航天電源技術地面應用的探索

劉　靖 ，夏宏宇

(1.天津輕工職業技術學院，天津 300350；2.天津藍天太陽科技有限公司，天津 300392)

1　光伏技術的發展

1.1　光伏發電技術與硅太陽電池

世界發展面臨嚴峻的能源與環境問題。如何解決氣候變暖、霧霾等環境和氣候問題，還地球一個綠色的生態環境？太陽能發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電大國，光伏新能源產業已成為未來中國最具發展潛力的戰略性新興產業。

硅太陽電池是目前應用最廣，技術最成熟的光伏發電產品，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結內生電場，在光照條件下，驅使光致電子定向運動，產生光生電位差。目前，廣泛應用批量生產的單晶硅太陽電池平均效率達到19.5%。

1.2　地面光伏發展與瓶頸

目前，西北地區甚至國內其他地區棄光問題嚴重，地面電站并網指標緊張，即使工程完成，補貼也不能及時到位，我國地面光伏電站發展遇到了多重難題。其主要表現是太陽能發電裝機并網容量成倍增長，而太陽能發電設備的有效利用率大幅下降。以往企業覺得分布式電站量小事多，地面光伏電站量大效益高。現在西部地區乃至全國棄光問題的大量出現，發出的電力如何應用成為主要問題。國家對地面電站的控制指標也在收緊，目前光伏企業的需求和國家的控制指標相比是9∶1，獲取光伏指標的難度不斷加大。受此影響，國內光伏企業生產停滯、資金出現空前的緊張，只有轉變觀念，從分布式發電業務、屋頂電站、光伏扶貧等方向開辟新的戰場。

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

1.3　砷化鎵與硅材料的比較

這兩種材料比較如下。

(1)光電轉化率。由于禁帶寬度是材料光譜響應的基本參數,砷化鎵比硅禁帶寬，使得砷化鎵材料的光譜響應特性和空間太陽光譜匹配能力較硅材料優越。低光譜特性硅電池的理論效率為23%，而高光譜特性單結砷化鎵電池的理論效率是27%，而多結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　航天聚光三結砷化鎵光伏組件

2.1　砷化鎵組件技術

(1)砷化鎵簡介

砷化鎵GaAs是Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，分子量144.63，材料晶格常數5.65×10-10m，晶格是典型的閃鋅礦型結構，晶體熔點1 237℃，禁帶寬度達到1.4電子伏。它的電阻率比硅、鍺半導體材料還要高3個數量級，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字電路方面得到廣泛應用。砷化鎵材料制成的半導體器件具有高頻特性優越；高、低溫性能好；低噪聲、抗輻射能力強等優點，但是它在高溫下易分解，在技術上要求比較高的情況下，制備理想化學配比的高純度單晶材料難度比較大。

(2)發展歷程

20世紀50年代GaAs材料被發現具有光生伏打效應。10年后，Gobat團隊通過摻鋅研制出了首個GaAs太陽電池，光電轉化率為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，應用GaAlAs異質結作為窗口層，降低了GaAs材料表面的電子-空穴對復合速率，砷化鎵太陽電池的光電轉換效率超過了15%。美國公司通過改進LPE技術電池平均效率達到18%，實現了批量生產。從20世紀80年代后，GaAs太陽電池技術經歷了多層面的技術改進，加工材料從同質外延改進為異質外延；加工工藝從LPE改進為MOCVD；產品結構從單結改進為多結疊層，效率不斷提高，在實驗室條件下最高效率已超過48%(來自IBM公司數據)，產業級大批量生產平均轉化率可達30%以上。

(3)制備方法

根據材料特性，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材料，可用作外延材料的襯底，當然還可以采用離子注入摻雜技術直接制造。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。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，溫度梯度生長法或直流電外延法同樣可用來制造異質結(如GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是制造砷化鎵雙異質結激光器和太陽電池等的核心技術。砷化鎵外延技術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實現。

通過半導體材料摻雜工藝，得到自由電子-洞穴對。摻入半導體材料的雜質應具有電活性，但是有些污染只會在晶體中形成空位，不能保證電活性，應該在加工過程中去除。摻入的雜質可以是施主原子，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　多結組件技術

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

圖1　三結砷化鎵太陽電池

2.3　聚光組件技術

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；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。熱沉采用導電絕緣的陶瓷材料,使用導熱硅膠將陶瓷熱沉與散熱器聯通成既絕緣又導熱的通道。電池與熱沉之間的導熱需嚴格控制，在多次熱循環條件下保證電池完好，加裝了旁路二極管的系統，可以有效地防止熱斑效應。

3　空間聚光太陽能電池轉地面光伏應用

3.1　基本內容

3.1.1空間技術地面應用原理

由于地面光伏發電產業出現的瓶頸制約了行業的發展，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，是當前必須尋找的出路。航天技術轉化民用可以實現節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聚集在一個較小的區域(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，這是光伏發電系統降低成本的新方法，但是聚光倍率不可能無限制擴大。

3.1.2技術要求

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

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

(3)在同等條件下，多結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，電池轉換效率越高，500倍聚光倍率，轉化效率達40%。

(4)空間轉民用可以實現規模化、集約化、高效化利用太陽能發電的理想。

3.1.3技術水平

采用國內一流，國際領先的高效聚光電池，高倍率聚光系統采用GaAs多結太陽電池，聚光組件轉換效率達到35%以上。

3.2　預計效果

我國的太陽能電站裝機容量不足全球的1%，而且，國內用于發電的太陽能電池中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，但是發展空間巨大。以天津藍天太陽科技公司研制生產的三結砷化鎵太陽電池為例，其光電轉換效率目前已突破30%，創國際領先、國內第一，并成功應用于中、大規模并網和離網光伏發電系統民用化領域。將三結砷化鎵電池技術從航天引向地面，使之加快形成覆蓋外延材料、電池片、接收器、組件到系統的全產業鏈，并通過了ISO9001：2008質量認證和“CQC金太陽認證”，到十三五末期砷化鎵電池光電轉換效率將超過35%，在聚光條件下可達到40%。

有報道指出，投資1億元，可建成20兆瓦的生產規模，實現千瓦級組件示范應用。逐年增加投入到2019年規劃實現產能100兆瓦，需要投入4～5億元。預期效益產值可達到3～4億元。

4　結束語

目前，我國新能源光伏產業的產品產量、生產技術和加工設備處于世界前列，具有技術、產品的優勢，相對于他國的新能源行業具有較大的競爭優勢。當然，處于前列的我國光伏產業沒有借鑒的經驗，只有自我創新才能夠取得突破。因此，采取航天技術地面應用的方式，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號飛船上成功應用了三結砷化鎵電池，其光電轉化效率可達30%，相對晶硅電池，其光電轉化效率提高了50%以上;如果具有同樣面積的太陽能帆板，所發出的電能就增加了50%以上。采用航天技術500倍聚光三結砷化鎵太陽電池產品，在地面應用將可以取得巨大成功。

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