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高倍聚光光伏(HCPV)电池作为第三代太阳能发电技术正逐渐成为太阳能领域的新焦点

北极星太阳能光伏网  来源:中国电子信息产业网    2011/6/14 16:05:29  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:  经过30多年的发展,高倍聚光光伏(HCPV)电池作为第三代太阳能发电技术正逐渐成为太阳能领域的新焦点,引起了行业内企业的追逐。在日光照射较好的几个欧美国家,已通过了优惠的上网电价法,随着具有40%转换效率的Ⅲ-V族半导体多结太阳能电池的普及和成本下降,高倍聚光光伏电池市场进入快速增长期。与前两代电池相比,HCPV采用多结的砷化镓电池,具有宽光谱吸收、高转换效率、良好的温度特性、低耗能的制造过程等优点,使它能在高倍聚焦的高温环境下仍保持较高的光电转换效率。高倍聚光光伏系统技术门槛较高且行业跨度大,涵盖半导体材料及工艺制造、半导体封装、光学设计制造、自动化控制、机械设计制造、金属加工等领域。HCPV行业的产品包括了多结电池片外延材料、光电转换芯片、光接收器组件、聚光器、光伏模组、双轴跟踪器等。

电池芯片采用多结技术大幅提高光电转换效率

与硅基材料相比,基于III-V族半导体多结太阳能电池具有最高的光电转换效率,大致要比硅太阳能电池高50%左右。III-V族半导体具有比硅高得多的耐高温特性,在高照度下仍具有高的光电转换效率,因此可以采用高倍聚光技术,这意味着产生同样多的电能只需要很少的太阳电池芯片。多结技术一个独特的方面就是材料——可选择不同的材料进行组合使它们的吸收光谱和太阳光光谱接近一致,相对晶硅,这是巨大的优势。后者的转换效率已近极限 (25%),而多结器件理论上的转换效率可达68%。目前最多使用的是由锗、砷化镓、镓铟磷3种不同的半导体材料形成3个p-n结,在这种多结太阳能电池中,不但这3种材料的晶格常数基本匹配,而且每一种半导体材料具有不同的禁带宽度,分别吸收不同波段的太阳光光谱,从而可以对太阳光进行全谱线吸收。

HCPV芯片的生产过程如下,首先利用MOCVD技术在4英寸锗衬底上外延砷化镓和铟镓磷形成3结电池片的材料,然后在外延片上利用光刻、PECVD、蒸镀等技术,制备减反膜以及主要成份为银的金属电极,再经划片清洗等工艺,生产出HCPV芯片。HCPV芯片的主要生产商有美国的 Spectrolab、Emcore,德国的Azurspace,加拿大Cyrium,中国台湾Arima、Epistar等。衬底剥离的芯片和量子点技术是目前HCPV芯片领域的新热点。

接收器要安全可靠稳定地应用于系统

聚光太阳能电池芯片被封装到光接收器中,接收器封装对太阳能电池进行保护,对会聚光均匀化,同时起到散热的作用。接收器组件还包括旁路二极管和引线端子。芯片的主要焊接工艺有回流焊和共晶焊,二者最主要的区别在于前者使用助焊剂焊接,在焊接后需要清洗去除残留助焊剂,而共晶焊使用无助焊剂的焊片焊接。为了将电从芯片导出,需要进行金带键合将芯片和外围电路连接起来。接收器组件的检验指标主要包括空洞率和电性能测试,空洞率是检验焊接良好与否的标准。电性能方面,5.5mm×5.5mm接收器组件在500倍太阳光下的光电转换率高达38.5%以上。在实际使用中,还需要将接收器组件与二次光学器件、散热器封装在一起,组成完整的接收器。二次光学器件可以降低对跟踪器高精准度的要求,并使通过涅尔透镜聚焦后的光斑更加均匀地照射到电池芯片上。

二次光学元件通常是光学玻璃棱镜或中空的倒金字塔金属反射器。为了最大限度地利用太阳能资源,节省芯片材料以降低成本,可以提高电池的聚光倍数,这就对散热系统提出了更高的要求。目前国内三安光电已经做到1000倍聚光,相应的DBC使用了导热系数较Al2O3更高的AlN材料。值得注意的是,将光电和光热结合起来的系统,聚光后产生的较多能量可再次转化为电力或热水,大大提高能源的利用率。为提高聚光太阳能电池的可靠性,国际电工委员会(IEC)已制定了作为聚光太阳能接收器和组件之评估标准的国际标准——IEC62108,通过热循环、绝缘等一系列的检验标准,规定了聚光太阳能接收器的最低设计标准与质量要求,确保其在露天环境下安全、可靠、稳定地应用于光伏系统中。

太阳能跟踪器精度和有效性提高HCPV性能

太阳能跟踪器是用于保持太阳能电池板随时正对太阳,使太阳光的光线随时都垂直照射到太阳能电池板的动力装置。跟踪器主要分为单轴跟踪器和双轴跟踪器两种。单轴型适用于对跟踪精度要求比较低的Si太阳能电池或槽式聚光系统,如应用于楼顶的系统,其发展方向趋于小型轻便。双轴型适用于对跟踪精度要求高的聚光太阳能电池发电系统,其跟踪精度可达0.1°,主要应用于大型发电站,产品向大中型、稳固性高方面发展。

