中第二电容C2和第二电阻R2并联之后再与第一二极管D1串联，第一整形模块与第一电阻R1并联，所以第一电阻R1两端的交变电压直接输出给第一整形模块，该第一整形模块对振荡模块输出的交变电压进行进一步整形处理，形成一个单向的交变电压，其中第一二极管D1起到把双向交变电压变为单向交变电压的作用，第二电阻R2和第二电容C2则启动调节改变脉冲的占空比的作用。
需要说明的是，该串联偏置电路可以等效为一个交变负载电阻。其中，交变负载电阻以频率f1变化，当交变负载电阻最小时，太阳能电池本体两端电压最小，此时电池内部内建电场对于载流子的输运能力最强。
图4C为本实用新型实施例提供的另一种太阳能电池的电路图。其中，虚线方框为偏置电路220。
所述振荡模块410包括第二振荡器f2、第三电容C3和第三电阻R3，这三个器件组成一个串联振荡回路，第三电容C3在第二振荡器f2的激励下反复进行充放电，充放电电流流过第三电阻R3形成一个交变的电压。改变第三电阻R3和第三电容C3的大小可以调节Vmin和Vmax。
所述第一整形模块420包括第一放大器E1、第四电阻R4、第五电阻R5和第四电容C4。第一放大器E1把振荡模块410的输出电压进行放大，然后再经过第四电容C4和第五电阻R5整形之后，并联施加在太阳能电池B上。调节第一放大器E1的反馈电阻R4可以调节输出脉冲电压的幅值，调节第四电阻R4和第四电容C4可以调节占空比。
其中：
所述第二振荡器f2的第一端，与所述第三电容C3的第一端相连；所述第二振荡器f2的第二端，与所述第三电阻R3的第二端相连，与所述电池片B的第二端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第三电容C3的第二端，与所述第三电阻R3的第一端相连，与所述第一放大器E1的正极输入端相连；
所述第三电阻R3的第一端，与所述第一放大器E1的正极输入端相连；所述第三电阻R3的第二端，与所述电池片B的第二端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第一放大器E1的负极输入端，与所述第四电阻R4的第一端相连；所述第一放大器E1的输出端，与所述第四电阻R4的第二端相连，与所述第五电阻R5的第一端相连；
所述第四电阻R4的第二端，与所述第五电阻R5的第一端相连；
所述第五电阻R5的第二端，与所述第四电容C4的第一端相连；
所述第四电容C4的第二端，与所述电池片B的第一端相连，与所述太阳能电池的第一输出端相连；
所述电池片B的第一端，与所述太阳能电池的第一输出端相连；所述电池片B的第二端，与所述太阳能电池的第二输出端相连。
由图4C所示，偏置电路220与电池片210的连接方式为并联，振荡器f2产生一个频率为10MHz振荡信号，经过运放放大后，经过波形整形、滤波等之后并联施加到电池片210上，可以为电池片210提供正向脉冲电压信号，也可以提供反向脉冲电压信号。
示例性的，当采用偏置电路220与电池片210并联连接时，为了使得偏置电路220为电池片210提供的特征电压信号更加稳定，可以在上述图4C的基础上，添加第九电容C9、电感L以及反向阶跃恢复二极管SRD等，如图4D所示。其中，SRD的作用为限制脉冲电压的幅值，C9和L的加入可以起到平滑波形的作用。
具体的，如图4D所示，第一整形电路420还包括：
第九电容C9的第一端，与第四电容C4的第二端相连，与电感L的第一端相连；第九电容C9的第二端，与第二振荡器f2的第二端相连，与第三电阻R3的第二端相连，与反向阶跃恢复二极管SRD的输出端相连，与电池片B的第二端相连，与太阳能电池的第二输出端相连；
反向阶跃恢复二极管SRD的输入端，与电感L的第二端相连，与电池片B的第一端相连，与太阳能电池的第一输出端相连；反向阶跃恢复二极管SRD的输出端，与第二振荡器f2的第二端相连，与第三电阻R3的第二端相连，与电池片B的第二端相连，与太阳能电池的第二输出端相连；
电感L的第一端，与第四电容C4的第二端相连；电感L的第二端，与电池片B的第一端相连，与太阳能电池的第二输出端相连。
例如，在基于图4D太阳能电池的电路图的基础上，使用电池片210面积为243.36cm2的P型单晶硅电池片做实验，具体的单晶硅电池片210的参数如下表二所示：
表二
Eff(％) Pm(W) Umpp(V) Impp(A) Voc(V) Isc(A) FF(％)
19％ 4.624 0.538 8.621 0.643 9.157 78.77
