河北英沃泰電子科技有限公司執(zhí)行總裁 鐘瑋

　　經(jīng)過30多年的發(fā)展，高倍聚光光伏(HCPV)電池作為第三代太陽能發(fā)電技術(shù)正逐漸成為太陽能領域的新焦點，引起了行業(yè)內(nèi)企業(yè)的追逐。在日光照射較好的幾個歐美國家，已通過了優(yōu)惠的上網(wǎng)電價法，隨著具有40%轉(zhuǎn)換效率的Ⅲ-V族半導體多結(jié)太陽能電池的普及和成本下降，高倍聚光光伏電池市場進入快速增長期。與前兩代電池相比，HCPV采用多結(jié)的砷化鎵電池，具有寬光譜吸收、高轉(zhuǎn)換效率、良好的溫度特性、低耗能的制造過程等優(yōu)點，使它能在高倍聚焦的高溫環(huán)境下仍保持較高的光電轉(zhuǎn)換效率。高倍聚光光伏系統(tǒng)技術(shù)門檻較高且行業(yè)跨度大，涵蓋半導體材料及工藝制造、半導體封裝、光學設計制造、自動化控制、機械設計制造、金屬加工等領域。HCPV行業(yè)的產(chǎn)品包括了多結(jié)電池片外延材料、光電轉(zhuǎn)換芯片、光接收器組件、聚光器、光伏模組、雙軸跟蹤器等。

　　電池芯片采用多結(jié)技術(shù)大幅提高光電轉(zhuǎn)換效率

　　與硅基材料相比，基于III-V族半導體多結(jié)太陽能電池具有最高的光電轉(zhuǎn)換效率，大致要比硅太陽能電池高50%左右。III-V族半導體具有比硅高得多的耐高溫特性，在高照度下仍具有高的光電轉(zhuǎn)換效率，因此可以采用高倍聚光技術(shù)，這意味著產(chǎn)生同樣多的電能只需要很少的太陽電池芯片。多結(jié)技術(shù)一個獨特的方面就是材料——可選擇不同的材料進行組合使它們的吸收光譜和太陽光光譜接近一致，相對晶硅，這是巨大的優(yōu)勢。后者的轉(zhuǎn)換效率已近極限(25%)，而多結(jié)器件理論上的轉(zhuǎn)換效率可達68%。目前最多使用的是由鍺、砷化鎵、鎵銦磷3種不同的半導體材料形成3個p-n結(jié)，在這種多結(jié)太陽能電池中，不但這3種材料的晶格常數(shù)基本匹配，而且每一種半導體材料具有不同的禁帶寬度，分別吸收不同波段的太陽光光譜，從而可以對太陽光進行全譜線吸收。

　　HCPV芯片的生產(chǎn)過程如下，首先利用MOCVD技術(shù)在4英寸鍺襯底上外延砷化鎵和銦鎵磷形成３結(jié)電池片的材料，然后在外延片上利用光刻、PECVD、蒸鍍等技術(shù)，制備減反膜以及主要成份為銀的金屬電極，再經(jīng)劃片清洗等工藝，生產(chǎn)出HCPV芯片。HCPV芯片的主要生產(chǎn)商有美國的Spectrolab、Emcore，德國的Azurspace，加拿大Cyrium，中國臺灣Arima、Epistar等。襯底剝離的芯片和量子點技術(shù)是目前HCPV芯片領域的新熱點。

    接收器要安全可靠穩(wěn)定地應用于系統(tǒng)

