高效太阳能电池前景展望毕业论文

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院 系：光伏材料系
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0: 业: 高效太阳能电池前景展望 光伏加工融用技术
日 期: 2012年4月11日
为了应对能源危机和环境污染，新能源已是全球关注的焦点，太阳能因其清洁环保尤其备受关注。

近儿年太阳能电池产业以平均年增长率为30%的速度飞速发展。

摆在人们面前的课题是如何进一步提高转换效率、降低成本使太阳能电池的成本降低到与常规能源发电相当的水平。

近儿年，我国太阳能光伏产业以倍增速度快速发展，一举成为全球最大的太阳能电池生产国。

然而就U前我国的太阳能应用市场发展明显滞后国外，影响太阳能电池推广应用除了政策的原因外，主要是因为它的成本太髙。

因此，进一步降低制造成本是太阳能电池得以大规模应用的关键。

业内人七表示,提高太阳能电池转换效率是降低成本的有效途径之一, 据了解，转换效率提高1%,成本会降低7%。

综上所诉提高太阳能电池效率是光伏行业迅速取代传统能源的必胜法宝，因此本文从太阳能电池的种类、制造丄艺、光伏发电中能量损失分析提升效率途径和将来的发展方向。

也从材料的微观结构入手论述了材料的光生载流子复合寿
p-n结数U、温度和光强等因素对光生伏特效应的影响，从而为提高太阳能
命、
电池光电转换效率提供可行的理论依据。

本文根据对近儿年光伏材料的发展和重要性作出分析和研究，并对高效太阳能电池的主要发展方向进行研究，指导我们将来在研究中应从事的方向。

关键词：太阳能电池高效电池转换效率叠层电池聚光太阳能电池
绪论.......................................
1.晶体硅太阳能电池的发展及其前景展望 .......
2.太阳能电池分类介绍及其应用现状...........
2.1硅太阳电池..........................
2.2多元化合物薄膜太阳能电池............
2.3聚合物多层修饰电极型太阳能电池......
2.4纳米晶体太阳能电池..................
2.5有机太阳能电池......................
3.制约高效太阳能电池发展的因素.............
3.1光伏发电中的能量损失分析............
3.2影响太阳能电池效率的因素............
33结论................................
4.高效叠层太阳能电池的前景展望.............
4.1叠层太阳能电池优势介绍..............
4.2叠层太阳能电池的原理................
4.3制备方法............................
4.4叠层太阳能电池分类介绍..............
4.4.1多元化合物层叠太阳能电池......
4.4.2非晶硅层叠太阳能电池..........
4.4.3染料敏化层叠太阳能电池........
4.5高效叠层太阳能电池总结和展望........
5.高效聚光型太阳能系统(CPV)前景展望
5.1聚光型太阳能系统(CPV)原理及其构造
5.2聚光型太阳能系统配置要求分析........
5.3高效聚光太阳能电池的前景展望........ 6•高效太阳能电池总结及展望.................. 参考文献.................................... 致谢....................................... ,•2
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人类社会进入21世纪，正面临着化石燃料短缺和生态环境污染的严重局面。

大力发展可再生能源，走可持续发展的道路，已逐渐成为人们的共识。

根据世界能源发展的走势预测，石油，天然气和煤炭等化石燃料资源的开采峰值在2020 年一2030年之间，据乐观估计石油还可开采40—100年、煤炭可使用200—500 年.铀还可开采65年左右、天然气能满足58年的需求。

人们对安全、清洁、高效能源的需求日益增加。

为此，越来越多的国家开始实行“阳光计划”开发太阳能资源寻求经济发展的新动力。

我国76%的国土光照充沛，光能资源分布较为均匀，与水电、风电、核电等相比太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可需。

作为清洁能源的太阳能其发展瓶颈就是如何降低成本提高效率，为了提高太阳能的转换效率，满足人类的能源供应，世界各国在研究太阳能光伏系统中都投入了大量的人力与物力。

我国对太阳能光伏发电的研究尚处于世界初级水平，产品的性能还有待提高，为迎接未来能源短缺带来的严峻挑战，我们应该加大对太阳能光伏系统的研究，以满足人类未来对能源的需求。

