CN102157593A

CN102157593A - 一种聚光发电系统

Info

Publication number: CN102157593A
Application number: CN2011100258734A
Authority: CN
Inventors: 王东; 于平荣; 李学耕
Original assignee: OPTONY SOLAR (HANGZHOU) CO Ltd
Current assignee: OPTONY SOLAR (HANGZHOU) CO Ltd
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明公开了一种聚光发电系统，包括：聚光系统和光电转换系统，所述的光电转换系统由若干个薄膜太阳电池串联连接而成，所述的薄膜太阳电池包括衬底，以及在衬底上依次沉积的背接触电极、作用层、缓冲层、透明导电层和金属栅线，所述的衬底为导热衬底，所述的作用层的组分为a-Si:H、CdTe、Cu(InGa)Se₂、有机物光电转换材料或染料敏化的光电转换材料，所述的金属栅线为网状结构。本发明的聚光发电系统，采用低成本薄膜电池，在较低的聚光率下，不需要追踪系统，有效降低发电成本。本发明的聚光发电系统结构简单、成本低。

Description

一种聚光发电系统

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种聚光发电系统。

背景技术

太阳能是清洁的可再生能源，应用多种技术，可以将太阳能转换为热能、电能等。太阳能的应用范围跨越住宅、商业、工业、农业及运输领域，其中最为广泛的应用是太阳能光伏发电。但是，目前太阳能发电成本一般比化石燃料的发电成本高几倍，因此，仍然需要更进一步降低太阳能的发电成本，从而使太阳能成为一种更加合适的能源选择。

一种降低太阳发电成本的方法是：使用折射透镜或反射镜将太阳光聚集到光伏电池上。这种系统被称作为聚光发电系统。聚光发电系统能提高太阳电池接受的光照强度，从而降低电池面积，提高电池的转换效率，进而降低发电成本。

聚光发电系统一般包括聚光系统、光电转换系统、跟踪系统和散热系统。聚光系统主要有透射聚光器、反射聚光器等类型；光电转换系统也即光伏组件，由太阳电池通过一定的连接方式组合而成，它是聚光发电系统的核心。

用于聚光系统的传统太阳电池都是基于III-V族多结电池，它们拥有较高的转换效率(30～40％)，但是其发电成本却非常高(在10美元/平方厘米量级)，因此广泛应用受到限制。另外传统聚光电池应用时需要配备昂贵的聚光系统、散热系统和跟踪系统，使其成本进一步增加。因此限制了传统聚光电池同晶硅电池的竞争。目前的成本核算表明：由于III-V族多结电池的昂贵成本，安装在聚光系统中的III-V族多结电池必须达到至少400倍的聚光率才能与传统晶硅电池相竞争。如此高的聚光率要求聚光电池在白天必须极其精确地追踪太阳光，这又必须要用到非常昂贵的光学系统和双轴跟踪系统。因此，传统的聚光发电系统由于采用高成本的聚光电池、需要高成本的聚光系统、散热系统和跟踪系统，很难同其他非聚光电池相竞争，限制了它的大范围应用。

发明内容

本发明提供了一种聚光发电系统，采用低成本的薄膜太阳电池，并配备低成本的聚光系统，无需散热系统，从而使聚光发电系统的成本大大降低，解决了现有聚光发电系统高成本的问题。

一种聚光发电系统，包括：聚光系统和光电转换系统，所述的光电转换系统由若干个薄膜太阳电池串联连接而成，所述的薄膜太阳电池包括衬底，以及在衬底上依次沉积的背接触电极、作用层、缓冲层、透明导电和金属栅线，其中，所述的衬底为导热衬底，所述的作用层的组分为a-Si:H、CdTe、Cu(InGa)Se₂(CIGS)、有机物光电转换材料或染料敏化的光电转换材料，所述的金属栅线为网状结构。

