浸沒(méi)冷卻液體對(duì)聚光三結(jié)電池電性能的影響

韓新月, 陳曉彬, 郭永杰, 薛登帥

(江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著III-V族聚光多結(jié)太陽(yáng)能電池效率的不斷提升,采用此類電池的高倍聚光光伏系統(tǒng)逐步成為探索和研究的前沿[1-3].但是,高倍聚光下電池的溫度會(huì)急劇升高,而溫度的升高會(huì)使太陽(yáng)能電池開路電壓急劇降低并且轉(zhuǎn)換效率下降[4].因此,研究具有高散熱能力的冷卻技術(shù)來(lái)保證聚光太陽(yáng)能電池在較高效率下可靠工作,進(jìn)而對(duì)降低光伏發(fā)電成本有重要意義[5].文獻(xiàn)[5]指出對(duì)于在高倍聚光條件下工作的密排電池組件,主動(dòng)式冷卻系統(tǒng)的熱阻必須小于10-4K·m2·W-1才能滿足要求.傳統(tǒng)主動(dòng)式冷卻很難滿足要求,僅有直接液體浸沒(méi)冷卻、微通道冷卻、射流沖擊冷卻和主動(dòng)式液體相變冷卻可提供如此低的熱阻[6].

直接液體浸沒(méi)冷卻不像傳統(tǒng)冷卻方式那樣,只有電池的背面可以散熱,而且電池和冷卻劑間的熱阻幾乎可以忽略,所以直接液體浸沒(méi)冷卻的散熱能力很大且使電池的溫度分布會(huì)很均勻[7],回收的熱量不僅可以供暖,還可以用于吸收式制冷、海水淡化等.已有的液浸光伏技術(shù)研究主要集中在常規(guī)硅太陽(yáng)能電池和光伏板方面,文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)甘油可以將硅電池的效率提高40%～60%;文獻(xiàn)[9]則發(fā)現(xiàn)讓水僅流過(guò)光伏板的上表面也能使系統(tǒng)效率提高8%～9%.而把液浸思想引入聚光光伏系統(tǒng)的有馬德里理工大學(xué)太陽(yáng)能研究所(UPM-IES)的M.VICTORIA等[10]和天津大學(xué)的王一平等[11-14].前者通過(guò)在拋物反射鏡和電池間引入液體介質(zhì)而提出一種新型聚光器-FluidReflex,這種聚光器的聚光比可高達(dá)1 000倍;而后者利用液浸思想來(lái)冷卻聚光光伏系統(tǒng),對(duì)直接液體浸沒(méi)冷卻采用硅電池的中低倍聚光光伏系統(tǒng)開展了系統(tǒng)的研究.但是,作者在研究中發(fā)現(xiàn),把直接液體浸沒(méi)冷卻應(yīng)用于采用密排III-V族聚光多結(jié)電池組件的高倍聚光光伏系統(tǒng)更有應(yīng)用前景[15].

因此,文中研究適用于浸沒(méi)冷卻高倍聚光下III-V族聚光三結(jié)電池候選液體的種類、液膜厚度對(duì)聚光三結(jié)電池電性能的影響,探索該電池在液浸條件下電性能變化的機(jī)理,為有效解決采用密排聚光三結(jié)電池組件的高倍聚光光伏系統(tǒng)的散熱問(wèn)題以及研制出適合該系統(tǒng)用的耦合液冷光伏接收器提供參考.

1 試驗(yàn)材料

1.1 聚光三結(jié)太陽(yáng)電池組件

試驗(yàn)采用天津藍(lán)天太陽(yáng)科技有限公司生產(chǎn)的聚光電池組件,其實(shí)物圖見圖1.該組件是由高效地面用GaInP/GaInAs/Ge聚光三結(jié)電池,結(jié)合高導(dǎo)熱陶瓷基板低熱阻封裝工藝、金帶鍵合以及無(wú)鉛低空洞率焊接技術(shù)研制而成.單個(gè)電池片尺寸為10.1 mm×10.8 mm,誤差±0.1 mm,減反射膜為Al2O3,適用于500～1 000倍聚光光伏系統(tǒng),最佳工作溫度范圍為-40～100 ℃.在500倍聚光下,該電池的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40.1% (AM 1.5D, 25 ℃).由圖1可知,該聚光電池組件的基板上還裝有保護(hù)電池的肖特基旁路二極管和方便連接測(cè)試用的即插即拔式連接端子.

