韓新月, 陳曉彬, 郭永杰, 薛登帥

(江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著III-V族聚光多結(jié)太陽能電池效率的不斷提升,采用此類電池的高倍聚光光伏系統(tǒng)逐步成為探索和研究的前沿[1-3].但是,高倍聚光下電池的溫度會急劇升高,而溫度的升高會使太陽能電池開路電壓急劇降低并且轉(zhuǎn)換效率下降[4].因此,研究具有高散熱能力的冷卻技術(shù)來保證聚光太陽能電池在較高效率下可靠工作,進(jìn)而對降低光伏發(fā)電成本有重要意義[5].文獻(xiàn)[5]指出對于在高倍聚光條件下工作的密排電池組件,主動式冷卻系統(tǒng)的熱阻必須小于10-4K·m2·W-1才能滿足要求.傳統(tǒng)主動式冷卻很難滿足要求,僅有直接液體浸沒冷卻、微通道冷卻、射流沖擊冷卻和主動式液體相變冷卻可提供如此低的熱阻[6].

直接液體浸沒冷卻不像傳統(tǒng)冷卻方式那樣,只有電池的背面可以散熱,而且電池和冷卻劑間的熱阻幾乎可以忽略,所以直接液體浸沒冷卻的散熱能力很大且使電池的溫度分布會很均勻[7],回收的熱量不僅可以供暖,還可以用于吸收式制冷、海水淡化等.已有的液浸光伏技術(shù)研究主要集中在常規(guī)硅太陽能電池和光伏板方面,文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)甘油可以將硅電池的效率提高40%～60%;文獻(xiàn)[9]則發(fā)現(xiàn)讓水僅流過光伏板的上表面也能使系統(tǒng)效率提高8%～9%.而把液浸思想引入聚光光伏系統(tǒng)的有馬德里理工大學(xué)太陽能研究所(UPM-IES)的M.VICTORIA等[10]和天津大學(xué)的王一平等[11-14].前者通過在拋物反射鏡和電池間引入液體介質(zhì)而提出一種新型聚光器-FluidReflex,這種聚光器的聚光比可高達(dá)1 000倍;而后者利用液浸思想來冷卻聚光光伏系統(tǒng),對直接液體浸沒冷卻采用硅電池的中低倍聚光光伏系統(tǒng)開展了系統(tǒng)的研究.但是,作者在研究中發(fā)現(xiàn),把直接液體浸沒冷卻應(yīng)用于采用密排III-V族聚光多結(jié)電池組件的高倍聚光光伏系統(tǒng)更有應(yīng)用前景[15].

因此,文中研究適用于浸沒冷卻高倍聚光下III-V族聚光三結(jié)電池候選液體的種類、液膜厚度對聚光三結(jié)電池電性能的影響,探索該電池在液浸條件下電性能變化的機(jī)理,為有效解決采用密排聚光三結(jié)電池組件的高倍聚光光伏系統(tǒng)的散熱問題以及研制出適合該系統(tǒng)用的耦合液冷光伏接收器提供參考.

1 試驗材料

1.1 聚光三結(jié)太陽電池組件

試驗采用天津藍(lán)天太陽科技有限公司生產(chǎn)的聚光電池組件,其實物圖見圖1.該組件是由高效地面用GaInP/GaInAs/Ge聚光三結(jié)電池,結(jié)合高導(dǎo)熱陶瓷基板低熱阻封裝工藝、金帶鍵合以及無鉛低空洞率焊接技術(shù)研制而成.單個電池片尺寸為10.1 mm×10.8 mm,誤差±0.1 mm,減反射膜為Al2O3,適用于500～1 000倍聚光光伏系統(tǒng),最佳工作溫度范圍為-40～100 ℃.在500倍聚光下,該電池的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40.1% (AM 1.5D, 25 ℃).由圖1可知,該聚光電池組件的基板上還裝有保護(hù)電池的肖特基旁路二極管和方便連接測試用的即插即拔式連接端子.

