随着煤炭、石油等传统能源的日益枯竭和生态环境污染的不断加剧，开发可再生的清洁能源已经成为全世界面临的共同课题.在众多新能源开发中，利用太阳能发电的光伏技术备受瞩目^[1-3].由于太阳能电池的材料紧缺和发电成本过高制约着太阳能光伏的应用，所以降低发电成本是目前光伏技术面临的首要任务.通过减少太阳电池在光伏系统中的占比方式来降低发电成本，也就是聚光光伏技术，被寄予厚望^[4].

折射式聚光器中的菲涅尔透镜具有体积小、重量轻、价格便宜、加工方便和透过率高等优点，在聚光光伏中被广泛使用^[5].GaAs属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱的匹配较适合且能耐高温，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%.针对聚光光伏系统，国内外都进行了大量的研究，2008年，德国的Fraunhofer太阳能系统研究所(FHG-ISE)研制出454倍聚光下效率为41.1%的聚光电池^[6]；王艳等^[7]分析了GaAs电池在标准测试条件下的输出特性，结果表明，在标准测试条件下，太阳电池的光电转换效率为30%~32%；王文博等^[8]在室外测得几何聚光比为676的菲涅尔聚光系统下单片砷化镓太阳电池短路电流放大了322倍.目前对高倍聚光系统下砷化镓电池性能的实验研究主要是基于室内模拟光源条件下进行的，对室外条件下的研究相对较少.本文基于菲涅尔高倍聚光系统，对三结砷化镓电池进行了室外研究.

搭建的菲涅尔透镜太阳能聚光系统如图 1所示，包括太阳能跟踪器、菲涅尔透镜、三结砷化镓电池、二次聚光器、传动机构、支架等.这套装置包括6个模块，每个模块都包含三结砷化镓电池、二次聚光器和菲涅尔透镜，实验研究对象既可为单个模块，也可为6个模块串联组成的组件，通过更换菲涅尔透镜，可实现几何聚光比为500倍和1 000倍的聚光.本次实验只选择单个模块在500倍的几何聚光比下进行实验研究.

图 1(Figure 1)

图 1 砷化镓太阳能电池聚光光伏系统 Figure 1 GaAs solar cell concentrating photovoltaic system

菲涅尔透镜采用PMMA材质，尺寸为238 mm×238 mm，机械性能优越，能长期于户外使用而不易老化，光透过率达90%以上，它能减少透镜的厚度以大幅减少材料的使用，具有价格便宜、加工方便等优点^[9].

本文采用的光伏电池为10 mm×10 mm的三结聚光InGaP/GaAs/Ge叠层光伏电池，三结砷化镓电池具有效率高、耐高温的优点，在聚光光伏系统中被广泛使用.为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗^[10]，此三结聚光InGaP/GaAs/Ge叠层光伏电池在标准测试条件(AM 1.5d (50 W/cm²-500×Sun) @ 25 ℃)下的参数如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 三结聚光光伏电池在标准测试条件下的参数 Table 1 Parameters of triple junction GaAs solar cell tested in standard conditions 参数 符号 数值 单位 转换效率 η 39±2% % 开路电压 Voc 3.11 V 短路电流 Isc 6.81 A/cm2 最佳工作电压 Vm 2.71 V 最佳工作电流 Im 6.61 A/cm2 最大输出功率 Pm 18 W/cm2 填充因子 FF 85 %

表 1 三结聚光光伏电池在标准测试条件下的参数 Table 1 Parameters of triple junction GaAs solar cell tested in standard conditions

当前聚光光伏系统存在很多问题，比如跟踪器的跟踪精度偏低、聚焦光斑强度分布不均匀、聚焦光斑形状跟太阳电池不匹配等，二次聚光器可以解决这些问题，从而提高高倍聚光光伏系统的光电转换效率^[11].如图 2所示，使用K9光学玻璃(折射率为1.516 3)的全反射式二次聚光器实际上是一个倒置的玻璃棱锥，光线从上表面折射进入全反射式二次聚光器，经过两个侧面的全反射入射到下底面，起到聚光作用.本实验采用二次聚光器的尺寸为上表面19 mm×19 mm、下底面10 mm×10 mm、高30 mm，其实际几何聚光比为3.61倍.

图 2(Figure 2)

图 2 带全反射式二次聚光器的砷化镓电池 Figure 2 GaAs solar cell with total reflection secondary concentrator

实验平台位于广东工业大学工学三号馆楼顶，聚光光伏系统温度由FLA5032多路温度测试仪的其中一路连接电脑自动记录；电参数包括开路电压和短路电流由VICTOR生产的数字多用表进行测量；太阳总辐射强度E(W/m²)由TRM-2型太阳能测试系统进行测量.

实验时间为2014年5月，从早上9：00开始进行数据记录，到下午16：00结束，每隔5 min测一次数据，数据包括时刻θ、太阳总辐射强度E(W/m²)、500倍聚光下的背板温度T(℃)、各倍率(1倍、3.61倍、500倍)的开路电压V_oc(V)和短路电流I_sc(A).

