謝 飛, 張國賢

(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.上海大學, 上海 200072)

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多結(jié)太陽能電池聚光的應(yīng)用分析

謝 飛1, 張國賢2

(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.上海大學, 上海 200072)

GaInP/GaInAs/Ge多結(jié)太陽能電池在聚光的條件下最高轉(zhuǎn)換效率可以在40%以上,這種多結(jié)太陽能電池性能優(yōu)異,對溫度的影響相對較弱,且隨著加工技術(shù)的改進其單片價格逐漸降低.采用菲涅爾鏡聚焦的方式,可以提高單位面積的輻射量,從而降低發(fā)電成本.通過對高倍菲涅爾鏡聚光發(fā)電進行研究分析,得出了電池性能提高的數(shù)據(jù),同時研究聚光誤差所產(chǎn)生的影響,對定位提出了±1°的誤差要求.

多結(jié)太陽能電池; 菲涅爾鏡; 聚光

隨著能源問題的日益突出,太陽能再次成為人們關(guān)注的焦點.太陽能是一種永不枯竭的安全能源,沒有排放,不會產(chǎn)生溫室效應(yīng).太陽能在未來的能源工業(yè)中將占有重要的地位,其被認為是解決能源問題的根本途徑.縱觀太陽能的發(fā)展可謂是幾經(jīng)坎坷,當油價高的時候,發(fā)展就快;當油價過低的時候,發(fā)展就慢.但作為化石能源的石油總有枯竭的一天,太陽能的發(fā)展勢在必行.近年來,太陽能發(fā)電技術(shù)日新月異,逐漸成熟,這為其進一步的商業(yè)化、工業(yè)化奠定了基礎(chǔ).

太陽能電池的發(fā)展可以追溯到1839年法國物理學家BECQUEREL Edmond發(fā)現(xiàn)的光伏效應(yīng).第一塊太陽能電池由美國人FRITTS Charles在1883年用半導(dǎo)體材料硒覆上一層很薄的金層制成,轉(zhuǎn)換效率為1%.1954年,制造出了基于晶體Si的太陽能電池,轉(zhuǎn)換效率達到6%.最早的太陽能電池的應(yīng)用并不是在地球上,而是1958年蘇聯(lián)發(fā)射的衛(wèi)星“Sputnik-3”和美國發(fā)射的衛(wèi)星“Vanguard-1”上.隨著科學技術(shù)的進步,III-V族化合物已成為繼晶體Si之后重要的太陽能電池材料,具有直接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)、太陽光吸收性好、轉(zhuǎn)換效率高、耐高溫的特點,最典型的代表是GaAs(能帶間隙Eg為1.43 eV).[1-4]

1 多結(jié)太陽能電池的特點

太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率存在著理論上限,就目前的太陽能電池材料而言,單個P-N結(jié)構(gòu)的電池都不能突破40%的理論上限,但多結(jié)太陽能電池通過不斷增加P-N結(jié)的數(shù)量,可以不斷地提高轉(zhuǎn)換效率,理論上限可達到86.8%,這就是所謂的新一代(或第3代)太陽能電池,[5]如圖1所示.單結(jié)的半導(dǎo)體材料,熱損失和傳導(dǎo)損失消耗了大量的能量,限制了電池的轉(zhuǎn)換效率.P-N結(jié)數(shù)的增加,可以降低能量損耗,從而提高轉(zhuǎn)換效率.目前,硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高可達到24.7%,多結(jié)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高可達到42.3%(GaInP/GaInAs/Ge3結(jié)).[6]相對單結(jié)Si電池,GaInP/GaInAs/Ge多結(jié)太陽能電池重量產(chǎn)出比高,非常有利于太空應(yīng)用.

圖1 P-N結(jié)數(shù)與最大轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系

衡量太陽能電池發(fā)展的重要指標是轉(zhuǎn)換效率和成本,一直以來業(yè)界都在追求轉(zhuǎn)換效率的同時努力降低成本.一個太陽能裝置中,影響成本的因素是多方面的(如結(jié)構(gòu)、封裝、安裝),因此高效、簡潔、低成本的太陽能發(fā)電是業(yè)界努力的方向和目標.

