航天電源技術(shù)地面應(yīng)用的探索

劉　靖 ，夏宏宇

(1.天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2.天津藍天太陽科技有限公司，天津 300392)

1　光伏技術(shù)的發(fā)展

1.1　光伏發(fā)電技術(shù)與硅太陽電池

世界發(fā)展面臨嚴峻的能源與環(huán)境問題。如何解決氣候變暖、霧霾等環(huán)境和氣候問題，還地球一個綠色的生態(tài)環(huán)境？太陽能發(fā)電作為可再生的新能源，成為各國進入“脫碳能源”時代的必然選擇。中國目前已成為全球第二大太陽能發(fā)電大國，光伏新能源產(chǎn)業(yè)已成為未來中國最具發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

硅太陽電池是目前應(yīng)用最廣，技術(shù)最成熟的光伏發(fā)電產(chǎn)品，其原理主要是在P型(或N型)材料上擴散一層N型(或P型)材料，形成P-N結(jié)內(nèi)生電場，在光照條件下，驅(qū)使光致電子定向運動，產(chǎn)生光生電位差。目前，廣泛應(yīng)用批量生產(chǎn)的單晶硅太陽電池平均效率達到19.5%。

1.2　地面光伏發(fā)展與瓶頸

目前，西北地區(qū)甚至國內(nèi)其他地區(qū)棄光問題嚴重，地面電站并網(wǎng)指標(biāo)緊張，即使工程完成，補貼也不能及時到位，我國地面光伏電站發(fā)展遇到了多重難題。其主要表現(xiàn)是太陽能發(fā)電裝機并網(wǎng)容量成倍增長，而太陽能發(fā)電設(shè)備的有效利用率大幅下降。以往企業(yè)覺得分布式電站量小事多，地面光伏電站量大效益高?，F(xiàn)在西部地區(qū)乃至全國棄光問題的大量出現(xiàn)，發(fā)出的電力如何應(yīng)用成為主要問題。國家對地面電站的控制指標(biāo)也在收緊，目前光伏企業(yè)的需求和國家的控制指標(biāo)相比是9∶1，獲取光伏指標(biāo)的難度不斷加大。受此影響，國內(nèi)光伏企業(yè)生產(chǎn)停滯、資金出現(xiàn)空前的緊張，只有轉(zhuǎn)變觀念，從分布式發(fā)電業(yè)務(wù)、屋頂電站、光伏扶貧等方向開辟新的戰(zhàn)場。

面對上述光伏地面電站遇到的多重困難，光伏企業(yè)正在拓展分布式電站市場，以期達到多元化發(fā)展，減少地面電站的經(jīng)濟占比。地面電站必將調(diào)整和減少，這是因為土地資源極其寶貴，而電力緊張的地區(qū)土地更寶貴，這是我國中東部地區(qū)的分布式屋頂電站市場得以高速發(fā)展的根本原因。從我國經(jīng)濟發(fā)展分析，分布式電站、農(nóng)光互補發(fā)電、漁光互補發(fā)電、山地互補發(fā)電是必然的趨勢。

1.3　砷化鎵與硅材料的比較

這兩種材料比較如下。

(1)光電轉(zhuǎn)化率。由于禁帶寬度是材料光譜響應(yīng)的基本參數(shù),砷化鎵比硅禁帶寬，使得砷化鎵材料的光譜響應(yīng)特性和空間太陽光譜匹配能力較硅材料優(yōu)越。低光譜特性硅電池的理論效率為23%，而高光譜特性單結(jié)砷化鎵電池的理論效率是27%，而多結(jié)的砷化鎵電池理論效率還可以達到45%以上。

(2)耐溫性。砷化鎵材料的太陽電池高溫特性優(yōu)于硅太陽電池，砷化鎵材料的太陽電池在250℃的條件下工作正常，而200℃是硅太陽電池正常運行的最高值。

2　航天聚光三結(jié)砷化鎵光伏組件

2.1　砷化鎵組件技術(shù)

(1)砷化鎵簡介

砷化鎵GaAs是Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，分子量144.63，材料晶格常數(shù)5.65×10-10m，晶格是典型的閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，晶體熔點1 237℃，禁帶寬度達到1.4電子伏。它的電阻率比硅、鍺半導(dǎo)體材料還要高3個數(shù)量級，是理想的半絕緣高阻材料,其電子生存遷移率比硅材料大4～6倍，在制作高頻微波器件和高速電子數(shù)字電路方面得到廣泛應(yīng)用。砷化鎵材料制成的半導(dǎo)體器件具有高頻特性優(yōu)越；高、低溫性能好；低噪聲、抗輻射能力強等優(yōu)點，但是它在高溫下易分解，在技術(shù)上要求比較高的情況下，制備理想化學(xué)配比的高純度單晶材料難度比較大。

