聚光太陽電池方陣場廣闊的前景

聚光方陣雖然出現(xiàn)時間不長，但其發(fā)展是很快的，目前在世界許多地方已經(jīng)出現(xiàn)了幾百千瓦的聚光方陣場，在降低成本上也收到了明顯的效果。據(jù)報道，聚光方陣的成本已降到普通平板·板方陣的一半以下。

聚光方陣的優(yōu)點(diǎn)是明顯的。但是它與普通太陽電池方陣不同，有著自己的特殊要求。

聚光太陽電池方陣場設(shè)計制造有效的聚光器

實(shí)現(xiàn)聚光并不困難，但要求聚光效率高卻不容易。首先，所用聚光器材料的透光率(對折射式聚光器)或反射率(對反射式聚光器)要足夠高；其次，聚光器的形狀要加工得很淮確。反射材料用鍍銀玻璃，可以得到較高的反射率，但不經(jīng)濟(jì)。

目前出現(xiàn)的涂鋁塑料也可采用,但由于一般塑料對濕氣的防護(hù)作用較差,所以這種材料的壽命較短，一般不超過2一3年。更重要的是，鋁在0.85微米波長處有一個很陡的吸收峰,會影響太陽電池的效率。采用拋光鋁板也有同樣的問題。

另外，反射式聚光器的收集器位于入射陽光一側(cè)，不可避免要遮蔽部分受光面積。因此，用反射式聚光器做成的聚光組件，其效率比折射式聚光器要低10%左右。折射式聚光器采用透鏡聚光，目前幾乎無例外地都采用菲涅耳透鏡。菲涅耳透鏡的原料為有機(jī)坡璃，其透光率約為92%。

采用不同的設(shè)計可靈活地改變菲涅耳透鏡的聚焦特性。菲涅爾透鏡一般采用塑料模壓或注塑工藝成形，目前透鏡效率已超過85%。

聚光太陽電池方陣場跟蹤太陽的向題

為了使聚光方陣正常工作,應(yīng)該采用跟除控制器使方陣正對太陽。平板方陣采用跟蹤，可使方陣輸出功率提高30%。幾十倍以上的聚光方陣(熒光式聚光器除外)如不采用跟蹤，光斑就會偏離電池，使方陣無功率輸出。根據(jù)不同方陣設(shè)計，可采用一維跟蹤或二維跟蹤。跟蹤精度的要求因所用聚光器不同而不同。一般來說，聚光率越高對跟蹤精度的要求就越高。通常40倍左右的聚光方陣，對跟蹤精度的要求大約為0.5。

聚光太陽電池方陣場傳動機(jī)構(gòu)及方陣支撐

聚光方陣作為一種地面用太陽能發(fā)電系統(tǒng),是相當(dāng)龐大和笨重的，因此要有堅(jiān)固的支撐。同時它又要跟蹤太陽，能靈活轉(zhuǎn)動，故對機(jī)械設(shè)計和加工提出了較高的要求。機(jī)械傳動部分要靈活而又堅(jiān)固,能抗擊工作地區(qū)的基本風(fēng)壓。

聚光太陽電池方陣場電池的互聯(lián)和散熱

一片聚光電池可以代替幾十片電池工作，在它上面集中了較多的能量，這些能量中轉(zhuǎn)換為電能的部分通過互聯(lián)條被引導(dǎo)到外負(fù)載，互聯(lián)條要有足夠的截面積，在它上面要流過幾安培甚至幾十安培的電流。其余部分的能量以熱的形式散失掉。因此要求電池組件的熱阻要小，否則會使電池溫升過高，甚至燒毀電池。電池的溫度是影響方陣效率的重要因素。

與平板太陽電池方陣相比，聚光方陣有著優(yōu)越的性能。

聚光太陽電池方陣場效率高

由聚光器、太陽電池、護(hù)罩、散熱器組成的基本單元叫做聚光電池組件，由一系列聚光電池組件組成的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)就是聚光電池方陣。聚光電池方陣的效率比平板電池方陣高，一般要高30一40%。目前，美國聚光方陣的效率達(dá)12一14%，它遠(yuǎn)高于平板方陣的水平。