圖1 聚光三結(jié)太陽電池組件實物圖

1.2 候選浸沒冷卻液體

基于本課題組前期有關(guān)聚光光伏系統(tǒng)中浸沒冷卻液體的光學(xué)性能研究[16]和液體物化性質(zhì)數(shù)據(jù)的分析,選取以下6種液體作為浸沒冷卻高倍聚光下聚光三結(jié)電池組件的候選液體:工業(yè)級白油、化妝級白油、食品級白油、二甲基硅油、正構(gòu)烷烴C14以及異構(gòu)烷烴C16.這6種液體在上述聚光三結(jié)電池響應(yīng)波段(350～1 800 nm)的光譜透過率如圖2所示.由圖可看出,這些液體在此波段內(nèi)的光譜透過率都很高.此外,這些液體的電絕緣性很好,比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及黏度等均滿足熱性能的要求[16].

圖2 光譜透過率以及AM1.5D太陽直射光譜

2 試驗方案

2.1 候選液體的光特性試驗

為了考察適用于浸沒冷卻高倍聚光下III-V族聚光三結(jié)電池候選液體的種類、液膜厚度對聚光三結(jié)電池電性能的影響,采用美國頤光科技有限公司生產(chǎn)的太陽電池伏安特性測試系統(tǒng)研究分析了候選液體浸沒前后聚光三結(jié)電池組件的電性能.該測試系統(tǒng)主要包括光斑面積為4″×4″的ABA級標(biāo)準(zhǔn)太陽模擬器、吉時利2400源表、標(biāo)準(zhǔn)太陽電池、太陽電池伏安特性測試軟件以及美國Omega公司生產(chǎn)的RDXL4SD測溫儀等.此外,文中還設(shè)計了如圖3所示的液浸試驗裝置.

圖3 液浸裝置實物圖

首先,把聚光三結(jié)電池組件通過導(dǎo)熱絕緣雙面膠固定在玻璃容器底部,利用上述測試系統(tǒng)采集組件在1 000 W·m-2,25 ℃條件下的I-V特性曲線.然后,向容器中注入一定厚度的浸沒液體,再次測試組件在同樣光強(qiáng)和溫度下液體浸沒時的I-V特性曲線.本試驗針對6種液體對應(yīng)的6個電池分別采集了0,1,2,3,4,5,6,8,11,14,17和20 mm的共計12組厚度下組件的I-V特性曲線,其中0 mm代表組件無液膜時的情況.組件的開路電壓Voc、短路電流Isc、轉(zhuǎn)換效率η等重要參數(shù)均可通過采集的I-V特性曲線獲得.

2.2 候選液體的暗特性試驗

為了探索聚光三結(jié)電池組件在液浸條件下電性能變化的機(jī)理,還開展了聚光三結(jié)電池組件的暗特性試驗.

在候選液體浸沒電池組件的暗特性試驗中,使用自制暗盒將電池組件處于完全無光的條件下,通過上述太陽電池伏安特性測試系統(tǒng)獲得電池的暗特性曲線.因為考慮到當(dāng)電池完全浸入液體后,不同厚度的液體對電池暗特性影響一致,故僅測試了無液浸和4 mm液厚下電池組件的暗特性曲線.

3 結(jié)果與討論

3.1 聚光三結(jié)電池組件的電性能變化

由于不同液體浸沒下聚光三結(jié)電池組件的I-V特性曲線隨液膜厚度的變化趨勢相似,因此圖4僅給出了不同厚度工業(yè)級白油浸沒時聚光三結(jié)電池組件的I-V特性曲線.由圖4可見,液膜厚度對電池組件的短路電流影響很大,而對組件的開路電壓影響較小.隨著液膜厚度的增加,電池組件的短路電流呈先升高后下降的趨勢,在4 mm液膜下電池組件的短路電流達(dá)到最大,液厚為14 mm時電池組件的短路電流仍和無液浸時的短路電流相當(dāng).