设定f2＝10MHz，T2＝100ns，t2＝1ns，V2＝2V。经过计算，电池片210的转换效率可以达到40％。由于考虑到偏置电路220本身的功耗，因此最终太阳能电池的综合效率CCE可以高达39.9％。
图4E为本实用新型实施例提供的又一种太阳能电池的电路图。其中，虚线方框为偏置电路220。
所述振荡模块410包括第三振荡器f3、第四振荡器f4、第五电容C5、第六电阻R6、第七电容R7和第八电阻R8；所述第一整形模块420包括第二放大器E2、第六电容C6、第七电阻、第二二极管D2、第八电容C8、第九电阻R9和第十电阻R10，其中：
所述第三振荡器f3的第一端，与所述第五电容C5的第一端相连；所述第三振荡器f3的第二端，与所述第六电阻R6的第二端相连，与所述第六电容C6的第二端相连，与所述第七电阻R7的第二端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第四振荡器f4的第一端，与所述第七电容C7的第一端相连；所述第四振荡器f4的第二端，与所述第五电容C5的第二端相连，与所述第六电阻R6的第一端相连，与所述第二二极管D2的输出端相连，与所述第八电阻R8的第二端相连，与所述电池片B的第一端相连；
所述第五电容C5的第二端，与所述第六电阻R6的第一端相连，与所述第二二极管D2的输出端相连，与所述第八电阻R8的第二端相连，与所述电池片B的第一端相连；
所述第六电阻R6的第一端，与所述第二二极管D2的输出端相连，与所述第八电阻R8的第二端相连，与所述电池片B的第一端相连；所述第六电阻R6的第二端，与所述第六电容C6的第二端相连，与所述第七电阻R7的第二端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第六电容C6的第一端，与所述第二二极管D2的输入端相连，与所述第七电阻R7的第一端相连；所述第六电容C6的第二端，与所述第七电阻R7的第二端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第七电阻R7的第一端，与所述第二二极管D2的输入端相连；所述第七电阻R7的第二端，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第二二极管D2的输出端，与所述第八电阻R8的第二端相连，与所述电池片B的第一端相连；
所述电池片B的第一端，与所述第八电阻R8的第二端相连；所述电池片B的第二端，与第八电容C8的第二端相连，与所述太阳能电池的第一输出端相连；
所述第七电容C7的第二端，与所述第八电阻R8的第一端相连，与所述第二放大器E2的正极输入端相连；
所述第八电阻R8的第一端，与所述第二放大器E2的正极输入端相连；
所述第二放大器E2的负极输入端，与所述第九电阻R9的第一端相连；所述第二放大器E2的输出端，与所述第九电阻R9的第二端相连，与第十电阻R10的第一端相连；
所述第九电阻R9的第二端，与所述第十电阻R10的第一端相连；
所述第十电阻R10的第二端，与所述第八电容C8的第一端相连；
所述第八电容C8的第二端，与所述太阳能电池的第一输出端相连。
由图4E所示，偏置电路220与电池片210的连接方式为串联与并联相结合的方式。在本实用新型实施例中，串联偏置电路和并联偏置电路的频率相同。
例如，在基于图4E太阳能电池的电路图的基础上，使用电池片面积为244.17cm2的n型单晶硅电池片做实验，具体的单晶硅电池片的参数如下表三所示：
表三
Eff(％) Pm(W) Umpp(V) Impp(A) Voc(V) Isc(A) FF(％)
20.60％ 5.03 0.5579 9.022 0.6501 9.638 80.32
设定f3＝1MHz，电池片210最大和最小输出电压分别设定为Vmax＝0.76V、Vmin＝0.15V，α＝1％，反向脉冲电压的脉冲宽度设定为t2＝1ns，且电路中t2与Vmin的发生时间同步。经过计算，基于图4E所示的电路图，电池片210的转换效率可以达到47％。由于考虑到偏置电路220本身的功耗，因此最终太阳能电池的综合效率CCE可以高达45％。
需要说明的是，本实用新型实施例提供的偏置电路220与电池片210相连的串联电路、偏置电路220与电池片210相连的并联电路以及偏置电路220使用串联与并联相结合的方式与电池片210相连的电路图仅仅为本实用新型实施例中的示例。只要能满足偏置电路220对电池片210起到输出特征电压信号的作用，偏置电路220与电池片210的相连方式并不作限定，且偏置电路220中内部的分立元器件种类、个数以及连接方式均不作限定。
