作为太阳能利用的主要技术手段之一,太阳能光伏技术在过去的数十年间取得了迅速的发展,国内外的研究者们为了提高器件效率和降低系统成本进行了大量的研究工作。作为太阳能光伏利用的最主要器件,太阳能光伏电池在工作过程中,只能将少部分的入射太阳能转换为可直接利用的电能,而损失的大部分能量都成为了设备的废热并导致了电池的温升,电池温度的升高又会加剧部分损耗过程,进一步降低电池的效率。同时,由于光照不均匀或电池存在内部缺陷等原因,又会在电池内部出现不均匀的损耗产热分布,给光伏系统的运行带来更多的风险。可以说,太阳能电池的能量损耗及升温问题不仅对电池的电学输出性能造成了不利影响,更严重威胁到光伏系统的稳定性。因此在太阳能电池的光电能量转换过程中,能量损耗过程的研究便显得尤为重要。本文从光伏电池中能量转换和损耗机理出发,结合载流子的产生、复合与输运机制,耦合分析了太阳能光伏电池中光的吸收、电的转换和热的产生这三大过程,对太阳能光伏电池中的损耗产热过程以及该过程给电池带来的影响展开研究。具体研究内容包括:1.单结光伏电池能量损耗机理分析基于改进后的单结太阳能电池能量转换和损耗产热模型,定量分析了太阳能电池内部包括禁带损耗、热化损耗、角失配损耗和非辐射复合损耗等损耗过程在内的全损耗过程,系统分析了各损耗过程对太阳能电池性能及自加热现象的影响,找出了限制电池效率进一步提升的关键损耗过程。通过耦合分析损耗过程与电池电学性能间的相互作用,讨论了电池的自加热现象对各能量损耗过程和电池输出性能的影响,揭示了自加热现象给光伏电池带来的巨大效率损失。根据各损耗过程的不同产生机理,总结出了单结太阳能电池中各损耗过程的抑制方法,对提高单结太阳能电池的能量转换效率有很好的指导作用。2.多结光伏电池能量损耗过程分析在对单结太阳能电池中能量损耗过程分析的基础上,基于多结太阳能电池的能量转换和损耗产热模型,对单结太阳能电池中的主要损耗过程进行了有效的抑制。单结太阳能电池中难以降低的禁带损耗和热化损耗过程,在双带隙和三带隙结构的多结太阳能电池中得到了很好的控制,从而极大的提高了电池的最终能量转换效率。在对单结和多结太阳能电池的温度耦合分析中,也证明了多结太阳能电池相对单结太阳能电池具有更大的实用优势。3.光伏电池热点现象多尺度理论预测通过建立微结构表面电池的光-电-热耦合模型,对微结构表面电池的能量损耗过程进行了定量计算,并得到了微结构表面电池损耗产热的体热源分布,基于该体热源分布,对微结构表面电池的瞬态温升过程进行了模拟,从理论的角度揭示了微观尺度下光伏电池中微弱的局部热点现象。以微结构表面电池的体热源分布为基础,进一步研究了宏观尺度下电池表面的热点现象,成功在聚光太阳能光伏电池模型中发现了显著的热点,并分析了环境原因对电池的热点造成的影响,理论预测了热点现象可能给电池带来的巨大危害。4.光伏电池热点现象实验与分析针对理论预测的太阳能电池的小尺度热点现象,结合导致该小尺度热点现象的相关机理,设计并搭建了太阳能电池热点现象探究实验系统。以氙灯为太阳光模拟光源,通过菲涅耳透镜聚光和电池表面遮挡等方式模拟太阳能光伏电池在实际运行环境中可能遭受的异常影响,成功在电池表面检测到了小尺度热点现象,验证了对热点现象的理论预测。通过红外热像仪对电池表面温度的拍摄和直流电子负载对电池电学性能的测试与记录,揭示了热点的形成过程,分析了热点现象对电池电学输出性能的影响,指明了小尺度热点有可能会给电池的电学输出甚至是给光伏组件运行带来的危害。结合热点的不同的形成机制,也有针对性的给出了对热点的预防与消除方法。