太阳能跟踪器按照追踪方式分类主要有传感器追踪、计算太阳运动轨迹追踪和混合型追踪。传感器追踪方式采用光电传感器检测太阳光与电池板法线的偏离度,实现反馈跟踪,其追踪精度为0.1°,但受天气影响大。太阳运动轨迹追踪方式是根据太阳的实际运行轨迹按预定的程序调整跟踪装置,这种追踪方式能够全天候实时跟踪,其追踪精度约为0.5°。混合型结合了两者的优点,在天气状况良好时,采用传感器跟踪保证追踪精度;在天气状况不好时,追踪方式由传感器跟踪转为视日运动轨迹追踪方式。根据统计,HCPV系统失效有90%源于跟踪器失效。

应降低企业进入聚光太阳能电池产业门槛

从技术角度分析,降低光伏电池成本的主要途径有5个:一是通过全光谱吸收进一步提高电池芯片的光电转换效率,二是通过衬底重复使用降低芯片制造成本,三是增加系统的聚光倍率和提高整个组件的光学效率,四是将光能和热能进行综合利用,五是采用大幅度降低成本的聚光系统。

从市场层面讲,随着聚光光伏技术进一步成熟和生产规模的进一步扩大,预计未来几年内其综合成本即可低于晶硅和薄膜电池。若要每度电降至0.1美元以下,就要求安装好的系统费用从现在的5~8美元/瓦降至2美元/瓦,芯片的造价从8~10美元/平方厘米降至3~5美元/平方厘米。而要实现这样的目标,没有一定的产业规模是不可能的,这就要求更多的企业参与进来。目前世界上各大开发公司从芯片开始,对HCPV发电系统整个产业链做垂直整合,如美国的Solfocus公司、Amonix公司、Emcore公司,德国的Concentrix公司(现已被Soitec收购)等。这些公司都站在 HCPV技术研发的前沿,有自己独立的设计体系,使得其他企业很难参与,这在一定程度上提高了技术门槛,阻碍了产业发展。英沃泰公司从行业做大做强的高度考虑,一直致力于碾平高倍聚光太阳能发电技术的技术门槛,以帮助更多的企业顺利进入这个行业。公司现在的主要产品是接收器组件,是光伏模组中的核心部件。

这些接收器组件为许多做HCPV光伏模组开发和系统集成的企业铺平了进入HCPV行业的道路。同时我们还为没有任何设计经验的企业提供光伏模组的参考设计,加快了这些企业的研发进度。

从政策层面讲,聚光太阳能发电技术同其他的光伏发电技术一样,在政府推动下才能有所发展。欧洲的光伏发电应用是做得最好的,在德国、西班牙、意大利等欧洲国家,政府给予很大力度的上网电价补贴。相对于水力发电、风力发电,太阳能光伏发电由于对环境影响较小而备受青睐。HCPV相对其他光伏发电技术来说,其巨大的降低成本的潜能,使其在多种新能源技术竞争中处于优势。

高倍聚光器和光伏模组技术不断提高

高倍聚光方式主要有反射和透射两种,实用HCPV发电系统的聚光倍数为500×1200倍,商业化高倍聚光光伏发电系统效率在 23%~28%之间。菲涅尔透镜易于设计和模拟而且成本较低,是聚光光伏系统中采用该透镜的主要因素。美国主要的聚光太阳能系统开发公司 Solfocus、Amonix、Emcore和德国的Concentrix(SOITEC)公司都采用菲涅尔透镜为聚光器。然而要满足高倍聚光系统要求,实现长期抵御环境侵蚀,菲涅尔透镜的制造还面临着一系列挑战。目前有多种工艺技术制造菲涅尔透镜,如对有机玻璃(PMMA)进行注塑和热压以及玻璃上涂复硅凝胶(SOG)等,这些都需要较复杂的工艺制作过程。透光率、光斑均匀性、焦距、工艺一致性、像差、抗紫外、抗风沙能力等都是评估透镜的重要指标。 PMMA和SOG透镜是现在最通用的两种菲涅尔透镜。

高倍聚光光伏模组包含了一次透镜、接收器、箱体和透气装置。单个模组的功率从几十瓦到上千瓦不等,取决于系统和跟踪器设计。 IEC62108[Concentrator photo voltaic(HCPV)modules and assemblies-Design qualification and typeapproval]是目前唯一的聚光太阳能接收器和组件之评估标准的国际规范。

美国Solfocus是为数不多的在系统设计中采用了反射光学系统的HCPV厂家。利用大型抛物镜面碟来做反射光学系统被认为是大幅度降低聚光器制造成本的有效途径,正逐步在热电联产(集成PV+太阳热能)系统中采用。

在这里我还想介绍一下加拿大的MorganSolar。他们开发了一种独特的光学设计 (LightguideSolarOptic),被认为是CPV系统的重大突破,使得光伏模组在同等聚光倍数下变得更加轻更加薄,在大大降低模组生产成本的同时也降低了其对跟踪器的要求。Morgan的光学系统还能有效地减少芯片上红外光的辐射,从而解决了散热问题。

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