所述的金属栅线可以为方形网状结构、回旋形的网状结构、圆形网状结构或椭圆形网状结构，这样，金属栅线在所述的薄膜太阳电池表面排布更均匀，可以更均匀地收集所述的薄膜太阳电池表面不同位置的电流，从而可以实现更有效地收集所述的薄膜太阳电池电流同时不用占据更多的面积。

所述的金属栅线的宽度为90～150μm，以收集聚光条件下产生的高电流，这样，所述的金属栅线只是占到所述的薄膜太阳电池总面积的5-6％，所述的薄膜太阳电池效率也至少相对提高15％。

所述的作用层的组分为Cu(InGa)Se₂，其中，Ga占到Ga和In总质量的比值(Ga/(Ga+In))为0.5～0.7，形成高电压低电流的电池结构，降低电池发电过程中的热损失。由于CuInSe₂的带隙为1.02eV，而CuGaSe₂的带隙为1.7eV，因此提高CIGS层中Ga的含量，可使电池开路电压提升。常规的CIGS薄膜电池中Ga占到Ga和In总质量的比值(Ga/(Ga+In))一般在0.2-0.3之间，本发明提高到0.7时，可以使开路电压翻番，同时，因为效率只是略微降低，电流可以降到一半以降低3/4的热损失。

所述的导热衬底为金属箔或碳化硅，其散热快，在高聚光率(100～1000)下仍然能维持所述的薄膜太阳电池在相对较低的温度以防止所述的薄膜太阳电池烧毁。此外，当金属箔为柔性箔时，可以给所述的薄膜太阳电池更多的空间进行形状的改变，从而满足光学设计需要。

本发明中，所述的薄膜太阳电池之间串联连接，可以避免在并联中的大电流产生较大的热量。串联连接的电池组件，可以通过以下方法制备：将背接触电极、作用层、前接触电极沉积在衬底上之后迅速由激光刻蚀或机械划线进行图案化。该制备过程简单，具有明显的成本优势。

上述的聚光发电系统中，同时配置低成本的聚光系统，无需散热系统，从而实现聚光发电系统的成本降低。

所述的聚光系统可以为反射和/或折射聚光器。所述的折射聚光器可以为菲涅尔透镜，包括：点聚焦菲涅尔透镜、线聚焦菲涅尔透镜和弯曲菲涅尔透镜；所述的反射聚光器可以为反射抛物槽，其反射面为抛物面；或复合反射抛物槽(CPC)，其反射面为复合反射抛物面；或反射V型槽，其反射面为V型平面。所述的聚光系统可以为所述的反射、折射聚光器中的一种或多种，在选择聚光率上有很大的灵活性。

优选的技术方案中，所述的聚光系统由一个复合反射抛物槽(CPC)和一个反射V型槽构成，其反射光路中复合反射抛物槽(CPC)作为初级光反射部件，反射V型槽作为二级光反射部件(SOE)；或者，其反射光路中反射V型槽作为初级光反射部件，复合反射抛物槽(CPC)作为二级光反射部件(SOE)。

优选的技术方案中，所述的聚光系统由两个复合反射抛物槽(CPC)和一个反射V型槽构成，其反射光路中第一复合反射抛物槽(CPC)作为初级光反射部件，反射V型槽作为二级光反射部件(SOE)，第二复合反射抛物槽(CPC)作为三级光反射部件。

优选的技术方案中，所述的聚光系统由一个复合反射抛物槽(CPC)和两个反射V型槽构成，其反射光路中第一反射V型槽作为初级光反射部件，复合反射抛物槽(CPC)作为二级光反射部件(SOE)，第二反射V型槽作为三级光反射部件。

优选的技术方案中，所述的聚光系统由一个反射抛物槽和一个复合反射抛物槽(CPC)构成，其反射光路中反射抛物槽作为一级光反射部件，复合反射抛物槽(CPC)作为二级光反射部件(SOE)。