圖1 聚光三結(jié)太陽(yáng)電池組件實(shí)物圖

1.2 候選浸沒(méi)冷卻液體

基于本課題組前期有關(guān)聚光光伏系統(tǒng)中浸沒(méi)冷卻液體的光學(xué)性能研究[16]和液體物化性質(zhì)數(shù)據(jù)的分析,選取以下6種液體作為浸沒(méi)冷卻高倍聚光下聚光三結(jié)電池組件的候選液體:工業(yè)級(jí)白油、化妝級(jí)白油、食品級(jí)白油、二甲基硅油、正構(gòu)烷烴C14以及異構(gòu)烷烴C16.這6種液體在上述聚光三結(jié)電池響應(yīng)波段(350～1 800 nm)的光譜透過(guò)率如圖2所示.由圖可看出,這些液體在此波段內(nèi)的光譜透過(guò)率都很高.此外,這些液體的電絕緣性很好,比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及黏度等均滿足熱性能的要求[16].

圖2 光譜透過(guò)率以及AM1.5D太陽(yáng)直射光譜

2 試驗(yàn)方案

2.1 候選液體的光特性試驗(yàn)

為了考察適用于浸沒(méi)冷卻高倍聚光下III-V族聚光三結(jié)電池候選液體的種類、液膜厚度對(duì)聚光三結(jié)電池電性能的影響,采用美國(guó)頤光科技有限公司生產(chǎn)的太陽(yáng)電池伏安特性測(cè)試系統(tǒng)研究分析了候選液體浸沒(méi)前后聚光三結(jié)電池組件的電性能.該測(cè)試系統(tǒng)主要包括光斑面積為4″×4″的ABA級(jí)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模擬器、吉時(shí)利2400源表、標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池、太陽(yáng)電池伏安特性測(cè)試軟件以及美國(guó)Omega公司生產(chǎn)的RDXL4SD測(cè)溫儀等.此外,文中還設(shè)計(jì)了如圖3所示的液浸試驗(yàn)裝置.

圖3 液浸裝置實(shí)物圖

首先,把聚光三結(jié)電池組件通過(guò)導(dǎo)熱絕緣雙面膠固定在玻璃容器底部,利用上述測(cè)試系統(tǒng)采集組件在1 000 W·m-2,25 ℃條件下的I-V特性曲線.然后,向容器中注入一定厚度的浸沒(méi)液體,再次測(cè)試組件在同樣光強(qiáng)和溫度下液體浸沒(méi)時(shí)的I-V特性曲線.本試驗(yàn)針對(duì)6種液體對(duì)應(yīng)的6個(gè)電池分別采集了0,1,2,3,4,5,6,8,11,14,17和20 mm的共計(jì)12組厚度下組件的I-V特性曲線,其中0 mm代表組件無(wú)液膜時(shí)的情況.組件的開路電壓Voc、短路電流Isc、轉(zhuǎn)換效率η等重要參數(shù)均可通過(guò)采集的I-V特性曲線獲得.

2.2 候選液體的暗特性試驗(yàn)

為了探索聚光三結(jié)電池組件在液浸條件下電性能變化的機(jī)理,還開展了聚光三結(jié)電池組件的暗特性試驗(yàn).

在候選液體浸沒(méi)電池組件的暗特性試驗(yàn)中,使用自制暗盒將電池組件處于完全無(wú)光的條件下,通過(guò)上述太陽(yáng)電池伏安特性測(cè)試系統(tǒng)獲得電池的暗特性曲線.因?yàn)榭紤]到當(dāng)電池完全浸入液體后,不同厚度的液體對(duì)電池暗特性影響一致,故僅測(cè)試了無(wú)液浸和4 mm液厚下電池組件的暗特性曲線.

3 結(jié)果與討論

3.1 聚光三結(jié)電池組件的電性能變化

由于不同液體浸沒(méi)下聚光三結(jié)電池組件的I-V特性曲線隨液膜厚度的變化趨勢(shì)相似,因此圖4僅給出了不同厚度工業(yè)級(jí)白油浸沒(méi)時(shí)聚光三結(jié)電池組件的I-V特性曲線.由圖4可見,液膜厚度對(duì)電池組件的短路電流影響很大,而對(duì)組件的開路電壓影響較小.隨著液膜厚度的增加,電池組件的短路電流呈先升高后下降的趨勢(shì),在4 mm液膜下電池組件的短路電流達(dá)到最大,液厚為14 mm時(shí)電池組件的短路電流仍和無(wú)液浸時(shí)的短路電流相當(dāng).

