聚光太阳电池
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– 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
Efficiency (%)
45
40
35
III-V Concentrator Tandem
30
New Mater.
用于聚光太阳电池的单体，与普通太阳电池略有不同，因需耐 高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得 到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都 要进行一些特殊考虑。最理想的制造聚光太阳电池的材料为砷 化镓，因为它的禁带宽度和载流子浓度均适合于在强光下工作。 其次是单晶硅材料。在电池结构方面，聚光电池的Ｐ-ｎ结构要 求较深，普通太阳电池多用平面结构，而聚光太阳电池常采用 垂直结构，以减少串联电阻的影响。同时，聚光电池的栅线也 较密，典型的聚光电池的栅线约占电池面积的１０％。
2. 聚光光伏系统（特别是高倍聚光系统）不能吸收太 阳散射光，太阳直射光稍有偏离电池，就会使得发 电量急剧下降，因此往往需要配备高精度太阳跟踪 器。
3. 聚光太阳电池在工作时温度会升高，因此有时需要 配置散热器。
4. 由于真正进入实际应用的时间不长，还缺乏统一标 准和认证。
二、聚光光伏部件
聚光系统(聚光器、聚光元件) 光伏转换系统
聚光光伏与一般光伏不太一样的情况：
首先，因为光学系统一般只能对直射光或者平行光进行聚 焦，尽管太阳光照射到地球时可以认为是平行光，但到达地面 的阳光，却有一部分是经过散射、反射或者漫反射到达的，这 部分阳光就无法为聚光系统所利用。通常情况下，直射阳光成 分占总辐射的85%（因不同地区而异）。
其次，因为要保持聚光系统正对着太阳，跟踪系统就成为 聚光光伏必不可少的重要部件。传统上，光伏发电设备不带转 动部件一度被认为是光伏发电的一大亮点，但随着跟踪系统技 术的进步和成本下降，更最重要的是可靠的增加，因此其他光 伏技术带跟踪器的方案也慢慢的被行业接受。
第五章 聚光太阳电池
1
目录
一、聚光光伏发电的特点 二、聚光光伏部件 三、聚光光伏系统 四、聚光光伏发电前景
2
什么是聚光光伏 ？
与其他光伏发电技术路线一样，聚光光伏也是 通过光电转换材料的光伏效应实现发电。其所使用 光电转换材料，可以是晶硅材料，也可以是其他光 电材料。这一技术的要点在于，利用光学聚焦装置 把太阳光集中到一小片光电材料上，以此节省昂贵 的半导体材料，达到同样的阳光利用效率。与一般 直觉认识所不同的是，聚光技术仅仅是增大了光的 能量密度，并不意味着能量的放大。
环保：制造高效聚光太阳电池模组耗费的电能约运行后 半年可以收回，且制造环节不产生任何污染，运行20-25 年后所有部件可回收再生。
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）
影响二：废弃物
再者，在使用的光电材料上，早期的聚光 光伏仍然使用晶硅材料，但随着其他更高 光电转换效率材料的发展和聚光比的提高， III-V族砷化镓系列的半导体多结材料慢慢 成为聚光光伏使用的主流材料，而晶硅材 料在聚光比提高以后无法承受高密度的光 照，仅停留在低倍聚光上应用。因此，聚 光光伏又分为低倍聚光（LCPV）和高倍聚 光（HCPV）。
11
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）
缺点：
1. 对阳光要求较高，需要在直射阳光条件好的地区建 设电站；
19
2、散热：
普通的硅光电池板在夏日中午时温度能到75度以上，普通的硅电池 板在两倍太阳光强下时间一长就会起泡，在5倍太阳光强下10分钟 就会就会起泡，在10倍太阳光强下5分钟就会起泡，起泡后太阳能 电池片就会被氧化，在很短的时间内就会大幅降低效率，另外起泡 后由于受热不均匀，常常有电池片炸裂的，这样系统就完全不可用。
0.4
0.3
0.2
0.1
US $/KWh
1995
2000
2005
2010
2015
2020
Year
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.
聚光太阳电池组件＋散热器
系统平衡部分(BOS)
太阳自动跟踪系统、控制器及支架等
聚光光伏结构： 聚光光伏发电系统由太阳能接收器、聚 光镜、太阳跟踪机构组成。 聚光太阳能接收器包括聚光太阳能电池、 旁路二极管和散热系统等。
16
传统的聚光太阳能电池主要组成包括：太阳能电池、聚光器 、跟踪系统
1 聚光太阳电池
18
1、让单晶硅承受较高倍聚光
虽然砷化镓可以承受1000倍的光强，但是现在砷 化镓价格昂贵，并且砷化镓中的砷是剧毒物质， 不可能大幅度的降低制造成本，另外在以环保为 主题的国际环境下也不可能大量使用，最后只能 是单晶硅;但是单晶硅一般只能承受3到5倍的光 强，在CPV领域3到5倍的聚光几乎不怎么能降低 成本，要想大幅度降低成本必须达到10左右。为 了达到10倍的聚光必须用特制的单晶硅。
5
一、聚光光伏发电的特点
高效太阳能聚光光伏发电系统的优势相对硅基太阳电池主 要体现在高效、低成本、环保三个方面：
高效：世界上聚光光伏发电系统模组的转换效率约在20 ％-28％，最高的达到了30％，是目前其它太阳电池发电技 术难以达到的。
低成本：规模化电站建设高效太阳能聚光光伏系统模组 在2009 年有望达到2美元/W 以下，约低于硅基太阳电池的 20％；
25
Thin-Film Si
20
15
Cryst.Si
10
5
0 1950 1960
CIGS a-Si
1970 1980
1990
2000
2010
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2020
Organic
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
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
Efficiency (%)
45
40
35
III-V Concentrator Tandem
30
New Mater.