本发明的聚光发电系统，采用低成本薄膜电池，在较低的聚光率(＜40倍)下，不需要追踪系统，有效降低发电成本。本发明的聚光发电系统结构简单、成本低。

附图说明

图1为现有技术中CIGS薄膜电池的结构示意图。

图2为现有技术中CIGS薄膜电池发电效率随光照强度的变化曲线。

图3为现有技术中CIGS薄膜电池的金属栅线的形状示意图。

图4为本发明中将若干个CIGS薄膜电池串联连接构成组件的制备过程示意图。

图5为本发明中CIGS薄膜电池的金属栅线的第一种实施方式的形状示意图。

图6为本发明中CIGS薄膜电池的金属栅线的第二种实施方式的形状示意图。

图7为本发明中CIGS薄膜电池的金属栅线的第三种实施方式的形状示意图。

图8(A)和图8(B)为本发明聚光发电系统的第一种实施方式的示意图和截面示意图。

图9为本发明聚光发电系统的第二种实施方式的截面示意图。

图10为本发明聚光发电系统的第三种实施方式的截面示意图。

图11为本发明聚光发电系统的第四种实施方式的截面示意图。

图12为本发明聚光发电系统的第五种实施方式的截面示意图。

图13为本发明聚光发电系统的第六种实施方式的截面示意图。

图14为本发明聚光发电系统的第七种实施方式的截面示意图。

图15为本发明聚光发电系统的第八种实施方式的截面示意图。

图16为本发明聚光发电系统的第九种实施方式的截面示意图。

图17为本发明聚光发电系统的第十种实施方式的截面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

现有技术中，传统CIGS薄膜电池的结构如图1所示，包括衬底121，以及在衬底121上依次沉积的钼122、CIGS123、CdS124、高阻ZnO125、导电ZnO126、金属栅线127和减反射膜MgF₂128，背接触电极129为铟。

常规CIGS薄膜电池发电效率随光照射强度变化曲线如图2所示：

相比于电池在标准的1个太阳光下的效率，在聚光条件下(直到光强达到15个太阳)电池效率可以得到提升。CIGS薄膜电池在5个太阳下的效率达到8.6％，比在1个太阳下的效率(7.4％)相对提高了15％。

常规CIGS薄膜电池的金属栅线127呈梳状，在电池表面的排布方式如图3所示，由于在聚光条件下电池会产生高电流，常规的CIGS薄膜电池电极不能有效地收集在聚光下得到的大电流，这导致在高聚光率下电池的填充因子降低。另外梳状电极结构收集电流的均匀性也受到限制。一个典型的高效CIGS薄膜电池的电流密度为35mA/cm²，在10个太阳的聚光条件下，1cm²小面积电池将输出0.35A的电流。高电流产生的热效应将导致金属栅线的损失，热损失等于I²R，这里I是电流，R是电阻。

以下将以CIGS薄膜电池为例来详细解释本发明的聚光发电系统的实施和其对现有技术的改进。

一种聚光发电系统，包括：聚光系统和光电转换系统。

其中，光电转换系统由若干个薄膜太阳电池串联连接而成，该薄膜太阳电池包括衬底，以及在衬底上依次沉积的背接触电极、作用层、缓冲层、透明导电层和金属栅线，制备过程如图4所示，将背接触电极422、作用层423、前接触电极(由缓冲层、透明导电层和金属栅线构成)424依次沉积在衬底421上之后迅速由激光刻蚀或机械划线进行图案化。

其中，衬底421为金属箔，其散热快，在高聚光率(100～1000)下仍然能维持电池在相对较低的温度以防止电池烧毁；而且本身为柔性箔，可以给电池更多的空间进行形状的改变，从而满足光学设计需要。