圖4 聚光電池組件的I-V曲線

圖5描述了液體的種類和液膜厚度對聚光三結(jié)電池組件電特性參數(shù)的影響.由圖5a可看出,在不同液體浸沒下電池組件的開路電壓Voc相對變化率隨液膜厚度的變化較小,僅為1%左右,但從總體上可看出組件Voc先增后減,并且除食品級白油外,其他液體在1～2 mm液厚時電池組件Voc達(dá)到最大.但是,當(dāng)液膜厚度達(dá)到一定值后組件Voc將比無液浸時的值小,這說明此時的液膜厚度對電池組件Voc的提高起到抑制作用.其中抑制作用最顯著的是正構(gòu)烷烴C14,從液厚為4.0 mm時組件的Voc已小于無液浸時的值;而抑制作用最小的是二甲基硅油,當(dāng)液厚為13 mm時才開始出現(xiàn)抑制.由圖5b 可看出所有液體對應(yīng)的電池組件的短路電流Isc均在4 mm液厚時達(dá)到最大,不過Isc相對變化率最大(8.46%)的組件對應(yīng)的液體為化妝級白油,最小(4.43%)的組件對應(yīng)的液體為食品級白油.但是食品級白油和二甲基硅油對電池組件Isc提升有促進(jìn)作用的液厚范圍為1～17 mm,異構(gòu)烷烴C16大約在10 mm液厚時已開始出現(xiàn)抑制作用.由圖5c 可知,聚光三結(jié)電池組件效率η的變化趨勢與Isc隨液膜厚度變化趨勢相似.對于所有候選浸沒液體,液厚范圍為1～10 mm時,對應(yīng)組件有液浸時的η均高于無液浸時的η,提升程度取決于液體的種類和液膜厚度.當(dāng)液膜厚度為4 mm時,電池組件η達(dá)到最大,提升程度從大到小依次為化妝級白油、正構(gòu)烷烴C14、工業(yè)級白油、異構(gòu)烷烴C16、二甲基硅油和食品級白油.

圖5 電參數(shù)的相對變化情況

表1給出了6種不同浸沒冷卻液體在0 mm和最優(yōu)液膜厚度4.0 mm時聚光三結(jié)電池組件的Voc,Isc和η.另外,為了表征各種液體在最優(yōu)液膜厚度時對聚光三結(jié)電池組件電性能提升的高低,表1還給出了4 mm厚度液浸時電池組件的Voc,Isc及η的相對變化率.從表中可以看出,液膜對聚光三結(jié)電池組件Isc的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Voc的.在4 mm液厚時,6 種液體中二甲基硅油對應(yīng)電池組件Voc的相對變化率最高,為0.35%.化妝級白油對應(yīng)組件的Isc和η的相對變化率最大,分別為8.36%和8.99%;而食品級白油對應(yīng)組件的Isc和η的相對變化率最小,分別為4.43%和4.67%.因此,在此液厚下電池組件效率的提升主要歸功于短路電流的提升,其次才是開路電壓的提升.

表1 相關(guān)參數(shù)

3.2 機(jī)理分析

基于前期液浸硅電池性能的分析可知[8,12],4.0 mm厚候選浸沒冷卻液體使得對應(yīng)聚光三結(jié)電池組件轉(zhuǎn)換效率提升的主要原因包括液膜引起的光學(xué)效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng)兩方面.而光學(xué)效應(yīng)又包括減反射效應(yīng)和液體吸收效應(yīng),不過4 mm薄液膜引起的光學(xué)吸收效應(yīng)可忽略,所以下面僅考慮減反射效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng).

首先,分析聚光三結(jié)電池表面液膜引起的減反射光學(xué)效應(yīng).當(dāng)無液體浸沒電池時,測試電池電性能的光路自上而下包括空氣(nair=1.00)、電池減反射層Al2O3(nAR=1.72)和聚光三結(jié)電池.測試有液體存在時電池電性能的光路與之唯一的區(qū)別就是在空氣和電池減反射層間增加了浸沒冷卻液體.因此減反射光學(xué)效應(yīng)實際上就是由于液體的存在減少了空氣與電池表面的反射損失,增加了入射到電池內(nèi)部的光通量.利用菲涅爾反射方程與空氣、液體以及電池減反層的折射率即可計算出液膜存在產(chǎn)生的減反光學(xué)效應(yīng)占據(jù)電池效率提升的百分比.其中,菲涅爾反射方程[17]為

(1)

式中:R為界面反射率;n1為介質(zhì)1的折射率;n2為介質(zhì)2的折射率.具體計算過程:當(dāng)無液膜存在時,n1和n2分別表示空氣和電池減反層Al2O3的折射率;當(dāng)有液膜存在時,n1和n2分別表示空氣和對應(yīng)液體的折射率以及對應(yīng)液體和電池減反層Al2O3的折射率.對比2種情況下計算的界面反射率即可獲得液膜引起的減反射光學(xué)效應(yīng)引起電池效率提升的百分比,參見表1,從表中可以看出，3種白油均為2.67%,二甲基硅油為3.18%,正構(gòu)C14為3.03%,異構(gòu)C16為3.09%.根據(jù)計算過程和結(jié)果分析還可得出,電池減反層折射率與浸沒冷卻液體折射率在數(shù)值上越接近,電池表面的菲涅爾反射損失越小.