本文从理论出发，阐述了太阳能光伏电池的发电原理及其分类，通过分析影响太阳能电池效率各因素结合科研实际，简单阐提高述硅太阳能电池的转换效率的有效途径。

对未来太阳能电池发展方向进行分析展望，为将来太阳能电池产业化大众化奠定基础。

1•晶体硅太阳能电池的发展及其前景展望
晶体硅太阳能电池的发展可划分为三个阶段（如图1所示人每一阶段效率 的提升都是因为新技术的引入。

1954年贝尔实验室Chapin 等人开发出效率为6%的单晶硅太阳能电池到1960年
为第一发展阶段，导致效率提升的主要技术是硅材料的制备丄艺日趋完善、硅材 料的质量不断提高使得电池效率稳步上升，这一期间电池效率在15%。

1972年到
1985年是第二个发展阶段，背电场电池（BSF ）技术、“浅结”结构、绒面技术、 密栅金属化是这一阶段的代表技术，电池效率提高到17亂电池成本大幅度下降。

1985年后是电池发展的第三阶段，光伏科学家探索了各种各样的电池新技术、 金属化材料和结构来改进电池性能提高其光电转换效率，表面与体钝化技术、 A1/P 吸朵技术、选择性发射区技术、双层减反射膜技术等。

许多新结构新技术 的电池在此阶段相继出现，如效率达24. 4%钝化发射极和背面点接触（PERL ）电 池。

U 前相当多的技术、材料和设备正在逐渐突破实验室的限制而应用到产业化 生产当中来。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代 部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

预计到2030年，可再生能源 在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占 比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能 光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占 到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。

这些数字足以显示出太阳能光伏产 业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

山此可以看出，太阳能电池市场 前景广阔。

图1电池效率发展路程图
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2•太阳能电池分类介绍及其应用现状
太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶体太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是U前发展最成熟的在应用中居主导地位。

2.1硅太阳电池
太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高，在实验室里最高的转换效率为24. 7%,
规模生产时的效率为15%。

在大规模应用和丄业生产中仍占据主导地位，但是唯一缺点是单晶硅成本价格较高。

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。

因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。

但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

2. 2多元化合物薄膜太阳能电池
多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括神化稼HIT族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。

2. 3聚合物多层修饰电极型太阳能电池
以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。

山于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛9成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。

但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。

能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。

2.4纳米晶体太阳能电池
纳米晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及
稳定的性能。

其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的
1/5-1/10.寿命能达到20年以上。

但山于此类电池的研究和开发刚刚起步，估
计不久的将来会逐步走上市场。

2. 5有机太阳能电池
有机太阳能电池是山有机材料构成核心部分的太阳能电池。

大家对有机太阳能电池不熟悉，这是悄理中的事。

如今产业化的太阳能电池里9 95%以上是硅基
的，而剩下的不到5%也是山其它无机材料制成的。

所以有机材料电池尚处于研究阶段。

3•制约高效太阳能电池发展的因素
现在光伏市场快速增长，光伏行业前•途变得更加明朗，因此更多的注意电池制造的整体经济性变得更加重要。

众所周知，制约太阳能电池光电转换效率的因素有好多，本节就从如下儿个方面浅谈影响太阳能光伏效应效率的因素以及太阳能发电中能量损失分析，概括总结以便于接下来进一步研究高效太阳能电池的前景展望方向。

3.1光伏发电中的能量损失分析
光可分为不同波长，山于射到电池的光的光子能量范圉很广，因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对，它们只是穿过电池，但其他一些光子的能量
却很强。

只有达到一定的能量一-单位为电子伏特（eV）,由电池材料（对于晶体硅，约为l.leV）决定一一才能使电子逸出。

我们将这个能量值称为材料的带隙能量。

如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉（除非光子的能量是所需能量的两倍，并且可以创建多组电子空穴对，但这种效应并不重要）。

仅这两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失。

为何我们不选择一种带隙很低的材料，以便利用更多的光子？遗憾的是，带隙还决定了电场强度（电圧）, 如果带隙过低，那么在增大电流（通过吸收更多电子）的同时，也会损失一定的电圧。