其中，作用层423的组分为Cu(InGa)Se₂(CIGS)，Ga占到Ga和In总质量的比值x(x＝Ga/(Ga+In))为0.7，形成高电压低电流的电池结构。由于CuInSe₂的带隙为1.02eV，而CuGaSe₂的带隙为1.7eV，因此提高CIGS层中Ga的含量，可使电池开路电压提升。常规的CIGS薄膜电池中x一般在0.2-0.3之间，本实施例提高到0.7时，可以使开路电压翻番，同时，因为效率只是略微降低，电流可以降到一半以降低3/4的热损失。这样不再需要额外的散热系统。

其中，前接触电极424中金属栅线为网状结构，可以为方形网状结构(如图5所示)、回旋形的网状结构(如图6所示)、圆形网状结构或椭圆形网状结构(如图7所示)，这样，金属栅线在电池表面排布更均匀，可以更均匀地收集电池表面不同位置的电流，从而可以实现更有效地收集电池电流同时不用占据更多的面积。金属栅线的宽度为100μm，以收集聚光条件下产生的高电流，这样，所述的金属栅线只是占到电池总面积的5-6％，电池效率也至少相对提高15％。

在使用上述光电转换系统的基础上，聚光系统可以为以下若干种情况中的任一：

第一种情况：聚光系统为线聚焦的弯曲的菲涅尔透镜21，聚光发电系统结构如图8(A)所示，沿着聚光电池横轴的截面图如图8(B)所示，光14聚集到光电转换系统中电池20上。聚光率是线聚焦的弯曲菲涅尔透镜21的有效面积与光电转换系统中电池20的面积之比。菲涅尔透镜21的球形设计降低了来自于色差和弯曲变形的象散，也极大提高了透镜的刚度。

第二种情况：聚光系统为反射抛物槽，聚光系统的反射面为抛物面，聚光发电系统的截面示意图如图9所示。

光电转换系统中电池30的中心位于抛物面31的焦点处，同法线轴方向平行的光束14被反射到光电转换系统中电池30的中心，反射束15以同法线方向成角度b的方向到达电池30的表面。角度a是入射光束能被反射到光电转换系统中电池30上的允许的角度范围，在允角a范围内到达的光束314也被反射到光电转换系统中电池30的表面。

由于反射抛物槽是由上述截面沿着平行轴延伸而成，因此反射抛物槽在光电转换系统中电池30上的聚光率C可以由下式来确定：

C＝cos(b)·sin(b)/sin(a)。

第三种情况：聚光系统为复合反射抛物槽(CPC)，聚光系统的反射面为复合反射抛物面，聚光发电系统的截面示意图如图10所示。

复合反射抛物面41包含两个抛物面，两个抛物面的焦点在光电转换系统中电池40的相反边缘。入射光束414先到达第一个抛物面的边缘被反射，反射光束415再到达光电转换系统中电池40的边缘。入射光线与系统中心线之间的夹角为c，聚光率C可以由下式决定：C＝n/sin(c)，在这里，n是CPC中填充电介质(如土壤)的折射率。在CPC中，在典型的光照条件下，大部分光聚集在光电转换系统中电池40的边缘。

第四种情况：聚光系统为反射V型槽，聚光系统的反射面为V型平面，聚光发电系统的截面示意图如图11所示。

入射光束514与V型槽中心轴的夹角为e，以允角e范围内的角度照射到V型槽边缘的反射镜面51，被镜面51反射到光电转换系统中电池50上，反射光束为515。若V型槽的反射镜面51与V型槽中心轴的夹角为d，则聚光率C可以为：C＝n·{1+2·sin(d)cos[(e)+2·(d)]/·sin[(e)+(d)]}，这里，n是填充电介质的折射率。

第三种情况：聚光系统由一个复合反射抛物槽(CPC)和一个反射V型槽构成，其反射光路中复合反射抛物槽(CPC)作为初级光反射部件，V型槽作为二级光反射部件(SOE)，聚光发电系统的截面示意图如图12所示。