多結(jié)太陽能電池制作主要是通過兩種方式:一是機械堆疊的方法,將不同能帶間隙的半導(dǎo)體材料附著在其基片上,然后機械堆疊起來,每一層太陽能電池上都有各自的正負極;二是整體外延生長法,多種半導(dǎo)體材料分層生長在基片上,通過遂穿結(jié)串接而成,這種方式可以將多種不同的材料逐層生長在一起,具有單一的正極和負極.在多結(jié)太陽能電池中,電流受到不同P-N結(jié)最小電流的限制,因此如何合理地選擇材料和生長是其加工生產(chǎn)的關(guān)鍵.多結(jié)太陽能電池隨著P-N數(shù)量的增加其轉(zhuǎn)換效率逐漸提高,當P-N結(jié)數(shù)大于3個時,結(jié)數(shù)的增加對轉(zhuǎn)換效率的影響越來越小,加之制作工藝難度增加,因此通常以研究3結(jié)為主.

圖2為多結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)組成.

圖2 多結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)組成

與傳統(tǒng)硅太陽能電池的不同之處在于,多結(jié)太陽能電池有多個P-N結(jié)串聯(lián)起來,每個P-N結(jié)對應(yīng)吸收的光譜不同.在標準太陽光譜AM1.5檢測條件下,圖3給出了不同P-N結(jié)所對應(yīng)的太陽光譜的吸收.

為了有效吸收太陽光的能量,避免所有的能量都被第一層材料吸收,禁帶寬度應(yīng)逐層降低,層與層之間還要有良好的電氣特性.表1中列出了常用的太陽能電池的材料特性.

通常采用的3結(jié)方式為:首層InGaP(Eg=1.86 eV);中間層用InGaAs(Eg=1.4 eV);底層用Ge(Eg=0.65 eV).鍺作為底層材料具有良好的機械性能,不易破碎,價格相對便宜,生產(chǎn)技術(shù)成熟.相對于傳統(tǒng)太陽能電池,多結(jié)太陽能電池有著很好的高溫特性,當溫度達到200 ℃時還能繼續(xù)工作,還可以通過高倍聚光來提高輸出功率.

圖3 多結(jié)太陽能電池對不同光譜的吸收

材 料禁帶寬度/eV晶格常數(shù)/nm電子遷移率/[cm·(V·s)-1]c-Si1.120.54311400InGaP1.860.5451500GaAs1.400.56538500InGaAs1.200.56571200Ge0.650.58683900

在聚光的條件下,GaInP/GaInAs/Ge電池最大功率點對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率、溫度、聚光倍數(shù)的關(guān)系如圖4所示.

圖4 聚光倍數(shù)與最大功率點轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系

由圖4可以看出,隨著聚光倍數(shù)的增加,轉(zhuǎn)換效率也在逐步提高,當聚光倍數(shù)超過100個太陽后,轉(zhuǎn)換效率基本維持不變,表明最理想的聚光倍數(shù)應(yīng)該在100～500個太陽之間.隨著溫度的升高,轉(zhuǎn)換效率逐漸下降,因此在應(yīng)用過程中,溫度應(yīng)控制在65 ℃以下,這樣至少可以保證35%的轉(zhuǎn)換效率.

2 聚光分析

衡量光伏發(fā)電裝置的一個標準就是轉(zhuǎn)換效率,提高轉(zhuǎn)換效率、降低生產(chǎn)成本是太陽能發(fā)電工業(yè)化、商業(yè)化的前提.從方式上來說,一方面是改善電池材料本身以提高轉(zhuǎn)換效率,另一方面則是通過外界手段來提高單位面積上的太陽輻射.光學聚光技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展就為提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率開啟了一扇新的大門.

多結(jié)太陽能電池雖然有著眾多的優(yōu)良性能,但成本是制約其發(fā)展的一個重要因素,這時就需要一種廉價、高效的聚光器件來提高單位面積上的太陽輻射,以彌補成本高的不足.利用菲涅爾鏡對多結(jié)太陽能電池聚焦,可以增大單位面積上的輻射量,提高發(fā)電量,降低發(fā)電成本.

菲涅爾鏡是一種廉價的聚光原件,最早由法國物理學家奧古斯汀·簡·菲涅爾發(fā)明并用于建設(shè)燈塔透鏡.現(xiàn)在菲涅爾鏡多以PMMA和PVC材料制作,厚度可以做到1 mm,進一步降低了聚光成本.[7]利用菲涅爾透鏡對太陽聚光,可以減小太陽能電池的面積,但與此同時,隨著聚光倍數(shù)的增加,對追蹤系統(tǒng)就提出了更高的要求.對于聚光倍數(shù)小于20倍的太陽能發(fā)電系統(tǒng),追蹤精度控制在±3°以內(nèi),由追蹤精度造成的能量損失小于30%.[8]利用GaInP/GaInAs/Ge電池的特性,同時將電池溫度控制在65 ℃以下,整個聚光發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計如圖5所示.該系統(tǒng)由菲涅爾鏡、多結(jié)電池板、電池背板冷卻系統(tǒng)組成,聚光倍數(shù)為200倍.

