多结太阳能电池聚光的应用分析

谢 飞, 张国贤

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.上海大学, 上海 200072)



多结太阳能电池聚光的应用分析

谢 飞1, 张国贤2

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.上海大学, 上海 200072)

GaInP/GaInAs/Ge多结太阳能电池在聚光的条件下最高转换效率可以在40%以上,这种多结太阳能电池性能优异,对温度的影响相对较弱,且随着加工技术的改进其单片价格逐渐降低.采用菲涅尔镜聚焦的方式,可以提高单位面积的辐射量,从而降低发电成本.通过对高倍菲涅尔镜聚光发电进行研究分析,得出了电池性能提高的数据,同时研究聚光误差所产生的影响,对定位提出了±1°的误差要求.

多结太阳能电池; 菲涅尔镜; 聚光

随着能源问题的日益突出,太阳能再次成为人们关注的焦点.太阳能是一种永不枯竭的安全能源,没有排放,不会产生温室效应.太阳能在未来的能源工业中将占有重要的地位,其被认为是解决能源问题的根本途径.纵观太阳能的发展可谓是几经坎坷,当油价高的时候,发展就快;当油价过低的时候,发展就慢.但作为化石能源的石油总有枯竭的一天,太阳能的发展势在必行.近年来,太阳能发电技术日新月异,逐渐成熟,这为其进一步的商业化、工业化奠定了基础.

太阳能电池的发展可以追溯到1839年法国物理学家BECQUEREL Edmond发现的光伏效应.第一块太阳能电池由美国人FRITTS Charles在1883年用半导体材料硒覆上一层很薄的金层制成,转换效率为1%.1954年,制造出了基于晶体Si的太阳能电池,转换效率达到6%.最早的太阳能电池的应用并不是在地球上,而是1958年苏联发射的卫星“Sputnik-3”和美国发射的卫星“Vanguard-1”上.随着科学技术的进步,III-V族化合物已成为继晶体Si之后重要的太阳能电池材料,具有直接带隙的能带结构、太阳光吸收性好、转换效率高、耐高温的特点,最典型的代表是GaAs(能带间隙Eg为1.43 eV).[1-4]

1 多结太阳能电池的特点

太阳能电池的转换效率存在着理论上限,就目前的太阳能电池材料而言,单个P-N结构的电池都不能突破40%的理论上限,但多结太阳能电池通过不断增加P-N结的数量,可以不断地提高转换效率,理论上限可达到86.8%,这就是所谓的新一代(或第3代)太阳能电池,[5]如图1所示.单结的半导体材料,热损失和传导损失消耗了大量的能量,限制了电池的转换效率.P-N结数的增加,可以降低能量损耗,从而提高转换效率.目前,硅太阳能电池的转换效率最高可达到24.7%,多结太阳能电池转换效率最高可达到42.3%(GaInP/GaInAs/Ge3结).[6]相对单结Si电池,GaInP/GaInAs/Ge多结太阳能电池重量产出比高,非常有利于太空应用.

图1 P-N结数与最大转换效率的关系

衡量太阳能电池发展的重要指标是转换效率和成本,一直以来业界都在追求转换效率的同时努力降低成本.一个太阳能装置中,影响成本的因素是多方面的(如结构、封装、安装),因此高效、简洁、低成本的太阳能发电是业界努力的方向和目标.

多结太阳能电池制作主要是通过两种方式:一是机械堆叠的方法,将不同能带间隙的半导体材料附着在其基片上,然后机械堆叠起来,每一层太阳能电池上都有各自的正负极;二是整体外延生长法,多种半导体材料分层生长在基片上,通过遂穿结串接而成,这种方式可以将多种不同的材料逐层生长在一起,具有单一的正极和负极.在多结太阳能电池中,电流受到不同P-N结最小电流的限制,因此如何合理地选择材料和生长是其加工生产的关键.多结太阳能电池随着P-N数量的增加其转换效率逐渐提高,当P-N结数大于3个时,结数的增加对转换效率的影响越来越小,加之制作工艺难度增加,因此通常以研究3结为主.

图2为多结太阳能电池的结构组成.

图2 多结太阳能电池的结构组成

与传统硅太阳能电池的不同之处在于,多结太阳能电池有多个P-N结串联起来,每个P-N结对应吸收的光谱不同.在标准太阳光谱AM1.5检测条件下,图3给出了不同P-N结所对应的太阳光谱的吸收.

