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2019-05-14 19:49:41 | 来源: 生活

美国:光伏电池材料获得突破 技术革新带动产业发展

基于太空应用而发展起来的III-V族多结太阳能电池在性能上较硅基光伏电池有了极大的提高,尤其是在太阳能聚光应用上。在一个太阳能电池中使用三种不同的光伏材料,III-V族电池可以从整个太阳能波段中提取更多的能量,从而使得太阳能电池提高了开路电压,减少了由热引起的能量损失。由此,III-V族多结太阳能电池在太阳能光伏产业中获得了的转换效率。

美日保持转换效率记录

夏普公司取得了43.5%的太阳能转换效率,与SolarJunction公司持平。

2011年4月14日,位于美国加利福尼亚州圣何塞市的SolarJunction公司,创下了43.5%的光电转换效率。这是一家基于美国斯坦福大学研究成果、用1ev晶格匹配材料制备聚光太阳能III-V族电池芯片的公司。SolarJunction5.5mm 5.5mm的聚光芯片效率超过了原由美国Spire公司在2010年10月取得的42.3%的纪录,其1.2%的增幅远远高于以前的平均增幅。由美国能源部NREL部门测量证实,SolarJunction研制的聚光芯片在400倍太阳模拟器下达到43.5%的转换效率,而且在1000倍太阳模拟器下仍然可以保持43%的效率。

SolarJunction公司的芯片通过采用公司专有的可调光谱晶格匹配(A-SLAM)多结太阳能电池技术,生产出禁带宽度可以在0.8~1.42eV之间变化的材料,使得聚光太阳能电池模组能够限度地吸收太阳光,因此提高了转换效率和能源收获。它还有一个优越性,由于材料生长是晶格匹配的,保证了性能的长期可靠。通常聚光太阳能电池外延是用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术生长的,而SolarJunction采用了分子束外延(MBE)生长方式来实现它的独特结构。

SolarJunction与IQE签署了生产合同,逐渐扩大高效率多结太阳能电池芯片的生产规模。IQE将会成为SolarJunction公司的晶圆外延片供应商,参与SolarJunction公司正在进行的研发项目。2012年5月21日,SolarJunction公司宣布与SolFocus公司达成了5MW的销售协议。

2012年6月4日,日本夏普公司用聚光三结III-V合成半导体光电池,也取得了43.5%的太阳能转换效率,与SolarJunction公司持平。夏普公司43.5%的太阳能转换效率测量数据已经在4月份被位于德国弗莱堡的弗劳恩霍夫太阳能系统研究所证实,此电池的受光面积大约在0.167cm2,测试条件是在306倍的太阳光模拟器下。的三结太阳能电池基本结构是采用夏普专有技术,底层外延材料为铟镓砷,并且应该是采用了IMM制造工艺。

生长技术百家争鸣

IMM结构的太阳能电池更容易提高芯片效率。

美国Spectrolab公司是2009年聚光太阳能芯片效率记录(41.6%)的,该公司致力于研发III-V族太阳能芯片,是太阳能聚光领域的供应商。2011年,Spectrolab公司拥有80%的聚光太阳能电池市场占有率,其太阳能电池芯片销售给聚光领域的公司,如AMONIX和SolFocus。Spectrolab公司已经于2011年3月投入生产40%转换效率的芯片,并首次采用直立变构器件(UMM)结构。Spectrolab表示,其聚光太阳能电池芯片发展规划是到2015年实现45%~52%的转换目标。

美国Spire公司是2010年聚光太阳能芯片效率记录(42.3%)的创造者。在该公司的外延片制备工艺中,首先在N型轻掺杂的砷化镓衬底背面外延生长层晶格不匹配的0.94eV铟镓砷,然后需要翻转外延片,使1.42eV砷化镓和1.89eV铟镓磷能外延生长在晶格匹配的相反面,接下来则采用标准的III-V族生产步骤。Spire认为它的工艺还是比较简单的,和IMM生长过程不一样,双向面部的方法不用外延剥离法或者晶片黏附法,但是它需要完成分段生长和翻转外延片两个关键步骤。目前,Spire半导体已被Masimo公司收购。