用于聚光太阳电池的单体，与普通太阳电池略有不同，因需耐 高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得 到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都 要进行一些特殊考虑。最理想的制造聚光太阳电池的材料为砷 化镓，因为它的禁带宽度和载流子浓度均适合于在强光下工作。 其次是单晶硅材料。在电池结构方面，聚光电池的Ｐ-ｎ结构要 求较深，普通太阳电池多用平面结构，而聚光太阳电池常采用 垂直结构，以减少串联电阻的影响。同时，聚光电池的栅线也 较密，典型的聚光电池的栅线约占电池面积的１０％。
2. 聚光光伏系统（特别是高倍聚光系统）不能吸收太 阳散射光，太阳直射光稍有偏离电池，就会使得发 电量急剧下降，因此往往需要配备高精度太阳跟踪 器。
3. 聚光太阳电池在工作时温度会升高，因此有时需要 配置散热器。
4. 由于真正进入实际应用的时间不长，还缺乏统一标 准和认证。
二、聚光光伏部件
聚光系统(聚光器、聚光元件) 光伏转换系统
聚光光伏与一般光伏不太一样的情况：
首先，因为光学系统一般只能对直射光或者平行光进行聚 焦，尽管太阳光照射到地球时可以认为是平行光，但到达地面 的阳光，却有一部分是经过散射、反射或者漫反射到达的，这 部分阳光就无法为聚光系统所利用。通常情况下，直射阳光成 分占总辐射的85%（因不同地区而异）。
其次，因为要保持聚光系统正对着太阳，跟踪系统就成为 聚光光伏必不可少的重要部件。传统上，光伏发电设备不带转 动部件一度被认为是光伏发电的一大亮点，但随着跟踪系统技 术的进步和成本下降，更最重要的是可靠的增加，因此其他光 伏技术带跟踪器的方案也慢慢的被行业接受。
第五章 聚光太阳电池
1
目录
一、聚光光伏发电的特点 二、聚光光伏部件 三、聚光光伏系统 四、聚光光伏发电前景
2
什么是聚光光伏 ？
与其他光伏发电技术路线一样，聚光光伏也是 通过光电转换材料的光伏效应实现发电。其所使用 光电转换材料，可以是晶硅材料，也可以是其他光 电材料。这一技术的要点在于，利用光学聚焦装置 把太阳光集中到一小片光电材料上，以此节省昂贵 的半导体材料，达到同样的阳光利用效率。与一般 直觉认识所不同的是，聚光技术仅仅是增大了光的 能量密度，并不意味着能量的放大。
环保：制造高效聚光太阳电池模组耗费的电能约运行后 半年可以收回，且制造环节不产生任何污染，运行20-25 年后所有部件可回收再生。
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）
影响二：废弃物
再者，在使用的光电材料上，早期的聚光 光伏仍然使用晶硅材料，但随着其他更高 光电转换效率材料的发展和聚光比的提高， III-V族砷化镓系列的半导体多结材料慢慢 成为聚光光伏使用的主流材料，而晶硅材 料在聚光比提高以后无法承受高密度的光 照，仅停留在低倍聚光上应用。因此，聚 光光伏又分为低倍聚光（LCPV）和高倍聚 光（HCPV）。
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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）
缺点：
1. 对阳光要求较高，需要在直射阳光条件好的地区建 设电站；
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2、散热：
普通的硅光电池板在夏日中午时温度能到75度以上，普通的硅电池 板在两倍太阳光强下时间一长就会起泡，在5倍太阳光强下10分钟 就会就会起泡，在10倍太阳光强下5分钟就会起泡，起泡后太阳能 电池片就会被氧化，在很短的时间内就会大幅降低效率，另外起泡 后由于受热不均匀，常常有电池片炸裂的，这样系统就完全不可用。
0.4
0.3
0.2
0.1
US $/KWh
1995
2000
2005
2010
2015
2020
Year
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.
聚光太阳电池组件＋散热器
系统平衡部分(BOS)
太阳自动跟踪系统、控制器及支架等
聚光光伏结构： 聚光光伏发电系统由太阳能接收器、聚 光镜、太阳跟踪机构组成。 聚光太阳能接收器包括聚光太阳能电池、 旁路二极管和散热系统等。
16
传统的聚光太阳能电池主要组成包括：太阳能电池、聚光器 、跟踪系统
1 聚光太阳电池
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1、让单晶硅承受较高倍聚光
虽然砷化镓可以承受1000倍的光强，但是现在砷 化镓价格昂贵，并且砷化镓中的砷是剧毒物质， 不可能大幅度的降低制造成本，另外在以环保为 主题的国际环境下也不可能大量使用，最后只能 是单晶硅;但是单晶硅一般只能承受3到5倍的光 强，在CPV领域3到5倍的聚光几乎不怎么能降低 成本，要想大幅度降低成本必须达到10左右。为 了达到10倍的聚光必须用特制的单晶硅。
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一、聚光光伏发电的特点
高效太阳能聚光光伏发电系统的优势相对硅基太阳电池主 要体现在高效、低成本、环保三个方面：
高效：世界上聚光光伏发电系统模组的转换效率约在20 ％-28％，最高的达到了30％，是目前其它太阳电池发电技 术难以达到的。
低成本：规模化电站建设高效太阳能聚光光伏系统模组 在2009 年有望达到2美元/W 以下，约低于硅基太阳电池的 20％；
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Thin-Film Si
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Cryst.Si
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0 1950 1960
CIGS a-Si
1970 1980
1990
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2010
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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Organic
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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