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(lǐng)域的新焦點(diǎn)，引起了行業(yè)內(nèi)企業(yè)的追逐。在日光照射較好的幾個(gè)歐美國家，已通過了優(yōu)惠的上網(wǎng)電價(jià)法，隨著具有40%轉(zhuǎn)換效率的Ⅲ-V族半導(dǎo)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(jìn)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(diǎn)，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(dǎo)體材料及工藝制造、半導(dǎo)體封裝、光學(xué)設(shè)計(jì)制造、自動(dòng)化控制、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、金屬加工等領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)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(gè)獨(dú)特的方面就是材料——可選擇不同的材料進(jìn)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(dá)68%。目前最多使用的是由鍺、砷化鎵、鎵銦磷3種不同的半導(dǎo)體材料形成3個(gè)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(dǎo)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(jìn)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(diǎn)技術(shù)是目前HCPV芯片領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。
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(lǐng)域的新焦點(diǎn)，引起了行業(yè)內(nèi)企業(yè)的追逐。在日光照射較好的幾個(gè)歐美國家，已通過了優(yōu)惠的上網(wǎng)電價(jià)法，隨著具有40%轉(zhuǎn)換效率的Ⅲ-V族半導(dǎo)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(jìn)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(diǎn)，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(dǎo)體材料及工藝制造、半導(dǎo)體封裝、光學(xué)設(shè)計(jì)制造、自動(dòng)化控制、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、金屬加工等領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)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(gè)獨(dú)特的方面就是材料——可選擇不同的材料進(jìn)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(dá)68%。目前最多使用的是由鍺、砷化鎵、鎵銦磷3種不同的半導(dǎo)體材料形成3個(gè)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(dǎo)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(jìn)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(diǎn)技術(shù)是目前HCPV芯片領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。
接收器要安全可靠穩(wěn)定地應(yīng)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(jìn)行保護(hù)，對會聚光均勻化，同時(shí)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(dǎo)出，需要進(jìn)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(yàn)指標(biāo)主要包括空洞率和電性能測試，空洞率是檢驗(yàn)焊接良好與否的標(biāo)準(zhǔn)。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(dá)38.5%以上。在實(shí)際使用中，還需要將接收器組件與二次光學(xué)器件、散熱器封裝在一起，組成完整的接收器。二次光學(xué)器件可以降低對跟蹤器高精準(zhǔn)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(xué)元件通常是光學(xué)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(yīng)的DBC使用了導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的國際標(biāo)準(zhǔn)——IEC62108，通過熱循環(huán)、絕緣等一系列的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了聚光太陽能接收器的最低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用于光伏系統(tǒng)中。
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(shí)正對太陽，使太陽光的光線隨時(shí)都垂直照射到太陽能電池板的動(dòng)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(yīng)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(dá)0.1°，主要應(yīng)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(jì)算太陽運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)反饋跟蹤，其追蹤精度為0.1°，但受天氣影響大。太陽運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式是根據(jù)太陽的實(shí)際運(yùn)行軌跡按預(yù)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(shí)跟蹤，其追蹤精度約為0.5°?；旌闲徒Y(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在天氣狀況良好時(shí)，采用傳感器跟蹤保證追蹤精度；在天氣狀況不好時(shí)，追蹤方式由傳感器跟蹤轉(zhuǎn)為視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，HCPV系統(tǒng)失效有90%源于跟蹤器失效。
應(yīng)降低企業(yè)進(jìn)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(gè)：一是通過全光譜吸收進(jìn)一步提高電池芯片的光電轉(zhuǎn)換效率，二是通過襯底重復(fù)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(gè)組件的光學(xué)效率，四是將光能和熱能進(jìn)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(jìn)一步成熟和生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，預(yù)計(jì)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(fèi)用從現(xiàn)在的5～8美元/瓦降至2美元/瓦，芯片的造價(jià)從8～10美元/平方厘米降至3～5美元/平方厘米。而要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，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(jìn)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(gè)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(dú)立的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jìn)入這個(gè)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(jìn)入HCPV行業(yè)的道路。同時(shí)我們還為沒有任何設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)提供光伏模組的參考設(shè)計(jì)，加快了這些企業(yè)的研發(fā)進(jìn)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(dòng)下才能有所發(fā)展。歐洲的光伏發(fā)電應(yīng)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(jià)補(bǔ)貼。相對于水力發(fā)電、風(fēng)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(shí)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(shè)計(jì)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(shí)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(jī)玻璃(PMMA)進(jìn)行注塑和熱壓以及玻璃上涂復(fù)硅凝膠(SOG)等，這些都需要較復(fù)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(fēng)沙能力等都是評估透鏡的重要指標(biāo)。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(gè)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(shè)計(jì)。IEC62108[Concentrator photo voltaic(HCPV)modules and assemblies-Design qualification and typeapproval]是目前唯一的聚光太陽能接收器和組件之評估標(biāo)準(zhǔn)的國際規(guī)范。
美國Solfocus是為數(shù)不多的在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了反射光學(xué)系統(tǒng)的HCPV廠家。利用大型拋物鏡面碟來做反射光學(xué)系統(tǒng)被認(rèn)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MorganSolar。他們開發(fā)了一種獨(dú)特的光學(xué)設(shè)計(jì)(LightguideSolarOptic)，被認(rèn)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(shí)也降低了其對跟蹤器的要求。Morgan的光學(xué)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。