本实用新型实施例通过对偏置电路进行细化，实现了偏置电路为电池片提供特征电压信号的过程。
实施例四
在上述实施例的基础上，还包括：第二整形模块，与所述电池片210以及所述偏置电路220相连，用于将所述太阳能电池输出的高频交流功率信号整合为被后续电气设备所兼容的整合功率信号，其中，所述整合功率信号为直流功率信号或者工频的正弦波交流功率信号。
具体的，由于基于偏置电路220的太阳能电池的输出功率(输出电压以及输出电流)都是随时间交变的交变值，交变频率较高(如对于晶硅太阳能电池，其频率f＝1/T1＝1MH或者f＝1/T2＝10MHz)，因此，交变功率需要进行处理才能输出给后续逆变器等电气设备，该处理方式则为设置第二整形模块。其中，第二整形模块可以把太阳能电池输出的高频交变的功率信号处理为被后续电气设备所兼容的整合功率信号，即将太阳能电池输出的高频交变的功率信号转换为符合电气设备规格的功率信号，例如可以转换为电气设备能够输入的低频直流功率信号等。更为具体的，该整合功率信号可以为直流功率信号，也可以处理为工频的正弦波交流输出功率信号等。
需要说明的是，第二整形模块可以集成在偏置电路220内部，也可以作为独立的模块存在于偏置电路220外部，其形态不作限定，如图5A与图5B所示。图5A为第二整形模块530作为独立模块设置在偏置电路220外部；图5B为第二整形模块530集成于偏置电路220中。其中，第二整形模块530的具体电路，同样可以由电阻、电容、二极管以及放大器等分立元器件中的一种或者多种器件组成，不再赘述。
以图4B中所示的串联偏置电路为例，第二整形模块的设置位置可以如图5C或者如图5D所示。其中，在图5C与图5D的太阳能电池的电路图中，G为第二整形模块530。通过第二整形模块G，使得偏置电路220为电池片210提供的特征电压信号更加平稳。
例如，基于图5D的太阳能电池的电路图为例，电池片面积为244.2cm2的p型单晶硅电池片的参数如下表四所示：
表四
Eff(％) Pm(W) Umpp(V) Impp(A) Voc(V) Isc(A) FF(％)
19.90％ 4.86 0.551 8.824 0.65 9.334 80.14
其中，Eff为光电转换效率；Pm为输出功率等。p型晶硅电池片在基于表四的参数以及使用如图5D所示的串联偏置电路220前提下，选择f1＝1MHz，α＝1％，Vmin＝0.2V，Vmax＝0.7V。经过计算，电池片210的转换效率可以达到40％。由于考虑到偏置电路220本身的功耗，因此最终太阳能电池的综合效率CCE可以高达38.9％。
本实用新型实施例通过为太阳能电池增加第二整形模块，优化了太阳能电池的电路，使得偏置电路为电池片提供的特征电压信号更加平稳。
实施例五
图6A为本实用新型实施例提供了一种太阳能电池组件600，包括：实施例一至实施例四中的所述太阳能电池(包含电池片210与偏置电路220)以及接线盒610；
图6B为本实施例的另一种连接方式，偏置电路220通过太阳能电池组件的接线盒610再连接到太阳能电池组件内部的电池片210上。
所述接线盒610，包含所述太阳能电池中电池片210的电极汇总的汇流条，用于引出所述太阳能电池的总输出电压和总输出电流。
其中，太阳能电池组件600由相互连接的电池片、封装材料、以及保护材料等封装而成，用于保护电池片210以及防止被腐蚀。接线盒610设置于太阳能电池组件600的外部，包含电池片210的电极引出汇总的汇流条，将汇流条与接线盒610外部引线相连接用于引出太阳能电池的总输出电压和总输出电流。
在常规的太阳能电池组件600过程中，互连条用于连接多个电池片210的电极并形成电池串，以收集电池片210上的光生电流；汇流条用于汇集各电池串上的电流和电压并连接到接线盒内，用于输送出收集的所有光生电流(总输出电流)以及总输出电压。由于电池片210封装成太阳能电池组件600的技术非常成熟，在此不再赘述。
在本实用新型实施例中，所述太阳能电池中的偏置电路220镶嵌在多个电池片210之间，直接与所述电池片210电连接；或者，所述偏置电路220内嵌于所述接线盒610内部，通过接线盒内部的汇流条与太阳能电池组件内部的各个电池片210电连接；或者，所述偏置电路220粘结在所述太阳能电池组件600的外表面，与所述接线盒610的电极引线电连接。