图 3~图 6表示菲涅尔太阳能聚光光伏系统在室外进行实验的结果.从9：00到16：00的几何聚光比为1倍(未聚光)、3.61倍、500倍的砷化镓电池短路电流随辐射强度的变化如图 3所示，太阳总辐射强度从早上到中午逐渐加强，约13：00达到峰值948 W/m²，当太阳总辐射强度达到峰值时，砷化镓电池的短路电流也达到了峰值，1倍、3.61倍、500倍分别为14.8 mA、38.7 mA、3.75 A.500倍聚光后单片电池的短路电流放大了253倍，并没有达到标准测试条件下的500倍^[8]，主要有两个方面的原因，一是菲涅尔透镜和二次聚光器的反射、吸收和镜面不清洁；二是广州雾霾较大^[12]，散射辐射占总辐射的比例较大，而本实验使用菲涅尔透镜聚光，仅对直射光有聚焦作用，导致聚光系统的能流聚光比小于系统的几何聚光比^[13].

图 3(Figure 3)

图 3 短路电流随辐射强度的变化 Figure 3 Variation of concentrated short-circuit current caused by change of radiation

图 4(Figure 4)

图 4 一天主要辐射段的短路电流随辐射强度的变化 Figure 4 Variation of short-circuit current caused by change of radiation in main radiant section in one day

图 5(Figure 5)

图 5 500倍聚光砷化镓电池背板温度随辐射强度的变化 Figure 5 Variation of temperature at 500X concentrated GaAs solar cell's back caused by change of radiation

图 6(Figure 6)

图 6 开路电压随辐射强度的变化 Figure 6 Variation of concentrated open-circuit voltage caused by change of radiation

图 4表示一天主要辐射段的电池短路电流随辐射强度的变化，可以看出短路电流是随辐射强度的增加而线性增加的.

太阳的辐射光线经折射聚光后，在焦斑周围的温度必然会升高，以致电池芯片工作温度较高，实验研究表明，电池芯片工作温度的增高，短路电流略有增加，开路电压却急剧下降，大概为-5.6 mV/℃，当电池芯片温度固定时，开路电压随辐射强度呈对数增加^[14].500倍聚光的电池背板温度随辐射强度的变化如图 5所示，温度随着辐射强度的增大而增大，辐射强度约13：00达到峰值948 W/m²，背板温度为86.6 ℃，此时背板温度并没有达到峰值，峰值出现在约13：30，为87.2 ℃，这是因为在户外环境下，背板采用自然对流的方式进行散热，环境因素的变化会对其有一定影响^[15]，如风速等，从而造成电池温度的波动.

电池开路电压随辐射强度的变化如图 6所示，太阳辐射强度达到峰值时，1倍、3.61倍聚光的开路电压也达到峰值，分别为2.48 V和2.57 V，而500倍聚光的开路电压并未达到峰值，为2.82 V，比未聚光开路电压增加了0.34 V，峰值出现在10：30时，辐射强度为812 W/m²，背板温度为74.4 ℃，为2.85 V，和峰值辐射强度时的开路电压相差0.03 V.峰值电压没有达到标准测试条件的3.11 V，除了聚光系统的能流聚光比小于系统的几何聚光比外，电池芯片温度的急剧增加也是开路电压降低的重要原因，而标准测试条件下采用的是冷光源或脉冲式太阳模拟器，电池芯片温度基本保持不变^[8].

从图 6中可以发现，1倍、3.61倍聚光的开路电压的变化与辐射强度变化基本一致，是因为低倍聚光，电池芯片的温度变化不大；500倍聚光的开路电压是先随着太阳辐射强度的增加而增加，当辐射强度达到一定程度后，由于芯片温度过高反而降低，这是因为在室外条件下，太阳辐射的增加必然伴随着电池芯片温度的增加，而开路电压随辐射强度的增加呈对数增加，随芯片温度的增加而线性减小.当辐射强度低于812 W/m²时，开路电压随着辐射强度的增加而增加较快，太阳辐射强度对开路电压的变化起主导作用；辐射达到812 W/m²时，背板温度已达74.4 ℃，电池芯片温度更是高于此温度，此后开路电压随着辐射强度的增加仅仅是缓慢增加，电池温度对开路电压的变化起主导作用，此时开路电压达到峰值2.85 V.

用菲涅尔透镜实现高倍聚光时，单片电池的短路电流随太阳辐射的强度变化呈线性变化，但增加倍率并未达到几何聚光比的倍率；开路电压随辐射强度的增加呈对数增加，随芯片温度的增加而线性减小，辐射强度达到峰值时由于芯片温度升高影响开路电压并未达到峰值.与现有的硅光伏电池相比，三结砷化镓光伏电池具有光电转换效率高、耐高温等优点，在以后的光伏市场中有巨大的发展潜力，所收集的数据对菲涅尔聚光光伏系统的进一步研究具有一定的参考价值.