圖5 聚光發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計示意

將菲涅爾鏡局部放大,當焦距f一定時,對于半徑為r的尖劈,太陽光經(jīng)過菲涅爾鏡的折射偏角β=arctan(r/f).對于任意入射角為θ經(jīng)過透鏡的太陽光線,其偏角β表示為:

當入射角θ=0°時

尖劈頂角α為:

對于距透鏡中心為r的尖劈,孔徑角ω為:

3 實驗研究

在光學系統(tǒng)設(shè)計完成后,通過Solidworks對菲涅爾透鏡進行建模,將模型導(dǎo)入Tracepro中進行光學的模擬分析.選用的3結(jié)太陽能電池為9.85 mm×9.89 mm的矩形,為使結(jié)構(gòu)合理,選擇菲涅爾鏡的焦距為200 mm.由于棱鏡存在全反射的臨界角,因此在焦距固定時是不能無限制地通過增大菲涅爾鏡的半徑來提高聚光倍數(shù)的.為了配合矩形的電池芯片,選用140 mm×140 mm的菲涅爾鏡,材料為PMMA,折射率為1.493 5,聚光倍數(shù)約為200個太陽.入射的太陽光為784.74 W/m2,在菲涅爾鏡上的入射光光通量為15.38 W.電池芯片上輻射能量平均值為1.09×105W/m2,電池表面的輻射能量為10.62 W,發(fā)電量為3.7 W.相對于非聚光的情況下,電池表面輻射提高了138.9倍.

當陽光通過菲涅爾鏡時,一部分光線被反射、散射、吸收,因此對于電池來說相當于138.9個太陽聚光.對于GaInP/GaInAs/Ge電池來說,功率提高了138.9倍,但增加的只是菲涅爾鏡的成本.這樣一來就大大降低了對多結(jié)電池的需求和發(fā)電成本,與常規(guī)太陽能發(fā)電相比,多結(jié)太陽能發(fā)電具有了一定的競爭優(yōu)勢.

采用高倍聚光就對太陽的定位追蹤有了更高的要求.通常追蹤器的設(shè)計是根據(jù)光電輻射的強弱構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),但這只適用于非聚光或低倍聚光的系統(tǒng),對于高倍聚光的系統(tǒng)來說,精度難以滿足.為了實現(xiàn)這樣的高精度,要通過天球坐標系對太陽定位的向量算法,定位誤差在±0.000 3°[9-10](公元前2000～公元6000年),加上傳動機構(gòu)造成的誤差,菲涅爾鏡對太陽的定位誤差可以控制在±1°以內(nèi).[11]

對于菲涅爾高倍(>50倍)聚焦的系統(tǒng),當定位誤差為1°時,電池板上能量如圖6所示,輻射平均值為81 934 W/ m2,電池表面輻射能量為7.98 W,發(fā)電量為2.71 W,接收能量為直射時的73.3%.當誤差為2°時,輻射平均值為26 147 W/ m2,電池表面輻射能量為2.547 W,接收能量為直射時的24%.

圖6 角度誤差1°時電池芯片上的輻射

將同樣尺寸的菲涅爾透鏡在太陽下聚光,使用熱成像儀觀測的結(jié)果如圖7所示.由圖7可知,在焦點附近的核心區(qū)域,有著明顯的快速升溫現(xiàn)象,這就意味著此區(qū)域中有較高的輻射量;核心區(qū)域外的部分溫度明顯降低,追蹤誤差過大,由此表明,聚光輻射的核心區(qū)域偏離太陽能電池板時會嚴重影響發(fā)電效率.

圖7 菲涅爾點聚焦熱成像

根據(jù)NREL提供的輻射數(shù)據(jù),選取晴朗的天氣數(shù)據(jù),導(dǎo)入Trnsys進行分析,可以得到追蹤與不追蹤對于輻射量的影響,如圖8所示.圖8中,曲線1是水平面的太陽輻射量;曲線2是當傾斜與當?shù)鼐暥认嗤嵌鹊钠矫嫔系妮椛淞?曲線3是太陽輻射通過大氣層散射的能量;曲線4是在兩軸追蹤下太陽的輻射量;曲線5是氣溫曲線.對比曲線2和曲線4可以看出,當采用雙軸追蹤時,所能接收到的太陽輻射明顯增加,特別是在上午日出后和下午日落前的時段,即使在中午其接收的輻射量也比固定平面的多.