请记住，功率是电压和电流的乘积。

最优带隙能量必须能平衡这两种效应, 对于山单一材料制成的电池，这个值约为1.4evo
此外还有其他能量损失。

电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。

我们可以在电池底部镀上一层金属，以保证良好的导电性。

但如果我们将电池顶部完全镀上金属，光子将无法穿过不透光导体，这样就会丧失所有电流（在某些电池中，只有上表面而非所有位置使用了透明导体）。

如果我们只在电池的两侧设置触点，则电子需要经过很长一段距离（对于电子而言）才能抵达接触点。

要知道，硅是半导体，它传输电流的性能没有金属那么好。

它的内部电阻（称为审联电阻）相当高，而高电阻意味着高损耗。

为了最大限度地降低这些损耗，电池上覆有金属接触网，它可缩短电子移动的距离，同时只
覆盖电池表面的一小部分。

即使是这样，有些光子也会被网格阻止，网格不能太小，否则它自身的电阻就会过高。

3.2影响太阳能电池效率的因素
（1）材料能带宽度
开路电压Voc随能带宽度eg的增大而增大，但另一方面，短路电流密度JSC 随能带宽度eg的增大而减小。

结果是可期望在某一个确定的eg处出现太阳电池效率的峰值。

（2）温度
随温度的增加，效率n下降。

isc对温度t很敬感，温度还对VOC起主要作用。

对于si,温度每增加1°C, voc下降室温值的0.4%, a也因而降低约同
样的白分数。

例如，一个硅电池在20°C时的效率为20%,当温度升到i2（rc时, 效率仅为12%。

乂如gaas电池，温度每升高rC, Voc降低1. 7mv或降低0. 2%。

即温度高了，电池的开路电压与电流都会降低，即电池的转换效率会降低。

(3)光生载流子复合寿命
对于太阳电池的半导体而言，光生载流子的复合寿命越长，短路电流Isc 会越大。

在间接带隙半导体材料如si中，距离p-n结100 urn处也能产生相当多
的载流子，如果这些位置的光生载流子寿命能大于1US,就可以被p-n结收集, 从而输送到外电路。

载流子的长寿命也会减小暗电流并增大VOC。

达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。

(4)光强
将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。

设想光强被浓缩了X倍，单位电池面积的输入功率和isc都将增加X倍，同时VOC
也随着增加(kt / q) Inx倍。

因而输出功率的增加将大大超过X倍，而且聚光的
结果也使转换效率提高了。

(5)金属栅线和光反射
在前表面上的金属栅线不能透过阳光，为了使isc最大，金属栅线占有的面积应最小。

为了使rs减小，一般是使金属栅线做成乂密乂细的形状。

因为有太阳光反射的存在，不是全部光线都能进入硅中。

(6)增加p-n结数U
开路电压V0随反向饱和电流10的减小而增大9而Eg的增大使10迅速减小, 所以V0随Eg的增加而增加。

Eg的增加，太阳光中能量大于Eg的光子数减少, 所以闭路电流Is减小，则一定存在着一个最佳的Eg使得能ft转换效率最高。

增加p-n结数U相当于电池的串联，多层p-n结电池各层材料应使其各自不同的
禁带宽度匹配可见光中不同的频段，增大了电池对光子的响应范圉，形成更多的电子空
穴对，增加了电池效率。

3. 3结论
经过以上所述分析，通过改善如下儿个途径可以提高太阳能电池的光电转换效率。

(1)增加p-n结数U、将太阳光聚焦于太阳电池均有助于提高电池效率。

<2）金属栅线和光反射、温度、光生载流子复合寿命、材料能带宽度等各项技
术合理控制可以提高太阳能电池的效率。

接下来我们主要从增加p-n结数和将太阳光聚焦于太阳电池这两个方面来对高效太阳能电池发展进行分析展望，以便指导未来高效太阳能电池研究工作方向。

4 •高效叠层太阳能电池的前景展望
如上所诉影响高效太阳能电池的发展的因素有好多，但是如果单一的改善金属栅线减少光反射、光生载流子复合寿命等因素提高效率潜力有限，故而U前单结太阳能电池效率有限。

要使效率实质的改进，需要有突破，为此我们研究了两结和三结叠层结构，即将具有不同光吸收特性的多个电池叠在一起。

这一方法可以在现有材料和丄艺条件下过的更好的特性。

多层结构的有点在于：1）有可能在很宽的光谱范W分别吸收光，能更有效地利用光；2）有可能得到更高的开路电压：3）有可能在某种程度上抑制山在用非晶硅基材料时观察到的光退化现象引起的电池性能的衰退。

