高倍聚光太阳能电池及应用

主流高倍聚光光伏系统（HCPV）是使用光学组件如菲涅耳透镜（Fresnel lens）将阳光聚光至一个小点上，在极小的三结砷化镓电池面积上达到高倍的聚光效果。几何聚光倍率的计算方法是以聚光镜片的面积除以电池之大小，如图13．5菲涅尔透镜原理示意图所示，C＝F0／FC，通常高倍聚光光伏系统指C≥300。

通常高倍聚光系统由三部分组成：聚光组件、跟踪器和平衡部件，其中平衡部件与常规的晶硅、薄膜太阳能发电系统基本相同。聚光组件由聚光电池、光学系统、散热系统、组件框架等部件组成。在高倍聚光的范围内，主要使用点聚焦非成像型聚光器。这种聚光器，太阳入射角即使只有0．5°甚至更小角度变化，在太阳电池上的辐照量也会降低10%以上，因此，配备高精度太阳跟踪装置十分必要。高倍聚光组件通常采用被动散热，不需要使用冷却系统，系统简单，由于高倍聚光太阳电池的温度系数只是晶硅温度系数的1／3同时聚光电池可工作温度高达100℃甚至更高，因此特别适合在炎热，干燥的地区使用。随着电池芯片价格的不断下降，高倍聚光系统在效率和成本上具有很大的优势，高倍聚光有机会在全球光伏市场中占有较大的份额，并有望最快实现与电网平价，高倍聚光将会成为聚光技术的主要发展方向。高倍聚光光伏系统技术门槛较高且行业跨度大，涵盖半导体材料及工艺制造、半导体封装、光学设计制造、自动化控制、机械设计制造、金属加工等领域。HCPV行业的产品包括了多结电池片外延生长、电池工艺、半导体芯片封装、光学设计及制造、双轴跟踪器等。目前在国际上有很多家研究机构和制造厂家都在大力发展这一技术。

根据GTM在2011年5月发表的研究报告“Concentrating Photovoltaics 2011：Technology，Costs and Markets”指出：聚光光伏系统安装量2010年是5MWp，2015年将增加到1 000MWp。目前国外聚光光伏安装量占主导地位的是3家系统集成商，已经建成运行或正在安装以及已经签订合同的聚光光伏系统容量：Concentrix Solar公司181MWp（全部在美国），Amonix公司127MWp（美国115MWp，西班牙12MWp），SolFocus公司39MWp（美国32MWp，葡萄牙5MWp，希腊2MWp），其他13MWp（其中SolarSystems公司在澳大利亚3MWp）。Concentrix太阳能公司成立于2005年，在德国的弗莱堡，是从Fraunhofer太阳能系统研究所分离出来的公司，专门从事聚光光伏（CPV）技术研发和生产。2007年，Concentrix太阳能被授予其CPV技术的德国经济创新奖，2008年9月建成了容量为25MWp的全自动生产线，在2009年12月被法国Soitec集团收购，所以现在常用Soitec名称。

Concentrix太阳能公司聚光光伏（CPV）技术使用菲涅尔透镜，汇集阳光达500倍，并采用III－V族3结太阳电池（GaInP2／GaInAs／Ge）。为了确保阳光集中在聚光光伏组件上，采用双轴太阳跟踪系统，Concentrix的聚光技术组件效率为27%。

2010年，Concentrix太阳能公司在美国新墨西哥州的Questa建造了容量为1．37MWp的聚光光伏电站（见图13．12）。该公司的技术还在德国、西班牙、意大利、南非、埃及等国家进行推广。

图13．12　Concentrix　CPV电站

2011年10月，Soitec公司推出其专为电网级规模的电站设计的第5代聚光光伏系统。Soitec的“Concentrix”技术，包括一个28kWp的方阵设计，面积超过100m2的 跟踪器。目标转换效率提高到30%，以降低成本实现平价上网。Soitec公司计划在 2012年前3个月份在德国弗莱堡制造厂生产，并在其在加利福尼亚州圣迭戈设立新厂投产。2011年11月，Soitec公司在中国新疆哈密的塔克拉玛干沙漠建造容量为2MWp的聚光光伏电站。