圖4 聚光電池組件的I-V曲線

圖5描述了液體的種類和液膜厚度對(duì)聚光三結(jié)電池組件電特性參數(shù)的影響.由圖5a可看出,在不同液體浸沒(méi)下電池組件的開路電壓Voc相對(duì)變化率隨液膜厚度的變化較小,僅為1%左右,但從總體上可看出組件Voc先增后減,并且除食品級(jí)白油外,其他液體在1～2 mm液厚時(shí)電池組件Voc達(dá)到最大.但是,當(dāng)液膜厚度達(dá)到一定值后組件Voc將比無(wú)液浸時(shí)的值小,這說(shuō)明此時(shí)的液膜厚度對(duì)電池組件Voc的提高起到抑制作用.其中抑制作用最顯著的是正構(gòu)烷烴C14,從液厚為4.0 mm時(shí)組件的Voc已小于無(wú)液浸時(shí)的值;而抑制作用最小的是二甲基硅油,當(dāng)液厚為13 mm時(shí)才開始出現(xiàn)抑制.由圖5b 可看出所有液體對(duì)應(yīng)的電池組件的短路電流Isc均在4 mm液厚時(shí)達(dá)到最大,不過(guò)Isc相對(duì)變化率最大(8.46%)的組件對(duì)應(yīng)的液體為化妝級(jí)白油,最小(4.43%)的組件對(duì)應(yīng)的液體為食品級(jí)白油.但是食品級(jí)白油和二甲基硅油對(duì)電池組件Isc提升有促進(jìn)作用的液厚范圍為1～17 mm,異構(gòu)烷烴C16大約在10 mm液厚時(shí)已開始出現(xiàn)抑制作用.由圖5c 可知,聚光三結(jié)電池組件效率η的變化趨勢(shì)與Isc隨液膜厚度變化趨勢(shì)相似.對(duì)于所有候選浸沒(méi)液體,液厚范圍為1～10 mm時(shí),對(duì)應(yīng)組件有液浸時(shí)的η均高于無(wú)液浸時(shí)的η,提升程度取決于液體的種類和液膜厚度.當(dāng)液膜厚度為4 mm時(shí),電池組件η達(dá)到最大,提升程度從大到小依次為化妝級(jí)白油、正構(gòu)烷烴C14、工業(yè)級(jí)白油、異構(gòu)烷烴C16、二甲基硅油和食品級(jí)白油.

圖5 電參數(shù)的相對(duì)變化情況

表1給出了6種不同浸沒(méi)冷卻液體在0 mm和最優(yōu)液膜厚度4.0 mm時(shí)聚光三結(jié)電池組件的Voc,Isc和η.另外,為了表征各種液體在最優(yōu)液膜厚度時(shí)對(duì)聚光三結(jié)電池組件電性能提升的高低,表1還給出了4 mm厚度液浸時(shí)電池組件的Voc,Isc及η的相對(duì)變化率.從表中可以看出,液膜對(duì)聚光三結(jié)電池組件Isc的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Voc的.在4 mm液厚時(shí),6 種液體中二甲基硅油對(duì)應(yīng)電池組件Voc的相對(duì)變化率最高,為0.35%.化妝級(jí)白油對(duì)應(yīng)組件的Isc和η的相對(duì)變化率最大,分別為8.36%和8.99%;而食品級(jí)白油對(duì)應(yīng)組件的Isc和η的相對(duì)變化率最小,分別為4.43%和4.67%.因此,在此液厚下電池組件效率的提升主要?dú)w功于短路電流的提升,其次才是開路電壓的提升.

表1 相關(guān)參數(shù)

3.2 機(jī)理分析

基于前期液浸硅電池性能的分析可知[8,12],4.0 mm厚候選浸沒(méi)冷卻液體使得對(duì)應(yīng)聚光三結(jié)電池組件轉(zhuǎn)換效率提升的主要原因包括液膜引起的光學(xué)效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng)兩方面.而光學(xué)效應(yīng)又包括減反射效應(yīng)和液體吸收效應(yīng),不過(guò)4 mm薄液膜引起的光學(xué)吸收效應(yīng)可忽略,所以下面僅考慮減反射效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng).

首先,分析聚光三結(jié)電池表面液膜引起的減反射光學(xué)效應(yīng).當(dāng)無(wú)液體浸沒(méi)電池時(shí),測(cè)試電池電性能的光路自上而下包括空氣(nair=1.00)、電池減反射層Al2O3(nAR=1.72)和聚光三結(jié)電池.測(cè)試有液體存在時(shí)電池電性能的光路與之唯一的區(qū)別就是在空氣和電池減反射層間增加了浸沒(méi)冷卻液體.因此減反射光學(xué)效應(yīng)實(shí)際上就是由于液體的存在減少了空氣與電池表面的反射損失,增加了入射到電池內(nèi)部的光通量.利用菲涅爾反射方程與空氣、液體以及電池減反層的折射率即可計(jì)算出液膜存在產(chǎn)生的減反光學(xué)效應(yīng)占據(jù)電池效率提升的百分比.其中,菲涅爾反射方程[17]為

(1)

式中:R為界面反射率;n1為介質(zhì)1的折射率;n2為介質(zhì)2的折射率.具體計(jì)算過(guò)程:當(dāng)無(wú)液膜存在時(shí),n1和n2分別表示空氣和電池減反層Al2O3的折射率;當(dāng)有液膜存在時(shí),n1和n2分別表示空氣和對(duì)應(yīng)液體的折射率以及對(duì)應(yīng)液體和電池減反層Al2O3的折射率.對(duì)比2種情況下計(jì)算的界面反射率即可獲得液膜引起的減反射光學(xué)效應(yīng)引起電池效率提升的百分比,參見表1,從表中可以看出，3種白油均為2.67%,二甲基硅油為3.18%,正構(gòu)C14為3.03%,異構(gòu)C16為3.09%.根據(jù)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果分析還可得出,電池減反層折射率與浸沒(méi)冷卻液體折射率在數(shù)值上越接近,電池表面的菲涅爾反射損失越小.