入射光束614首先入射到复合反射抛物槽(CPC)的一个抛物面上，反射光束615作为V型槽(SOE)的入射光束，以与V型槽的中心轴成e1的角度入射到V型槽边缘的反射镜面61上，被镜面61反射最终到达光电转换系统中电池60的表面。这里入射光束614与CPC中心轴之间的夹角是c1，V型槽的反射镜面61与其中心轴之间的夹角为d1，为保护光路，在CPC的上表面加透明盖62。整个系统的聚光率可由下式计算：

C＝1/sin(c1)*{1+2·sin(d1)cos[(e1)+2·(d1)]/·sin[(e1)+(d1)]}

第六种情况：聚光系统由两个复合反射抛物槽(CPC)和一个反射V型槽构成，其反射光路中第一CPC作为初级光反射部件，V型槽作为二级光反射部件(SOE)，第二CPC作为三级光反射部件，聚光发电系统的截面示意图如图13所示。

入射光束首先到达第一CPC的一个抛物面，被抛物面反射到达V型槽边缘的反射镜面，被镜面再次反射到达第二CPC的抛物面，被抛物面反射后最终到达光电转换系统中电池表面。其中光束入射到第一个CPC时与聚光系统中心轴的夹角为c2，被反射后入射到V型槽时与聚光系统中心线之间的夹角为e2，V型槽的反射镜面与其中心轴之间的夹角为d2，被V型槽的反射镜面反射后的光线为进入到第二CPC的入射光线，它在第二CPC的抛物面入射时与整个聚光系统的轴线夹角为f。整个聚光系统的聚光率为：

C＝1/sin(c2)*{1+2·sin(d2)cos[(e2)+2·(d2)]/·sin[(e2)+(d2)]}/sin(f)

第七种情况：聚光系统由一个复合反射抛物槽(CPC)和一个反射V型槽构成，其反射光路中反射V型槽作为初级光反射部件，CPC作为二级光反射部件(SOE)，聚光发电系统的截面示意图如图14所示。

入射光线714以与聚光系统中心轴成e3的角度入射到V型槽边缘的反射镜面71上，被镜面71反射的光线715入射到CPC的抛物面上，被CPC的抛物面再次反射后进入光电转换系统中电池70。其中V型槽的反射镜面71边缘与聚光系统中心轴的夹角为d3，光线715与聚光系统中心轴的夹角为c3。为保护光路，在V型槽的上表面加透明盖72。整个聚光系统总的聚光率为：

C＝{1+2·sin(d3)cos[(e3)+2·(d3)]/·sin[(e3)+(d3)]}/sin(c3)

第八种情况：聚光系统由一个复合反射抛物槽(CPC)和两个反射V型槽构成，其反射光路中第一V型槽作为初级光反射部件，CPC作为二级光反射部件(SOE)，第二V型槽作为三级光反射部件，聚光发电系统结构的截面图如图15所示。

入射光线首先被V型槽的边缘镜面反射，反射后的光线入射到CPC的抛物面上，被该抛物面反射后入射到第二V型槽边缘的反射镜面，第二V型槽的镜面再次反射后入射到光电转换系统中电池上。其中入射到第一V型槽的光线与聚光系统中心轴之间的夹角为e4，第一V型槽边缘的反射镜面与聚光系统中心轴之间的夹角为d4，入射到CPC的抛物面上时光线与聚光系统中心线之间的夹角为c4，入射到第二V型槽的光线与系统中心轴之间的夹角为g，第二V型槽边缘的镜面与聚光系统中心轴之间的夹角为h。

该聚光系统的聚光率为两个V型槽和一个CPC的聚光率的积，即：

C＝{1+2·sin(d4)cos[(e4)+2·(d4)]/·sin[(e4)+(d4)]}/sin(c4)*{1+2·sin(h)cos[(g)+2·(h)]/·sin[(g)+(h)]}

第九种情况：聚光系统由一个反射抛物槽和一个复合反射抛物槽(CPC)构成，其反射光路中反射抛物槽作为一级光反射部件，CPC作为二级光反射部件(SOE)，聚光发电系统结构的截面图如图16所示。

