项目概况： 本项目主要研究一款基于高效多结太阳能电池芯片,具有高效光电转换效率的光伏发电系统。利用非成像系统光学原理设计系统的聚光器件，使其具有500倍的高聚光比和较大的接收角。同时考虑结构的紧凑简化，易于加工，为光伏发电系统能实现规模产业化提供技术保障。 随着传统化石类能源的枯竭和环境污染的日益严重,利用太阳能光伏发电成为实现能源可持续发展的一种有效方法和途径。但目前硅系太阳能电池转化效率一般在15%左右,想再提高转换效率已十分困难,同时成本居高不下。提高转换效率和降低成本是太阳能光伏技术中的根本因素。目前研究较多的III-V族材料体系的多结太阳能电池理论上可达70%的转化效率独具优势, 如InGaP/GaAs/Ge三结电池，所报道的转换效率可达42.8％左右。但是砷化镓(GaAs)的材料成本远高于硅电池的材料成本,而电池片的价格是光伏系统成本最主要的部分。如果使用廉价的聚光光学元件将太阳光会聚到面积很小的高效多结太阳能电池上,即图1所示，则能极大提高光电转换效率、减小电池使用面积,同时由于小尺寸电池可以利用现有集成电路制作工艺来进行加工,从而使太阳能光伏发电总体成本大幅度降低，以实现太阳能光伏转换高效性与经济性的统一，这是未来太阳能光伏发电的发展趋势。如图2所示，高聚光太阳能技术可使转换效率从目前的15%左右提高到42%。 聚光系统在几十年来研究历程中也经历了一次次革新。目前代表性的器件主要有拱形线聚焦透镜，复合抛物面聚光器，菲涅尔聚焦镜等。但拱形线聚焦透镜不能获得较高的会聚比，复合抛物面聚光器高宽比较大，菲涅尔聚焦镜聚光均匀性差，需要高精度的太阳同步追踪装置，误差1°损失光强几乎100%，以上缺陷使得所提出的系统难以实现大规模应用。近几年利用非成像光学原理设计的聚光系统有RR型，RX型，XR型，XX型以及RXI型（R表示一次折射，X表示一次反射，I表示一次全反射）等，更易于获得高聚光比，易于集成封装，更有利于实现光伏发电系统的规模化。国内也有多家科研单位及企业致力于聚光光伏系统的研究，但由于成本过高或效率不足等问题，绝大多数尚处于技术试验阶段。 目前世界各个国家对高聚光太阳能技术发展非常重视。日本夏普公司2007年底公布了1000倍聚光、转换效率高达40％的4.5mm2的InGaPAs系多结太阳能电池单元。2008年初，美国Delaware大学的Allen Barnett的研究团队研制的超高效太阳能电池（VHESC），仅在20个太阳的聚光条件下即可实现42.8％的组合效率。2008年8月，美国能源部可再生能源实验室（NREL）宣布，采用倒置赝形三结结构的太阳能电池在326个太阳的聚光条件下，其光电转化效率可达40.8％。2009年，德国研制出454倍聚光条件下获得41.1%的聚光系统，这是目前常规聚光方式下达到得最高光电转换效率。各国光伏企业在今年开始纷纷展开赛跑，未来10年，全球聚光光伏年均增速预计在 40%以上，到2020年行业总产值可达500亿元左右。国内也有多家科研单位及企业致力于聚光光伏系统的研究，但绝大多数尚处于技术试验阶段。中国科学院半导体研究所研制出由菲涅尔透镜组合导光筒的高倍聚光器，可获得400倍聚光比。目前，国内三安光电、利达光电以及中国电子科技集团第18研究所等一些企业研究所自主研发的三结砷化镓电池最高转化效率达39%，在500倍聚光下模块转换效率达30%以上，台湾禧通科技公司生产的10*10mm电池在500倍聚光下效率可超过37%，这些公司与企业的研究进展对推进我国聚光技术发展提供了技术支持。 我国太阳能资源十分丰富，在太阳能发电产业方面已有一定基础，因此，对其发展聚光光伏产业，加速太阳能资源的开发有着深远的意义。同时，国家对以新能源产业为代表的低碳经济扶持的力度越来越大，2008年在内蒙古投资兴建首座聚光光伏示范电站，聚光系统采用陈天应教授的4倍聚光比光漏斗。而高倍聚光光伏发电技术在全世界刚刚兴起，我国与先进国家技术差距并不是很大，此时大力发展聚光光伏产业正当其时。因此本课题拟提出一款基于非成像光学聚光器件的高倍聚光光伏发电系统,其具有500倍聚光比,±2°接收角以及近40%的光电转化效率。本课题的研究具有重要的科学价值和潜在的应用前景，在河北省光伏领域龙头企业的合作下，有力推动环渤海经济区的快速发展，同时促进光学、半导体及自动控制多个学科的发展。 技术创新性： 1. 开发和完善非成像光学设计技术，完成500倍聚光比，2°接收角的聚光系统； 2. 完成基于非成像光学元件的高效多结高聚光太阳能电池发电单元的设计，保证高效光电转化率的实现，电池芯片具备近40%的光电转化效率； 3. 完成一台单元样机并进行性能测试，对光电转化效率、辐能量分布以及温度变化等各项特性进行测试，依据结果对系统作相应的改善，最终完成单元样机定型； 4. 试制和生产多单元矩阵用于大面积高聚光太阳能板（多单元矩阵计划使用4X4＝16单元），将其置于户外进行实际光电转化效率以及输出功率等性能测试； 社会经济效益： 预期设计完成低成本的高效聚光光伏发电系统，达到40%的光电转换效率，单元模块输出峰值功率有望达到250W以上，若采用4*5阵列的太阳能板，则每台输出功率为5KW,而每台系统成本约为2万-3万，与目前平板式光伏发电10-15元/瓦的建设成本相比,下降了至少50%。如果建立起兆瓦级的电站，按河北省年平均日照时间2700小时计算，年发电量可达接近300万千瓦时，则每度电成本能降到0.5-0.8元/度，是目前国家最新规定1.5元/度光伏上网电价的30%-50%。相比同面积的平板固定电池及薄膜电池，发电量呈几百倍的提高，因此，此项目将会带来巨大的经济效益。系统研发完成后将在保定安装进行测试，一旦各项性能达标便在保定天威薄膜光伏有限公司的配合下进行推广，完成规模化生产，同时有望争取到其他国家资金和风险投资。 合作方式： 技术转让 技术许可 成立公司