凝聚每份太阳光 _solfocus

+关注

博主要求身份验证

登录用户ID：

目前，全球已建有的所有发电设施发电能力的总和是2太瓦。而根据预测，随着能源需求的增长以及电力设备的更新换代，全球电力需求总量到2030年将达到6太瓦。如果我们仍然依赖以矿物燃料为主的发电模式来满足日益增长的电力需求，可能给日趋恶化的生态自然环境和过度开采的自然资源储备带来灭顶之灾。事实上，地球每小时从太阳接收的热量为13.7太瓦。如能有效开发和利用好太阳能这种随处可见的可再生性免费能源，将足以支撑我们每年的能源需求。在目前各种太阳能产品当中，一台台外形酷似望远镜的光伏聚光器（Concentrated Photovoltaics）将极有可能成为解决当前全球性能源危机的杀手锏。

2008年8月，SolFocus公司第一家200kW的发电厂在西班牙Puertollano投产。
公司简介
SolFocus公司（http://www.solfocus.com）位于美国加州山景城（Mountain View），其前身是Gary D.Conley在2000年创立的 H2Go公司。在对可再生能源与氢气理论进行研究过程中，Gary了解到人们对可再生低成本能源技术的迫切需求，开始将光伏聚光技术研究认定为缓解电力危机的一种手段。带着技术成果和可行性测试结果，Gary找到了Steve Horne。两人于2005年11月携手创建SolFocus公司，开始了“白手起家”的创业历程。2006年1月，SolFocus公司搬入著名的帕罗奥多研究中心（Palo Alto Research Center），并与后者建立产权与技术开发战略合作伙伴关系。2006年9月，SolFocus公司在帕罗奥多研究中心完成了第一个完整的光伏聚光方阵安装。目前， SolFocus公司下辖包括SolFocus 欧洲公司（西班牙马德里）、Inspira S.L. （西班牙马德里）与SolFocus Glassworks （美国亚利桑那州）等数家分支机构，为全球范围内推动光伏聚光技术奠定了基础。
自创建伊始，SolFocus公司就将大批量生产低成本、高产出的太阳能系列产品作为技术研究的核心问题。SolFocus公司的聚光产品与技术包括光伏聚光系统、光伏聚光智能跟踪系统、平板光伏智能跟踪系统等，并正向太阳能行业的其它领域延伸。它开发的廉价光伏聚光器等系列产品将带动整个行业可再生太阳能转化成本的减少，使太阳能源首次在没有任何补贴等优惠条件的情况下，与传统燃料在高达数十亿美元市场机会的能源市场展开竞争。

SolFocus 公司计划2008年在加州森尼韦尔(Sunnyvale)市试量生产40，000台光伏聚光器。
技术解读
光伏聚光技术发轫于上世纪70年代，但直到今天才开始将这种技术商业化。作为一种新的太阳能产品，光伏聚光器目前已出现大规模量产与部署的可能性。光伏技术的进步与光学技术的改善前所未有地提高了太阳能转化的效率，推动了光伏聚光时代的来临。光伏聚光技术如果向全球市场推广，可产生上百万千瓦的电量。
在光电效应转换原理方面，光伏聚光技术与传统的光伏发电技术没有本质上的不同。太阳能光伏聚光技术的创新之处在于，通过利用新型的光学系统，使原本大范围内分散的太阳光散发出的热量聚焦到小面积的高效太阳能电池的光敏感面上，构成成本低廉、经久耐用的太阳能发电系统。
SolFocus光伏聚光板由多块主镜和副镜、一款非成像光学元件和一块多结太阳能电池所组成。主镜与副镜将500倍的太阳能热量聚集在光学棒上，由光学棒将太阳光引导到多结太阳能电池。这种太阳能电池不仅具备将光转换成电能的高转换效率（转换效率是普通硅电池的2倍以上。
SolFocus光伏聚光板采用基于镜片的光学折射技术。主镜在吸收太阳光之后，再将阳光聚拢至副镜，由副镜将光能聚焦到位于光学棒底部的光伏电池。
光伏聚光技术的主要缺陷在于聚光板的仰角。受镜头限制，光伏聚光器与望远镜一样，都只能“看到”一小片天空。面板仰角越狭小，能接收的太阳漫射光就越少，光伏聚光效果也就大打折扣。而对于光伏聚光系统使用的多结太阳能电池来说，当它与太阳所处方向保持成直线时，才能发挥出最佳效率。为达到这一目标，SolFocus 公司在每块聚光板的底部安装了太阳能智能跟踪器，在对太阳的运行轨迹开展全天候精确追踪的基础上，将聚光板的仰角不断地进行调整。对于3倍以上的光伏聚光系统，可选择使用单轴或双轴的智能跟踪器。而20 倍以上的光伏聚光系统只能安装双轴智能跟踪器。这是因为随着聚焦倍数的提高，对跟踪精确度的要求也不断提高。

