航天电源技术地面应用的探索

刘　靖 ，夏宏宇

(1.天津轻工职业技术学院，天津 300350；2.天津蓝天太阳科技有限公司，天津 300392)

1　光伏技术的发展

1.1　光伏发电技术与硅太阳电池

世界发展面临严峻的能源与环境问题。如何解决气候变暖、雾霾等环境和气候问题，还地球一个绿色的生态环境？太阳能发电作为可再生的新能源，成为各国进入“脱碳能源”时代的必然选择。中国目前已成为全球第二大太阳能发电大国，光伏新能源产业已成为未来中国最具发展潜力的战略性新兴产业。

硅太阳电池是目前应用最广，技术最成熟的光伏发电产品，其原理主要是在P型(或N型)材料上扩散一层N型(或P型)材料，形成P-N结内生电场，在光照条件下，驱使光致电子定向运动，产生光生电位差。目前，广泛应用批量生产的单晶硅太阳电池平均效率达到19.5%。

1.2　地面光伏发展与瓶颈

目前，西北地区甚至国内其他地区弃光问题严重，地面电站并网指标紧张，即使工程完成，补贴也不能及时到位，我国地面光伏电站发展遇到了多重难题。其主要表现是太阳能发电装机并网容量成倍增长，而太阳能发电设备的有效利用率大幅下降。以往企业觉得分布式电站量小事多，地面光伏电站量大效益高。现在西部地区乃至全国弃光问题的大量出现，发出的电力如何应用成为主要问题。国家对地面电站的控制指标也在收紧，目前光伏企业的需求和国家的控制指标相比是9∶1，获取光伏指标的难度不断加大。受此影响，国内光伏企业生产停滞、资金出现空前的紧张，只有转变观念，从分布式发电业务、屋顶电站、光伏扶贫等方向开辟新的战场。

面对上述光伏地面电站遇到的多重困难，光伏企业正在拓展分布式电站市场，以期达到多元化发展，减少地面电站的经济占比。地面电站必将调整和减少，这是因为土地资源极其宝贵，而电力紧张的地区土地更宝贵，这是我国中东部地区的分布式屋顶电站市场得以高速发展的根本原因。从我国经济发展分析，分布式电站、农光互补发电、渔光互补发电、山地互补发电是必然的趋势。

1.3　砷化镓与硅材料的比较

这两种材料比较如下。

(1)光电转化率。由于禁带宽度是材料光谱响应的基本参数,砷化镓比硅禁带宽，使得砷化镓材料的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力较硅材料优越。低光谱特性硅电池的理论效率为23%，而高光谱特性单结砷化镓电池的理论效率是27%，而多结的砷化镓电池理论效率还可以达到45%以上。

(2)耐温性。砷化镓材料的太阳电池高温特性优于硅太阳电池，砷化镓材料的太阳电池在250℃的条件下工作正常，而200℃是硅太阳电池正常运行的最高值。

2　航天聚光三结砷化镓光伏组件

2.1　砷化镓组件技术

(1)砷化镓简介

砷化镓GaAs是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，分子量144.63，材料晶格常数5.65×10-10m，晶格是典型的闪锌矿型结构，晶体熔点1 237℃，禁带宽度达到1.4电子伏。它的电阻率比硅、锗半导体材料还要高3个数量级，是理想的半绝缘高阻材料,其电子生存迁移率比硅材料大4～6倍，在制作高频微波器件和高速电子数字电路方面得到广泛应用。砷化镓材料制成的半导体器件具有高频特性优越；高、低温性能好；低噪声、抗辐射能力强等优点，但是它在高温下易分解，在技术上要求比较高的情况下，制备理想化学配比的高纯度单晶材料难度比较大。

(2)发展历程

20世纪50年代GaAs材料被发现具有光生伏打效应。10年后，Gobat团队通过掺锌研制出了首个GaAs太阳电池，光电转化率为8%～10%，与27%的期望值相差甚远。接下来的十年里，美国公司采用液相外延(LPE)技术，应用GaAlAs异质结作为窗口层，降低了GaAs材料表面的电子-空穴对复合速率，砷化镓太阳电池的光电转换效率超过了15%。美国公司通过改进LPE技术电池平均效率达到18%，实现了批量生产。从20世纪80年代后，GaAs太阳电池技术经历了多层面的技术改进，加工材料从同质外延改进为异质外延；加工工艺从LPE改进为MOCVD；产品结构从单结改进为多结叠层，效率不断提高，在实验室条件下最高效率已超过48%(来自IBM公司数据)，产业级大批量生产平均转化率可达30%以上。

(3)制备方法

根据材料特性，砷化镓被分为体单晶材料和外延材料两类。体单晶材料作为基础材料，可用作外延材料的衬底，当然还可以采用离子注入掺杂技术直接制造。不掺杂、半绝缘砷化镓单晶材料可以采用液封直拉法(即液封乔赫拉斯基法，简称LEC法)制成，可以采用氮化硼 (PBN)坩埚在高压单晶炉内热解方法制造，也可以采用干燥的氧化硼液封剂直接合成和拉制或者在常压下用石英坩埚和含水氧化硼为液封剂的方法制成。砷化镓材料晶体的直径可达到Φ150 mm。

