聚光太阳电池技术及产业进展

系统
哈高科 Y 大豆的深加工和制药
具有业务拓展的优势
3MW 太 阳 能 薄 膜 电 池组 同普尼太阳能公司合资成立普尼 件中试生产线，采用聚 太阳能（中国）有限公司， 光+薄膜技术
新华光
Y
光学玻璃生产企业
涉入CPV聚光玻璃市场
收购了天达光伏，参与100MW昆明
石林并网电站项目
水晶光电 Y 精密薄膜光学产品 光学模组配套设施制造 公司传统产品即薄膜光学产品， 技术上具有传统的优势 利达光电 东山精密 Y Y 透镜、棱镜等 精密钣金件 聚光光伏发电系统 模组框架 公司具有光学聚光镜的生产能力 下游客户为CPV优秀系统集成商
Four SolarRow Arrays
18
Amonix, USA, 35 kW total
19
反射式CPV
30
3
25
1
Efficiency, %
20 15 10 5 0
Efficiency versus concentration for the GaAs (1) top cell and GaSb (2) bottom cell with prismatic cover. Curve (3) is summarized efficiency for these space cells (AM0): Eff. = 29.8%, 100suns. Eff. = 32-33%, AM1.5d, 50-200 suns
2
1
10
100
Concentration, suns
26 Polytechnicheskaya, St. Petersburg 194021, Russia Phone: +7 (812) 2475649, 2479394 FAX: +7 (812) 2471017 E-mail: vmandreev@mail.ioffe.ru
台湾核研所CPV 发电系统
半导体所研制的第一代聚光太阳电池
37
High Efficiency Concentrated Photovoltaic System
S=F· tg If F=60 mm =1 S=1 mm
1 departure 1 mm shift
Accuracy of tracker Better than 1
New Mater. Thin-Film Si
25 20 15
Cryst.Si
Organic CIGS a-Si
10 5
0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 Year
不同太阳电池转换效率的增长趋势
光伏发电成本分析
0.6 0.5 Concentrator Thin-Film Crystal Si
High Efficiency Concentrated Photovoltaic System
Useful component: Photofunnel—light guider
Fresnel lens
Photofunnel
Solar cell chip
High Efficiency Concentrated Photovoltaic System
Eg1 Eg1
1.5 GaAs 1.0 Si InP
AlSb Eg2 Eg2 GaSb Ge InAs GaNxAs1-x InNxP1-x 5.8 6.0 6.2 6.4 InSb 6.6 Eg3 Eg4
0.5
0.0 5.4
5.6
Lattice constant (A)
三、聚光太阳电池产业
发展趋势
–提高转换效率 –降低制造成本 –扩大应用领域
30
国外早期聚光太阳电池研究机构

美国NREL和Spectrolab、Tecstar、Entech公司
已在航天器上采用聚光太阳电池作为辅助电源 特拉华大学等十几所研究机构

俄国约菲所 德国弗朗霍夫太阳能研究所 日本夏普 中国科学院半导体研究所 航天集团上海811所 中电集团十八所
1.0 0.8
入射角<4.5
0.6 0.4 0.2 0.0 -15 -10 -5 0 5 10 15
输出功率下降 <10%
shift angle
相对输出功率随接收角的变化
国内早期聚光太阳电池研究机构

31
海外从事CPV 电池的企业
公司
Emcore Spectrolab SolFocus ENTECH Green Volts Spire Semiconductor Delta Electronics Bandgap Engineering Global Communication Semi Kopin Microlink Devices Cyrium Solar Systems IQE IMEC Azur Solar Centro Elettrotecnico S.Italiano Sharp
CPV日发电曲线
Prospect of CPVS
Solar cell chip MJ
Fresnel lens
CPS
Tracker
Connection protection
2.5
AlP GaP AlAs
twojunction SC
fourjunction SC
2.0
Bandgap energy (eV)
影响二：废弃物
– 镉（Cd） – 铅（Pb） – 砷（As）
聚光太阳电池的优越性