在收聚太阳能的过程中，光伏聚光板的仰角与其工作效率密切相关。
为保证最佳的弯曲度、指向精确度和跟踪范围，SolFocus公司在跟踪器的心脏部位安置了SunDog®控制器。该控制器使用基于星历表的开环跟踪方法，能达到0.1°的指向精确度，并且安装有管理系统运行和校准指向精确度的监视软件。
技术应用分析
SolFocus公司针对光伏聚光技术的尝试与革新，解决了早期光伏聚光技术方案中的安全性、可靠性、成本节约和量产等方面的技术难题，具有成本低廉、转换效率高、经久耐用等优点，为其在短期内投入大规模量产与部署奠定了基础。目前，SolFocus公司已将其太阳能聚光技术的应用方向瞄准在分布式发电、商业建筑屋顶等领域。2008年8月，SolFocus公司在西班牙Puertollano的第一家200千瓦的发电厂进入投产。该公司还计划于西班牙 Almogera建立第二家300千瓦的太阳能发电厂。此外，SolFocus公司还有在南欧和美国西南部地区兴建发电厂的计划。
首先，太阳能材料的大幅减少与发电成本的降低，为SolFocus光伏聚光技术产品成本优势的保持提供保障。
在光伏聚光板的各组成元件当中，最有“价值”的部位莫过于太阳能电池。太阳能电池原材料不仅价格昂贵，而且经常受到供货量的限制。因此，只要太阳能电池原材料的应用面积得到节省，整个太阳能光伏聚光器的成本就能降低。SolFocus光伏聚光板超过95％的部分以普通的铝和玻璃原材料所构成，所使用的活性材料仅为标准太阳能面板的千分之一。铝和玻璃等材料不仅价格低廉，而且容易得到。此外，折射聚光设计作用下的太阳能电池所转化的电能，是同类太阳能电池单独使用状态下的数百倍以上，这降低了单位电量的产生成本。
其次，高效能多结太阳能电池与光伏聚光技术的结合，保证了光伏聚光系统的高效光电转换效率。
光伏聚光技术，尤其是高聚焦光伏聚光板使用的太阳能电池，有别于传统光伏技术中的硅结晶电池。这种原本设计用于太空装置的多结太阳能电池，现在开始进入地面太阳能开发系统，并成为光伏聚光技术发展的助推器。SolFocus光伏聚光板中使用的多结太阳能电池具备最高水平的光电转化效率。当前，普通硅电池的光电转化效率在13-18%，而多结太阳能电池为35%，在几年后预计能达到45%。这种电池的应用，保证了SolFocu光伏聚光技术的光电转化效率远高于普通光伏技术。随着电池技术的发展，多结太阳能电池转换效率还将继续得到提高，SolFocus光伏聚光技术的发展空间也将进一步拓展。
最后，SolFocus光伏聚光系统具有经久耐用、性能稳定等优点。
铝和玻璃是SolFocus光伏聚光板的主要制作材料，除成本低廉、容易得到外，还具有户外耐用性强的特征。它所采取的流线化设计，保护了机器的关键部件不受环境的侵蚀。SolFocus公司使用的多结太阳能电池除了具有高水平的光电转化效率，与硅电池、薄膜太阳能电池相比，还具有不受高温影响的好处。太阳能智能跟踪系统设计与光伏聚光板的组合，能避免仪器受到强风、酷热以及其他恶劣气候的冲击，使得SolFocus光伏聚光系统的高发电量与稳定性达到了最优化。

打开淘股吧APP

更好理解

10-11-22 11:02

ddd

solfocus

09-02-12 11:18

高效多结太阳能电池技术
作者：王晓东，林峰，陈燕凌，季安，杨富华，中国科学院半导体研究所集成技术中心

太阳能光伏技术经过近几十年的发展，已经在新能源领域确立了其重要地位。大力发展太阳能光伏发电已成为人类解决未来能源问题的重要途径。在产业界，当前太阳能技术的重点仍是硅太阳能电池，包括多晶硅和非晶硅薄膜电池等。