除了上述介紹的液體減反射光學(xué)效應(yīng)引起聚光三結(jié)電池效率的提升,液體的電學(xué)效應(yīng)也可改變浸沒于液體中電池的電性能,其計算結(jié)果列于表1的最后一列.從表中可以看出,浸沒于化妝級白油的電池電學(xué)效應(yīng)對轉(zhuǎn)換效率的提升最高,為6.32%,最低的是食品級白油,其電學(xué)效應(yīng)對應(yīng)值為2.00%.所謂液體電學(xué)效應(yīng),就是電池在液體浸沒下電池表面會吸附一定的液體分子,進(jìn)而降低電池表面載流子復(fù)合速率,從而提高電池效率.

為了更好地理解液膜引起的電學(xué)效應(yīng)提高聚光三結(jié)電池效率的過程,還分析了聚光三結(jié)電池組件在有、無液浸條件下的暗I-V性能.由表1可知,6種液體在4 mm厚度時均提高了對應(yīng)電池組件的效率,其中化妝級白油對應(yīng)組件效率的相對變化率最大,食品級白油對應(yīng)組件效率的相對變化率最小.因此,圖6僅給出了化妝級白油和食品級白油對應(yīng)聚光三結(jié)電池組件的暗特性曲線.

一般來說,III-V族多結(jié)電池的暗電流是偏壓的函數(shù)[18],可以表示為

Idark(V)=Idiff(V)+Iscr(V),

(2)

式中:Idiff(V)為中性區(qū)的擴(kuò)散電流;Iscr(V)為耗盡區(qū)的載流子復(fù)合電流.偏壓較低時,暗電流Idark(V)受制于耗盡區(qū)的載流子復(fù)合電流Iscr(V);而偏壓較高時,暗電流Idark(V)受制于中性區(qū)的擴(kuò)散電流Idiff(V).如圖6所示,化妝級白油和食品級白油對應(yīng)聚光三結(jié)電池組件液浸時的暗電流在0.1～2.0 V的偏壓下均小于無液浸時的暗電流,這就意味著液膜的存在的確降低了聚光三結(jié)電池組件的載流子復(fù)合電流Iscr(V).也就是聚光三結(jié)電池表面吸附的液體分子降低了電池本身載流子的表面復(fù)合速率,從而提高了電池組件的效率.此外,由圖6還可看出,化妝級白油對應(yīng)聚光三結(jié)電池組件暗電流的下降要大于食品級白油對應(yīng)聚光三結(jié)電池組件暗電流的下降.因此,如表1中數(shù)據(jù)所示,在相同光學(xué)效應(yīng)作用下,化妝級白油的電學(xué)效應(yīng)引起組件效率的提升要高于食品級白油的電學(xué)效應(yīng)引起組件效率的提升.

圖6 液浸前后聚光三結(jié)電池組件的暗特性曲線

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)液厚范圍為1～10 mm時,6種浸沒冷卻液體對應(yīng)的聚光三結(jié)電池組件的轉(zhuǎn)換效率相對無液浸時均有提高,提升程度取決于液體的種類和液膜厚度.當(dāng)液膜厚度為4 mm時,對應(yīng)聚光三結(jié)電池組件效率達(dá)到最大,其中化妝級白油對應(yīng)組件的效率的相對變化率最大,而食品級白油對應(yīng)組件的效率的相對變化率最小,分別為8.99%和4.67%.

2) 4 mm薄液膜的存在降低了聚光三結(jié)電池表面的菲涅爾反射和液體分子的吸附作用降低了電池表面復(fù)合速率是薄液膜浸沒時電池轉(zhuǎn)換效率提高的主要原因.