4.1叠层太阳能电池优势介绍
一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。

带隙较高的材料放在表面，吸收较高能量的光子；而带隙较低的材料放在下方，吸收较低能量的光子。

这项技术可大大提高效率。

叠层太阳能电池结构可以拓宽吸收光谱，最大限度地将光能变成电能，提高•了太阳能电池的能量转换效率，这类太阳能电池是U前研究的热点。

4. 2叠层太阳能电池的原理
山于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子。

太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。

这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能。

因此对于单结太阳能电池, 即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右。

太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料
做成电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的
宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，这就有可
能最大限度地将光能变成电能，这样结构的电池就是叠层太阳能电池。

4. 3制备方法
叠层太阳能电池可以通过机械堆叠法来制备，先制备出两个独立的太阳能电池，一
个是高带宽的，一个则是低带宽的，然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面。

黄素梅、孙卓等发明了一种高效叠层太阳能电池的制备方法，顶层和底层共用同一块玻璃基板，从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极，构成4个终端结构的
叠层太阳能电池。

实现对太阳能电池的最佳匹配，极大地提高太阳能电池的光电转换效率，提高太阳能电池的质量和性能。

4.4叠层太阳能电池分类介绍
441多元化合物层叠太阳能电池
多元化合物太阳能电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳能电池。

现在各国研究的多元化合物太阳能电池品种繁多，但绝大多数尚未丄业化生产。

半导体化合物GaAs, CdTe, Cu(In, Ga)Se2(CIGS)的禁带宽度接近于光伏电池所要
求的最佳禁带宽度，它们具有高的光电转化效率，乂有较低的制作成本，可以用来制造
薄膜叠层太阳能电池。

442非晶硅层叠太阳能电池
在硅系列电池中，非晶硅(a-Si)对阳光的吸收系数最高，活性层只需要1
um疗，材料的需求大大减少。

但是也有不少缺点：随光照时间增加效率反而衰
退；禁带宽度为1.7 eV,对氏波区域不敏感。

研究证实，叠层太阳能电池可有
效提高非晶硅的稳定性，使室外阳光下照射1年的效率衰退率从单结的25%—35%
下降到20%以下。

443染料敏化层叠太阳能电池
染料敏化叠层太阳能电池山两个光电池组成，前面的电池吸收太阳光中的高能紫外
和蓝光，利用纳米晶金属氧化物薄膜来产生电子一空穴对。

波长在绿光到红光之间的光被Grtzel敏化二氧化钛电池吸收，这两个电池连接起来提供电
fko染料敬化太阳能电池的能量转换效率主要与敏化剂吸收太阳光谱的能力有
关，为了提高光谱效应，在电池的两个不同层上用不同的敬化剂染料。

叠层式染料敏化太阳能电池其特征在于，顶部的电池与底部的电池的光阳极分别吸附具有相同结构或不同结构，不同光谱响应范圉且有互补性质的染料；两个太阳能电池的光阳极结构为在基板上载有一层导电膜和半导体薄膜及染料，对向电极为带有导电性的基板，在两个电极之间介入电解质。

4. 5高效叠层太阳能电池总结和展望
叠层太阳能电池的设计难题在于要寻找两种晶格匹配良好的半导体晶体，其禁带宽度将引起高效率的能量转换。

此外，在理想的悄况下，电池导带的最上层应该有与底层价带大约相同的能量，这使得顶端半导体的电子被太阳光激发后能够很容易的从导带进入底部半导体晶格的孔（价带），电子在价带上乂被不同波长的太阳光激发。

这样一来，两部分的电池一起丄作，像两个审连的蒂电池，并且总功率与两个电池的功率总和相等。

但是，如果在接合处价带和导带没有被正确的匹配，当电子流过时就会因为山此产生的电阻造成功率损耗。

例如，高效率的GaAs/Ge叠层电池早在1987年就已制备出来，结果证明山于电流不匹配而不能应用。

可用可行性分析方法或泊松比和连续性方程设计叠层电池的电流匹配。

另外就是实际应用中叠层电池的稳定性问题。

新型叠层式染料敏化太阳能电池有光电转换效率高、价格低、制备工艺简单并且易于大规模生产的特点。

解决现有太阳能电池效率低、成本高，制备工艺复杂的问题。

虽然短期内，硅类太阳能电池在市场占有主要比例，但是在不久的将来，随着科技的进一步发展，染料敏化叠层太阳能电池有十分广阔的应用前景。

5.高效聚光型太阳能系统（CPV）前景展望
对光伏转换来说，针对如上提到的光强和太阳能电池对太阳光的有效收集利用问题，那么“太阳能聚光”是一个重要的研究课题。

光伏转换发电的成本主要取决于太阳能电池的制造成本，尤其是半导体材料的成本，很清楚，如果用较廉价的聚光透镜或反射镜来代替昂贵的太阳能电池大邮减少太阳能电池元件的使用数量，就可以大大降低成本，聚光比可以达到儿白倍。

