2024 年 2 月，西班牙塞維利亞大學(xué)及 Quintas Energy S.L. 團(tuán)隊(duì)在Journal of Cleaner Production（IF=10.0）上發(fā)表研究論文，該研究評估了聚光倍數(shù)對晶體硅（c-Si）與銅銦鎵硒（CIGS）兩種光伏技術(shù)的影響，分析 CIGS 薄膜技術(shù)在低聚光光伏（LCPV）條件下應(yīng)用的可行性，并探究封裝設(shè)計(jì)對熱管理策略的優(yōu)化作用。

摘要

本研究評估了聚光倍數(shù)對兩種不同光伏技術(shù)（晶體硅 c-Si 和銅銦鎵硒 CIGS）的影響，以分析 CIGS 薄膜技術(shù)在低聚光光伏（LCPV）條件下應(yīng)用的可行性。此外，研究還探討了封裝設(shè)計(jì)的重要性，以確定最佳熱管理策略。
研究第一階段分析了兩種商用光伏組件的熱性能，并探索通過將 CIGS 光伏組件的背面玻璃背板替換為鋁板以降低原型工作溫度，從而改善 CIGS 光伏組件的溫度管理。隨后，研究制備了多種原型，采用 CIGS 與晶硅技術(shù)以及不同封裝設(shè)計(jì)（Tedlar、玻璃和鋁背板）。
分析表明，在 2.2 倍與 1 倍聚光條件下進(jìn)行性能對比，CIGS 技術(shù)在 2.2 倍聚光下表現(xiàn)出更高的性能，使其成為 LCPV 系統(tǒng)更具前景的選擇。CIGS 技術(shù)因其開路電壓溫度系數(shù)而具有固有優(yōu)勢，而通過優(yōu)化背板以改善熱管理，可進(jìn)一步放大其在 LCPV 條件下的性能提升。

實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料

1.光伏組件與電池

晶體硅（c-Si）光伏組件：晶科能源產(chǎn)品，玻璃-Tedlar 封裝

CIGS 玻璃-玻璃組件：Würth Solar 提供

CIGS 電池：Global Solar提供，采用玻璃-鋁層壓封裝

2.反射鏡材料：鋁玻璃反射鏡，總反射率 93%

3.背板材料：玻璃、Tedlar、鋁板（帶翅片散熱器）

測試儀器

分光光度計(jì)、INGLAS TIR100-2紅外發(fā)射率測定儀、感應(yīng)式薄層電阻率儀、IV 測試儀、數(shù)據(jù)采集儀、熱成像相機(jī)、氣象站

INGLAS TIR100-2紅外發(fā)射率測定儀

實(shí)驗(yàn)過程

原型設(shè)計(jì)
構(gòu)建三種 LCPV 原型：傳統(tǒng) c-Si 組件、常規(guī) CIGS 玻璃-玻璃薄膜組件、新型 CIGS 玻璃?鋁封裝組件；采用 V 型槽平面反射鏡實(shí)現(xiàn)2.2 倍聚光，并計(jì)算反射鏡角度與高度參數(shù)。

熱模型構(gòu)建
使用 NX 6.0 軟件進(jìn)行有限元熱仿真，對比玻璃背板與鋁背板的散熱效果，優(yōu)化翅片散熱器高度，驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性，設(shè)定自然對流、天空輻射等邊界條件。

用于LCPV材料的熱/光學(xué)特性表征

戶外實(shí)驗(yàn)與監(jiān)測
將原型安裝于雙軸跟蹤系統(tǒng)，在西班牙塞維利亞開展戶外測試；
持續(xù)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)：直射輻照度（DNI）、環(huán)境溫度、風(fēng)速、組件溫度；
當(dāng)組件溫度超過 85℃時(shí)，跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整角度降低聚光倍數(shù)，防止過熱失效；
測試不同聚光倍數(shù)（1×、2.2×）下組件的 I-V 曲線、輸出功率、溫度分布與性能比（PR）、陣列產(chǎn)量（Yf）。

性能評估
采用陣列產(chǎn)量 Yf 與性能比 PR 評估系統(tǒng)損失，對比傳統(tǒng) PR 計(jì)算方法與 NREL 氣象校正方法，分析不同技術(shù)與封裝在高溫高輻照下的表現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1.在 2.2 倍低聚光條件下，CIGS 技術(shù)性能優(yōu)于 c-Si，更適合 LCPV 系統(tǒng)。

2.CIGS 因開路電壓溫度系數(shù)更低，在高溫下電壓衰減更小，發(fā)電增益更高（CIGS 提升 103%~113%，c?Si 提升 86%）。

3.封裝與熱管理顯著影響性能：玻璃-鋁背板 + 翅片散熱器可大幅降低組件溫度，CIGS 玻璃-鋁封裝的性能比（PR）僅下降 3%，遠(yuǎn)優(yōu)于 c-Si（下降 11%）和 CIGS 玻璃-玻璃封裝。

4.CIGS 組件溫度分布均勻，溫差＜3%，可靠性更高；反射鏡平整度不足會(huì)導(dǎo)致局部熱點(diǎn)與性能異常。

5.綜合來看，CIGS 薄膜光伏結(jié)合鋁背板被動(dòng)散熱，是 LCPV 系統(tǒng)高效、可靠的優(yōu)選方案。

參考文獻(xiàn)

1. Ward, J.S., et al. A 21.5% efficient Cu(In,Ga)Se? thin?film concentrator solar cells. Prog. Photovoltaics Res. Appl. 10, 40–46 (2002).

2. Wennerberg, J., et al. Thin film PV modules for low concentrating systems. Sol. Energy 69(1–6), 243–255 (2000).