聚光太陽電池方陣場輸出功率大

聚光方陣一般都跟蹤太陽，方陣總處于最佳工作狀態(tài)。一天中的平均輸出功率與不跟蹤的平板方陣相比約高30%(標(biāo)稱功率相同)。

聚光太陽電池方陣場便于綜合利用

聚光器的使用給光熱利用創(chuàng)造了條件，在散熱器處安裝集熱管，可得到熱水，實(shí)現(xiàn)光電、光熱綜合利用。據(jù)報道，該綜合系統(tǒng)得到的熱功率約為電功率的3倍。這樣，系統(tǒng)的熱、電總效率可達(dá)40%以上。

聚光太陽電池方陣場成本低

由于采用聚光技術(shù)，使一片電池可以發(fā)揮幾十片電池的作用，使硅片用量大大減少。方陣的成本由硅材料轉(zhuǎn)移到廉價的金屬材料和有機(jī)玻確材料上，主要工藝也由半導(dǎo)體工藝轉(zhuǎn)移到普通機(jī)械加工工藝上，這樣既便于實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，又為進(jìn)一步降低成本創(chuàng)造了條件。

聚光技術(shù)是降低太陽電池利用總成本的一種有效措施。

它通過聚光器使較大面積的陽光會聚在一個較小的范圍內(nèi)，并將太陽電池置于光斑或光帶上，以增加光強(qiáng)，克服太陽輻射能流密度低的缺陷，從而獲得更多的電能輸出。

近年來，硅太陽電池工藝日趨成熟，產(chǎn)量大幅度增加，太陽電他，從空間應(yīng)用轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用，降低太陽電池成本已成為當(dāng)務(wù)之急。

在硅太陽電池成本中，硅材料約占50一60%。若能利用小面積的硅片接受投射在大面積范圍的陽光，就能減少硅材料消耗，降低發(fā)電成本。由此人們自然想到了聚光器，將聚光技術(shù)應(yīng)用到太陽電池方陣上，構(gòu)成聚光太陽電池方陣。通常將與此有關(guān)的技術(shù)稱為聚光光伏技術(shù)。

陽光經(jīng)聚光鏡會聚到聚光單電池組件，每個電池平均發(fā)電功率在4W以上。聚光器的形式是多種多樣的。從光學(xué)原理上分，有反射式和折射式，從聚焦性能來分，有點(diǎn)聚焦和線聚焦，從幾何形狀上看，有平面的、球面的、雙曲面的和拋物面的等等。另外還有熒光式的。所用聚光器的不同導(dǎo)致聚光方陣形式的不同。但是不管哪種形式的聚光方陣，它們都由以下基本部分組成：

1.聚光方陣組件。它由聚光器、電池、散熱器等組成，這是實(shí)現(xiàn)聚光和光電轉(zhuǎn)換的基本部件。

2.跟蹤控制器。這是保持方陣對太陽進(jìn)行跟蹤的電子裝置。

3.支撐及機(jī)械傳動裝置。它能安全支撐方陣并能按聚光器要求的自由度和范圍運(yùn)動。

太陽電池利用光生伏打效應(yīng)可以將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。一般來說，太陽電池可分為普通平板光伏太陽電池和聚光太陽電池。聚光太陽電池與普通平板光伏太陽電池的最大區(qū)別是入射到太陽電池上的輻照度不同。普通平板光伏太陽電池上的入射輻照度通常為一個太陽（1X=1　000W/m2），而聚光太陽電池上的入射輻照度則為X個太陽（X>1），所以單位面積聚光太陽電池產(chǎn)生的電流要比普通平板光伏太陽電池大。