聚光太阳能电池是［聚光型太阳能电池］+［高聚光镜面菲涅尔透镜］+［太阳光追踪器的组合，利用菲涅尔透镜把太阳光聚焦到面积更小但效率更高的多结太阳能电池上，高精度的自动追日跟踪技术提升了系统的发电量，显著提高太阳能电池芯片的使用率使其太阳能能量转换效率可达31%〜40. 7%。

聚光型太阳能电池
主要材料是［神化稼］（GaAs）,也就是三五族（III-V）材料，一般硅晶材料只能够吸收太阳光谱中400〜llOOnm波长之能量，而聚光型不同于硅晶太阳能技术，透过多接面化合物半导体可吸收较宽广之太阳光谱能量，U前以发展出三接面
InGaP/GaAs/Ge的聚光型太阳电池可大幅提高转换效率，三接面聚光型太阳电池
可吸收300〜1900nin波长之能量相对其转换效率可大幅提升。

5.1聚光型太阳能系统（CPV）原理及其构造
基本原理：CPV通过聚光的方式把一定面积上的光通过聚光系统会聚在一个狭小的区域（焦斑），太阳能电池仅需焦斑面积的大小即可，从而大幅减少了太阳能电池的用量。

同样条件下，倍率越I岳，所需太阳能电池面积越小。

高倍率
CPV采用GaAs等三五族化合物电池，CPV系统转换效率达到28%,较硅基太阳
能电池和薄膜太阳能电池高出不少。

CPV系统模组主要山太阳能电池.高聚光镜面菲涅尔透镜等光学聚光元件、
太阳光追踪器组成。

应用菲涅尔透镜的作用就是将光线从相对较大的区域面积转换成相当小的面积上，这种透镜也被称做集光器或聚光器。

在太阳聚光领域，菲涅尔透镜是聚光太阳能系统（CPV）中重要的光学部件之一。

太阳菲涅尔透镜聚光镜就是透镜的焦点刚好落在太阳能芯片上。

当透镜面垂直面向太阳时，光线将会被聚焦在电池片上，汇聚了更多的能量，因而需要较小的电池片面积，大大节约了成本。

应用菲涅尔透镜能够将太阳光聚焦到入光面1/10至1/1000其至更小的接收面（高性能电池片）上，比传统平板光伏（FPV）发电效率提高30%以上，满足太阳能聚光发电（CPV）和聚热系统（TPV）中高能量高温需求。

5. 2聚光型太阳能系统配置要求分析
聚光型太阳能电池可通过使用透镜将光聚集到狭小的面积上来提高发电效率。

不过因聚光引起的温度上升会损伤太阳能电池单元及发电系统，因此往往必须要抑制聚光率才可以。

聚光型太阳电池假如使用聚光倍率为1000倍的透镜时, 单位模块的太阳能电池单元的成本可降至结晶硅类电池单元的1/10左右，而所需的面积仅硅晶圆的1/2.5,另外聚光型太阳能电池必须要在位于透镜焦点附近时才能发挥功能，因此为使模块总是朝向太阳的方位，必须搭配使用太阳追踪系统，此设计•虽然可以提高转换效率，但却存在透镜、聚光发热释放槽以及太阳光追踪系统的巫量及体积较大等问题，因此不适于装在日式住宅的屋顶使用。

聚光型太阳能电池的温度随聚光倍率增加而上升，进而影响电池的运作特性，温度愈高则效率愈差。

为了改善太阳能电池的散热状况，并提升转换效率,
U前各科研院所在投入新的基板材料研发，提出以铜作为基板的解决方案。

相较
于玻璃、GaAs、矽晶等材料，铜的坚定性（firmness）最高、成本低，也可以做到最薄，而且热传导性最佳，可以改善太阳能电池的热稳定性。

菲涅尔透镜作为聚光光伏系统中巫要的光学器件，其性能优劣直接影响着
CPV系统的聚光率的高低。

从光学效果上来讲，要求有尽量高的光线透过率、能
量汇聚率及较高的聚光倍数。

从耐候性能上来说，因为在户外使用，要求能抵挡外界环境。