成本低 转换效率高 抗辐照能力强
聚光太阳电池在深空探测中意义重大
重量比功率大 探月飞行器 火星探测飞行器
8
45 40 35
III-V Concentrator Tandem
30
Efficiency (ficiency Concentrated Photovoltaic System
Heat sink
Unit of concentrated solar cell
光伏产业的发展前景
高效聚光光伏发电系统原型样机
42
光伏产业的发展前景
relative power output
Solfocus
扬州中显 N 最早生产液压成套设备 拉砷化镓单晶半导体材 料
国内研发生产CPV的机构（二）
公司名称 上 市 主营业务 与否 钟顺科技 N 重点研发太阳能跟日系 西昌CPV项目获国家“十一五”863 统，以及以跟日系统为 计划支持，并在重庆和西昌都建有 平台的跟踪式高效太阳 CPV并网电站 能光伏发电系统 天津蓝天太阳科技 N 有限公司 经天津市政府与中国电子 蓝天太阳科技公司是具 一期已投资3亿元，于2009年底在 科技集团公司签订合作协 备从多结砷化镓太阳电 华苑产业区建成了20MW聚光光伏生 议，由天津电源研究所出 池到聚光光伏发电系统 产线。 资成立的国有独资公司 整条产业链生产能力的 高科技公司 上海聚恒 N 公司开发的500倍聚光光 在云南石林云电投光伏电站场落成 伏发电系统已应用在大 。总装机容量达20KW。 型光伏电站中. 北京北控绿色产业 Y 有限公司 在北京房山区投资了聚 房山区项目投资10亿元 光型光伏发电（CPV）芯 片及模组生产线 进入CPV领域 特点
0.4
US $/KWh
0.3
0.2
0.1
1995
2000
2005 Year
2010
2015
2020
聚光光伏发电的电价将率先低于传统电价
Cited from: Nasser H. Karam, et al, Solar Energy Materials & Solar Cells 66 (2001) 453-466. 11
资料来源：招商证券
所在国家
美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 加拿大 澳大利亚 英国 比利时 德国 意大利 日本
国内研发生产CPV的机构（一）
公司名称 上 市 主营业务 与否 云南锗业 Y 锗矿 CPV 模 块 和 模 组 ， 发电 控制了CPV产业链的最上游原材料， 系统 万家乐 Y 输配电产品及卫厨家用电 CPV模组和发电系统 器 三安光电 Y LED芯片 并有国家863计划的支持 从传统家电和电器设备生产到新 能源转型 CPV 模 块 和 模 组 ， 发电 LED与CPV技术方面有相同之处， 进入CPV领域 特点
Russian Academy of Sciences
光伏产业的发展前景
40.7％ 的超高效率
美国Spectrolab公司效率为40.7％的聚光太阳电池阵列 （ 200倍聚光条件下）
24
美国特拉华大学牵头效率为42.8％的聚光太阳电池阵列
25
HCPV 电池
42.4%
电能输出稳定
工业硅的生产
资料来源：FhG-ISE
建设环境友好型光伏电站
成本低
– 500倍聚光 – 电池用量500分之一
占地面积小 – 高倍聚光
10kW机组50m2 实际占地4m2 10MW电站用地30万m2 (450亩) 实际占地4000m2（6亩）
二、聚光太阳电池技术
太阳电池空间应用
第一代空间太阳电池： 单晶Si 转换效率：15-18% 第二代空间太阳电池： GaAs、GaAs/Ge 转换效率：18-21% 第三代空间太阳电池： GaInP/GaAs/Ge 转换效率：25-29% 第四代空间太阳电池： GaInP/GaAs/Ge聚光
2
3
2200－3000
120－140
4 5
1400－2200 1000－1400
100－120 80－100
展望
2004年欧洲JRC的预测
光伏电站对环境的影响
太阳光能量密度低：1kW/m2 影响一：占用土地
– 3kW太阳电池阵列面积20—30m2 – 10MW光伏电站占地约30万m2（450亩）
中国太阳能资源及其分布表
类 型 1
地
区
年辐射量 年日照时数 （千卡 （小时） /cm2· 年）
2800－3300 3000－3200 160－200 140－160
西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘 肃西部 西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁 夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部 、河北西北部 新疆北部、甘肃东南部、山西南部、陕 西北部、河北东南部、山东、河南、吉 林、辽宁、云南、广东南部、福建南部 、江苏北部、安徽北部、 湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建 北部、广东北部、陕西南部、江苏南部 、安徽南部、黑龙江 四川、贵州
台湾 CPV 应用发展
台湾是LED 重镇，在III-V 族太阳能电池及CPV 系统的发 展上也不遗余力，而主力的研发机构为原子能委员会核能 研究所（核研所），该机构从2003 年开始深入研究GaAs 太阳能，到07 年底已经取得台湾地区专利仅10 项。 在高聚光型 III-V 太阳电池领域,台湾目前已逐步发展出多 个富成效的团队： – 核研所为核心，包括上游的全新光电，中有的太聚能 源以及下游的华旭环能； – 台达电与 Spectrolab 合作开发下游接收器模组（后者 为波音公司子公司，全球最大的GaAs 太阳能芯片供 应商）； – 佰鸿与砷化镓磊晶大厂 kopin 合作，发展III-V 族聚光 型太阳能晶片。
14
主要太阳电池技术
– 单晶硅太阳电池 – 砷化镓太阳电池 – 多晶硅太阳电池 – 非晶硅太阳电池 – GaAs\InGaP二结太阳电池 – Ge\InGaAs\InGaP三结太阳电池 – a-Si\µ-Si二结太阳电池 – CdTe太阳电池 – CuInGaSe太阳电池 – 染料敏化太阳电池 – 概念太阳电池
聚光太阳电池技术 及产业进展
陈诺夫 二O一二年三月十四日
1
提 纲
一、聚光太阳电池的重要性 二、聚光太阳电池技术 三、聚光太阳电池产业 四、聚光太阳电池应用
2
一、聚光太阳电池的重要性
化石能源逐渐枯竭
环境污染日益严重
太阳
电池
中国的太阳能分布
West Abundant sunshine
East deficient sunshine
卫星上的聚光电池系统
ENTECH’s current space concentrator module uses a small silicone Fresnel lens (8.5 cm wide) to focus sunlight at 8.5X concentration onto radiation-cooled triple-junction photovoltaic cells (1.0 cm wide). 17