此外，聚光太陽電池的費(fèi)用僅占聚光光伏系統(tǒng)總費(fèi)用的一小部分，所以可以采用工藝先進(jìn)、效率更高而價格較貴的太陽電池來提高整個系統(tǒng)的性能。太陽光入射能流密度的提高使得聚光太陽電池表現(xiàn)出與普通平板光伏太陽電池不同的電特性和熱特性。首先，入射到太陽電池上的光強(qiáng)的不同對太陽電池的光生電流IL、開路電壓Voc、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率η以及寄生電阻產(chǎn)生的影響會不同。在聚光太陽電池的 串聯(lián)電 阻Rs可 忽 略 的 聚 光 比X范 圍內(nèi)，電池的η是隨著X的增加不斷增加的。但是隨著X的進(jìn)一步提高，Rs引起的歐姆損失會隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致電池η的下降。普通平板光伏太陽電池由于其Rs相對較高而不適合用于聚光系統(tǒng)，這也意味著聚光太陽電池的Rs必須設(shè)計得很小才行，這一點(diǎn)或許是聚光太陽電池和普通平板光伏太陽電池最關(guān)鍵的不同之處。一般來說，可以通過增加太陽電池的柵線排布密度和柵線直徑或等價直徑來降低電池的Rs。此外，太陽電池的Rs引起的歐姆損失還會隨著太陽電池尺寸的減小而降低，所以聚光太陽電池的尺寸設(shè)計得比普通平板光伏太陽電池的尺寸小。除了Rs，太陽電池的寄生電阻還包括并聯(lián)電阻Rsh，不過在高倍聚光條件下Rsh引起的電池η損失通?？梢院雎?。聚光太陽電池的另外一個非常重要的特征就是它的熱特性。隨著溫度的升高，太陽電池的Isc會略有上升，而Voc會下降，進(jìn)而引起電池η的降低。但是η的下降幅度會隨著聚光比的增加而降低，也就是說，在聚光條件下工作的太陽電池受溫度的影響會降低。高的Voc降低了 電 池的溫度敏 感性，這一 點(diǎn) 已 被Green等 證 實(shí)。此 外，Yoon和Garboushian的研究結(jié)果表明普通硅電池的效率溫度系數(shù)為－0．4%/K，而250　X聚光硅電池的效率溫度系數(shù)為－0．25%/K。但是，隨著聚光太陽電池單位面積入射光強(qiáng)的增加，其產(chǎn)生的熱量也成比例增加，這使得電池工作溫度升高，進(jìn)而引起電池效率下降。為保證聚光光伏系統(tǒng) 能 在較高效率下工作，系統(tǒng)需要有效的散熱裝置 來對電池進(jìn)行冷卻。而一般的平板光伏即使無冷卻裝置其工作溫度也僅比環(huán)境溫度高20℃左右。

聚光太陽電池以其轉(zhuǎn)換效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)著稱，被稱作是第三代太陽電池，也是探索和研。不過，由于受到表面復(fù)合的影響，聚光硅電池的轉(zhuǎn)換效率并無明顯提高。但是聚光大批量獲得，其效率已超過20%，為中低倍聚光光伏系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。聚光多結(jié)電池在太陽光轉(zhuǎn)化為電的過程中比其他任何電池的效率都高。聚光 三 結(jié) 電 池 在 實(shí) 驗(yàn) 室 條 件 下 的 效 率 已 高 達(dá)44．4%。而且以往的經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)室電池在2～3年內(nèi)就可以變?yōu)樯唐?，預(yù)計聚光四結(jié)或五結(jié)電池很快可以獲得50%的效率。為了研制高效的聚光多結(jié)電池，了解引起多結(jié)電池效率損失的機(jī)理，降低電池結(jié)構(gòu)存在的缺陷，掌握實(shí)現(xiàn)超高效聚光多結(jié)電池的途徑非常重要。

