INGLAS TIR100-2红外发射率测定仪分析 CIGS 薄膜技术的应用

2024 年 2 月，西班牙塞维利亚大学及 Quintas Energy S.L. 团队在Journal of Cleaner Production（IF=10.0）上发表研究论文，该研究评估了聚光倍数对晶体硅（c-Si）与铜铟镓硒（CIGS）两种光伏技术的影响，分析 CIGS 薄膜技术在低聚光光伏（LCPV）条件下应用的可行性，并探究封装设计对热管理策略的优化作用。

摘要

本研究评估了聚光倍数对两种不同光伏技术（晶体硅 c-Si 和铜铟镓硒 CIGS）的影响，以分析 CIGS 薄膜技术在低聚光光伏（LCPV）条件下应用的可行性。此外，研究还探讨了封装设计的重要性，以确定最佳热管理策略。
研究第一阶段分析了两种商用光伏组件的热性能，并探索通过将 CIGS 光伏组件的背面玻璃背板替换为铝板以降低原型工作温度，从而改善 CIGS 光伏组件的温度管理。随后，研究制备了多种原型，采用 CIGS 与晶硅技术以及不同封装设计（Tedlar、玻璃和铝背板）。
分析表明，在 2.2 倍与 1 倍聚光条件下进行性能对比，CIGS 技术在 2.2 倍聚光下表现出更高的性能，使其成为 LCPV 系统更具前景的选择。CIGS 技术因其开路电压温度系数而具有固有优势，而通过优化背板以改善热管理，可进一步放大其在 LCPV 条件下的性能提升。

实验材料与仪器

实验材料

1.光伏组件与电池

晶体硅（c-Si）光伏组件：晶科能源产品，玻璃-Tedlar 封装

CIGS 玻璃-玻璃组件：Würth Solar 提供

CIGS 电池：Global Solar提供，采用玻璃-铝层压封装

2.反射镜材料：铝玻璃反射镜，总反射率 93%

3.背板材料：玻璃、Tedlar、铝板（带翅片散热器）

测试仪器

分光光度计、INGLAS TIR100-2红外发射率测定仪、感应式薄层电阻率仪、IV 测试仪、数据采集仪、热成像相机、气象站

INGLAS TIR100-2红外发射率测定仪

实验过程

原型设计
构建三种 LCPV 原型：传统 c-Si 组件、常规 CIGS 玻璃-玻璃薄膜组件、新型 CIGS 玻璃‑铝封装组件；采用 V 型槽平面反射镜实现2.2 倍聚光，并计算反射镜角度与高度参数。

热模型构建
使用 NX 6.0 软件进行有限元热仿真，对比玻璃背板与铝背板的散热效果，优化翅片散热器高度，验证网格独立性，设定自然对流、天空辐射等边界条件。

用于LCPV材料的热/光学特性表征

户外实验与监测
将原型安装于双轴跟踪系统，在西班牙塞维利亚开展户外测试；
持续监测环境参数：直射辐照度（DNI）、环境温度、风速、组件温度；
当组件温度超过 85℃时，跟踪系统自动调整角度降低聚光倍数，防止过热失效；
测试不同聚光倍数（1×、2.2×）下组件的 I-V 曲线、输出功率、温度分布与性能比（PR）、阵列产量（Yf）。

性能评估
采用阵列产量 Yf 与性能比 PR 评估系统损失，对比传统 PR 计算方法与 NREL 气象校正方法，分析不同技术与封装在高温高辐照下的表现。

实验结论

1.在 2.2 倍低聚光条件下，CIGS 技术性能优于 c-Si，更适合 LCPV 系统。

2.CIGS 因开路电压温度系数更低，在高温下电压衰减更小，发电增益更高（CIGS 提升 103%~113%，c‑Si 提升 86%）。

3.封装与热管理显著影响性能：玻璃-铝背板 + 翅片散热器可大幅降低组件温度，CIGS 玻璃-铝封装的性能比（PR）仅下降 3%，远优于 c-Si（下降 11%）和 CIGS 玻璃-玻璃封装。

4.CIGS 组件温度分布均匀，温差＜3%，可靠性更高；反射镜平整度不足会导致局部热点与性能异常。

5.综合来看，CIGS 薄膜光伏结合铝背板被动散热，是 LCPV 系统高效、可靠的优选方案。

参考文献

1. Ward, J.S., et al. A 21.5% efficient Cu(In,Ga)Se₂ 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).