太空技术的商业化,IMM倒置变形与多结光伏发展沿革

作者: | 发布日期: 2012 年 06 月 01 日 18:06 | 分类: 分析评论

美国能源部所属的国家可再生能源实验室(NREL) 与北卡罗来纳州的威讯联合半导体公司(RFMD) 于2009 年签订合作协议,开发NREL 发明的倒置变形多结(IMM;Inverted Metamorphic Multi-Junction) 光伏电池技术。历经数年研究,RFMD 在2011 年10 月宣布组建IMM 商业化推进小组。

NREL 向来拥有强大的III-V 族多结光伏电池和CPV 系统科研实力。发明了第一个多结光伏太阳能电池后,NREL与民营厂商合作开发了符合工业标准的镓铟磷/砷化镓(铟)/锗(GaInP/Ga(In)As/Ge) 技术,并首次向各方太阳能业界展示IMM 太阳能电池。

原本为了太空应用开发的III-V 族多结太阳能电池,与晶矽电池相比,性能大幅提升,对CPV 系统来说尤其如此。由于在一个电池内使用三种不同的光伏材料,III-V 族电池可从阳光的全系光谱中提取更多的能量,从而让光伏电池产生更高的电压,减少更多热能消耗。因此,III-V 族电池转换效率达到了太阳能业界最高水平。IMM 技术则使此类电池性能和成本获得进一步突破。据称,IMM 太阳能电池能量转换效率相当高为40.8%,研究表明甚至还有进一步提升空间。

RFMD一年前宣布采用公司现有的标准6英寸半导体设备生产出集成砷化镓(GaAs) 和磷化镓铟(InGaP)的双结光伏电池,成功实现了IMM 技术商业化过程中有重要意义的性能里程碑。双结光伏电池的成功研制为3结IMM 结构的开发开创了先机,而最终目的是开发出可以商业化的技术。

2011年10月,RFMD宣布组建新的商业集团——化合物半导体集团(Compound Semiconductor Group),与其旗下的手机产品集团(Cellular Products Group)和多元市场产品集团(Multi-Market Products Group) 并驾齐驱。新集团将“采用业界领先的氮化镓(GaN) 和砷化镓(GaAs) 技术造出新型高功率高性能产品。”

IMM 生长系统

IMM 的能力来自于电池的生长过程——这一技术颠复3 结电池的通常顺序,先沈积顶层,最后是底层。与传统光伏电池不同,IMM 使用了磷化镓铟和砷化镓铟材料。砷化镓外延片上生成电池后,被翻转安装到金属箔片制成的“把手”上,然后移除基板。NREL的研究人员改进了IMM技术,让中间和底层结点产生变形,即“晶格不匹配”,造成的不均匀的原子间距可提高太阳能转换效率。

这项技术的一大优势是昂贵的基板可以重复使用,降低了生产成本。此外,把手材料未必要单晶矽或半导体,具体应用可具体选择,从而让装置轻薄化成为可能。

由于磷化镓铟和砷化镓铟将太阳能光谱三等分,便于电池的三个结点吸收,多结太阳能电池的转换效率也远超单结电池。

聚光型太阳能发电(CPV)

当前,如IMM 电池之类的3 结太阳能电池专用于CPV 系统,优势在于高产出和最大限度降低综合系统成本。CPV 系统的一大痼疾是聚光会积聚热量。IMM 电池采用了倒置成长技术,能够安装背面反射镜,从而将吸收的剩余光能转移到激活的子电池层,改善电池的整体转换效率。背面反射镜还能反射低能量红外辐射,给电池降温和保持其高效运作。

III-V太阳能电池应用的进展

IMM 电池正在迈向商业化之时,其他形式的III-V族多结电池也很快找到了在CPV 项目中的应用之地。

加州的Solar Junction 是斯坦福大学的实验项目衍生的公司。其多结CPV 电池去年由NREL 测定转换效率达到40.9%,公司期望未来五年能超越50%。2012 年2 月,公司宣布收到New Enterprise Associates、Advanced Technology Ventures、Draper Fisher Jurvetson 和IQE 的四家投资,总额达到1920 万美元。该公司的太阳能电池采用自主专利的可调光谱晶格匹配(A-SLAM) 结构,能够“提供材料带隙可调性- 特别在0.8 到1.42 eV之间-从而让CPV 组件的光能吸收最大化,提高转换效率和能量生成。”

结论

研究人员早已开始期待新世代的多结太阳能电池。据正在开发这项技术的波音子公司Spectrolab 称,未来有可能会开发出4 结或更多结的地面太阳能电池,转换效率可超过45%。Spectrolab 说这些4 结、5 结或6 结电池与3 结电池相比,用降低电流密度换取了更高电压,对太阳光谱的解析也更有效,而低电流密度也会在太阳能高度聚集时大幅度减少电阻能量损失。NREL推算不同结的太阳能电池的理论转换效率为:1结﹣37%;2结﹣50%,3结﹣56%;36结﹣72%。

多结太阳能电池的未来在于CPV 系统中的应用。当前多结光伏的利基市场则是公用事业规模的CPV 太阳能发电场,而传统光伏电板则瞄准了屋顶太阳能应用。相比之下,多结光伏市场虽小,却很重要。为数不多的多结光伏厂商的发力重点便是在这一特殊市场打开销路,占据更多份额。除了用于公用事业,多结CPV 电池厂商和新型厂家也可以开发其他新型CPV 应用。

同时,开发新的聚光系统,改善CPV 技术,也会为新兴企业打破思维定势提供新的机会。

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