光线首先入射到反射抛物槽81上，被反射抛物槽81反射后作为入射光线入射到CPC82内，由CPC82中的抛物槽反射后进入光电转换系统中电池80。反射抛物槽81的入射光线14与反射光线15之间的夹角为b1，入射光线314的允角范围为a1；CPC82的入射光线(也即反射抛物槽81的反射光线)315与聚光系统中心线之间的夹角为c5。

该聚光系统的聚光率为：C＝cos(b1)*sin(b1)/{sin(a1)*sin(c5)}

第十种情况：聚光系统由折射菲涅尔透镜和反射V型槽组合构成。如图17所示，在本系统中，光线14首先入射到菲涅尔透镜11上，被菲涅尔透镜11折射后的光线15作为入射光线，入射到V型槽边缘的反射镜面51上，被镜面51反射后最终入射到光电转换系统中电池90上。

本系统中聚光率取决于菲涅尔透镜11与光电转换系统中电池90的几何比例，V型槽作为二级光反射部件(SOE)，可以抹平整个电池的光强分布，使电池表面接受光照更均匀。

光电转换系统中电池20、30、40、50、60、70、80、90以及第六种情况和第八种情况中的电池均是指上述的光电转换系统中串联连接的若干个薄膜太阳电池所形成的组件，在截面图中显示为单个电池。

Claims

1.一种聚光发电系统，包括：聚光系统和光电转换系统，所述的光电转换系统由若干个薄膜太阳电池串联连接而成，所述的薄膜太阳电池包括衬底，以及在衬底上依次沉积的背接触电极、作用层、缓冲层、透明导电层和金属栅线，其特征在于，所述的衬底为导热衬底，所述的作用层的组分为a-Si:H、CdTe、Cu(InGa)Se₂、有机物光电转换材料或染料敏化的光电转换材料，所述的金属栅线为网状结构。

2.如权利要求1所述的聚光发电系统，其特征在于，所述的金属栅线为方形网状结构、回旋形的网状结构、圆形网状结构或椭圆形网状结构。

3.如权利要求1所述的聚光发电系统，其特征在于，所述的金属栅线的宽度为90～150μm。

4.如权利要求1所述的聚光发电系统，其特征在于，所述的作用层的组分为Cu(InGa)Se₂，其中，Ga占到Ga和In的总质量的比值为0.5～0.7。

5.如权利要求1所述的聚光发电系统，其特征在于，所述的导热衬底为金属箔或碳化硅。

6.如权利要求1～5任一所述的聚光发电系统，其特征在于，所述的聚光系统为菲涅尔透镜、反射抛物槽、复合反射抛物槽和反射V型槽中的一种或多种。

7.如权利要求6所述的聚光发电系统，其特征在于，所述的聚光系统由一个复合反射抛物槽和一个反射V型槽构成，其反射光路中复合反射抛物槽作为初级光反射部件，反射V型槽作为二级光反射部件；或者，其反射光路中反射V型槽作为初级光反射部件，复合反射抛物槽作为二级光反射部件。

8.如权利要求6所述的聚光发电系统，其特征在于，所述的聚光系统由两个复合反射抛物槽和一个反射V型槽构成，其反射光路中第一复合反射抛物槽作为初级光反射部件，反射V型槽作为二级光反射部件，第二复合反射抛物槽作为三级光反射部件。

9.如权利要求6所述的聚光发电系统，其特征在于，所述的聚光系统由一个复合反射抛物槽和两个反射V型槽构成，其反射光路中第一反射V型槽作为初级光反射部件，复合反射抛物槽作为二级光反射部件，第二反射V型槽作为三级光反射部件。

10.如权利要求6所述的聚光发电系统，其特征在于，所述的聚光系统由一个反射抛物槽和一个复合反射抛物槽构成，其反射光路中反射抛物槽作为一级光反射部件，复合反射抛物槽作为二级光反射部件。