砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)技術的介紹

　一、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的基本構想

　　在光伏發(fā)電產業(yè)中，單晶硅和多晶硅等硅基光伏電池幾乎占到全部產量的94%以上。由于近年太陽能級硅材料供不應求，且持續(xù)大幅度漲價，在一定程度上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換效率和降低光伏電池的生產成本，成為目前光伏產業(yè)必須研究和解決的核心問題。人們一方面在研究和擴大太陽能級硅材料的生產，另一方面又在研究和推廣不用或少用硅材料來生產新的光伏電池。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運而生，乘勢發(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，但是鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重污染，硒和銦是儲量很少的稀有元素，因此大規(guī)模發(fā)展必將受到材料制約。而砷化鎵化合物材料具有十分理想的禁帶寬度以及較高的光吸收效率，適合于制造高效電池。此外，還可以通過疊層技術做成多結砷化鎵基電池，以進一步提高轉換效率。但是，由于砷化鎵基材料價格昂貴， 砷化鎵薄膜電池目前只在航天等特殊領域應用，離地面應用的商業(yè)化運行還有很大距離。

　　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10倍以上，則系統(tǒng)只能利用直射陽光，因而必須采用跟蹤系統(tǒng)相互配合，才能充分發(fā)揮效能。在固定溫度下，光伏電池效率隨聚光率變化的一般趨勢是，在低聚光率時，電池效率隨聚光率的增加而增加，在高聚光率時，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備?？紤]到系統(tǒng)的整體經濟性，可以通過主動制冷方式，在對光伏電池快速散熱的同時，充分利用熱能生產熱水，最終實現實現太陽能光熱和光伏的綜合利用，以充分發(fā)揮整體效能。

　二、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的組成部件

　?、?電池片

　　1. 砷化鎵（GaAs）的發(fā)展?jié)摿?/p>

　　砷化鎵（GaAs）半導體材料與傳統(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，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。因此，廣泛應用于高頻及無線通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應用于激光器、無線通信、光纖通信、移動通信、GPS全球導航等領域。砷化鎵除在I C產品應用以外，也可加入其它元素改變能帶隙及其產生光電反應，達到所對應的光波波長，制作成光電元件。還可與太陽能結合制備砷化鎵太陽能電池。

　　作為通信、微電子以及光電子的基礎材料GaAs材料，世界上其晶體生長技術和器件制作技術已較成熟，其應用領域不斷擴大。其中，砷化鎵在WiMAX和WLAN應用市場上，將有明顯增幅，預計到2010年，市場需求近10億美元，增長23%。在砷化鎵太陽能電池上，也有部分要量產的企業(yè)。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2007年達到了峰期。未來砷化鎵發(fā)展勢必將與Si、GaN以及SiGe一同參與市場競爭。

　　砷化鎵集成電路，用半導體砷化鎵（GaAs）器件構成的集成電路。構成GaAs集成電路的器件主要有肖特基勢壘柵場效應管、高電子遷移率晶體管和異質結雙極晶體管。20世紀70年代初，由于高質量的GaAs外延材料和精細光刻工藝的突破，使GaAs集成電路的制作得到突破性進展。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、抗輻射能力強等優(yōu)點。它的缺點是材料缺陷較多，集成規(guī)模受到限制，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字集成電路兩類。前者主要用于雷達、衛(wèi)星電視廣播、微波及毫米波通信等領域，后者主要用于超高速計算機及光纖通信等系統(tǒng)。

　　2. GaAs電池片技術特點

　　市場上的聚光光伏電池系統(tǒng)組件大部分仍采用單晶硅太陽能電池，基于砷化鎵基多結太陽能電池的產品在國際市場上剛剛嶄露頭角，尚未進入國內市場。高效太陽能電池是聚光光伏、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，需要重新設計工藝條件。在適合高倍聚光的光伏電池工藝中應充分借鑒激光器、發(fā)光二極管等器件的先進設計方法。采用低成本、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格電極材料，通過優(yōu)化電極結構和制作工藝，在不改變電池外延結構的條件下，開發(fā)出500至1000倍聚光下高效多結光伏電池低成本產業(yè)化生產工藝，使光電轉換效率達到30％，并獲得較高的工作穩(wěn)定性。