為了使聚光光伏系統(tǒng)獲得最優(yōu)的性能，不同類型的聚光光伏系統(tǒng)需要采用不同類型的聚光太陽電池，這主要取決于聚光器的類型﹑聚光比的大小等。聚光太陽電池主要包括單結(jié)聚光硅電池和聚光多結(jié)電池。對于像點(diǎn)聚焦的高 倍聚 光 光 伏 系統(tǒng)，通常采用聚光多結(jié)電池。聚光多結(jié)電池可以在高倍聚光和較高溫度下工作，并且具有長期耐受性，但其成本較高。而對于線性聚光的中低倍聚光光伏系統(tǒng)，通常采用比較便宜的聚光硅電池。聚光硅電池的成本之所以不高是因?yàn)樵撾姵氐纳a(chǎn)工藝是對在普通平板光伏系統(tǒng)中應(yīng)用的硅電池的生產(chǎn)工藝稍作改進(jìn)而成的，改進(jìn)的方面主要包括：采用較長少數(shù)載流子壽命的材料；設(shè)計合適的柵線和陷光結(jié)構(gòu)；改善表面鈍化等?；趯酃馓栯姵靥匦缘目紤]，為了獲得適合聚光光伏系統(tǒng)使用的高效聚光硅電池，設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)主要包括：（1）采用具有較長少數(shù)載流子壽命的高質(zhì)量材料；（2）為降低阻值損失和復(fù)合損失，合理設(shè)計摻雜劑的擴(kuò)散；（3）盡量降低表面復(fù)合；（4）改善電池邊緣鈍化效果（5）獲得優(yōu)異的反射控制和陷光結(jié)構(gòu)；（6）設(shè)計較好的金屬接觸以降低光學(xué)和阻值損失。而滿足上述設(shè)計要求且已用于聚光光伏系統(tǒng)的聚光硅電池主要包括背結(jié)聚光硅電池、激光刻槽埋柵（LGBC）聚光硅電池和具有傳統(tǒng)n /p/p 結(jié)構(gòu)的聚光硅電池。

聚光太陽電池組背結(jié)聚光硅電池

背結(jié)硅電池（見圖1）的特點(diǎn)是正負(fù)金屬電極以相互交叉的方式布置于電池的背面，窗口層不存在遮光效應(yīng)，消 除 了 遮 光 效 應(yīng) 和 串 聯(lián) 電 阻 之 間 的 矛盾。電池的背電場為點(diǎn)接觸引出，既保持了背電場，又減小了電極接觸點(diǎn)與電池的接觸面積，大大降低了背表面復(fù)合、發(fā)射區(qū)復(fù)合和接觸電阻，提高了開路電壓和短路電流密度，這樣電池的正反面可獨(dú)立優(yōu)化設(shè)計。研究結(jié)果表明，背結(jié)聚光硅電池在聚光條件 下 的 效 率 已 高 達(dá)27．6% （1cm2，92suns，AM1．5D，25℃），是2004年Amonix公司研制的，也是迄今為止聚光硅電池所達(dá)到的最高效率[4]。在高倍聚光光伏系統(tǒng)應(yīng)用中，背結(jié)聚光硅電池和傳統(tǒng)的n /p/p 結(jié)構(gòu)的硅電池相比更有發(fā)展前景，盡管其單位面積的成本相對較高。

聚光太陽電池組激光刻槽埋柵（LGBC）聚光硅電池

LGBC電池的具體結(jié)構(gòu)見圖2。由圖2可以看出，在電池的受光面上，不僅可以看到通過激光刻槽獲得的埋柵以及化學(xué)鍍銅，還可以看到金字塔型陷光結(jié)構(gòu)和氮化硅減反射層；而該電池的背電極接觸由里向外依次為鋁層、銅層和薄 的 銀 層。LGBC 聚 光 硅 電 池 的 主 要 特 點(diǎn) 包括：（1）串聯(lián)電阻低，在高倍聚光下可獲得較高的效率；（2）厚的鍍銅槽可以承載大電流，同時降低遮光損失；（3）激光刻槽埋柵易于調(diào)整以用于最優(yōu)的聚光比；（4）該電池完全可以采用常規(guī)LGBC產(chǎn)工藝制備，因此其產(chǎn)量高。

聚光太陽電池組n /p/p 結(jié)構(gòu)的聚光硅電池

該電池采用電阻率為0．5cm、厚度為300μm、直徑為100mm的區(qū)熔p型硅片制作。電池上表 面 的銀柵線 間距為0．3mm（平板光伏硅電池為3mm），柵線與電池接觸處通過磷的重?fù)诫s來降低串聯(lián)電阻。電池通過二氧化硅減反射層以及隨機(jī)陷光結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對光的高效捕獲。如圖3所示，電池的每個側(cè)邊焊有兩個銅片電極，一個焊在前表面的匯流總線上，另一個焊在電池的背面。這些銅片電極為電池電流的輸出提供低電阻的通道，而且通過這些銅片電極可以很容易地把電池串聯(lián)起來形成組件。電池長為50mm，寬為40mm，有效截光面積為19．5cm2，在30suns下效率可達(dá)20%～22%。