砷化鎵太陽(yáng)能電池或?qū)⒅饾u取代晶硅太陽(yáng)能電池

1、碑化太陽(yáng)能電池或?qū)⒅饾u取代晶硅太陽(yáng)能電池來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)來(lái)源日期：2012-7-13作者：全球電池網(wǎng)點(diǎn)擊：15639根據(jù)最近剛剛結(jié)束的京都議定書修改，未來(lái)高耗能產(chǎn)品輸出將受到嚴(yán)格限制。生產(chǎn)過(guò)程須高耗能的單、多晶硅太陽(yáng)能電池將面臨 嚴(yán)苛挑戰(zhàn)。而具環(huán)保低耗能且發(fā)電轉(zhuǎn)換效率更高的碑化蹤太陽(yáng)能電池，估計(jì)將逐漸取代晶硅太陽(yáng)能電池市場(chǎng)。目前市場(chǎng)上量產(chǎn)的單晶與 多晶硅的太陽(yáng)電池平均效率約在15%上下，為了提煉晶硅原料，需要花費(fèi)極高的能源，所以嚴(yán)格地說(shuō)，現(xiàn)今的晶硅太陽(yáng)電池，也是某種 型式的浪費(fèi)能源。而碑化蹤太陽(yáng)能電池，由于原料取得不需使用太多能源，而且光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)38%以上，比傳統(tǒng)晶硅原料高出許多， 符合修改后

2、的京都議定書規(guī)范，估計(jì)未來(lái)將成市場(chǎng)主流。為了解決這一問(wèn)題，人們不得不把眼光盯向薄膜電池，使近年薄膜電池異軍突起，引起投資者的極大興趣。但薄膜電池光電轉(zhuǎn)換 效率相對(duì)較低，特別是碑化鎵薄膜電池價(jià)格昂貴，目前僅在空間領(lǐng)域應(yīng)用，給光伏產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展帶來(lái)一定制約。而采用碑化鎵薄膜 電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)即所謂HCPV系統(tǒng)，卻能實(shí)現(xiàn)光熱與光伏的綜合利用，并充分降低生產(chǎn)成本、提高轉(zhuǎn)換效率，為光伏產(chǎn)業(yè)更大發(fā) 展開辟新的市場(chǎng)空間。一、砷化鐐薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)想在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中，單晶硅和多晶硅等硅基光伏電池幾乎占到全部產(chǎn)量的94%以上。由于近年太陽(yáng)能級(jí)硅材料供不應(yīng)求，且持續(xù) 大幅度漲價(jià)，在一定程度上

3、制約了硅基光伏電池的發(fā)展。因此，如何提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率和降低光伏電池的生產(chǎn)成本，成為目前光 伏產(chǎn)業(yè)必須研究和解決的核心問(wèn)題。人們一方面在研究和擴(kuò)大太陽(yáng)能級(jí)硅材料的生產(chǎn)，另一方面又在研究和推廣不用或少用硅材料來(lái)生 產(chǎn)新的光伏電池。在這樣一種背景下，非晶硅、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒等薄膜電池應(yīng)運(yùn)而生，乘勢(shì)發(fā)展。上述光伏電池中，非晶硅電 池效率低下，且穩(wěn)定性有待提高。盡管硫化鎘、碲化鎘薄膜電池的效率較非晶硅薄膜電池效率高，成本較晶體硅電池低，且易于大規(guī)模 生產(chǎn)，但是鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，硒和銦是儲(chǔ)量很少的稀有元素，因此大規(guī)模發(fā)展必將受到材料制約。而碑化鎵化合物材 料具有十分理想的禁帶寬度