圖8 太陽一天的輻射曲線

4 結(jié) 論

(1) 多結(jié)太陽能電池突破了單個P-N結(jié)轉(zhuǎn)換效率為40%的理論上限,為太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提升留出了更大的空間.目前,多結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已達到40%～50%,遠高于單結(jié)硅電池24.7%的轉(zhuǎn)換效率.

(2) 相對于傳統(tǒng)太陽能電池,多結(jié)太陽能電池具有更好的高溫特性,可使高倍聚光應(yīng)用于多結(jié)太陽能電池中,當溫度達到200 ℃時,多結(jié)太陽能電池還能繼續(xù)工作,這是普通太陽能電池難以實現(xiàn)的.因此,普通電池的聚光通常在20倍以下,而多結(jié)電池可以聚光100倍以上,由此可以大大節(jié)省電池接收器的面積,降低電池成本.

(3) 對于高倍聚光的追蹤問題,通過Tracepro的光學仿真分析,對高倍聚光(200倍)的系統(tǒng)提出±1°的追蹤精度誤差范圍.并通過利用實際輻射數(shù)據(jù)在Trnsys中進行分析,說明雙軸追蹤系統(tǒng)的應(yīng)用使接收到的太陽輻射在上午日出后和下午日落前的時段明顯提高,即使在正午其接收的輻射量也高于固定式.

[1] EMERY K,MEUSEL M,BECKERT R,etal.Procedures for evaluating multijunction concentrators[C].Proc.28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference,Anchorage,Alaska,2000:1 126-1 130.

[2] 鄒永剛,李林,劉國軍,等.GaAs太陽能電池的研究進展[J].長春理工大學學報:自然科學版,2010(1):44-47.

[3] KURTZ S R,MYERS D,OLSON J M.Projected performance of three and four junction devices using GaAs and GaInP[C].Proceedings of the 1997 IEEE 26th Photovoltaic Specialists Conference,1997:875-878.

[4] MARTI A,GUADRA L,LUQUE A.Next generation photovoltaics high efficiency through full spectrum utilization.Bristol:Institute of Physics,2004:140-164.

[5] LETAY G,BETT A W.EtaOpt— a program for calculating limiting efficiency and optimum bandgap structure for multi-bandgap solar cells and TPV cells[C].Proc 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference,Munich,2001:178-181.

[6] KING R R,LAW D C,EDMONDSON K M,etal.40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells[J].Applied Physics Letters,2007,90:183516.

[7] RYU Kwangsun,RHEE Jingeun,PARK Kangming,etal.Concept and design of modular fresnel lenses for concentration solar PV system[J].Solar Energy,2006,80(12):1 580-1 587.

[8] 謝飛,張國賢.關(guān)于太陽能電熱綜合利用中若干關(guān)鍵問題的研究[D].上海:上海大學,2013.

[9] LARBI A B,GODIN,LUCAS M.Analysis of two models of 3D fresnel collectors operating in the fixed-aperture mode with a tracking absorber[J].Solar Energy,2000,69(1):1-14.

[10] LUQUE-Heredia I,CERVANTES R,QUEMERE G.A sun tracking error monitor for photovoltaic concentrators[C].Proc.3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion,Hawaii,2006:706-709.

[11] 賀曉雷,于賀軍,李建英,等.太陽方位角的公式求解及其應(yīng)用[J].太陽能學報,2008(1):69-73.

(編輯 胡小萍)

Application and Analysis of Multi-junction Concentrator Photovoltaics

XIE Fei1, ZHANG Guoxian2

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 2.ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells under the concentration situation maximum efficiency reach more than 40%,the multi-junction solar cells have better character,lower temperature influence,and the cost decreases with technical improvement.Using the Fresnel lenses to concentrate the sunlight can reduce the cost efficiency.Through the Fresnel concentrator photovoltaic simulation research,the solar cells performance improvement data are obtained.The influence by the concentrator angular misalignment is studied.It is proposed that the minimum error should be less than ±1°.

multijunction solar cell; fresnel lenses; concentration solar

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.002

2015-03-23

簡介：謝飛(1982-),男,博士,講師,河南南陽人.主要研究方向為聚光太陽能電-熱綜合利用. E-mail:xiefei@shiep.edu.cn

上海電力學院人才引進基金(K-2014-011).

TK514

A

1006-4729(2016)05-0417-05