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2024 年 2 月，西班牙塞維利亞大學及 Quintas Energy S.L. 團隊在Journal of Cleaner Production（IF=10.0）上發表研究論文，該研究評估了聚光倍數對晶體硅（c-Si）與銅銦鎵硒（CIGS）兩種光伏技術的影響，分析 CIGS 薄膜技術在低聚光光伏（LCPV）條件下應用的可行性，并探究封裝設計對熱管理策略的優化作用。

摘要

本研究評估了聚光倍數對兩種不同光伏技術（晶體硅 c-Si 和銅銦鎵硒 CIGS）的影響，以分析 CIGS 薄膜技術在低聚光光伏（LCPV）條件下應用的可行性。此外，研究還探討了封裝設計的重要性，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 與晶硅技術以及不同封裝設計（Tedlar、玻璃和鋁背板）。
分析表明，在 2.2 倍與 1 倍聚光條件下進行性能對比，CIGS 技術在 2.2 倍聚光下表現出更高的性能，使其成為 LCPV 系統更具前景的選擇。CIGS 技術因其開路電壓溫度系數而具有固有優勢，而通過優化背板以改善熱管理，可進一步放大其在 LCPV 條件下的性能提升。

實驗材料與儀器

實驗材料

1.光伏組件與電池

晶體硅（c-Si）光伏組件：晶科能源產品，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、INGLAS TIR100-2紅外發射率測定儀、感應式薄層電阻率儀、IV 測試儀、數據采集儀、熱成像相機、氣象站

INGLAS TIR100-2紅外發射率測定儀

 

實驗過程

原型設計
構建三種 LCPV 原型：傳統 c-Si 組件、常規 CIGS 玻璃-玻璃薄膜組件、新型 CIGS 玻璃?鋁封裝組件；采用 V 型槽平面反射鏡實現2.2 倍聚光，并計算反射鏡角度與高度參數。

熱模型構建
使用 NX 6.0 軟件進行有限元熱仿真，對比玻璃背板與鋁背板的散熱效果，優化翅片散熱器高度，驗證網格獨立性，設定自然對流、天空輻射等邊界條件。

用于LCPV材料的熱/光學特性表征

戶外實驗與監測
將原型安裝于雙軸跟蹤系統，在西班牙塞維利亞開展戶外測試；
持續監測環境參數：直射輻照度（DNI）、環境溫度、風速、組件溫度；
當組件溫度超過 85℃時，跟蹤系統自動調整角度降低聚光倍數，防止過熱失效；
測試不同聚光倍數（1×、2.2×）下組件的 I-V 曲線、輸出功率、溫度分布與性能比（PR）、陣列產量（Yf）。

性能評估
采用陣列產量 Yf 與性能比 PR 評估系統損失，對比傳統 PR 計算方法與 NREL 氣象校正方法，分析不同技術與封裝在高溫高輻照下的表現。

 

實驗結論

1.在 2.2 倍低聚光條件下，CIGS 技術性能優于 c-Si，更適合 LCPV 系統。

2.CIGS 因開路電壓溫度系數更低，在高溫下電壓衰減更小，發電增益更高（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%，遠優于 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導致局部熱點與性能異常。

5.綜合來看，CIGS 薄膜光伏結合鋁背板被動散熱，是 LCPV 系統高效、可靠的優選方案。

參考文獻

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).