砷化镓的外延生长方式可分为气相外延工艺和液相外延工艺两种，外延层的纯度和晶体完整性优于体单晶材料。汽相外延工艺Ga/AsCl3/H2法,也可以通过Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2的方法实现。低温和低温低压下的外延生长工艺，可以改进Ga/AsCl3/H2气相外延层的质量。液相降温生长外延层工艺是用 Ga/GaAs熔池覆盖衬底表面来实现，温度梯度生长法或直流电外延法同样可用来制造异质结(如GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是制造砷化镓双异质结激光器和太阳电池等的核心技术。砷化镓外延技术还可以采用分子束外延和金属有机化合物汽相沉积外延技术实现。

通过半导体材料掺杂工艺，得到自由电子-洞穴对。掺入半导体材料的杂质应具有电活性，但是有些污染只会在晶体中形成空位，不能保证电活性，应该在加工过程中去除。掺入的杂质可以是施主原子，也可是受主原子。施主原子是比其替代的原子多一个或一个以上的电子，这些多出的电子在晶体中可以自由移动从而形成电流；对于受主原子，它比其替代的原子少一个或一个以上的电子，因此，受主原子可以捕获晶体中自由移动的电子。

2.2　多结组件技术

在500聚光条件下，三结砷化镓太阳电池的效率可达到35%,作为航天空间技术转化的核心技术，掌握这种电池技术的企业目前还比较少,为了增加内生电场，它具有三个发电的pn结，分别是GaInP2、GaInAs和Ge结如图1所示。

图1　三结砷化镓太阳电池

2.3　聚光组件技术

菲涅耳透镜制造工艺比较简单，故其价格低廉。在加工精度较高情况下，可保证透镜聚焦面光斑均匀；聚光率优；透光率高；耐候性好。太阳电池在接收高倍聚光后的太阳光能时，必须与热沉(heat sink )组合使用，高效释放热量，成为接收器。热沉采用导电绝缘的陶瓷材料,使用导热硅胶将陶瓷热沉与散热器联通成既绝缘又导热的通道。电池与热沉之间的导热需严格控制，在多次热循环条件下保证电池完好，加装了旁路二极管的系统，可以有效地防止热斑效应。

3　空间聚光太阳能电池转地面光伏应用

3.1　基本内容

3.1.1空间技术地面应用原理

由于地面光伏发电产业出现的瓶颈制约了行业的发展，减少用地面积，提高光资源利用率，减少组件制造资源的使用量，是当前必须寻找的出路。航天技术转化民用可以实现节约占地面积和砷化镓太阳电池用量，具体的方法是通过透镜聚光的原理，把比较大的面积上的光通过透镜系统聚集在一个较小的区域(光斑)，太阳能电池面积与光斑面积一致就能达到要求，大大降低了太阳能电池的用量。同样条件下，透镜倍率越高，所需太阳能电池面积越小，这是光伏发电系统降低成本的新方法，但是聚光倍率不可能无限制扩大。

3.1.2技术要求

(1)多结太阳电池是人造卫星用的非聚光光伏系统，经过地面化改进，为了达到12 A/cm2电流密度需要1 000倍高倍率聚光系统。

(2)聚光光伏技术使用了多结太阳电池，在相同功率输出条件下，比晶硅和薄膜电池大量减少半导体材料的使用，降低环境和能源的消耗。

(3)在同等条件下，多结砷化镓电池比硅系电池吸收太阳光谱范围更宽，在目前聚光条件下，聚光程度越高，电池转换效率越高，500倍聚光倍率，转化效率达40%。

(4)空间转民用可以实现规模化、集约化、高效化利用太阳能发电的理想。

3.1.3技术水平

采用国内一流，国际领先的高效聚光电池，高倍率聚光系统采用GaAs多结太阳电池，聚光组件转换效率达到35%以上。

3.2　预计效果

我国的太阳能电站装机容量不足全球的1%，而且，国内用于发电的太阳能电池中90%为晶体硅太阳能电池，非晶硅薄膜太阳能电池发展迅速，市场份额占到6%～7%；砷化镓等化合物太阳能电池和纳米太阳能电池等目前市场份额较小，但是发展空间巨大。以天津蓝天太阳科技公司研制生产的三结砷化镓太阳电池为例，其光电转换效率目前已突破30%，创国际领先、国内第一，并成功应用于中、大规模并网和离网光伏发电系统民用化领域。将三结砷化镓电池技术从航天引向地面，使之加快形成覆盖外延材料、电池片、接收器、组件到系统的全产业链，并通过了ISO9001：2008质量认证和“CQC金太阳认证”，到十三五末期砷化镓电池光电转换效率将超过35%，在聚光条件下可达到40%。

有报道指出，投资1亿元，可建成20兆瓦的生产规模，实现千瓦级组件示范应用。逐年增加投入到2019年规划实现产能100兆瓦，需要投入4～5亿元。预期效益产值可达到3～4亿元。

4　结束语

目前，我国新能源光伏产业的产品产量、生产技术和加工设备处于世界前列，具有技术、产品的优势，相对于他国的新能源行业具有较大的竞争优势。当然，处于前列的我国光伏产业没有借鉴的经验，只有自我创新才能够取得突破。因此，采取航天技术地面应用的方式，解决地面光伏电站占地面积大、效率低、东西部资源和利用差别大的问题，是目前比较好的解决方案。

中国电科集团天津蓝天太阳科技公司在神州7号飞船“翅膀”上安装的晶硅太阳能电池，在神州9号飞船上成功应用了三结砷化镓电池，其光电转化效率可达30%，相对晶硅电池，其光电转化效率提高了50%以上;如果具有同样面积的太阳能帆板，所发出的电能就增加了50%以上。采用航天技术500倍聚光三结砷化镓太阳电池产品，在地面应用将可以取得巨大成功。

参考文献：

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