图13．13　Amonix　7700方阵

美国的Amonix公司于1994年设计了第一台20kWp的高倍聚光光伏系统，此后又陆续开发了6代系统，使效率和性能不断得到改进。最新一代的系统为Amonix 7700聚光光伏系统（见图13．13），它是目前世界上最大的基座安装式太阳能系统。跟踪器宽度为70ft（1ft＝3．048×10－1 m），高50ft，有7 560个菲涅尔透镜，汇集500倍太阳光到多结砷化镓太阳电池上。每台可以产生60kWp的电力。据称Amonix 7700聚光光伏系统可以比其他太阳能技术更合理地使用土地：安装额定容量1MWp只需5英亩土地，而其他太阳能技术却需要10英亩。因此，Amonix 7700在单位面积内产生的能源是其他太阳能技术的2倍。根据第三方机构对Amonix聚光光伏系统的测试，系统的理论使用寿命为50年。有些Amonix系统（例如位于加利福尼亚州波莫纳的系统）已经安全运行超过12年之久。

2006—2008年间，在西班牙纳瓦拉共分3期安装了Amonix聚光光伏太阳能设备，总容量为7．8MWp，长期以来一直是世界上最大的聚光光伏电站。2011年10月美国Amonix公司宣布在新墨西哥州Hatch建成了北美最大的聚光光伏电站，容量为5MWp。由84个双轴跟踪器组成，每个跟踪器上安装组件的功率是60kWp，采用III－V族多结聚光电池，双轴跟踪。所发电力可供1 300户家庭使用。2012年5月，在美国科罗拉多州阿拉莫萨的圣路易斯山谷建成了容量为30MWp的聚光光伏电站，占地225英亩，由500个Amonix 7700双轴跟踪器组成，升压到115kV，并入电网，已经投入正常运行。目前是世界上最大的聚光光伏电站。

SolFocus公司在美国加州Victor Valley学院安装了1MWp的聚光光伏电站，由122个SF－1100方阵组成，每个方阵是8．4kWp。占地6英亩。每年发电量为250万kWh，大约可以满足这个学院用电量的30%。

中国在20世纪80年代，就有电子部18所，西安交通大学等单位进行过聚光电池发电系统的研制和试验，投入实际运行后效果并不理想。有单位在1994年曾引进间歇跟踪聚光电站技术，将一个15千瓦的聚光电站安装在西藏自治区的日喀则。由于这一电站从安装到调试未能按设计要求运行，最后不得不使原定的聚光跟踪电站变为固定电站。

近年来随着国外聚光光伏技术的进展和实际应用的发展，国内也有不少单位从事聚光光伏技术的研究和生产，并取得了可喜的成绩。如聚恒太阳能公司的聚光组件效率超过32%，是目前国内组件效率最高的光伏组件。采用聚恒系统的青海格尔木兆瓦级高倍聚光光伏电站于2011年底正式并网发电，在中东、意大利、南非等地区分别有电站建设，全球安装量超过6MWp。图13．14是聚恒太阳能公司T－48高倍聚光方阵。同时聚恒太阳能首席技术官代表中国主导起草聚光光伏发电单元的国际标准，并且参与跟踪器及其他聚光光伏国际标准制定。

聚恒太阳能有限公司2012年在意大利建立的高倍聚光电站，2012年6月份的发电数据（见图13．15）体现了高倍聚光技术优势：

图13．14　聚恒T－48高倍聚光方阵

图13．15　聚恒T－48（10．8kWp）高倍聚光方阵2012年意大利发电数据

高倍聚光系统目前广泛使用III－V族太阳电池，所谓III－V族太阳电池是指采用化学元素周期表中第III族和第V族元素材料制作成的太阳电池。与硅基材料相比，基于III－V族半导体多结太阳电池具有极高的光电转换效率，大致要比硅太阳电池高90%以上。III－V族半导体具有比硅高得多的耐高温特性，在高辐照度下仍具有很高的光电转换效率，因此可以采用高倍聚光技术，这意味着产生同样多的电能只需要很小的太阳电池芯片。多结技术一个独特的方面就是可选择不同的材料进行组合使它们的吸收光谱和太阳光谱接近一致，相对晶体硅，这是巨大的优势。后者的转换效率已近极限，而多结器件理论上的转换效率可达68%。目前使用最多的是由锗、砷铟镓（或砷化镓）、镓铟磷3种不同的半导体材料形成3个p－n结，在这种多结太阳电池中，不但这3种材料的晶格常数基本匹配，而且每一种半导体材料具有不同的禁带宽度，分别吸收不同波段的太阳光光谱，从而可以对太阳光进行宽谱线吸收。图13．16所示是典型的三结太阳电池的结构及量子效率相应曲线图。同时三结电池随着到达芯片能量的增加也就是聚光倍数增加，芯片的光电转换效率会增加，当然到达极限效率后会下降（见图13．17），由于这个特性，聚光不但可以降低芯片材料的用量更加可以通过效率的提升来降低成本。

图13．16　三结III－V族太阳电池的结构及相应量子效率曲线(www.xing528.com)