4、以及較高的光吸收效率，適合于制造高效電池。此外，還可以通過(guò)疊層技術(shù)做成多結(jié)碑化鎵基電池，以進(jìn)一 步提高轉(zhuǎn)換效率。但是，由于碑化鎵基材料價(jià)格昂貴，碑化鎵薄膜電池目前只在航天等特殊領(lǐng)域應(yīng)用，離地面應(yīng)用的商業(yè)化運(yùn)行還有很 大距離。為了降低光伏電池的發(fā)電成本，可采取的有效途徑之一就是研發(fā)和應(yīng)用砷化鎵薄膜電池聚光發(fā)電系統(tǒng)。在獲得同樣輸出功率情況 下，可以大大減少所需的砷化鉀薄膜電池面積。相當(dāng)于用比較便宜的普通金屬、玻璃材料做成聚光器和支撐系統(tǒng)，來(lái)代替部分昂貴的砷 化鎵薄膜電池。在這種聚光系統(tǒng)中，如果聚光率超過(guò)10倍以上，則系統(tǒng)只能利用直射陽(yáng)光，因而必須采用跟蹤系統(tǒng)相互配合，才能充分 發(fā)揮效能。在固定溫度

5、下，光伏電池效率隨聚光率變化的一般趨勢(shì)是，在低聚光率時(shí)，電池效率隨聚光率的增加而增加，在高聚光率時(shí)， 則隨聚光率的增加而降低。光伏電池在高聚光大電流下，其工作溫度的升高將導(dǎo)致效率的下降，因此，聚光跟蹤系統(tǒng)還需要配備有效的 散熱設(shè)備。考慮到系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性，可以通過(guò)主動(dòng)制冷方式，在對(duì)光伏電池快速散熱的同時(shí)，充分利用熱能生產(chǎn)熱水，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 太陽(yáng)能光熱和光伏的綜合利用，以充分發(fā)揮整體效能。二、神化保薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的組成部件(一)電池片神化鉉(GaAs)的發(fā)展?jié)摿ι榛?GaAs)半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比，它具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性，電子遷移率 約為硅

6、材料的5.7倍。因此，廣泛應(yīng)用于高頻及無(wú)線通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應(yīng)用于激 光器、無(wú)線通信、光纖通信、移動(dòng)通信、GPS全球?qū)Ш降阮I(lǐng)域。砷化鎵除在IC產(chǎn)品應(yīng)用以外，也可加入其它元素改變能帶隙及其產(chǎn)生 光電反應(yīng)，達(dá)到所對(duì)應(yīng)的光波波長(zhǎng)，制作成光電元件。還可與太陽(yáng)能結(jié)合制備砷化鎵太陽(yáng)能電池。作為通信、微電子以及光電子的基礎(chǔ)材料GaAs材料，世界上其晶體生長(zhǎng)技術(shù)和器件制作技術(shù)已較成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。 其中，砷化鎵在WiMAX和WLAN應(yīng)用市場(chǎng)上，將有明顯增幅，預(yù)計(jì)到2010年，市場(chǎng)需求近10億美元，增長(zhǎng)23%。在砷化鎵太陽(yáng)能電 池上，也有部分要量產(chǎn)的企業(yè)。

7、在砷化鎵微波元件需求上，可望再倍增，用于蜂窩回程通信的GaAs芯片市場(chǎng)2007年達(dá)到了峰期。未來(lái) 砷化鎵發(fā)展勢(shì)必將與Si、GaN以及SiGe 一同參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。砷化鎵集成電路，用半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)器件構(gòu)成的集成電路。構(gòu)成GaAs集成電路的器件主要有肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)管、高電 子遷移率晶體管和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。20世紀(jì)70年代初，由于高質(zhì)量的GaAs外延材料和精細(xì)光刻工藝的突破，使GaAs集成電路的 制作得到突破性進(jìn)展。同硅材料相比，GaAs材料具備載流子遷移率高、襯底半絕緣以及禁帶較寬等特征，因此用它制成的集成電路具有 頻率高、速度快、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是材料缺陷較多，集成規(guī)模

