Ⅲ-Ⅴ族太阳电池和聚光光伏技术在地面上的应用

James和Moon是最早利用Ⅲ-Ⅴ族太阳电池进行聚光光伏技术研究的人员［1］。由他们开创的工作证明了AlGaAs/GaAs这种重要的异质结太阳电池在几百个太阳下仍然能有效地工作。从那时起的以后三十多年间，美国、欧洲和日本的研究机构都在致力于研发这项技术的各个方面，比如，改进Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的结构和制作工艺，制造高效光学聚光系统，设计组件和太阳跟踪器以及解决散热问题。在实际应用中发展起来的具有较高效率的多结太阳电池证实了电池的光电转换效率可以高达40%～50%，这极大地激发了人们对聚光光伏的兴趣［2，3］。然而，这其中出现的各方面问题需要不同领域的专家解决，因此取得进一步的进展还需要一定的时间。所以说，利用Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的聚光光伏系统的商业化发展才刚刚起步。

起初，影响聚光光伏系统进一步发展的复杂因素是缺乏对特定问题的全面评估。20世纪70年代后期至80年代早期，建立聚光光伏发电系统开展实验研究的研发人员的心态都是为了让每个聚光器－光电池对保证有尽可能高的净输出功率。他们的目的与当时设计高效电力转换技术半导体元件(逆变器、半导体闸流管、三极管)的目的是完全一致的。需要注意的是，在“太阳能－电能”和“直流电－交流电”这两种转换系统中存在着显著的差异，其中一项就是它们的功率输出特性不同。相较于太阳能具有低密度分布的特性，电能则是以高密度电流在电缆中传输。此外，在“太阳能－电能”的转换过程中，其散热量要比“直流电－交流电”的转换过程高出至少一个数量级。在这种情况下，“太阳能-电能”转换的理想情况会在高倍聚光条件下发生，但是散热的分散特性依然存在，这也是平板光伏组件的本质特征。这种看似矛盾的情况在装配了绝对尺寸很小的电池和聚光器的聚光光伏系统中还是可以实现的。

在20世纪70年代末，人们在圣彼得堡建立了Ioffe研究所。这个研究所的光伏实验室继承了基于Ⅲ-Ⅴ族半导体光电子器件领域的开拓性研究的丰富经验，包括半导体激光器、发光二极管以及空间应用的AlGaAs/GaAs太阳电池方面的研究成果［4］。聚光光伏最初需要解决的问题集中在太阳电池、光学聚光器、冷却系统、太阳跟踪器和表征设备。采用传统方法设计的第一个聚光组件和装置是利用直径为0.5～1 m的大面积反射镜将太阳光汇聚到几个平方厘米大小的电池上，利用水冷或热管的方法来为电池散热(图8.1左图)［5］。随后，菲涅尔透镜制造技术的出现决定了光伏组件设计上可以进行优化，太阳电池现在可以放置在聚光器后面，组件的封装可以使其免受大气的影响(图8.1中图)。因为菲涅尔透镜的尺寸变得更小，规格为25 cm×25 cm，所以光电池的面积也相应减小到了1 cm2以下。由于降低了电池的内部欧姆损失并简化了装配过程，所以这种光电池的特性也随之得到改善。若壁厚合理，通过组件底面和四周金属框架的热传导就可以将电池冷却［6］。

图8.1　Ioffe研究所最初设计的聚光光伏系统的照片及使用的不同聚光器(见正文):抛物镜［5］(左图);传统尺寸的丙烯酸菲涅尔透镜［6］(中图);具有小截光面积的光滑表面透镜(右图)

在20世纪80年代末，人们提出了在保持高聚光比不变的条件下大幅度减小聚光器尺寸的想法［7，8］。第一个试验组件由尺寸为1 cm×1 cm的一系列透镜组成，这些透镜将阳光汇聚到尺寸为亚毫米级的AlGaAs/GaAs电池上(图8.1右图)。这种具有小截光面积聚光器的组件具有诸多优点，降低了对散热器材料的导热能力、厚度以及热膨胀系数方面的要求。小截光面积透镜的焦距与没有聚光器的传统组件的结构厚度相当。对部分结构的最优化连续处理包括对装配的具体特征和“透镜－电池”对的光学匹配这两部分的处理，这导致了20世纪90年代末利用小截光面积(每个为4 cm×4 cm)菲涅尔透镜板的“全玻璃”光伏组件的产生［9，10］。透镜板是玻璃－硅胶的复合结构，与早期透镜板的结构相似［11］，但在最初并没有人发现透镜板结构的优点。

20世纪90年代末期至前几年，装配有单结AlGaAs/GaAs电池、后来装配有双结电池的“全玻璃”光伏组件已经被制作出来并通过测试。这项工作是由Ioffe研究所(圣彼得堡，俄罗斯)和弗朗霍夫太阳能系统研究所(弗赖堡，德国)的研究小组紧密合作完成的［12～14］。目前，他们正在开展注册名为“Flatcon”的“全玻璃”聚光组件的商业化项目。

在最近几年，Ioffe研究所的团队和他们的光伏实验室已经为实际应用的光伏系统开发出了改进后的聚光组件［15，16］和太阳跟踪系统［17］。聚光太阳电池室内测试装置和聚光组件装配装置也是其开发的重点对象。