除了上述介紹的液體減反射光學(xué)效應(yīng)引起聚光三結(jié)電池效率的提升,液體的電學(xué)效應(yīng)也可改變浸沒(méi)于液體中電池的電性能,其計(jì)算結(jié)果列于表1的最后一列.從表中可以看出,浸沒(méi)于化妝級(jí)白油的電池電學(xué)效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換效率的提升最高,為6.32%,最低的是食品級(jí)白油,其電學(xué)效應(yīng)對(duì)應(yīng)值為2.00%.所謂液體電學(xué)效應(yīng),就是電池在液體浸沒(méi)下電池表面會(huì)吸附一定的液體分子,進(jìn)而降低電池表面載流子復(fù)合速率,從而提高電池效率.

為了更好地理解液膜引起的電學(xué)效應(yīng)提高聚光三結(jié)電池效率的過(guò)程,還分析了聚光三結(jié)電池組件在有、無(wú)液浸條件下的暗I-V性能.由表1可知,6種液體在4 mm厚度時(shí)均提高了對(duì)應(yīng)電池組件的效率,其中化妝級(jí)白油對(duì)應(yīng)組件效率的相對(duì)變化率最大,食品級(jí)白油對(duì)應(yīng)組件效率的相對(duì)變化率最小.因此,圖6僅給出了化妝級(jí)白油和食品級(jí)白油對(duì)應(yīng)聚光三結(jié)電池組件的暗特性曲線.

一般來(lái)說(shuō),III-V族多結(jié)電池的暗電流是偏壓的函數(shù)[18],可以表示為

Idark(V)=Idiff(V)+Iscr(V),

(2)

式中:Idiff(V)為中性區(qū)的擴(kuò)散電流;Iscr(V)為耗盡區(qū)的載流子復(fù)合電流.偏壓較低時(shí),暗電流Idark(V)受制于耗盡區(qū)的載流子復(fù)合電流Iscr(V);而偏壓較高時(shí),暗電流Idark(V)受制于中性區(qū)的擴(kuò)散電流Idiff(V).如圖6所示,化妝級(jí)白油和食品級(jí)白油對(duì)應(yīng)聚光三結(jié)電池組件液浸時(shí)的暗電流在0.1～2.0 V的偏壓下均小于無(wú)液浸時(shí)的暗電流,這就意味著液膜的存在的確降低了聚光三結(jié)電池組件的載流子復(fù)合電流Iscr(V).也就是聚光三結(jié)電池表面吸附的液體分子降低了電池本身載流子的表面復(fù)合速率,從而提高了電池組件的效率.此外,由圖6還可看出,化妝級(jí)白油對(duì)應(yīng)聚光三結(jié)電池組件暗電流的下降要大于食品級(jí)白油對(duì)應(yīng)聚光三結(jié)電池組件暗電流的下降.因此,如表1中數(shù)據(jù)所示,在相同光學(xué)效應(yīng)作用下,化妝級(jí)白油的電學(xué)效應(yīng)引起組件效率的提升要高于食品級(jí)白油的電學(xué)效應(yīng)引起組件效率的提升.

圖6 液浸前后聚光三結(jié)電池組件的暗特性曲線

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)液厚范圍為1～10 mm時(shí),6種浸沒(méi)冷卻液體對(duì)應(yīng)的聚光三結(jié)電池組件的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)無(wú)液浸時(shí)均有提高,提升程度取決于液體的種類和液膜厚度.當(dāng)液膜厚度為4 mm時(shí),對(duì)應(yīng)聚光三結(jié)電池組件效率達(dá)到最大,其中化妝級(jí)白油對(duì)應(yīng)組件的效率的相對(duì)變化率最大,而食品級(jí)白油對(duì)應(yīng)組件的效率的相對(duì)變化率最小,分別為8.99%和4.67%.

2) 4 mm薄液膜的存在降低了聚光三結(jié)電池表面的菲涅爾反射和液體分子的吸附作用降低了電池表面復(fù)合速率是薄液膜浸沒(méi)時(shí)電池轉(zhuǎn)換效率提高的主要原因.