8、受到限制，成本較高。GaAs集成電路可分為模擬集成電路 如單片微波集成電路和數(shù)字集成電路兩類。前者主要用于雷達(dá)、衛(wèi)星電視廣播、微波及毫米波通信等領(lǐng)域，后者主要用于超高速計(jì)算機(jī) 及光纖通信等系統(tǒng)。GaAs電池片技術(shù)特點(diǎn)市場(chǎng)上的聚光光伏電池系統(tǒng)組件大部分仍采用單晶硅太陽(yáng)能電池，基于砷化鎵基多結(jié)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上剛剛嶄露頭 角，尚未進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。高效太陽(yáng)能電池是聚光光伏、光熱綜合利用系統(tǒng)的核心部件。在500-1000倍的高倍聚光條件下，其芯片和模組 制作工藝都與低倍聚光下不同，需要重新設(shè)計(jì)工藝條件。在適合高倍聚光的光伏電池工藝中應(yīng)充分借鑒激光器、發(fā)光二極管等器件的先 進(jìn)設(shè)計(jì)方法。采用低成本

9、、高熱穩(wěn)定性的不含金的合金作為III-V聚光光伏電池頂部網(wǎng)格電極材料，通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和制作工藝，在不 改變電池外延結(jié)構(gòu)的條件下，開發(fā)出500至1000倍聚光下高效多結(jié)光伏電池低成本產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝，使光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30%，并獲 得較高的工作穩(wěn)定性。（二）聚光器由于高效砷化鎵光伏電池的生產(chǎn)成本較高，因此提高聚光器的聚光倍數(shù)、聚光效率和均勻性成為充分發(fā)揮砷化鎵光伏電池效率優(yōu) 勢(shì)、降低聚光光伏、光熱綜合利用系統(tǒng)成本的關(guān)鍵之一。光伏聚光器是利用透鏡或反射鏡將太陽(yáng)光聚焦到光伏電池上。按光學(xué)類型劃分， 常用的聚光系統(tǒng)通常分為折射聚光系統(tǒng)和反射聚光系統(tǒng)。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，菲涅爾透鏡成為理想之選。它的聚焦方

10、式可以是點(diǎn)聚焦， 也可以是線聚焦。點(diǎn)聚焦時(shí)，將太陽(yáng)光聚焦在一個(gè)光伏電池片上;線聚焦時(shí)，將太陽(yáng)光聚焦在光伏電池組成的線列陣上。反射式聚光系統(tǒng) 也可以分為點(diǎn)聚焦結(jié)構(gòu)和線聚焦結(jié)構(gòu)。但是傳統(tǒng)菲涅爾透鏡存在難以實(shí)現(xiàn)的高接收角、聚光后光強(qiáng)分布不均勻和易老化變形等問(wèn)題。而 反射式聚光器聚光倍數(shù)較低，難以大幅度降低發(fā)電成本。（三）跟蹤器對(duì)于砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)日跟蹤器必不可少。這主要是由于隨著聚光比的提高，聚光光伏系統(tǒng)所接收到光 線的角度范圍就越小，為了更加充分地利用太陽(yáng)光，聚光光伏系統(tǒng)必須輔以對(duì)日跟蹤裝置。因此，通過(guò)對(duì)聚光光伏系統(tǒng)跟蹤信號(hào)的產(chǎn)生、 自動(dòng)控制的機(jī)理、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分的實(shí)現(xiàn)以及保護(hù)

11、應(yīng)急措施的考慮，研究出跟蹤精度高、運(yùn)行安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)、制造和運(yùn)用成本 低、用戶操作界面友好的太陽(yáng)能跟蹤器，對(duì)于成功開發(fā)砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)是至為重要的。目前，對(duì)日跟蹤器的設(shè)計(jì)方案 眾多，形式不拘一格。點(diǎn)聚光結(jié)構(gòu)的聚光器一般要求雙軸跟蹤，線聚光結(jié)構(gòu)的聚光器僅需單軸跟蹤。由于砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電 系統(tǒng)不得不經(jīng)受安裝地區(qū)惡劣的氣候條件，如風(fēng)、沙、冰雹、雨、雪等的侵蝕和損壞，因此，跟蹤系統(tǒng)的可靠性仍需進(jìn)一步的提高。（四）散熱器溫度是影響太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。聚光太陽(yáng)電池在運(yùn)行過(guò)程中，未被利用的太陽(yáng)輻射能除一部分被反射外， 其余大部分被電池吸收轉(zhuǎn)化為熱能。如果這些