可选的，偏置电路220与电池片210的电连接方式可以为偏置电路220设置在太阳能电池组件600内部，使用焊接的方式与电池片210上的焊带直接电连接，镶嵌在多个电池片210之间。并且，偏置电路220与电池片210一一对应。例如，若太阳能电池组件600包含60个电池片210，则有60个偏置电路220与之电连接。为了节约成本，可以将一个偏置电路220集成于一个CMOS芯片，再将四个包含偏置电路220的CMOS芯片集成于一个芯片中，且设置于四个电池片210的顶点之间，如图6C所示。在图6C中，600为太阳能电池组件实体示意图，620为包含四个偏置电路220的芯片。基于图4E的太阳能电池的电路图，由于CMOS芯片的功耗较低，可以大致估算为：Ps＝250mW，Pp＝50mW，一个电池片的面积约为243.36cm2，所以PL＝1000W/m2×243.36cm2＝24.336W；另外，如前所述，偏置电路220可以使电池片210的光电转换效率突破SQ模型的限制达到47％。所以得出：
CCE＝47％-(250mW+50mW)/24.336W＝45.77％
考虑该电路还可能存在着一些其它损耗(比如连接电池片210和偏置电路220的导线损耗)，最终，本实用新型实施例提出的技术方案可以使太阳能电池的综合光电转换效率高达45％。
从成本的角度考虑图6C所示的电池片210与偏置电路220的电连接方式，由于本实用新型实施例中涉及的电路都是常规电路，包含的器件数量少，因此可以使用最成熟的0.3μm或者0.18μm的CMOS工艺制备。这种简单芯片的总成本(芯片+芯片封装)大约为2元/片，而且大量生产时还可以使成本更低。折合到每个电池片210的成本约为0.5元/片。而增加这样的芯片之后，每个电池片210的效率从原来的19.9％提升到45％，功率从原来的4.86W提升到10.99W，功率提升了6.13W，因此偏置电路220的成本为0.5元/6.13W＝0.0815元/W。考虑到目前单晶太阳能电池片210的成本约为1.9元/W，使用本实用新型的技术方案后，电池片210的成本变为(4.86×1.9+0.5)/10.99＝0.886元/W，成本下降了53.37％。
可选的，偏置电路220与电池片210的电连接方式可以与太阳能电池组件600外部的接线盒610的引线电连接，通过接线盒610中的总焊线，可以使得一个偏置电路220提供给太阳能电池组件600中的所有电池片210特征电压信号，如图6D所示，610为接线盒(JBOX)。
例如，太阳能电池组件600包含60片光电转换效率为19.9％的156mm×156mm电池片210。未增加偏置电路220的太阳能电池组件600的功率为285瓦，组件的面积为1650mm×992mm＝1.6368m2，组件全面积光电转换效率为17.41％。在太阳能电池组件600外部增加一个偏置电路220(内含串联偏置电路和第二整形模块530的组合电路)，粗略评估其功耗为5瓦；增加偏置电路220后的之后电池片210的光电转换效率可达到47％，对应每一片电池片210的功率变为11.47瓦，假设太阳能电池组件600封装损失为3％，则没有考虑偏置电路220功耗之前太阳能电池组件600输出功率变为683瓦。考虑到偏置电路220有5瓦的损耗，则太阳能电池组件600输出功率为683瓦，其全面积光电转换效率CCEmodule为：
CCEmodule＝683/(1.6368m2×1000W/m-2)＝41.73％
因此，本实用新型可以使太阳能电池组件600的光电转换效率提升到41％以上。
需要说明的是，偏置电路220还可以内嵌于接线盒610内部，与接线盒610的总焊带电连接，原理与接线盒610的外部引线电连接的原理相同，不再赘述。
从成本的角度考虑图6C所示的电池片210与偏置电路220的电连接方式，偏置电路220可以为IC与分立元器件组成的电路。该电路集中大规模量产的成本约为40元，加上盒体和封装，总成本约为50元。由于增加偏置电路220后，太阳能电池组件600的效率从原来的19.9％提升到45％，功率从原来的285W提升到683W，功率提升了378W，因此偏置电路220的成本为50元/378W＝0.132元/W。考虑到目前太阳能电池组件600的成本约为2.9元/W，使用本实用新型中的技术方案后后，太阳能电池组件600的成本变为(285×2.9+50)/683＝1.283元/W，成本反而下降了55.75％。
例如，本实用新型实施例提供一个太阳能电池组件600，包含60片p型单晶硅电池片210，基于偏置电路220设置于太阳能电池组件600外表面，与接线盒610的引线电连接，使用下表五的太阳能电池组件参数做实验：