图13．17　不同聚光倍数的聚光电池光电转换效率

常规HCPV芯片的生产过程如下：首先利用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）技术在4／6in锗衬底上外延砷化镓和铟镓磷形成3结电池片的材料，然后在外延片上利用光刻、等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、蒸镀等技术，制备减反膜以及主要成份为银的金属电极，再经划片清洗等工艺，生产出HCPV芯片。

典型具体的芯片外延生长过程：

（1）成核层（nucleation layer）生长：采用最合适的成核层材料及外延条件，以达到最佳的底电池p－n界面、外延表面缺陷密度及平滑度。

（2）缓冲层（buffer layer）生长：采用最合适的缓冲层材料、厚度及外延条件，以兼顾生产速度及电池性能。

（3）底层隧穿结（bottom tunnel junction）生长：采用合适的材料类型、浓度、厚度及外延条件，以达最低的吸光程度、电阻效应及参杂元素扩散效应，进而降低对底电池及中电池的效能影响并满足整体电池效能目标。

（4）中电池（middle cell）生长：采用合适的射极（emitter）、基极（base）、窗层（window layer）及背电场层（BSF）的材料类型、浓度、厚度及外延条件，以达最佳的光子吸收效率及最低的载子复合效应，进而达到最佳的中电池效能。

（5）上层隧穿结（top tunnel junction）生长：采用合适的材料类型、浓度、厚度及外延条件，以达最低的吸光程度、电阻效应及参杂元素扩散效应，进而降低对中电池及顶电池的效能影响并满足整体电池效能目标。

（6）顶电池（top cell）生长：采用合适的射极（emitter）、基极（base）、窗层（window layer）及背电场层（BSF）的材料类型、浓度、厚度及外延条件，以达最佳的光子吸收效率及最低的载子复合效应，进而达到最佳的顶电池效能。

（7）电极接触层（cap layer）生长：采用合适的材料组成、浓度、厚度及外延条件，以达最低的接触及串联电阻效应。

（8）外延条件优化：优化外延条件，增加外延稳定性、降低外延成本，实现批量生产。

典型具体的芯片工艺过程：

（9）电池正面与背面金属层之优化设计：以达到高聚光倍率下的最佳电池转换效率、最少贵金属的使用同时满足可靠度的要求。

（10）正面与背面金属层蒸镀技术研究与制程优化设计：选择适当的蒸镀金属材料，并优化蒸镀工艺设计、蒸镀速率、真空条件、温度、蒸镀顺序等各项参数，来实现电池正面与背面金属层总体的优化设计。

（11）蚀刻工艺制程的优化：选择最佳的化学材料，并优化所需各材料的比率、蚀刻时间、浓度、温度等各项参数。

（12）黄光工艺制程的优化：选择最佳的光阻、显影等化学材料与优化光罩设计、并优化光阻厚度、光阻涂布条件、显影条件、烘烤时间、温度等各项参数。

（13）优化电池表面抗反射层：选择适当放入镀膜材料，并以优化蒸镀工艺放入的双层抗反射层，来实现最小反射率及光电转换效率的耗损。

（14）合理的工艺制程与工序：各工序流程间的优化整合设计，使生产流程间达到最佳效率，以实现最佳的制造绩效、稳定的电池质量水平，降低整体量产成本，及实现规模生产的目标。

（15）优化电池表面抗反射层：选择适当放入镀膜材料，并以优化蒸镀工艺放入的双层抗反射层，来实现最小反射率及光电转换效率的耗损。

由于聚光电池在目前常规工艺中，Ge衬底在制作成芯片最终成本中占比例30%左右，所以聚光电池厂家纷纷在尝试Ge衬底复用技术，或者Ge材料替换成其他低成本半导体材料，例如美国的AstroWatt、Spectrolab、Emcore、Twin creeks等。

HCPV电池的技术由于源自太空太阳能技术转到地面太阳能应用，目前主要生产商有美国的Spectrolab、Emcore，德国的Azurspace，中国乾照等都是本国在空间太阳电池的主要供应商，同时由于各国在空间方面的大力发展，同时空间技术不计成本的研发投入使得多结电池（目前主要是三结电池）每年以1%～1．5%的效率不断提升，并且在可预见的未来还会不断提升。这也是聚光技术在聚光电池上的巨大优势，虽然两者技术不完全一样，但是在转换效率提升方面绝大部分技术是可以共享的。基于这样的前提条件，可以预测在未来的3～5年多结III－V族聚光电池的转换效率有望提升到45%甚至50%以上，太阳能技术最终将会是转换效率和成本的平衡，而只有转换效率不断提升，成本才有可能不断下降。