　　聚光太陽能電池芯片被封裝到光接收器中，接收器封裝對太陽能電池進行保護，對會聚光均勻化，同時起到散熱的作用。接收器組件還包括旁路二極管和引線端子。芯片的主要焊接工藝有回流焊和共晶焊，二者最主要的區(qū)別在于前者使用助焊劑焊接，在焊接后需要清洗去除殘留助焊劑，而共晶焊使用無助焊劑的焊片焊接。為了將電從芯片導出，需要進行金帶鍵合將芯片和外圍電路連接起來。接收器組件的檢驗指標主要包括空洞率和電性能測試，空洞率是檢驗焊接良好與否的標準。電性能方面，5.5mm×5.5mm接收器組件在500倍太陽光下的光電轉(zhuǎn)換率高達38.5%以上。在實際使用中，還需要將接收器組件與二次光學器件、散熱器封裝在一起，組成完整的接收器。二次光學器件可以降低對跟蹤器高精準度的要求，并使通過涅爾透鏡聚焦后的光斑更加均勻地照射到電池芯片上。二次光學元件通常是光學玻璃棱鏡或中空的倒金字塔金屬反射器。為了最大限度地利用太陽能資源，節(jié)省芯片材料以降低成本，可以提高電池的聚光倍數(shù)，這就對散熱系統(tǒng)提出了更高的要求。目前國內(nèi)三安光電已經(jīng)做到1000倍聚光，相應的DBC使用了導熱系數(shù)較Al2O3更高的AlN材料。值得注意的是，將光電和光熱結(jié)合起來的系統(tǒng)，聚光后產(chǎn)生的較多能量可再次轉(zhuǎn)化為電力或熱水，大大提高能源的利用率。為提高聚光太陽能電池的可靠性，國際電工委員會(IEC)已制定了作為聚光太陽能接收器和組件之評估標準的國際標準——IEC62108，通過熱循環(huán)、絕緣等一系列的檢驗標準，規(guī)定了聚光太陽能接收器的最低設計標準與質(zhì)量要求，確保其在露天環(huán)境下安全、可靠、穩(wěn)定地應用于光伏系統(tǒng)中。

聚光太陽能光伏接收器組件

 


完整聚光太陽能光伏接收器

　　太陽能跟蹤器精度和有效性提高HCPV性能

　　太陽能跟蹤器是用于保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽光的光線隨時都垂直照射到太陽能電池板的動力裝置。跟蹤器主要分為單軸跟蹤器和雙軸跟蹤器兩種。單軸型適用于對跟蹤精度要求比較低的Si太陽能電池或槽式聚光系統(tǒng)，如應用于樓頂?shù)南到y(tǒng)，其發(fā)展方向趨于小型輕便。雙軸型適用于對跟蹤精度要求高的聚光太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，其跟蹤精度可達0.1°，主要應用于大型發(fā)電站，產(chǎn)品向大中型、穩(wěn)固性高方面發(fā)展。

　　太陽能跟蹤器按照追蹤方式分類主要有傳感器追蹤、計算太陽運動軌跡追蹤和混合型追蹤。傳感器追蹤方式采用光電傳感器檢測太陽光與電池板法線的偏離度，實現(xiàn)反饋跟蹤，其追蹤精度為0.1°，但受天氣影響大。太陽運動軌跡追蹤方式是根據(jù)太陽的實際運行軌跡按預定的程序調(diào)整跟蹤裝置，這種追蹤方式能夠全天候?qū)崟r跟蹤，其追蹤精度約為0.5°。混合型結(jié)合了兩者的優(yōu)點，在天氣狀況良好時，采用傳感器跟蹤保證追蹤精度；在天氣狀況不好時，追蹤方式由傳感器跟蹤轉(zhuǎn)為視日運動軌跡追蹤方式。根據(jù)統(tǒng)計，HCPV系統(tǒng)失效有90%源于跟蹤器失效。

　　應降低企業(yè)進入聚光太陽能電池產(chǎn)業(yè)門檻

　　從技術(shù)角度分析，降低光伏電池成本的主要途徑有5個：一是通過全光譜吸收進一步提高電池芯片的光電轉(zhuǎn)換效率，二是通過襯底重復使用降低芯片制造成本，三是增加系統(tǒng)的聚光倍率和提高整個組件的光學效率，四是將光能和熱能進行綜合利用，五是采用大幅度降低成本的聚光系統(tǒng)。