由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有相对较高的转换效率和相对较低的成本，逐渐成为市场的主导产品。而其它种类的薄膜电池由于技术不是很成熟，似乎很难在短期内替代硅系太阳能电池。目前的硅系太阳能电池最高转换效率只有20%左右，要想再进一步提高已经非常困难。众所周知，提高转换效率和降低成本是太阳能光伏技术中的根本因素。开展高效太阳能电池技术研究，开发新的电池材料、电池结构，也一直是该领域的热点。在这其中，高效多结太阳能电池技术的研究尤为引人注目。

认识高效多结太阳能电池技术
一般所说的高效多结太阳能电池是指针对太阳光谱，在不同的波段选取不同带宽的半导体材料做成多个太阳能子电池，最后将这些子电池串联形成多结太阳能电池。目前研究较多的III-V族材料体系，如InGaP/GaAs/Ge三结电池，所报道的转换效率可达42.8%左右。也有选取II-VI族材料的，但目前还处于研究阶段。本文将主要介绍InGaP/GaAs/Ge等III-V族材料体系。

图1是一个典型的多结太阳能电池示意图。其中顶层的InGaP电池、中层的GaAs电池和底层的Ge电池带隙分别为1.86eV、1.40eV和0.65eV。在顶层和中层相邻两个电池间设有宽带隙的异质结构隧道结，使得入射光能顺利通过顶层电池到达中层的GaAs电池。同时提供高的结间势垒，防止两层中产生的少子扩散。

多结太阳能电池经过近十几年的发展，其在太空领域已经被广泛应用，效率纪录也不断被刷新。但由于成本等原因，很难得以大规模地面推广。因此必须尽可能地提高其转换效率，降低成本，才能显出其优势。

目前降低成本主要采用聚光镜技术，将太阳光通过透镜收集起来，减小了芯片的面积。日本夏普公司2007年底公布了1000倍聚光、转换效率高达40％的4.5mm2的InGaPAs系多结太阳能电池单元。2008年初，Delaware大学的Allen Barnett的研究团队研制的超高效太阳能电池（VHESC），仅在20个太阳的聚光条件下即可实现42.8%的组合效率。2008年8月，美国能源部可再生能源实验室（NREL）宣布，采用倒置赝形三结结构的太阳能电池在326个太阳的聚光条件下，其光电转化效率可达40.8%，并宣称这是迄今为止光伏技术中被证实的最高效率。随着效率纪录不断被刷新，高效多结太阳能电池的研发也正进一步深入。

太阳能电池新材料的研发现状
为了提高多结太阳能电池的转换效率，研究者们从新材料开发、器件结构乃至整个系统等方面对多结太阳能电池进行了优化。在新材料开发方面，主要有掺氮材料、量子点结构，以及In(Ga)N氮化物材料。

新型材料的研发始终是一个活跃的领域，研究者们首先想到的是掺氮材料。因为从III-V族半导体能带结构和晶格常数关系图中可以看出，对于GaInNAs材料四元材料的晶格和GaAs匹配，带宽为在1.05eV附近，若将其加到GaInP/GaAs/Ge三结结构上，产生的四结电池（1.88/1.42/1.05/0.67eV），其带宽更加接近理想值。在具有相同结数的器件中，效率可达到最大。对于多结太阳能电池来说，它似乎是实现高效率的最理想的方法。但是，复杂的四元材料体系在生长上很难保证材料的质量，更无法保证材料的重复性稳定性等问题。比如少数载流子扩散长度的问题就阻碍了GaInNAs材料的进展。近十年来，GaInNAs在光伏方面的应用正在逐渐减少。

其次，量子点结构也是新材料开发方面的热点。主要理念是将量子点层放在p-n结的耗尽区内，在光生载流子复合之前被集中起来。这其实是一种使用中间带的方法，通过提高量子效率来获得高效率。很容易看出，必须有足够多的高质量量子点作为吸收层才能实现提高效率的目的，这就在量子点材料生长方面提出了很高的要求。例如，日本筑波大学的研究者利用量子点的太阳能电池单元的光电转换效率可达到8.54％。其量子点型太阳能电池是在p-n结之间层叠多个量子点层，在1cm2的GaAs衬底上交替叠加了30层GaNAs和30层InAs的超晶格结构（见图2）。在GaNAs上生长InAs时，自组织生成高为3～4nm、直径为20～30nm的量子点。同时，超晶格结构导致量子点之间产生结合后，在传导带上形成微带，使各种波长的光吸收成为可能。多个早期研究量子点的研究组目前正对量子点在太阳能电池中的应用进行深入研究，如英国格拉斯哥大学、日本东京大学等。量子点型太阳能电池的理论转换效率可达60％以上，是颇受瞩目的高效太阳能电池的候选者之一。