(2)發(fā)展歷程

20世紀50年代GaAs材料被發(fā)現(xiàn)具有光生伏打效應(yīng)。10年后，Gobat團隊通過摻鋅研制出了首個GaAs太陽電池，光電轉(zhuǎn)化率為8%～10%，與27%的期望值相差甚遠。接下來的十年里，美國公司采用液相外延(LPE)技術(shù)，應(yīng)用GaAlAs異質(zhì)結(jié)作為窗口層，降低了GaAs材料表面的電子-空穴對復(fù)合速率，砷化鎵太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率超過了15%。美國公司通過改進LPE技術(shù)電池平均效率達到18%，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。從20世紀80年代后，GaAs太陽電池技術(shù)經(jīng)歷了多層面的技術(shù)改進，加工材料從同質(zhì)外延改進為異質(zhì)外延；加工工藝從LPE改進為MOCVD；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從單結(jié)改進為多結(jié)疊層，效率不斷提高，在實驗室條件下最高效率已超過48%(來自IBM公司數(shù)據(jù))，產(chǎn)業(yè)級大批量生產(chǎn)平均轉(zhuǎn)化率可達30%以上。

(3)制備方法

根據(jù)材料特性，砷化鎵被分為體單晶材料和外延材料兩類。體單晶材料作為基礎(chǔ)材料，可用作外延材料的襯底，當(dāng)然還可以采用離子注入摻雜技術(shù)直接制造。不摻雜、半絕緣砷化鎵單晶材料可以采用液封直拉法(即液封喬赫拉斯基法，簡稱LEC法)制成，可以采用氮化硼 (PBN)坩堝在高壓單晶爐內(nèi)熱解方法制造，也可以采用干燥的氧化硼液封劑直接合成和拉制或者在常壓下用石英坩堝和含水氧化硼為液封劑的方法制成。砷化鎵材料晶體的直徑可達到Φ150 mm。

砷化鎵的外延生長方式可分為氣相外延工藝和液相外延工藝兩種，外延層的純度和晶體完整性優(yōu)于體單晶材料。汽相外延工藝Ga/AsCl3/H2法,也可以通過Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2的方法實現(xiàn)。低溫和低溫低壓下的外延生長工藝，可以改進Ga/AsCl3/H2氣相外延層的質(zhì)量。液相降溫生長外延層工藝是用 Ga/GaAs熔池覆蓋襯底表面來實現(xiàn)，溫度梯度生長法或直流電外延法同樣可用來制造異質(zhì)結(jié)(如GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是制造砷化鎵雙異質(zhì)結(jié)激光器和太陽電池等的核心技術(shù)。砷化鎵外延技術(shù)還可以采用分子束外延和金屬有機化合物汽相沉積外延技術(shù)實現(xiàn)。

通過半導(dǎo)體材料摻雜工藝，得到自由電子-洞穴對。摻入半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)應(yīng)具有電活性，但是有些污染只會在晶體中形成空位，不能保證電活性，應(yīng)該在加工過程中去除。摻入的雜質(zhì)可以是施主原子，也可是受主原子。施主原子是比其替代的原子多一個或一個以上的電子，這些多出的電子在晶體中可以自由移動從而形成電流；對于受主原子，它比其替代的原子少一個或一個以上的電子，因此，受主原子可以捕獲晶體中自由移動的電子。

2.2　多結(jié)組件技術(shù)

在500聚光條件下，三結(jié)砷化鎵太陽電池的效率可達到35%,作為航天空間技術(shù)轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)，掌握這種電池技術(shù)的企業(yè)目前還比較少,為了增加內(nèi)生電場，它具有三個發(fā)電的pn結(jié)，分別是GaInP2、GaInAs和Ge結(jié)如圖1所示。

圖1　三結(jié)砷化鎵太陽電池

2.3　聚光組件技術(shù)

菲涅耳透鏡制造工藝比較簡單，故其價格低廉。在加工精度較高情況下，可保證透鏡聚焦面光斑均勻；聚光率優(yōu)；透光率高；耐候性好。太陽電池在接收高倍聚光后的太陽光能時，必須與熱沉(heat sink )組合使用，高效釋放熱量，成為接收器。熱沉采用導(dǎo)電絕緣的陶瓷材料,使用導(dǎo)熱硅膠將陶瓷熱沉與散熱器聯(lián)通成既絕緣又導(dǎo)熱的通道。電池與熱沉之間的導(dǎo)熱需嚴格控制，在多次熱循環(huán)條件下保證電池完好，加裝了旁路二極管的系統(tǒng)，可以有效地防止熱斑效應(yīng)。

3　空間聚光太陽能電池轉(zhuǎn)地面光伏應(yīng)用

3.1　基本內(nèi)容

3.1.1空間技術(shù)地面應(yīng)用原理

由于地面光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)的瓶頸制約了行業(yè)的發(fā)展，減少用地面積，提高光資源利用率，減少組件制造資源的使用量，是當(dāng)前必須尋找的出路。航天技術(shù)轉(zhuǎn)化民用可以實現(xiàn)節(jié)約占地面積和砷化鎵太陽電池用量，具體的方法是通過透鏡聚光的原理，把比較大的面積上的光通過透鏡系統(tǒng)聚集在一個較小的區(qū)域(光斑)，太陽能電池面積與光斑面積一致就能達到要求，大大降低了太陽能電池的用量。同樣條件下，透鏡倍率越高，所需太陽能電池面積越小，這是光伏發(fā)電系統(tǒng)降低成本的新方法，但是聚光倍率不可能無限制擴大。