为了有效吸收太阳光的能量,避免所有的能量都被第一层材料吸收,禁带宽度应逐层降低,层与层之间还要有良好的电气特性.表1中列出了常用的太阳能电池的材料特性.

通常采用的3结方式为:首层InGaP(Eg=1.86 eV);中间层用InGaAs(Eg=1.4 eV);底层用Ge(Eg=0.65 eV).锗作为底层材料具有良好的机械性能,不易破碎,价格相对便宜,生产技术成熟.相对于传统太阳能电池,多结太阳能电池有着很好的高温特性,当温度达到200 ℃时还能继续工作,还可以通过高倍聚光来提高输出功率.

图3 多结太阳能电池对不同光谱的吸收

材 料禁带宽度/eV晶格常数/nm电子迁移率/[cm·(V·s)-1]c-Si1.120.54311400InGaP1.860.5451500GaAs1.400.56538500InGaAs1.200.56571200Ge0.650.58683900

在聚光的条件下,GaInP/GaInAs/Ge电池最大功率点对应的转换效率、温度、聚光倍数的关系如图4所示.

图4 聚光倍数与最大功率点转换效率的关系

由图4可以看出,随着聚光倍数的增加,转换效率也在逐步提高,当聚光倍数超过100个太阳后,转换效率基本维持不变,表明最理想的聚光倍数应该在100～500个太阳之间.随着温度的升高,转换效率逐渐下降,因此在应用过程中,温度应控制在65 ℃以下,这样至少可以保证35%的转换效率.

2 聚光分析

衡量光伏发电装置的一个标准就是转换效率,提高转换效率、降低生产成本是太阳能发电工业化、商业化的前提.从方式上来说,一方面是改善电池材料本身以提高转换效率,另一方面则是通过外界手段来提高单位面积上的太阳辐射.光学聚光技术的应用与发展就为提高太阳能电池的转换效率开启了一扇新的大门.

多结太阳能电池虽然有着众多的优良性能,但成本是制约其发展的一个重要因素,这时就需要一种廉价、高效的聚光器件来提高单位面积上的太阳辐射,以弥补成本高的不足.利用菲涅尔镜对多结太阳能电池聚焦,可以增大单位面积上的辐射量,提高发电量,降低发电成本.

菲涅尔镜是一种廉价的聚光原件,最早由法国物理学家奥古斯汀·简·菲涅尔发明并用于建设灯塔透镜.现在菲涅尔镜多以PMMA和PVC材料制作,厚度可以做到1 mm,进一步降低了聚光成本.[7]利用菲涅尔透镜对太阳聚光,可以减小太阳能电池的面积,但与此同时,随着聚光倍数的增加,对追踪系统就提出了更高的要求.对于聚光倍数小于20倍的太阳能发电系统,追踪精度控制在±3°以内,由追踪精度造成的能量损失小于30%.[8]利用GaInP/GaInAs/Ge电池的特性,同时将电池温度控制在65 ℃以下,整个聚光发电系统设计如图5所示.该系统由菲涅尔镜、多结电池板、电池背板冷却系统组成,聚光倍数为200倍.

图5 聚光发电系统设计示意

将菲涅尔镜局部放大,当焦距f一定时,对于半径为r的尖劈,太阳光经过菲涅尔镜的折射偏角β=arctan(r/f).对于任意入射角为θ经过透镜的太阳光线,其偏角β表示为:

当入射角θ=0°时

尖劈顶角α为:

对于距透镜中心为r的尖劈,孔径角ω为:

3 实验研究

在光学系统设计完成后,通过Solidworks对菲涅尔透镜进行建模,将模型导入Tracepro中进行光学的模拟分析.选用的3结太阳能电池为9.85 mm×9.89 mm的矩形,为使结构合理,选择菲涅尔镜的焦距为200 mm.由于棱镜存在全反射的临界角,因此在焦距固定时是不能无限制地通过增大菲涅尔镜的半径来提高聚光倍数的.为了配合矩形的电池芯片,选用140 mm×140 mm的菲涅尔镜,材料为PMMA,折射率为1.493 5,聚光倍数约为200个太阳.入射的太阳光为784.74 W/m2,在菲涅尔镜上的入射光光通量为15.38 W.电池芯片上辐射能量平均值为1.09×105W/m2,电池表面的辐射能量为10.62 W,发电量为3.7 W.相对于非聚光的情况下,电池表面辐射提高了138.9倍.

