效率问题:III-V族多结电池是聚光技术度电成本下降的主要推手。
从2002年以来,每年的效率提升在0.9%以上。Sharp公司和Fraunhofer实验室达到了今天的冠军效率,分别为三结电池44.4%和四结电池46.0%,46.5%的效率也已经出现,但还未得到权威检测机构的证实。
商业化产品的效率与实验室效率相当接近,说明高倍聚光技术的商业化转化非常迅速。根据一些公司的产品数据规格书,现在商业化聚光芯片的效率在38%~42%。
与其他光伏技术相比,聚光技术的高效率可以这样来解释。
首先,聚光芯片是元素周期表的III族和V族元素的化合物晶体制作,由不同的半导体材料按禁带宽度由低到高顺序堆砌而成的。这样做不仅是减少了光子吸收过程中的热损失,因不同能量的光子对应不同半导体带宽的材料吸收,更重要的是,跟单结结构相比,在透射损失减少的同时,光子吸收范围也大大增加。
同时,III-V族材料是直接带半导体,光子吸收效率很高,可以把材料做得非常薄。对比硅材料,硅是间接半导体材料,吸收光子的能力比较低,硅片通常要作的比较厚。
具体来说,广泛使用的III-V族聚光芯片结构,是晶格匹配的GaInP/InGaAs/Ge,这种材料不仅地面聚光光伏使用,在太空上也已经是成熟的应用了。这种器件是利用产出效率很高的气相外延生长设备(MOCVD)生产的,这种结构中的材料是跟Ge晶格匹配的,因此这种结构的材料晶体质量非常高,2009年其光电效率达到了41.6%(AM1.5d,364倍聚光比)。采用不同组分的III-V半导体材料提供了非常大的材料设计灵活性,具体的材料设计讨论超过了本报告的范围。另请注意,低倍聚光光伏仍然采用单晶硅材料,而本报告主要讨论高倍聚光的技术路径。
原材料供应问题:聚光芯片是采用了多种不同的元素,Ga(镓)、In(铟)和Ge(锗),在全球供应上是有限的。
镓和铟来自采矿副产品的还原,2013年的产量分别是280吨和770吨。2011年锗的产量约为118吨。这是原始产品的产量,不包含回收和重复利用。
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