3.1.2技術(shù)要求

(1)多結(jié)太陽電池是人造衛(wèi)星用的非聚光光伏系統(tǒng)，經(jīng)過地面化改進，為了達到12 A/cm2電流密度需要1 000倍高倍率聚光系統(tǒng)。

(2)聚光光伏技術(shù)使用了多結(jié)太陽電池，在相同功率輸出條件下，比晶硅和薄膜電池大量減少半導(dǎo)體材料的使用，降低環(huán)境和能源的消耗。

(3)在同等條件下，多結(jié)砷化鎵電池比硅系電池吸收太陽光譜范圍更寬，在目前聚光條件下，聚光程度越高，電池轉(zhuǎn)換效率越高，500倍聚光倍率，轉(zhuǎn)化效率達40%。

(4)空間轉(zhuǎn)民用可以實現(xiàn)規(guī)?；?、集約化、高效化利用太陽能發(fā)電的理想。

3.1.3技術(shù)水平

采用國內(nèi)一流，國際領(lǐng)先的高效聚光電池，高倍率聚光系統(tǒng)采用GaAs多結(jié)太陽電池，聚光組件轉(zhuǎn)換效率達到35%以上。

3.2　預(yù)計效果

我國的太陽能電站裝機容量不足全球的1%，而且，國內(nèi)用于發(fā)電的太陽能電池中90%為晶體硅太陽能電池，非晶硅薄膜太陽能電池發(fā)展迅速，市場份額占到6%～7%；砷化鎵等化合物太陽能電池和納米太陽能電池等目前市場份額較小，但是發(fā)展空間巨大。以天津藍天太陽科技公司研制生產(chǎn)的三結(jié)砷化鎵太陽電池為例，其光電轉(zhuǎn)換效率目前已突破30%，創(chuàng)國際領(lǐng)先、國內(nèi)第一，并成功應(yīng)用于中、大規(guī)模并網(wǎng)和離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)民用化領(lǐng)域。將三結(jié)砷化鎵電池技術(shù)從航天引向地面，使之加快形成覆蓋外延材料、電池片、接收器、組件到系統(tǒng)的全產(chǎn)業(yè)鏈，并通過了ISO9001：2008質(zhì)量認證和“CQC金太陽認證”，到十三五末期砷化鎵電池光電轉(zhuǎn)換效率將超過35%，在聚光條件下可達到40%。

有報道指出，投資1億元，可建成20兆瓦的生產(chǎn)規(guī)模，實現(xiàn)千瓦級組件示范應(yīng)用。逐年增加投入到2019年規(guī)劃實現(xiàn)產(chǎn)能100兆瓦，需要投入4～5億元。預(yù)期效益產(chǎn)值可達到3～4億元。

4　結(jié)束語

目前，我國新能源光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品產(chǎn)量、生產(chǎn)技術(shù)和加工設(shè)備處于世界前列，具有技術(shù)、產(chǎn)品的優(yōu)勢，相對于他國的新能源行業(yè)具有較大的競爭優(yōu)勢。當(dāng)然，處于前列的我國光伏產(chǎn)業(yè)沒有借鑒的經(jīng)驗，只有自我創(chuàng)新才能夠取得突破。因此，采取航天技術(shù)地面應(yīng)用的方式，解決地面光伏電站占地面積大、效率低、東西部資源和利用差別大的問題，是目前比較好的解決方案。

中國電科集團天津藍天太陽科技公司在神州7號飛船“翅膀”上安裝的晶硅太陽能電池，在神州9號飛船上成功應(yīng)用了三結(jié)砷化鎵電池，其光電轉(zhuǎn)化效率可達30%，相對晶硅電池，其光電轉(zhuǎn)化效率提高了50%以上;如果具有同樣面積的太陽能帆板，所發(fā)出的電能就增加了50%以上。采用航天技術(shù)500倍聚光三結(jié)砷化鎵太陽電池產(chǎn)品，在地面應(yīng)用將可以取得巨大成功。

參考文獻：

[1]林文賢.聚光與非聚光太陽能轉(zhuǎn)換器的最大理論效率[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1993 ， (4) :37-39.

[2]張忠衛(wèi),陸劍峰,池衛(wèi)英,等.砷化鎵太陽電池技術(shù)的發(fā)展與前景[J]. 上海航天，2003，(3)：33-38.

[3]劉自強，王建輝，劉偉,等.聚光與非聚光太陽能光伏電池發(fā)電實驗比較[J].河北省科學(xué)院學(xué)報,2009， 26 (1) :36-42.

[4]王子龍，張華，吳銀龍，等.三結(jié)砷化鎵聚光太陽電池電學(xué)特性的研究與仿真[J]. 太陽能學(xué)報,2015 , 36 (5) :1156-1161.