表五
Eff(％) Pm(W) Umpp(V) Impp(A) Voc(V) Isc(A) FF(％)
17.43 285 32.36 8.81 39.26 9.33 77.83
其中，表五提供的太阳能电池组件600的面积为1.650*0.992＝1.6368m2。偏置电路220采用与电池片210串联连接的方式，可以放置在一个密封和散热良好的盒体之内，并通过接线盒610与太阳能电池组件600内部的电池片210电连接。该电路产生一个频率f4＝1MHz，α＝1％的交变信号，电压的最大值和最小值分别为Vmax＝45V和Vmin＝10V。经过计算，增加偏置电路220后的太阳能电池组件600的光电转换效率可以提高到40.8％。另外，考虑到偏置电路220本身的功耗，最终太阳能电池组件600的综合效率CCEmodule可以达到39.58％。
本实用新型实施例提供了一种太阳能电池组件，通过偏置电路与太阳能电池组件的实际结合，以及考虑增加偏置电路的成本，实现了低成本且大幅提高太阳能电池组件的光电转换效率。
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
电池片，与偏置电路通过所述电池片的电极相连，用于将光能转化为电能，并为偏置电路提供电源电压；
所述偏置电路，用于周期性调节所述电池片的内建电场，其中，所述偏置电路与所述电池片电连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述偏置电路通过向所述电池片输入特征电压信号调节所述电池片的内建电场，其中，所述特征电压信号为周期性交变信号，且所述周期性交变信号的周期小于所述电池片中的载流子寿命，所述周期性交变信号的占空比的取值与所述载流子的运动速度和所述电池片的输出电压有关。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述特征电压信号为反向脉冲电压信号和/或正向脉冲电压信号。
4.根据权利要求2或3所述的太阳能电池，其特征在于，所述偏置电路包括振荡模块与第一整形模块，且所述振荡模块与所述第一整形模块相连；
其中，所述振荡模块，用于向所述第一整形模块输入振荡信号；
所述第一整形模块，用于对所述振荡模块输出的振荡信号进行整形处理，形成所述周期性交变信号。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，
所述振荡模块包括第一振荡器、第一电容和第一电阻，所述第一整形模块包括第二电阻、第二电容和第一二极管，其中：
所述第一振荡器的第一端，与所述第一电容的第一端相连；所述第一振荡器的第二端，与所述第一电阻的第二端相连，与所述第一二极管的输入端相连，与所述太阳能电池的第一输出端相连；
所述第一电容的第二端，与所述第一电阻的第一端相连，与第二电阻的第一端相连，与所述第二电容的第一端相连，与所述电池片的第一端相连；
所述第一电阻的第一端，与所述第二电阻的第一端相连，与所述第二电容的第一端相连，与所述电池片的第一端相连；所述第一电阻的第二端，与所述第一二极管的输入端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第二电阻的第一端，与所述第二电容的第一端相连，与所述电池片的第一端相连；所述第二电阻的第二端，与所述第一二极管的输出端相连，与所述第二电容的第二端相连；
所述第二电容的第一端，与所述电池片的第一端相连；所述第二电容的第二端，与所述第一二极管的输出端相连；
所述第一二极管的输入端，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述电池片的第二端，与所述太阳能电池的第一输出端相连。
6.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，
所述振荡模块包括第二振荡器、第三电容和第三电阻，所述第一整形模块包括第一放大器、第四电阻、第五电阻和第四电容，其中：
所述第二振荡器的第一端，与所述第三电容的第一端相连；所述第二振荡器的第二端，与所述第三电阻的第二端相连，与所述电池片的第二端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第三电容的第二端，与所述第三电阻的第一端相连，与所述第一放大器的正极输入端相连；
