聚光太陽(yáng)電池方陣場(chǎng)簡(jiǎn)介

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

在硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)電池方陣上，構(gòu)成聚光太陽(yáng)電池方陣。通常將與此有關(guān)的技術(shù)稱(chēng)為聚光光伏技術(shù)。

陽(yáng)光經(jīng)聚光鏡會(huì)聚到聚光單電池組件，每個(gè)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(lái)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(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤的電子裝置。

3.支撐及機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)。

聚光技術(shù)是降低太陽(yáng)電池利用總成本的一種有效措施。

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

與平板太陽(yáng)電池方陣相比，聚光方陣有著優(yōu)越的性能。

聚光太陽(yáng)電池方陣場(chǎng)效率高

由聚光器、太陽(yáng)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(guó)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(yáng)電池方陣場(chǎng)輸出功率大

聚光方陣一般都跟蹤太陽(yáng)，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(chēng)功率相同)。

聚光太陽(yáng)電池方陣場(chǎng)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(bào)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(yáng)電池方陣場(chǎng)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(jià)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(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，又為進(jìn)一步降低成本創(chuàng)造了條件。

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

聚光太陽(yáng)電池方陣場(chǎng)設(shè)計(jì)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(duì)折射式聚光器)或反射率(對(duì)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(duì)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(guò)2一3年。更重要的是，鋁在0.85微米波長(zhǎng)處有一個(gè)很陡的吸收峰,會(huì)影響太陽(yáng)電池的效率。采用拋光鋁板也有同樣的問(wèn)題。

另外，反射式聚光器的收集器位于入射陽(yáng)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(wú)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(jì)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(guò)85%。

聚光太陽(yáng)電池方陣場(chǎng)跟蹤太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)。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(huì)偏離電池，使方陣無(wú)功率輸出。根據(jù)不同方陣設(shè)計(jì)，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(lái)說(shuō)，聚光率越高對(duì)跟蹤精度的要求就越高。通常40倍左右的聚光方陣，對(duì)跟蹤精度的要求大約為0.5。

聚光太陽(yáng)電池方陣場(chǎng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及方陣支撐

聚光方陣作為一種地面用太陽(yáng)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(shí)它又要跟蹤太陽(yáng)，能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，故對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)和加工提出了較高的要求。機(jī)械傳動(dòng)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(yáng)電池方陣場(chǎng)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(guò)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(guò)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(huì)使電池溫升過(guò)高，甚至燒毀電池。電池的溫度是影響方陣效率的重要因素。

聚光方陣雖然出現(xiàn)時(shí)間不長(zhǎng)，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(chǎng)，在降低成本上也收到了明顯的效果。據(jù)報(bào)道，聚光方陣的成本已降到普通平板·板方陣的一半以下。

太陽(yáng)電池利用光生伏打效應(yīng)可以將太陽(yáng)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(lái)說(shuō)，太陽(yáng)電池可分為普通平板光伏太陽(yáng)電池和聚光太陽(yáng)電池。聚光太陽(yáng)電池與普通平板光伏太陽(yáng)電池的最大區(qū)別是入射到太陽(yáng)電池上的輻照度不同。普通平板光伏太陽(yáng)電池上的入射輻照度通常為一個(gè)太陽(yáng)（1X=1　000W/m2），而聚光太陽(yáng)電池上的入射輻照度則為X個(gè)太陽(yáng)（X>1），所以單位面積聚光太陽(yáng)電池產(chǎn)生的電流要比普通平板光伏太陽(yáng)電池大。

此外，聚光太陽(yáng)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(jià)格較貴的太陽(yáng)電池來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。太陽(yáng)光入射能流密度的提高使得聚光太陽(yáng)電池表現(xiàn)出與普通平板光伏太陽(yáng)電池不同的電特性和熱特性。首先，入射到太陽(yáng)電池上的光強(qiáng)的不同對(duì)太陽(yáng)電池的光生電流IL、開(kāi)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(huì)不同。在聚光太陽(yáng)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(huì)隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致電池η的下降。普通平板光伏太陽(yáng)電池由于其Rs相對(duì)較高而不適合用于聚光系統(tǒng)，這也意味著聚光太陽(yáng)電池的Rs必須設(shè)計(jì)得很小才行，這一點(diǎn)或許是聚光太陽(yáng)電池和普通平板光伏太陽(yáng)電池最關(guān)鍵的不同之處。一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)增加太陽(yáng)電池的柵線排布密度和柵線直徑或等價(jià)直徑來(lái)降低電池的Rs。此外，太陽(yáng)電池的Rs引起的歐姆損失還會(huì)隨著太陽(yáng)電池尺寸的減小而降低，所以聚光太陽(yáng)電池的尺寸設(shè)計(jì)得比普通平板光伏太陽(yáng)電池的尺寸小。除了Rs，太陽(yáng)電池的寄生電阻還包括并聯(lián)電阻Rsh，不過(guò)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(yáng)電池的另外一個(gè)非常重要的特征就是它的熱特性。隨著溫度的升高，太陽(yáng)電池的Isc會(huì)略有上升，而Voc會(huì)下降，進(jìn)而引起電池η的降低。但是η的下降幅度會(huì)隨著聚光比的增加而降低，也就是說(shuō)，在聚光條件下工作的太陽(yáng)電池受溫度的影響會(huì)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(yáng)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(lái)對(duì)電池進(jìn)行冷卻。而一般的平板光伏即使無(wú)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(yáng)電池以其轉(zhuǎn)換效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)著稱(chēng)，被稱(chēng)作是第三代太陽(yáng)電池，也是探索和研。不過(guò)，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(wú)明顯提高。但是聚光大批量獲得，其效率已超過(guò)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(yáng)光轉(zhuǎn)化為電的過(guò)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(jì)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(lèi)型的聚光光伏系統(tǒng)需要采用不同類(lèi)型的聚光太陽(yáng)電池，這主要取決于聚光器的類(lèi)型﹑聚光比的大小等。聚光太陽(yáng)電池主要包括單結(jié)聚光硅電池和聚光多結(jié)電池。對(duì)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(zhǎng)期耐受性，但其成本較高。而對(duì)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(duì)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(zhǎng)少數(shù)載流子壽命的材料；設(shè)計(jì)合適的柵線和陷光結(jié)構(gòu)；改善表面鈍化等?；趯?duì)聚光太陽(yáng)電池特性的考慮，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(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)主要包括：（1）采用具有較長(zhǎng)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(jì)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(jì)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(jì)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(yáng)電池組背結(jié)聚光硅電池

背結(jié)硅電池（見(jiàn)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(chǎng)為點(diǎn)接觸引出，既保持了背電場(chǎng)，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(kāi)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(jì)。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(duì)較高。

聚光太陽(yáng)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(jiàn)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(guò)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(shí)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(yáng)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(guò)磷的重?fù)诫s來(lái)降低串聯(lián)電阻。電池通過(guò)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(duì)光的高效捕獲。如圖3所示，電池的每個(gè)側(cè)邊焊有兩個(gè)銅片電極，一個(gè)焊在前表面的匯流總線上，另一個(gè)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(guò)這些銅片電極可以很容易地把電池串聯(lián)起來(lái)形成組件。電池長(zhǎng)為50mm，寬為40mm，有效截光面積為19．5cm2，在30suns下效率可達(dá)20%～22%。