当阳光通过菲涅尔镜时,一部分光线被反射、散射、吸收,因此对于电池来说相当于138.9个太阳聚光.对于GaInP/GaInAs/Ge电池来说,功率提高了138.9倍,但增加的只是菲涅尔镜的成本.这样一来就大大降低了对多结电池的需求和发电成本,与常规太阳能发电相比,多结太阳能发电具有了一定的竞争优势.

采用高倍聚光就对太阳的定位追踪有了更高的要求.通常追踪器的设计是根据光电辐射的强弱构成闭环调节系统,但这只适用于非聚光或低倍聚光的系统,对于高倍聚光的系统来说,精度难以满足.为了实现这样的高精度,要通过天球坐标系对太阳定位的向量算法,定位误差在±0.000 3°[9-10](公元前2000～公元6000年),加上传动机构造成的误差,菲涅尔镜对太阳的定位误差可以控制在±1°以内.[11]

对于菲涅尔高倍(>50倍)聚焦的系统,当定位误差为1°时,电池板上能量如图6所示,辐射平均值为81 934 W/ m2,电池表面辐射能量为7.98 W,发电量为2.71 W,接收能量为直射时的73.3%.当误差为2°时,辐射平均值为26 147 W/ m2,电池表面辐射能量为2.547 W,接收能量为直射时的24%.

图6 角度误差1°时电池芯片上的辐射

将同样尺寸的菲涅尔透镜在太阳下聚光,使用热成像仪观测的结果如图7所示.由图7可知,在焦点附近的核心区域,有着明显的快速升温现象,这就意味着此区域中有较高的辐射量;核心区域外的部分温度明显降低,追踪误差过大,由此表明,聚光辐射的核心区域偏离太阳能电池板时会严重影响发电效率.

图7 菲涅尔点聚焦热成像

根据NREL提供的辐射数据,选取晴朗的天气数据,导入Trnsys进行分析,可以得到追踪与不追踪对于辐射量的影响,如图8所示.图8中,曲线1是水平面的太阳辐射量;曲线2是当倾斜与当地纬度相同角度的平面上的辐射量;曲线3是太阳辐射通过大气层散射的能量;曲线4是在两轴追踪下太阳的辐射量;曲线5是气温曲线.对比曲线2和曲线4可以看出,当采用双轴追踪时,所能接收到的太阳辐射明显增加,特别是在上午日出后和下午日落前的时段,即使在中午其接收的辐射量也比固定平面的多.

图8 太阳一天的辐射曲线

4 结 论

(1) 多结太阳能电池突破了单个P-N结转换效率为40%的理论上限,为太阳能电池转换效率的提升留出了更大的空间.目前,多结太阳能电池的转换效率已达到40%～50%,远高于单结硅电池24.7%的转换效率.

(2) 相对于传统太阳能电池,多结太阳能电池具有更好的高温特性,可使高倍聚光应用于多结太阳能电池中,当温度达到200 ℃时,多结太阳能电池还能继续工作,这是普通太阳能电池难以实现的.因此,普通电池的聚光通常在20倍以下,而多结电池可以聚光100倍以上,由此可以大大节省电池接收器的面积,降低电池成本.

(3) 对于高倍聚光的追踪问题,通过Tracepro的光学仿真分析,对高倍聚光(200倍)的系统提出±1°的追踪精度误差范围.并通过利用实际辐射数据在Trnsys中进行分析,说明双轴追踪系统的应用使接收到的太阳辐射在上午日出后和下午日落前的时段明显提高,即使在正午其接收的辐射量也高于固定式.

[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] 邹永刚,李林,刘国军,等.GaAs太阳能电池的研究进展[J].长春理工大学学报:自然科学版,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] 谢飞,张国贤.关于太阳能电热综合利用中若干关键问题的研究[D].上海:上海大学,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] 贺晓雷,于贺军,李建英,等.太阳方位角的公式求解及其应用[J].太阳能学报,2008(1):69-73.

(编辑 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

简介：谢飞(1982-),男,博士,讲师,河南南阳人.主要研究方向为聚光太阳能电-热综合利用. E-mail:xiefei@shiep.edu.cn

上海电力学院人才引进基金(K-2014-011).

TK514

A

1006-4729(2016)05-0417-05