所述第三电阻的第一端，与所述第一放大器的正极输入端相连；所述第三电阻的第二端，与所述电池片的第二端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第一放大器的负极输入端，与所述第四电阻的第一端相连；所述第一放大器的输出端，与所述第四电阻的第二端相连，与所述第五电阻的第一端相连；
所述第四电阻的第二端，与所述第五电阻的第一端相连；
所述第五电阻的第二端，与所述第四电容的第一端相连；
所述第四电容的第二端，与所述电池片的第一端相连，与所述太阳能电池的第一输出端相连；
所述电池片的第一端，与所述太阳能电池的第一输出端相连；所述电池片的第二端，与所述太阳能电池的第二输出端相连。
7.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，
所述振荡模块包括第三振荡器、第四振荡器、第五电容、第六电阻、第七电容和第八电阻；所述第一整形模块包括第二放大器、第六电容、第七电阻、第二二极管、第八电容、第九电阻和第十电阻，其中：
所述第三振荡器的第一端，与所述第五电容的第一端相连；所述第三振荡器的第二端，与所述第六电阻的第二端相连，与所述第六电容的第二端相连，与所述第七电阻的第二端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第四振荡器的第一端，与所述第七电容的第一端相连；所述第四振荡器的第二端，与所述第五电容的第二端相连，与所述第六电阻的第一端相连，与所述第二二极管的输出端相连，与所述第八电阻的第二端相连，与所述电池片的第一端相连；
所述第五电容的第二端，与所述第六电阻的第一端相连，与所述第二二极管的输出端相连，与所述第八电阻的第二端相连，与所述电池片的第一端相连；
所述第六电阻的第一端，与所述第二二极管的输出端相连，与所述第八电阻的第二端相连，与所述电池片的第一端相连；所述第六电阻的第二端，与所述第六电容的第二端相连，与所述第七电阻的第二端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第六电容的第一端，与所述第二二极管的输入端相连，与所述第七电阻的第一端相连；所述第六电容的第二端，与所述第七电阻的第二端相连，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第七电阻的第一端，与所述第二二极管的输入端相连；所述第七电阻的第二端，与所述太阳能电池的第二输出端相连；
所述第二二极管的输出端，与所述第八电阻的第二端相连，与所述电池片的第一端相连；
所述电池片的第一端，与所述第八电阻的第二端相连；所述电池片的第二端，与第八电容的第二端相连，与所述太阳能电池的第一输出端相连；
所述第七电容的第二端，与所述第八电阻的第一端相连，与所述第二放大器的正极输入端相连；
所述第八电阻的第一端，与所述第二放大器的正极输入端相连；
所述第二放大器的负极输入端，与所述第九电阻的第一端相连；所述第二放大器的输出端，与所述第九电阻的第二端相连，与第十电阻的第一端相连；
所述第九电阻的第二端，与所述第十电阻的第一端相连；
所述第十电阻的第二端，与所述第八电容的第一端相连；
所述第八电容的第二端，与所述太阳能电池的第一输出端相连。
8.权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，还包括：
第二整形模块，与所述电池片以及所述偏置电路相连，用于将所述太阳能电池输出的高频交流功率信号整合为被后续电气设备所兼容的整合功率信号，其中，所述整合功率信号为直流功率信号或者工频的正弦波交流功率信号。
9.一种太阳能电池组件，其特征在于，包括：权利要求1-8任一项所述的太阳能电池以及接线盒；
所述接线盒，包含所述太阳能电池中电池片的电极汇总的汇流条，用于引出所述太阳能电池的总输出电压和总输出电流。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池组件，其特征在于，所述太阳能电池中的偏置电路镶嵌在多个电池片之间，直接与所述电池片电连接；
或者，所述偏置电路内嵌于所述接线盒内部，与所述接线盒的汇流条电连接；
或者，所述偏置电路粘结在所述太阳能电池组件的外表面，与所述接线盒的引线电连接。
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