12、吸收的熱量不能及時(shí)排除，電池溫度就會(huì)逐漸升高，發(fā)電效率降低，而且電池長(zhǎng)期在高溫 下工作還會(huì)因迅速老化而縮短使用壽命。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組件的溫度控制，可采用無(wú)機(jī)超導(dǎo)熱管技術(shù)。即以多種無(wú)機(jī)元素組合而 成的傳熱介質(zhì)，加入到管腔或夾壁腔內(nèi)，經(jīng)真空處理且密封后形成具有高效傳熱特性的元件。該元件將熱量由一端向另一端快速傳導(dǎo)的 過(guò)程中，表面呈現(xiàn)出無(wú)熱阻快速波狀導(dǎo)熱特性。它既可保證聚光光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)又能獲得相當(dāng)可觀的光熱收益，實(shí)現(xiàn)對(duì) 太陽(yáng)能的電熱聯(lián)用，以滿足普通用戶日常生活用電和熱水。三、碑化鐐薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)意義在各國(guó)政府的大力支持下，以及光伏市場(chǎng)的需求和聚光光伏技術(shù)迅猛提高

13、的趨勢(shì)下，高效、低廉、可靠、穩(wěn)定的聚光光伏發(fā)電系 統(tǒng)正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化。在國(guó)際光伏市場(chǎng)巨大潛力的推動(dòng)下，中國(guó)作為世界能源消耗第二大國(guó)，對(duì)于高效、低成本的光伏發(fā)電系統(tǒng)的需 求更為迫切。與國(guó)際上蓬勃發(fā)展的光伏發(fā)電相比，國(guó)內(nèi)平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)還處于技術(shù)開發(fā)階 段。只要我們抓住有利時(shí)機(jī)，瞄準(zhǔn)國(guó)際光伏電池新材料及器件研究的前沿，積極引進(jìn)和開發(fā)成熟砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，就 能在聚光光伏技術(shù)及應(yīng)用方面取得原創(chuàng)性的、突破性的進(jìn)展。砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)水平高、涉及學(xué)科多、帶動(dòng)作用強(qiáng)的綜合產(chǎn)業(yè)。在這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上，包括了研制系統(tǒng) 所需要的鋼材、玻璃、塑

14、膠材料等產(chǎn)業(yè);包括了與聚光器、跟蹤器所密切相關(guān)的精密儀器加工和自動(dòng)控制等產(chǎn)業(yè);包括了與高效太陽(yáng)能電池 相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備制造、III-V族半導(dǎo)體材料外延和器件制作等產(chǎn)業(yè)，包括了與太陽(yáng)能光熱利用相關(guān)的傳熱、水箱、管道等產(chǎn)業(yè)，還有相關(guān) 的蓄電池、逆變器和控制器等產(chǎn)業(yè)。因此，通過(guò)研發(fā)砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，能夠帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，提高相關(guān)產(chǎn)業(yè) 的整體研發(fā)水平，同時(shí)創(chuàng)造更多的就業(yè)崗位。發(fā)展砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，具有良好的節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)和推廣應(yīng)用等社會(huì)效益。以年產(chǎn)聚光砷化鎵薄膜電池產(chǎn) 量1MW計(jì)算，比同等產(chǎn)量的晶體硅光伏電池每年可減少耗電800萬(wàn)千瓦時(shí)，節(jié)約標(biāo)煤0.30萬(wàn)噸，減排二氧化碳0.58萬(wàn)噸，二氧化硫 40.78噸，二氧化氮3