　　從市場層面講，隨著聚光光伏技術(shù)進一步成熟和生產(chǎn)規(guī)模的進一步擴大，預計未來幾年內(nèi)其綜合成本即可低于晶硅和薄膜電池。若要每度電降至0.1美元以下，就要求安裝好的系統(tǒng)費用從現(xiàn)在的5～8美元/瓦降至2美元/瓦，芯片的造價從8～10美元/平方厘米降至3～5美元/平方厘米。而要實現(xiàn)這樣的目標，沒有一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模是不可能的，這就要求更多的企業(yè)參與進來。目前世界上各大開發(fā)公司從芯片開始，對HCPV發(fā)電系統(tǒng)整個產(chǎn)業(yè)鏈做垂直整合，如美國的Solfocus公司、Amonix公司、Emcore公司，德國的Concentrix公司(現(xiàn)已被Soitec收購)等。這些公司都站在HCPV技術(shù)研發(fā)的前沿，有自己獨立的設計體系，使得其他企業(yè)很難參與，這在一定程度上提高了技術(shù)門檻，阻礙了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。英沃泰公司從行業(yè)做大做強的高度考慮，一直致力于碾平高倍聚光太陽能發(fā)電技術(shù)的技術(shù)門檻，以幫助更多的企業(yè)順利進入這個行業(yè)。公司現(xiàn)在的主要產(chǎn)品是接收器組件，是光伏模組中的核心部件。這些接收器組件為許多做HCPV光伏模組開發(fā)和系統(tǒng)集成的企業(yè)鋪平了進入HCPV行業(yè)的道路。同時我們還為沒有任何設計經(jīng)驗的企業(yè)提供光伏模組的參考設計，加快了這些企業(yè)的研發(fā)進度。

　　從政策層面講，聚光太陽能發(fā)電技術(shù)同其他的光伏發(fā)電技術(shù)一樣，在政府推動下才能有所發(fā)展。歐洲的光伏發(fā)電應用是做得最好的，在德國、西班牙、意大利等歐洲國家，政府給予很大力度的上網(wǎng)電價補貼。相對于水力發(fā)電、風力發(fā)電，太陽能光伏發(fā)電由于對環(huán)境影響較小而備受青睞。HCPV相對其他光伏發(fā)電技術(shù)來說，其巨大的降低成本的潛能，使其在多種新能源技術(shù)競爭中處于優(yōu)勢。

　　高倍聚光器和光伏模組技術(shù)不斷提高

　　高倍聚光方式主要有反射和透射兩種，實用HCPV發(fā)電系統(tǒng)的聚光倍數(shù)為500×1200倍，商業(yè)化高倍聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)效率在23%～28%之間。菲涅爾透鏡易于設計和模擬而且成本較低，是聚光光伏系統(tǒng)中采用該透鏡的主要因素。美國主要的聚光太陽能系統(tǒng)開發(fā)公司Solfocus、Amonix、Emcore和德國的Concentrix(SOITEC)公司都采用菲涅爾透鏡為聚光器。然而要滿足高倍聚光系統(tǒng)要求，實現(xiàn)長期抵御環(huán)境侵蝕，菲涅爾透鏡的制造還面臨著一系列挑戰(zhàn)。目前有多種工藝技術(shù)制造菲涅爾透鏡，如對有機玻璃(PMMA)進行注塑和熱壓以及玻璃上涂復硅凝膠(SOG)等，這些都需要較復雜的工藝制作過程。透光率、光斑均勻性、焦距、工藝一致性、像差、抗紫外、抗風沙能力等都是評估透鏡的重要指標。PMMA和SOG透鏡是現(xiàn)在最通用的兩種菲涅爾透鏡。

　　高倍聚光光伏模組包含了一次透鏡、接收器、箱體和透氣裝置。單個模組的功率從幾十瓦到上千瓦不等，取決于系統(tǒng)和跟蹤器設計。IEC 62108[Concentrator photovoltaic(HCPV)modules and assemblies-Design qualification and type approval]是目前唯一的聚光太陽能接收器和組件之評估標準的國際規(guī)范。

　　美國Solfocus是為數(shù)不多的在系統(tǒng)設計中采用了反射光學系統(tǒng)的HCPV廠家。利用大型拋物鏡面碟來做反射光學系統(tǒng)被認為是大幅度降低聚光器制造成本的有效途徑，正逐步在熱電聯(lián)產(chǎn)(集成PV+太陽熱能)系統(tǒng)中采用。

　　在這里我還想介紹一下加拿大的Morgan Solar。他們開發(fā)了一種獨特的光學設計(Light guide Solar Optic)，被認為是CPV系統(tǒng)的重大突破，使得光伏模組在同等聚光倍數(shù)下變得更加輕更加薄，在大大降低模組生產(chǎn)成本的同時也降低了其對跟蹤器的要求。Morgan的光學系統(tǒng)還能有效地減少芯片上紅外光的輻射，從而解決了散熱問題。

高倍聚光器的原理及聚光后HCPV電池的優(yōu)勢

 

Solfocus模組