InN和InGaN的全氮化物太阳能电池是一种非常吸引人的高效电池，理论上它可以连续覆盖0.7到2.4eV光谱。南京大学的研究者们通过计算得出，在理想情况下，InGaN材料应用于单结、双结和三结太阳电池时，其转换效率可分别高达27.3%、36.6%和41.3%。但是，氮化物本身也存在很多问题，如衬底材料选择、材料质量控制、p型材料的掺杂、隧道二极管的问题等，因此目前的研究还处于开发基础材料和器件的阶段。

器件结构和系统的优化设计
器件结构和系统的优化设计也是提高多结太阳能电池效率的重要方法。器件结构及系统改进方面主要包括赝形层结构、机械叠加结结构等等。

赝形层结构是指在已有的GaInP/GaAs/Ge三结电池上增加一个晶格失配层（赝形层），其实这是结合材料生长与器件结构优化的一种方法。

一般多结电池的外延层是晶格失配生长，会产生很多位错，减少了少子扩散长度，降低了器件性能。在赝形层结构多结太阳能电池中，使用组分渐变方法在GaInP/GaAs双结上生长InGaAs结，使得所有位错都局限在低带宽的InGaAs结中。其实赝形层方法在GaAs基HEMT的开发中广泛应用，近几年在GaAs基长波长激光器中也有应用。值得一提的是，倒置的赝形层多结太阳能电池结构（IMM）是EMCORE公司的专利技术（见图3），它采用倒置的方法生长和Ge或GaAs衬底匹配的GaInP和GaAs结，InGaP首先被淀积在基于Ge衬底的子电池上面。这种设计保持了GaInP/GaAs结的质量，它对整个器件总的发电能力具有决定性的作用。倒置赝性三结结构据称可与多项其它工艺兼容，如柔性衬底。因为Ge衬底能够被去除，从而器件可以安装在如聚酰亚胺胶带等柔性衬底上。

机械叠加多芯片结一般是指，将生长在不同衬底上不同带宽的电池压焊到一起而形成所谓的多芯片结。如将Ge或GaAs衬底上的带宽较宽的GaInP/GaAs多结结构电池压焊到InP衬底上的带宽较窄的GaInAsP/GaInAs（1.05/0.75eV）串联结构电池之上。也可采用光电互连以及机械叠加相结合的方法，如Delaware大学的Allen Barnett的研究团队研制的超高效太阳能电池（VHESC），组合效率在20个太阳聚光条件下可达42.8%。这种超高效太阳能电池采用全新的横向光学聚焦系统，使入射光的不同光谱波段被光学地分离和定向，然后被不同带宽的太阳能电池所吸收（见图4）。这种光学聚焦系统具有较宽的接收角度，从而不需要复杂的定位跟踪系统。但是我们可以看出，机械叠加类型的结构设计在生长工艺需要多种衬底，工艺中需要衬底的剥离，在外延层上压焊晶片等，成本较高和而且器件质量很难保证。

发展前景广阔
高效多结太阳能电池技术的研究一直是太阳能光伏技术中的热点之一，国外多家研究机构、公司等投入了大量的人力物力。我国在这方面的研究起步也较早，如电子18所、航天811所、中科院半导体所等等。最近厦门三安的GaAs/Ge多结太阳能电池外延片关键技术研制及产业化项目宣称，其研制的多结太阳能电池光电转换效率达27%，远高于19.5%的硅电池最高转换效率。并具有更强的抗辐照能力、更好的耐高性能，加上聚光技术的应用（降低成本），将是新一代高性能长寿命太阳能电池最具发展潜力的产品。但我们可以看出，相比国外来说，转换效率相对较低，并且器件指标还有一定差距。总之，从新材料开发、器件结构乃至整个系统设计方面，在高效多结太阳能电池方面还有很多工作值得进一步深入研究。