德国的AzurSpace是欧洲III-V族电池芯片的生产商,在太空行业经验丰富,现在也成立了地面应用的芯片制造部门,从2010年起量产晶格匹配的三结太阳能电池芯片,并采用高禁带(1.9eV)材料作为顶层结构,用户定制的芯片效率达到了41.2%。其商业所用芯片为直立变构结构,效率高达42%,将会于2013年上市。隧道二极管是Azur高聚光设计的关键,也是它的专利,可调节的减反膜也能适应玻璃的反射率。据悉,Azur公司将宽波段的减反膜作为下一代IMM电池芯片的主要技术。

采用大衬底是降低聚光太阳能电池芯片成本的一个趋势。美国JDSU公司于2010年开始生产多结聚光太阳能电池芯片,并且也是家采用150mm(6英寸)锗片衬底的公司。但是JDSU公司并不自己生产芯片,而是于2011年7月将其生产外包给台湾的合作伙伴。JDSU买下了英国的QuantaSol公司,得到了该公司聚光太阳能电池的产品设计、知识产权专利,其中包括多层量子井技术,带有多层量子井或量子点的中间结可以提高光的吸收效率。JDSU预计,2012年及2013年其芯片效率每年将提高1%。

NREL公司一直在III-V族多结光伏电池及聚光太阳能系统方面有较深的研究。NREL首先发明了多结芯片,并与其他厂商开发工业标准的GaInP/Ga(In)As/Ge技术。他们个推出了IMM结构的太阳能电池,40.8%的转换效率证明此技术是一种较高效实现能量转换的方法,而且研究表明这种结构更容易提高芯片效率。IMM结构能够拥有较高的性能归结于其电池芯片的外延生长过程,这个工艺逆转了通常的三结工艺,先外延生长顶层材料,然后生长底层材料。IMM结构使用镓铟磷和镓铟砷,电池外延生长在砷化镓衬底上,然后将其反过来,粘附在一个作为载体的超薄金属箔上,再使电池与外延衬底分离。NREL研发人员通过使中层和底层电池结的变构 晶格不匹配 来改善IMM结构,让它们不遵守匀称的原子间距,从而尽可能地增大太阳能能量的效率。IMM结构的一个优点是可以重复使用昂贵的外延衬底基质材料以降低生产成本,另一个优点就是载体层并不需要是晶体,可以根据特殊应用来选择载体,达到又薄又轻的目的。

芯片效率是经济效益的关键

杠杆效应放大了芯片效率提高的价值,从而影响到总的系统成本。

在过去的四年里,聚光太阳能电池芯片的转换效率以每年平均0.4%的速率增长。电池芯片效率的增长是提高聚光太阳能经济效益的关键,因为杠杆效应放大了芯片效率提高的价值,从而影响到总的系统成本。假设现在系统总成本为2美元/瓦,芯片成本占系统总成本的20%,即0.4美元/瓦。如果提高20%的芯片效率,新的芯片效率从40%提高为48%,同时增加了20%的芯片成本(新的芯片成本为0.48美元/瓦),那么在假设其余部件成本不变的情况下,新的系统总成本将为1.73美元/瓦 芯片成本增加0.08美元/瓦,换来了系统总成本降低0.27美元/瓦。由此可见,十年内芯片的效率超过50%是降低聚光太阳能电池模组成本的关键因素,这样才能达到美国能源部提出的1美元/瓦的目标。当然,其他系统配件也需不断地提高性能和降低成本。

研发人员早已开始展望下一代多结聚光太阳能电池的发展。波音旗下Spectrolab公司预计,将来陆地所用电池非常有可能发展为四结或者更多结,性能可能超过45%。4、5、6结光伏电池将会有低电流密度和高开压特性,并且将太阳能光谱划分得更详细。相对于3结太阳能电池,低电流密度将会对降低功率损失起到至关重要的作用。据NREL推测,不同结光伏电池理论效率值是:1结,37%;2结,50%;3结,56%;36结,72%。而使用晶圆键合的方法也能达到多结叠加的目的,Spectrolab已作过这方面的示范。

不断刷新的世界纪录以及各种材料生长技术让我们对聚光太阳能电池行业充满了信心。两年前,IQE已经与Intel开展合作,试图在硅基片上生长III-V族外延材料。如果能将这项技术应用到聚光太阳能电池上,将大大地降低聚光太阳能电池芯片成本,大大有助于实现可再生能源应用于大型发电厂中的愿景。

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